Title:
Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zur schnellen, platzsparenden Röntgentomografiekontrolle
Kind Code:
T5
Abstract:

Die vorliegenden Gegenstände betreffen Kontrollsysteme, Vorrichtungen und Verfahren für die Röntgenkontrolle von Objekten. Ein Transportband kann ein zu kontrollierendes Objekt durch einen Kontrollbereich entlang einer Bewegungsrichtung bewegen, ein oder mehrere Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays können mehrere kollimierte Röntgenstrahlen durch den Kontrollbereich entlang einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung bereitstellen und ein oder mehrere Röntgendetektor-Arrays können von dem Röntgenquellen-Array durch den Kontrollbereich laufende Röntgenstrahlen detektieren. Von dem Röntgendetektor-Array detektierte Röntgenstrahlsignale können aufgenommen werden, um mehrere Röntgenprojektionsbilder des Objekts zu bilden und die mehreren Röntgenprojektionsbilder können in dreidimensionale Tomografiebilder des Objekts verarbeitet werden.



Inventors:
Beckmann, Moritz, N.C. (Cary, US)
Cheng, Yuan, N.C. (Durham, US)
Sprenger, Frank, N.C. (Cary, US)
Lu, Jianping, N.C. (Chapel Hill, US)
Spronk, Derrek, N.C. (Raleigh, US)
Zarur, George, Fla. (Gainesville, US)
Zhou, Otto Z., N.C. (Chapel Hill, US)
Application Number:
DE112012004856T
Publication Date:
12/11/2014
Filing Date:
11/21/2012
Assignee:
XinRay Systems Inc. (N.C., Research Triangle Park, US)
International Classes:
Attorney, Agent or Firm:
isarpatent Patentanwälte Behnisch, Barth, Charles, Hassa, Peckmann & Partner mbB, 80801, München, DE
Claims:
1. Computertomografie-Kontrollsystem, welches umfasst:
ein Transportband, welches dazu ausgebildet ist, ein zu kontrollierendes Objekt durch einen Kontrollbereich entlang einer Bewegungsrichtung zu bewegen;
ein oder mehrere Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays, welche dazu betreibbar sind, mehrere kollimierte Röntgenstrahlen durch den Kontrollbereich entlang einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung bereitzustellen;
ein oder mehrere Röntgendetektor-Arrays, welche dazu ausgebildet sind, von dem Röntgenquellen-Array durch den Kontrollbereich laufende Röntgenstrahlen zu detektieren;
eine elektronische Regelvorrichtung, die dazu betreibbar ist, individuelle Röntgenstrahlen von dem Röntgenquellen-Array gemäß einem vorprogrammierten Muster elektronisch an- und auszustellen;
eine Signalverarbeitungseinheit, die dazu betreibbar ist, korrespondierende von dem Röntgendetektor-Array detektierte Röntgensignale aufzunehmen und mehrere Röntgenprojektionsbilder des Objektes zu bilden; und
eine Datenverarbeitungseinheit, die zum Verarbeiten der mehreren Röntgenprojektionsbilder in dreidimensionale Tomografiebilder des Objekts betreibbar ist.

2. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei der Kontrollbereich einen Tunnel umfasst, durch welchen das Transportband läuft.

3. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei die einen oder mehreren Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays ein oder mehrere nicht-kreisförmige Arrays umfassen.

4. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei die einen oder mehreren Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays dazu ausgebildet sind, mehrere kollimierte Röntgenfächerstrahlen zu erzeugen.

5. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei die einen oder mehreren Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays dazu ausgebildet sind, mehrere kollimierte Röntgenkegelstrahlen zu erzeugen.

6. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei jedes der einen oder mehreren Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays eine Vielzahl von Feldemissions-Elektronenquellen umfasst.

7. Kontrollsystem nach Anspruch 6, wobei jede der Vielzahl von Feldemissions-Elektronenquellen Kohlenstoffnanoröhren-Feldemissions-Elektronenquellen umfasst.

8. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei ein oder mehrere erste Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays oberhalb oder unterhalb des Kontrollbereichs angeordnet sind und ein oder mehrere zweite Mehrstrahl-Röntgendetektor-Arrays an einer Seite des Kontrollbereichs angeordnet sind.

9. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei jedes der einen oder mehreren Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays zwischen ungefähr 5 und 100 individuelle Röntgenstrahlen erzeugende Quellenelemente umfasst.

10. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei die einen oder mehreren Röntgenquellen-Arrays ein erstes Röntgenquellen-Array umfassen, welches dazu betreibbar ist, Röntgenstrahlen mit relativ niedrigerer Energie zu erzeugen, und ein zweites Röntgenquellen-Array umfassen, welches dazu betreibbar ist, Röntgenstrahlen mit relativ höherer Energie zu erzeugen.

11. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei ein der einen oder mehreren Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays und ein korrespondierendes der einen oder mehreren Röntgendetektor-Arrays zumindest im Wesentlichen in derselben Ebene positioniert sind.

12. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei die einen oder mehreren Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays zumindest ein erstes Mehrstrahl-Röntgenquellen-Array und zumindest ein zweites Mehrstrahl-Röntgenquellen-Array umfassen;
wobei die einen oder mehreren Röntgendetektor-Arrays zumindest ein erstes Röntgendetektor-Array umfassen, welches zu dem ersten Mehrstrahl-Röntgenquellen-Array korrespondiert, und zumindest ein zweites Röntgendetektor-Array umfassen, welches zu dem zweiten Mehrstrahl-Röntgenquellen-Array korrespondiert; und
wobei das erste Mehrstrahl-Röntgenquellen-Array und das zweite Mehrstrahl-Röntgenquellen-Array in zwei parallelen Ebenen positioniert sind, die um eine vorbestimmte Strecke entlang der Bewegungsrichtung getrennt sind.

13. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei die einen oder mehreren Röntgendetektor-Arrays ein L-förmiges Array und/oder ein U-förmiges Array umfassen.

14. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei jedes der einen oder mehreren Röntgendetektor-Arrays zumindest zwei Sätze von Detektionselementen umfasst, wobei ein Satz dazu optimiert ist, Röntgenstrahlen mit relativ niedrigerer Energie zu detektieren, und ein anderer Satz dazu optimiert ist, Röntgenstrahlen mit relativ höherer Energie zu detektieren.

15. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei die einen oder mehreren Röntgendetektor-Arrays mehrere Detektorlinien oder einen Flächendetektor umfassen.

16. Kontrollsystem nach Anspruch 1, wobei die Datenverarbeitungseinheit so ausgebildet ist und so betreibbar ist, dass dreidimensionale Tomografiebilder der Objekte rekonstruierbar sind, wenn eine Teilmenge der Projektionsbilder von dem Datensatz für die Rekonstruktion ausgeschlossen werden.

17. Verfahren zur Röntgenkontrolle von Objekten, wobei das Verfahren umfasst:
Bewegen eines zu kontrollierenden Objektes durch einen Kontrollbereich entlang einer Bewegungsrichtung;
Betreiben eines oder mehrerer Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays, um mehrere kollimierte Röntgenstrahlen durch den Kontrollbereich entlang einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung bereitzustellen;
Elektronisches An- und Ausstellen von individuellen Röntgenstrahlen von dem Röntgenquellen-Array gemäß einem vorprogrammierten Muster;
Detektieren von Röntgenstrahlen, die von dem Röntgenquellen-Array durch den Kontrollbereich laufen;
Aufnehmen von korrespondierenden von dem Röntgendetektor-Array aufgenommenen Röntgensignalen und mehrere Röntgenprojektionsbilder des Objektes zu bilden; und
Verarbeiten der mehreren Röntgenprojektionsbilder in dreidimensionale Tomografiebilder des Objektes.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Aufnehmen von korrespondierenden Röntgensignalen das Aufnehmen einer Gesamtanzahl von Projektionen umfasst, die kleiner als ungefähr 200 ist.

19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Verarbeiten der mehreren Röntgenprojektionsbilder das Verwenden von iterativen Rekonstruktionsalgorithmen umfasst.

20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Betreiben eines oder mehrerer Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays das gleichzeitige Erzeugen von Fächerstrahlen von einer Teilmenge von Röntgenquellen-Arrays umfasst; und wobei das Aufnehmen von korrespondierenden Röntgensignalen das Erhalten von mehreren Projektionsbildern durch Röntgenbildgebungs-Multiplexverfahren umfasst.

Description:
PRIORITÄTSANSPRUCH

Diese Anmeldung genießt die Vorteile und die Prioritätsrechte aus der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/629,612, eingereicht am 22. November 2011, und deren Offenbarungsgehalt wird in der vorliegenden Anmeldung in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen.

RECHTSANSPRUCH DER REGIERUNG

Gewisse Aspekte der vorliegend offenbarten Gegenstände wurden mit Unterstützung der US-Regierung unter einem „DHS Sience and Technology Directorate” Vertrag HSHQDC-09-C-00169 entwickelt. Somit besitzt die US-Regierung gewisse Rechte an den vorliegend offenbarten Gegenständen.

TECHNISCHES GEBIET

Die in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Gegenstände betreffen allgemein die Röntgenbildgebung. Insbesondere betreffen die in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Gegenstände Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zur Röntgenkontrolle.

HINTERGRUND

Passagiere, die mit kommerziellen Flugzeugen in den Vereinigten Staaten und anderen Ländern reisen, müssen sich am Flughafen einer Sicherheitsüberprüfung unterziehen. Zwei Arten von Passagiergepäck werden unterschieden: Handgepäck, welches zu jeder Zeit beim Passagier bleibt, und aufgegebenes Gepäck, welches von der Fluglinie gehandhabt wird. Für Handgepäck wird die Sicherheitsüberprüfung so schnell wie möglich ausgeführt, in dem Bemühen die Zeitspanne zu begrenzen, die ein Passagier zum Passieren in das Flughafen Terminal benötigt. Infolgedessen sind die am Kontrollpunkt verwendeten Systeme recht eingeschränkt, weil diese üblicherweise nur eine begrenzte Anzahl von Projektionsansichten (weniger als 10 Ansichten) des Objektes für die visuelle Kontrolle durch eine ausgebildete Bedienungsperson erzeugen. Die Bedienungsperson kontrolliert die zweidimensionalen (2D) Bilder auf Schmuggelware, wie Waffen oder Sprengstoffe. Aufgrund der begrenzten Anzahl von Ansichten überlappen Objekte üblicherweise in dem Bild, was die Identifizierung von Gefahren zu einer schwierigen Aufgabe für die Bedienungsperson und ebenso für Softwarealgorithmen macht.

Demgegenüber werden für aufgegebenes Gepäck fortgeschrittene Sprengstofferkennungssysteme (engl. Explosion Detection Systems, EDS) verwendet, die hochaufgelöste dreidimensionale (3D) Bilder erzeugen und eingebaute Gefahrenerkennungsalgorithmen aufweisen, die automatisch nach versteckter Schmuggelware suchen. Speziell Röntgen-Computertomographie(CT)-Scanner werden in Flughäfen zum Überprüfen von aufgegebenem Gepäck verwendet, um zu detektieren, ob Sprengstoffe oder andere Schmuggelware innerhalb der Gegenstände vorhanden sind. Herkömmliche CT-Gepäckscanner rotieren eine Einstrahl-Röntgenröhre und einen gekrümmten Detektor in einem kreisförmigen Gestell (engl. Gantry) schnell um eine Mittelachse, um die 700 bis 1000 Ansichten zu erhalten, die für eine 3D-Rekonstruktion mittels des gefilterten Rückprojektionsverfahrens (engl. Filtered Backprojektion, FBP) benötigt werden. In einem solchen System werden die Gepäckstücke oben auf einem Transportband befördert, welches sich nahe der Mittelachse der Rotation (Z-Achse) befindet, entlang derer sich das Transportband bewegt, während das Gestell sich dreht. Die Z-Weglänge des Gepäcks, welche während jeder Rotation von den Röntgenstrahlen bestrahlt wird, ist proportional zu der Bewegungsgeschwindigkeit des Transportbands und der Zeitperiode der Rotation des Gestells, welches die Röntgenquelle und den Detektor-Array enthält. Zum Beispiel kann ein CT mit einem rotierenden Gestell gemäß dem Stand der Technik zwei bis vier Umdrehungen pro Sekunde absolvieren.

Herkömmliche CT-Gepäckscanner nutzen typischerweise einen Fächerstrahl in der x-y-Ebene und einen einreihigen Detektor, was die Volumenauflösung begrenzt. Eine weitere Alternative ist es, mehrreihige Detektoren und anspruchsvolle Kegelstrahl-Bildrekonstruktionsalgorithmen zu nutzen, welche prinzipiell eine feinere Volumen-Bildrekonstruktion bieten können. Nichtsdestotrotz erfordert ein herkömmlicher Hochdurchsatz-CT-Scanner ein schnell rotierendes Gestell, um die Gepäckbewegung in Z-Richtung während jeder Rotation des Gestells zu minimieren.

Diese schnelle Rotation erzeugt jedoch mehrere Zuverlässigkeits- und Abbildungsprobleme. Zum Beispiel zeichnen sich diese schnell rotierenden Gestelle durch einen großen, schweren Ring aus, der erheblichen Platz benötigt und hoch anfällig für Ausfälle ist, die von den großen g-Kräften verursacht werden, die durch dessen Rotation erzeugt werden. Die daraus resultierende mechanische Abnutzung verursacht hohe Ausfallzeiten und macht eine kostenaufwendige Wartung notwendig. Die g-Kräfte begrenzen zudem die Scangeschwindigkeit, wodurch das Durchsatzvermögen reduziert wird. Weiterhin verursacht die schnelle Rotation des Gestells eine bewegungsinduzierte Unschärfe außerhalb des Isozentrums, und diese Unschärfe nimmt zu, wenn sich die das Gestell tragenden Kugellager abnutzen. Solch eine Unschärfe wurde als ein Hauptgrund für Fehlalarme ausgemacht. Die TSA hat berichtet, dass die Kosten von zwei- und dreistufigen Kontrollverfahren zur Beseitigung von Fehlalarmen jährlich mehrere hundert Millionen Dollar betragen.

Entsprechend wäre ein CT-System mit einem stationären Gestell oder Ringtunnel vorteilhaft, das die mit einem rotierenden Gestell oder Ringtunnel verbundenen Nachteile reduzieren oder eliminieren kann und das in einer benutzerdefinierten Geometrie gebaut und angeordnet werden kann, um sich an die optimale Anordnung für die zu kontrollierenden Objekte anzupassen.

ZUSAMMENFASSUNG

Gemäß dieser Offenbarung werden Kontrollsysteme, Vorrichtungen und Verfahren für die Röntgenkontrolle von Objekten bereitgestellt. Gemäß einem Aspekt wird ein Computertomografie-Kontrollsystem bereitgestellt und kann ein Transportband umfassen, welches dazu ausgebildet ist, ein zu kontrollierendes Objekt durch einen Kontrollbereich entlang einer Bewegungsrichtung zu bewegen, kann ein oder mehrere Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays umfassen, welche dazu betreibbar sind, mehrere kollimierte Röntgenstrahlen durch den Kontrollbereich entlang einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung bereitzustellen, und kann ein oder mehrere Röntgendetektor-Arrays umfassen, welche dazu ausgebildet sind, von dem Röntgenquellen-Array durch den Kontrollbereich laufende Röntgenstrahlen zu detektieren. Eine elektronische Regelvorrichtung kann dazu betreibbar sein, individuelle Röntgenstrahlen von dem Röntgenquellen-Array gemäß einem vorprogrammierten Muster elektronisch an- und auszustellen, eine Signalverarbeitungseinheit kann dazu betreibbar sein, entsprechende von dem Röntgendetektor-Array detektierte Röntgensignale aufzunehmen und mehrere Röntgenprojektionsbilder des Objektes zu bilden, und eine Datenverarbeitungseinheit kann zum Verarbeiten der mehreren Röntgenprojektionsbilder in dreidimensionale Tomografiebilder des Objekts betreibbar sein.

Obwohl manche der Aspekte der in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Gegenstände vorstehend genannt wurden und diese im Ganzen oder in Teilen durch die vorliegend offenbarten Gegenstände erreicht werden, werden andere Aspekte aus dem weiteren Verlauf der Beschreibung hervorgehen, sofern diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen aufgefasst wird, wie am besten untenstehend beschrieben ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Gegenstände werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden, die im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen zu lesen ist, welche lediglich als erklärende und nicht einschränkende Beispiele beigefügt werden, und wobei:

1 eine schematische Ansicht eines Röntgenkontrollsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegend offenbarten Gegenstände zeigt;

2A eine perspektivische Ansicht eines Röntgenkontrollsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegend offenbarten Gegenstände zeigt;

2B und 2C jeweils Seitenansichten und Draufsichten verschiedener Konfigurationen von Röntgenquellen-Arrays in einem Röntgenkontrollsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegend offenbarten Gegenstände zeigen;

3 ein Flussdiagramm eines Bildgebungsalgorithmus zur Verwendung mit einem Röntgenkontrollsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegend offenbarten Gegenstände zeigt;

4 eine perspektivische Ansicht eines Röntgendetektors zur Verwendung in einem Röntgenkontrollsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegend offenbarten Gegenstände zeigt;

5A bis 5O schematische Ansichten verschiedener Konfigurationen für Röntgenquellen-Arrays und Röntgendetektoren eines Röntgenkontrollsystems gemäß Ausführungsformen der vorliegend offenbarten Gegenstände zeigen;

6 eine perspektivische Ansicht eines Röntgenkontrollsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegend offenbarten Gegenstände zeigt;

7 Bilder eines Artikel-A NIST „Phantom” zeigt, die unter Verwendung eines Röntgenkontrollsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegend offenbarten Gegenstände aufgenommen wurden;

8 ein Diagramm der mittleren CT-Zahl zeigt, welche für drei unterschiedliche Flüssigkeiten in unterschiedlichen Flaschentypen unter Verwendung eines Röntgenkontrollsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegend offenbarten Gegenstände berechnet wurden; und

9 zwei unterschiedliche Ansichten von dreidimensionalen Röntgenbildern einer 22-Zoll Handgepäcktasche zeigt, die unter Verwendung eines Röntgenkontrollsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegend offenbarten Gegenstände erhalten wurden, wobei zwei dünne Gummibögen in rot hervorgehoben sind sowie ein großes Tauchmesser.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

In den letzten Jahren wurden auf Kohlenstoffnanoröhren-Feldemission (engl. Carbon Nanotube (CNT) Field Emission) basierende Quellen von Mehrstrahl-Feldemissions-Röntgenstrahlen (engl. Multibeam Field Emission X-Ray, MBFEX) entwickelt, die mehrere Fokussierpunkte (d. h. Quellenelemente) in einem einzelnen Röntgenröhrengehäuse bereitstellen. Zum Beispiel sind lineare Module mit einer Anzahl von Fokussierpunkten bis hin zu 75 oder mehr mit Strömen von mehreren 10 mA bei 160 kV verfügbar, wobei es allerdings keine theoretischen Grenzen für die Anzahl von Quellenelementen gibt und Röntgenröhren mit Hunderten von individuellen Quellenelementen hergestellt worden sind. Andere beispielhafte Systeme und Verfahren werden in der gleichzeitig anhängenden US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/069,286 offenbart, die am 22. März 2011 eingereicht wurde und deren Offenbarungsgehalt in der vorliegenden Anmeldung in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird.

Unabhängig von der spezifischen Konfiguration können diese Module in ein Sicherheitskontrollsystem installiert werden, um mehrere Röntgenstrahlansichten bereitzustellen. Solche modularen Mehrstrahl-Technologien ermöglichen ein stationäres Gantry-CT-System, welches die obenstehend diskutierten, mit einem rotierenden Gestell (Gantry) verbundenen Nachteile beseitigt und in einer benutzerdefinierten Geometrie gebaut und angeordnet werden kann, um sich an die optimale Anordnung für die zu kontrollierenden Objekte anzupassen. Weil die Röntgenstrahl-Projektionsdaten unterschiedlicher Sichtwinkel durch das elektronische Scannen der Mehrstrahl-Röntgenröhre erzeugt werden, wird die Scangeschwindigkeit nicht durch die Geschwindigkeit der mechanischen Rotation einem sperrigen Gestell begrenzt. Stattdessen wird die Geschwindigkeit, mit der die Röntgenbilddaten von den Detektoren übertragen werden, zum limitierend Faktor, so dass viel schnellere CT-Scans und ein größerer Durchsatz ermöglicht werden. Eine äquivalente Scangeschwindigkeit von 40 Umdrehungen pro Sekunde ist ohne weiteres möglich. Diese schnellere Scangeschwindigkeit führt zu einer kleineren Voxel-Größe entlang der Z-Richtung, was wiederum in einer höheren Auflösung als herkömmliche Scanner und somit einer verbesserten Detektionswahrscheinlichkeit resultiert. Weiterhin spart eine Anordnung der Röntgenröhren in einem an die gescannten Objekte individuell angepassten Array erheblich Platz und eine Elimination des rotierenden Gestells (Gantry) reduziert das Gesamtgewicht und den Leistungsverbrauch des Systems.

Durch die Benutzung eines Systems und Verfahrens gemäß den in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Gegenständen kann die Dichte und effektive Ordnungszahl der Voxel in dem 3D-Bild bestimmt werden und die Segmentierung gemäß der Form und dem Material gemacht werden. Ein Gefahrenerkennungsalgorithmus kann das segmentierte 3D-Bild nach Schmuggelware und gefährlichen oder verdächtigen Objekten basierend auf der Form und dem Material durchsuchen. Im einfachsten Fall können die Bilddaten zur manuellen Kontrolle einer menschlichen Bedienungsperson auf einem Monitor dargestellt werden und verdächtige Bereiche oder Objekte können hervorgehoben werden. Weiterhin kann automatisierte Erkennungssoftware ohne menschliche Überwachung arbeiten und menschliche Bedienungspersonen nur im Falle einer entdeckten Gefahr benachrichtigen oder alarmieren. Folglich können die in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Systeme und Verfahren an Passagier-Kontrollpunkten zur Handgepäckkontrolle oder in einer anderen Ausführungsform für aufgegebenes Gepäck verwendet werden.

Im Einzelnen zeigt zum Beispiel 1 eine schematische Ansicht eines Röntgenkontrollsystems, allgemein mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnet. Das Röntgenkontrollsystem 100 kann ein oder mehrere lineare Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays umfassen, allgemein mit dem Bezugszeichen 150 gekennzeichnet, die jeweils eine Vielzahl aus individuellen Röntgenstrahl-Quellenelementen 152 umfassen können. Zum Beispiel kann jedes der Vielzahl von individuellen Röntgenstrahl-Quellenelementen 152 ein Röntgenstrahl-Fokussierpunkt in Assoziation mit einem Kathodenelement sein, die wiederum jeweils ein Substrat mit einem Kohlenstoffnanoröhren(CNT)-Feldemissionsfilm auf einem Isoliermaterial (z. B. Glas oder Keramik) umfassen. Beispiele einer solchen Feldemissionskathode, die zumindest teilweise aus einem nanostrukturhaltigen Material besteht, finden sich in der US-Patentschrift Nr. 6,553,096, deren Offenbarungsgehalt in vollem Umfang in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.

Wie in 1 gezeigt wird, kann das Kontrollsystem 100 ein erstes Röntgenquellen-Array 150a und ein zweites Röntgenquellen-Array 150b umfassen, die in einem L-förmigen Array angeordnet sind. 1 zeigt eine Konfiguration als Beispiel, in welcher jedes der ersten und zweiten Röntgenquellen-Arrays 150a und 150b neun individuelle Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 umfasst, allerdings sollte für Fachmann offensichtlich sein, dass irgendeine Anzahl von individuellen Röntgenstrahl-Quellenelementen 152 verwendet werden kann (z. B. 5, 50, 100, 256 oder mehr Quellenelemente pro Array) und dass die Konfiguration und Beabstandung dieser Elemente variieren kann (z. B. ein lineares Array mit räumlicher Beabstandung von etwa 2 mm), je nach erwünschter Balance zwischen Bildqualität und den Kosten und der Größe des Systems.

Unabhängig von der spezifischen Konfiguration kann das Kontrollsystem 100 so ausgebildet sein, dass ein oder mehrere einer Vielzahl von individuellen Röntgenstrahl-Quellenelementen 152 selektiv aktiviert werden können, um Röntgenstrahlen durch ein in einem Kontrollbereich, allgemein mit dem Bezugszeichen 115 gekennzeichnet, positioniertes Objekt O zu emittieren und in Richtung eines oder mehrerer Röntgendetektor-Arrays, allgemein mit dem Bezugszeichen 160 gekennzeichnet, zu emittieren. Wie zum Beispiel in 1 gezeigt wird, kann das Kontrollsystem 100 ein erstes Röntgendetektor-Array 160a umfassen, welches im Wesentlichen gegenüber dem ersten Röntgenquellen-Array 150a angeordnet ist, und ein zweites Röntgendetektor-Array 160b umfassen, welches im Wesentlichen gegenüber dem zweiten Röntgenquellen-Array 150b angeordnet ist. Wie im Falle der Röntgenquellen-Arrays 150 kann auch die spezifische Konfiguration der Röntgendetektor-Arrays 160 gestaltet werden, um eine erwünschte Balance zwischen Bildqualität und Kosten, Größe etc. zu erreichen. Als konkretes Beispiel kann jedes der ersten und zweiten Röntgendetektor-Arrays 160a und 160b einen 10 cm Detektor umfassen, der Pixelgrößen von ungefähr 0,39 mm bildet, wobei allerdings die Länge und Detektorgröße abhängig von den Systemvoraussetzungen weit variieren können.

Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 können zu einem im Wesentlichen fächerartigen Strahl in der x-y-Ebene kollimiert werden, so dass für jede Projektion nur eine dünne Schicht des Objekts von Röntgenstrahlen beleuchtet wird. Eine solche Kollimation kann ungewollten Röntgenstrahlungsfluss von gestreuten Röntgenphotonen auf die Röntgendetektor-Arrays 160 verhindern. Weiterhin können die Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 in dieser Hinsicht im Falle eines Systems mit zwei oder mehr Ebenen in solcher Weise kollimiert werden, dass die Strahlung von einer Ebene nicht die anderen Ebenen erreicht. Auf diese Weise können die Bildebenen als unabhängig behandelt werden. Röntgendetektor-Arrays 160 können im Wesentlichen in die gleiche Ebene (x-y) wie ein entsprechendes Röntgenquellen-Array 150 platziert werden.

Im Gegensatz dazu können in einer alternativen Konfiguration Fächerstrahlen gleichzeitig von einer Teilmenge von Röntgenstrahl-Quellenelementen 152 erzeugt werden und es können mehrere Projektionsbilder durch Röntgenbildgebungs-Multiplexverfahren erhalten werden. Beispiele von Röntgenbildgebungs-Multiplexverfahren können in der US-Patentschrift Nr. 8,155,262, Zhou et al., und US-Patentschrift Nr. 8,189,893, Zhang et al., gefunden werden, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme in vollem Umfang in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Alternativ können Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 in einer anderen Ausführungsform dazu ausgebildet sein, Kegelstrahlen durch Kollimation zu projizieren und entsprechende Röntgendetektor-Arrays 160 können Mehrreihen- oder Flächendetektor-Module umfassen.

Bezugnehmend auf 2A bis 2C wird gezeigt, dass das Kontrollsystem 100 weiterhin ein Transportband 110 umfassen kann, welches dazu ausgebildet ist, zu kontrollierende Objekte (d. h. Fluglinienpassagiergepäck) in einen Kontrollbereich 115 entlang der z-Achse des Systems zu transportieren. Im Besonderen kann der Kontrollbereich 115 als im Wesentlichen rechteckiger Transporttunnel ausgebildet sein, durch welchen das Transportband 110 läuft und um welchen mehrere Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays 150 und Röntgendetektor-Arrays 150 angeordnet werden können. Der Kontrollbereich 115 kann von einem Schutzgehäuse 114 umgeben sein. Die Elemente der Röntgenquellen-Arrays 150 und Detektor-Arrays 160 können im Wesentlichen linear sein, so dass diese nahe am Transporttunnel installiert werden können.

Ein Hochspannungs(HV)-Generator 154 kann mit einem oder mehreren der Röntgenquellen-Arrays 150 verbunden werden, um die Anodenspannung für die Röntgenquellen-Arrays 150 bereitzustellen. Der HV-Generator 154 kann eine einzelne Einheit sein, die Spannung an alle Röntgenquellen-Arrays 150 liefert, oder es können mehrere Einheiten vorgesehen sein, die dazu ausgebildet sind, die Anodenspannung unabhängig an jedes der Röntgenquellen-Arrays 150 zu liefern. Eine elektronische Regelvorrichtung 156 kann weiterhin mit einem oder mehreren Röntgenquellen-Arrays 150 verbunden werden, um individuelle Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 in den Röntgenquellen-Arrays 150 zu schalten, und solch ein Schalten kann auf Signalen von einem Steuersystem (nicht gezeigt) basieren. Die zur Aktivierung der Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 verwendete Sequenz kann in der elektronischen Regelvorrichtung 156 gespeichert sein und kann frei über eine Netzwerkschnittstelle (z. B. Ethernet) programmiert werden (z. B. zur Modifikation einer Pulslänge, Amplitude). Die elektronische Regelvorrichtung 156 kann auch den Zustand der Röntgenquellen-Arrays 150 überwachen und Warn- oder Fehlermeldungen erzeugen, die in Echtzeit an das Steuersystem gesendet werden.

Die elektronische Regelvorrichtung 156 kann weiterhin die Röntgenabgabe der Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 (z. B. Pulslänge und Amplitude) regulieren, so dass die Abgabe von Puls zu Puls (d. h. von demselben Quellenelement) und von Quelle zu Quelle (d. h. von unterschiedlichen Quellenelementen) reproduzierbar ist. Wie für den Fachmann offensichtlich sein wird, kann die Abgabe der Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 im Laufe der Zeit langsam degradieren und deren Emissionseigenschaften können sich ändern (z. B. inhärentes Verhalten von CNT-Feldemittern). Um solch eine Degradierung zu behandeln, kann die elektronische Regelvorrichtung 159 die Änderung in der Emission überwachen und den Emissionsprozess regulieren, um die Abgabe konstant zu halten. Die elektronische Regelvorrichtung 156 kann dann eine Warnmeldung an das Steuersystem erzeugen, wenn das Quellen-Array das Ende seiner Lebenszeit erreicht. Diese Überwachung erlaubt es, Wartungsarbeiten im Voraus zu planen und Vorhersagen zu machen, wann das System nicht zur Verfügung stehen wird.

Wie oben diskutiert kann das Kontrollsystem 100 mehrere Mehrstrahl-Röntgenquellen-Arrays 150 verwenden (z. B. zwischen 2 und 5 Arrays) und jedes Röntgenquellen-Array 150 kann eine Vielzahl von individuellen Röntgenstrahl-Quellenelementen 152 aufweisen (z. B. 30 bis 75 individuelle Strahlen). Sogar mit diesen mehreren Quellenelementen kann jedes der Röntgenquellen-Arrays 150 jedoch eine Fläche belegen (z. B. eine Länge von 30 cm), die nicht weit von der für herkömmliche Röntgensysteme benötigten Fläche abweicht. Röntgenquellen-Arrays 150 können zumindest auf zwei Seiten des Tunnels um den Kontrollbereich 115 herum angeordnet werden, wobei Röntgenquellen-Arrays 150 entweder in einer oder mehreren Ebenen angeordnet werden können. Tatsächlich können die Röntgenquellen-Arrays 150 und die Röntgendetektor-Arrays 160 gestaltet werden, um in einem modularen Format angebracht zu werden. Solch ein modulares Design kann eine einfachere Wartung und Systemmodifikation ermöglichen, als auch eine einfache Anpassung der Technologie an andere Tunnelgrößen.

Wie es im Einzelnen beispielhaft in 2B gezeigt wird, kann das Kontrollsystem 110 zumindest zwei quer über dem Transportband 110 angeordnete Röntgenquellen-Arrays 150 umfassen (d. h. jedes ist so positioniert, dass die Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 in einer Ebene senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Transportbands 110 angeordnet sind): eines ist „über” dem Abbildungsbereich 115 angeordnet (d. h. in einer Ebene gegenüber dem Abbildungsbereich 115 von dem Transportband 110) und ein anderes ist an einer Seite des Abbildungsbereichs 115 angeordnet (d. h. in einer Ebene senkrecht zu dem Transportband 110). Zusätzlich können die einen oder mehreren Röntgenquellen-Arrays 150 in zwei parallelen Ebenen positioniert sind, die um eine vorbestimmte Strecke entlang der Bewegungsrichtung des Transportbands 110 getrennt sind, so dass diese Bilder eines sich entlang des Transportbands 110 bewegenden Objekts O in einer im Wesentlichen sequenziellen Weise erhalten können. Auf diese Weise können die einen oder mehreren Röntgenquellen-Arrays 150 verwendet werden, um Projektionsbilder des Objekts O aus verschiedenen Sichtwinkeln zu erhalten, während dieses sich entlang des Transportbands 110 bewegt, ohne eine mechanische Bewegung der Arrays und mit dem Potenzial für eine schnellere Bildaufnahmegeschwindigkeit.

Alternativ können, wie es beispielsweise in 2C gezeigt wird, zusätzliche Röntgenquellen-Arrays 150 um den Abbildungsbereich 115 angeordnet werden, um Bilder aus noch mehr Sichtwinkeln bereitzustellen. Insbesondere können zwei Röntgenquellen-Arrays 150 über dem Abbildungsbereich 115 angeordnet werden, wobei eines über einer Hälfte des Transportbands 110 positioniert ist (z. B. eine linke Hälfte) und das andere über einer anderen Hälfte des Transportbands 110 positioniert ist (z. B. eine rechte Hälfte). Zwei weitere Röntgenquellen 150 können an einer Seite des Abbildungsbereichs 115 angeordnet werden, wobei eine näher an dem Transportband 110 als die andere angeordnet ist (d. h. eine in einer „niedrigen” Position und die andere in einer „hohen” Position). Für den Fachmann wird es allerdings offensichtlich sein, dass viele weitere Variationen der Anzahl und der Positionierung von Röntgenquellen-Arrays 150 verwendet werden können, um die Bildaufnahmegeschwindigkeit und die Auflösung weiter zu verbessern.

In einer weiteren alternative Konfiguration können die Röntgenquellen-Arrays 150 so positioniert sein, das Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 entlang einer Linie entlang der Bewegungsrichtung des Transportbands 110 angeordnet sind, wobei das Röntgendetektor-Array 160 entlang einer Linie im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung positioniert werden kann. Alternativ kann das Röntgenquellenarray 150 im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Transportbands 110 positioniert werden und das Röntgendetektor-Array 160 kann im Wesentlichen parallel zu der Bewegungsrichtung positioniert werden. In beiden Anordnungen kann ein einzelner Satz von im Wesentlichen linearen Komponenten verwendet werden, um Objekt O aus mehreren Sichtwinkeln in drei Dimensionen zu scannen.

In jeder Anordnung kann ein Verfahren zum Betreiben des Kontrollsystems 100 umfassen, dass alle Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 in einer sequenziellen Weise gescannt werden. Insbesondere können beispielsweise alle Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 aus einem ersten Röntgenquellen-Array 150 aktiviert werden (z. B. vom ersten zum letzten innerhalb des Arrays) und dann können alle Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 aus einem zweiten Röntgenquellen-Array 150 aktiviert werden, und so weiter, beginnend mit den in einer ersten Ebene angeordneten Röntgenstrahl-Quellenelementen 152 (z. B. die Ebene ganz links vorne in 2B oder 2C) und dann fortfahrend mit einer zweiten Ebene (z. B. die Ebene ganz rechts hinten in 2B oder 2C). Die Gesamtscanzeit pro Schicht (z. B. voller Zyklus) kann durch die Detektorverarbeitungszeit multipliziert mit der Gesamtanzahl Bilder bestimmt werden. Weil die Ebenen in solch einem System unabhängig sein können, können diese in paralleler Weise durchlaufen werden, was die Gesamtscanzeit pro Schicht um die Anzahl parallel gescannter Ebenen reduziert. In diesem Fall kann der Leistungsbedarf für die Energieversorgung der Anode (z. B. HV-Generator 154) der Leistung einer einzelnen Ebene multipliziert mit der Anzahl Ebenen entsprechen, so dass folglich die Kosten für die Energieversorgung erhöht werden, aber auch der erreichbare Durchsatz von Objekten für eine gegebene z-Auflösung erhöht wird.

Unabhängig von der spezifischen Anordnung und Konfiguration der Röntgenquellen-Arrays 150 kann ein Bildrekonstruktionsverfahren verwendet werden, um die Ausgabe der Röntgendetektor-Arrays 160 in hochaufgelöste 3D-Bilder umzusetzen. Zum Beispiel kann ein als Software implementierter Algorithmus auf dem von Dr. Pan veröffentlichten iterativen Rekonstruktionsalgorithmus mit einem Verfahren aufbauend auf der totalen Variation (engl. Total Variation (TV) method) basieren (siehe z. B. Sidky und Pan, Phys. Med. Biol. 53 (2008) 4777). Solch ein Algorithmus kann dazu verwendet werden, um 3D-Bilddaten aus einer viel kleineren Anzahl von Projektionen als bei herkömmlichen CTs zu rekonstruieren, und kann fehlende oder abgeschnittene Daten kompensieren (d. h. dreidimensionale Tomografiebilder des Objekts können sogar dann rekonstruiert werden, wenn eine gewisse Anzahl von Projektionsbildern von dem Datensatz für die Rekonstruktion ausgeschlossen sind). Zum Beispiel verändern sich die Detektionswahrscheinlichkeit (PD) und die Fehlalarmwahrscheinlichkeit (PFA) theoretisch nicht sonderlich, wenn ein Prozentsatz von Projektionen fehlt, und folglich kann ein Anteil von Projektionsbildern ausgeschlossen werden, ohne dass die tatsächliche Genauigkeit der Rekonstruktion relevant beeinflusst wird. Weiterhin kann das Kontrollsystem 100 in dieser Hinsicht so ausgebildet werden, dass mehr Projektionsbilder als benötigt erhalten werden, um einen für die Rekonstruktion verwendbaren 3D-Bilddatensatz zu erzeugen, so dass das zukünftige Versagen eine begrenzten Anzahl von Quellenelementen erlaubt wird. Zusätzlich kann der Algorithmus mit Röntgenröhren- und Detektorgeometrien arbeiten, die nicht standardisiert sind. Herkömmliche analytische Verfahren (z. B. gefilterte Rückprojektion) brauchen typischerweise 700 bis 1000 Projektionen mit voller Objektabdeckung. Iterative Algorithmen benötigen nur einen Bruchteil der Anzahl von Projektion (z. B. 70 bis 150 je nach Anwendung) sogar mit begrenzter Winkelabdeckung.

Ein abstrahiertes Flussdiagramm (engl. High Level Flow Diagram) eines Verfahrens 200 mit einem solchen Algorithmus wird in 3 gezeigt. Das Verfahren 200 kann mit einem leeren Bild beginnen. Eine algebraische Rekonstruktionstechnik (engl. Algebraic Rekonstruktion Technique, ART) kann ein Bild erzeugen, welches mit den gemessenen Projektionsdaten konsistent ist. Dieses Bild weist eine hohe Variation auf, was als ein „verrauschtes Bild” interpretiert wird, welches eine nachfolgende TV-Iteration glätten kann, so dass ein „verwaschenes Bild” erzeugt wird. Das „verwaschene Bild” kann das abgeschätzte Bild der nächsten Iteration sein. Die Balance zwischen der von der ART auferlegten Bildgenauigkeit und der vom TV addierten Rauschunterdrückung kann adaptiv durch Verwendung der unterschiedlichen Bilder bestimmt werden.

Weil diese iterativen Rekonstruktionsalgorithmen rechenintensiver als gewöhnliche gefilterte Rückprojektionsalgorithmen sind, können diese auf GPUs ausgeführt werden, um beinahe in Echtzeit 3D-Bilder zur Gefahrenerkennung zu erzeugen. Auf diese Weise kann das Verfahren 200 verwendet werden, um Bilder mit einer Verarbeitungszeit in der Größenordnung weniger Sekunden zu erzeugen, was eine automatisierte Gefahrenerkennung an einem Handgepäck-Kontrollpunkt oder in einer Anwendung für aufgegebenes Gepäck ermöglicht.

Bezüglich der spezifischen Konfiguration von Röntgendetektor-Arrays 160 zeigt 4 eine Anordnung, in welcher Photodioden mit Szintillatoren oder die direkte Umwandlung in einem Festkörper (engl. Solid State Direct Conversion) verwendet werden. Wie in 4 gezeigt wird, kann jedes der Röntgendetektor-Arrays 160 mehrere Szintillatoren 161 umfassen, die an mehrere entsprechende Photodioden 162 gekoppelt sind, welche entweder in Einzellinien- oder Mehrlinien-Konfigurationen angeordnet werden können. Zusätzlich können die mehreren Szintillatoren 161 dazu ausgebildet sein, das Röntgensignal auf zwei oder mehr Energieniveaus zu messen. Die Szintillatoren 161 können beispielsweise aus der folgenden Gruppe gewählt werden: Caesiumiodid (CsI), mit Terbium dotiertes Gadolinium-Oxysulfid (Gd2O2S:Tb, Gadox), Gadolinium-Oxysulfid (GOS), Cadmium-Wolframat (CdWO4) oder andere ähnliche dem Fachmann bekannte Materialien. Für die Szintillatoren 161 kann wünschenswert sein, dass diese eine kurze Zerfallszeit mit guter Lichtausbeute aufweisen.

Die Röntgendetektor-Arrays 160 können weiterhin zu Photodioden 162 gehörige Elektronik umfassen. Wie zum Beispiel in 4 gezeigt wird, können die Röntgendetektor-Arrays 160 ein oder mehrere Hauptplatinen (engl. Head Boards) 166 umfassen und mehrere Module können zudem eine Signalverarbeitungsplatine (engl. Signal Processing Board, SPB) 168 für die Datenauslese beinhalten. Zur Materialunterscheidung können die Röntgendetektor-Arrays 160 dazu ausgebildet sein, Röntgensignale von zumindest zwei verschiedenen Röntgenspektren zu sammeln. Die Szintillatoren 161 können in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sein, wobei, wie in 4 gezeigt wird, ein vergleichsweise niederenergetisches Spektrum von einem oberen Modul gemessen wird und ein vergleichsweise hochenergetisches Spektrum von einem unteren Modul gemessen wird. Alternativ oder zusätzlich können die Komponenten in einer parallelen Konfiguration angeordnet werden, in welcher die Szintillatoren 161 nebeneinander angeordnet sind, und/oder es können mehrere Linien aus Szintillatoren 161 (d. h. Mehrreihen- oder Flächendetektor-Module) zur Beschleunigung der Datenerfassung verwendet werden. Unterschiedliche Röntgenspektren können erzeugt werden, indem ein Filtermaterial vor einem der Szintillatoren 161 angebracht wird, was die mittlere Energie der Röntgenphotonen zu höheren Energien verschiebt. Eine weitere alternative Konfiguration kann die Berechnung eines dritten Spektrums aus der Linearkombination der beiden vorhandenen Spektren beinhalten und zudem die Berechnung eines dritten Detektorsignals aus der Linearkombination der zwei gemessenen. In einer weiteren Variante kann die Röntgenenergie moduliert werden, indem die Beschleunigungsspannung für unterschiedliche Projektionen geändert wird. Zum Beispiel können die Röntgenquellen-Arrays 150 ein erstes Röntgenquellen-Array umfassen, welches dazu betreibbar ist, Röntgenstrahlen mit relativ niedrigerer Energie zu erzeugen, und ein zweites Röntgenquellen-Array umfassen, welches dazu betreibbar ist, Röntgenstrahlen mit relativ höherer Energie zu erzeugen.

Die Verarbeitungszeit des Detektors kann typischerweise aus der Anzahl SPBs 168 bestimmt werden, die für das Auslesen der Informationen von den individuellen Detektor-Hauptplatinen verfügbar sind. Das Kontrollsystem 100 kann mehrere Detektor-Arrays 160 verwenden (und folglich mehrere SPBs 168), so dass das Signal des vorherigen Pulses ausgelesen wird, während es über den nächsten Puls integriert und so weiter. Auf diese Weise wird keine zusätzliche Zeit für die Integration benötigt. Die Nutzung einer größeren Anzahl von SPBs 168 kann die Systemkosten erhöhen, kann aber auch die Verarbeitungszeit reduzieren, so lange eine minimale Röntgendosis für jede Projektion bezogen wird. Die minimale Zeit wird daher entweder durch die Pulslänge oder die erreichbare Verarbeitungszeit der SPBs 168 bestimmt.

Es gibt allerdings Schemata, um die Systemkosten zu reduzieren (z. B. Detektor- und Anodenenergieversorgung) bei gleichzeitiger Minimierung der Zeit pro Ansicht für Mehrebenen-Systeme. Im Falle eines Zweiebenen-Systems (siehe z. B. 2B und 2C) kann die Verarbeitungszeit pro SPB 168 als die doppelte Röntgenpulslänge gewählt werden. Zum Beispiel kann die Verarbeitungszeit im Falle eines 100 μs Röntgenpulses ungefähr 200 μs betragen. Die benötigte Verarbeitungszeit im SPB 168 pro Hauptplatine 166 kann in der Größenordnung von ungefähr 50 μs liegen, was ermöglicht, bis zu vier Hauptplatinen 166 mit einem einzelnen SPB 168 zu verarbeiten. In der Zeit, wo der erste Röntgenpuls von der ersten Ebene weg ist, kann eines der Röntgenquellen-Arrays 150 in der zweiten Ebene gepulst werden (d. h. Zeit-Offset) und das entsprechende Röntgendetektor-Array 160 kann ausgelesen werden. Das bedeutet, dass nur 50% der SPBs 168 verwendet werden müssen und nur eines der Röntgenquellen-Arrays 150 zur selben Zeit an ist, was zudem den Leistungsbedarf für den HV-Generator 154 reduziert.

In diesem Schema ist der Duty Cycle der Röhren pro Ebene nur 50%. Mit mehreren Röhren pro Ebene ist der Duty Cycle für eine individuelle Röhre 1/(#Ebenen × #Röhren pro Ebene), was direkt die mittlere Leistung pro Röhre für die Quelle reduziert. Die erreichbare mittlere Leistung wird in Röntgenröhren normalerweise aufgrund der sehr ineffizienten Art der Erzeugung der Röntgenstrahlen eingeschränkt (z. B. wird 99% der Elektronenenergie in Hitze umgewandelt und der Rest in nutzbare Röntgenstrahlung).

In jedem Auslesezyklus können Daten von den Hauptplatinen 166 an den Datenverarbeiter 170 übergeben werden, welcher die Daten für die weitere Verarbeitung speichert. Die rohen Daten können verarbeitet werden, um Detektorartefakte zu entfernen (z. B. Gain-Korrektur, Offset-Korrektur), und die Projektionsdaten können an den Rekonstruktionsalgorithmus übergeben werden, der die individuellen Schichten berechnet, welche zusammen einen 3D-Datensatz bilden. 3D-Bilder aus allen Energie-Bins können mit einem iterativen Rekonstruktionsalgorithmus in Echtzeit rekonstruiert werden (z. B. unter Verwendung des in Verfahren 200 realisierten TV-Algorithmus oder eines modfizierten TV-Algorithmus wie dem Edge-Preserving-Algorithmus von Z. Tian et al., Phys. Med. Biol. 56 (2011) 5949). Eine iterative Rekonstruktion ist allerdings rechenintensiv, so dass der gewählte Rekonstruktionsalgorithmus in Parallelcode auf einer oder mehrerer CPUs implementiert werden kann, um kurze Rekonstruktionszeiten zu erzielen.

Wieder bezugnehmend auf 2B und 2C werden verschiedene Konfigurationen für Röntgenquellen-Arrays 150 und Detektor-Arrays 160 gezeigt. Für den Fachmann wird es allerdings offensichtlich sein, dass aufgrund der Modularität der Röntgenquellen-Arrays und auch der Detektor-Arrays eine große Anzahl geeigneter Quellen- und Detektoranordnungen möglich sind. Einige mögliche Konfigurationen werden beispielsweise in 5A bis 5O gezeigt, einschließlich verschiedener Kombinationen von ein oder mehreren Röntgenquellen-Arrays 150 und ein oder mehrerer entsprechender Röntgendetektor-Arrays 160, die in geraden, L-förmigen, U-förmigen oder anderen Konfigurationen angeordnet sind. Die in 5A bis 5O gezeigten Konfigurationen sind nur beispielhafte Ausgestaltungen und die Anzahl und relative Positionierung von Röntgenquellen-Arrays 150 und Röntgendetektor-Arrays 160 kann basierend auf den jeweilig geforderten Parametern für eine gegebene Implementierung eines Kontrollsystems 100 modifiziert werden. Wie zum Beispiel in 5L gezeigt wird, können manche der anpassbaren Parameter des Kontrollsystems 100 eine Strecke d zwischen benachbarten Röntgenquellen-Arrays 150 und einen Winkel θ zwischen Röntgendetektor-Arrays 160 umfassen. Darüber hinaus zeigen die in 5A bis 5O abgebildeten Konfigurationen nur beispielhafte Ausgestaltungen mit linearen Röntgenröhren, wogegen auch gekrümmte Mehrstrahl-Röntgenröhren zusammen mit gekrümmten Detektoren oder linearen Detektoren verwendet werden können und gekrümmte Mehrstrahl-Röntgenröhren gebaut worden sind.

Allgemein können das Abschneiden von Daten bei Röntgendetektor-Arrays 150, die begrenzte Winkelabdeckung und fehlende Projektionen zu Artefakten in den rekonstruierten Daten führen. Deshalb kann die Anordnung der Komponenten so gewählt werden, dass diese Faktoren soweit wie möglich minimiert werden. Wie beispielsweise in jeder der beispielhaften Konfigurationen gezeigt wird, kann es erstrebenswert sein, da die Detektorlänge festlegen kann, wieviel der Projektionsinformation eingefangen wird, ein oder mehrere der Röntgendetektor-Arrays 160 so zu positionieren, dass zumindest eine Seite des Abbildungsbereichs 115 über einer Länge abgedeckt ist, die größer als die Tunnelabmessungen sein kann. Für die weitere Abdeckung können Röntgendetektoren 160 so viel wie möglich von dem Tunnelumfang auf bis zu drei Seiten des Abbildungsbereichs 115 abdecken (z. B. können die Seiten teilweise abgedeckt sein). Die Positionen der Röntgenquellen-Arrays 150 können die Winkelabdeckung festlegen, während Lücken zwischen den Röntgenquellen-Arrays 150 zu fehlenden Projektionen führen können. Die in 5A bis 5O gezeigten Konfigurationen können entweder in Anordnungen mit einer Ebene oder mit mehreren Ebenen verwendet werden.

Unabhängig von der spezifischen Konfiguration der Komponenten darin kann das Kontrollsystem 100 so ausgebildet werden, dass die allgemeine Form und Größe mit typischen CT-Scannern vergleichbar sind. Ähnlich wie bei bestehenden Multiview-Systemen, kann die Form des Kontrollsystems 100 im Wesentlichen rechteckig sein, weil stationäre lineare Mehrstrahl-Röhren verwendet werden anstelle eines kreisförmigen Gestells. Aufgrund dieser kompakten, nicht kreisförmigen Form kann das Kontrollsystem 100 eine System-Stellfläche aufweisen, die gleich oder kleiner als herkömmliche Multiview-Systeme ohne CT-Technologie ist. Das Kontrollsystem 100 kann folglich problemlos die TSA-Platzanforderungen erfüllen, da es auf beiden Seiten Raum für den Wartungszugriff bietet.

EXPERIMENTELLE DATEN

7 zeigt zwei unterschiedliche mit dem Kontrollsystem 100 aufgenommen 3D-Bilder eines Artikel-A NIST „Phantom”.

Das Artikel-A NIST „Phantom” ist ein industriestandardisiertes Modell (engl. Phantom) zur Quantifizierung der Bildqualität. Die erste Rekonstruktion dieses Modells demonstriert die räumliche Auflösung einer nicht-kreisförmigen Geometrie, da die kleinen Metallpins, der Acetalfächer und die Metallringe sofort erkennbar sind. Zudem demonstrieren die Details in den Scharnieren und Griffen an der Seite die Systemauflösung jenseits der Mitte. Tatsächlich zeigen vorläufige unter Verwendung dieses Modells durchgeführte Berechnungen eine gute Stabilität der CT-Zahl von Schicht zu Schicht, was die Genauigkeit und die Stabilität des Rekonstruktionsalgorithmus mit einem nicht-kreisförmigen Scanner andeutet.

Ein vorteilhaftes Merkmal des Kontrollsystems 100 ist die Fähigkeit Flüssigkeiten enthaltene Flaschen abzubilden, die sich innerhalb des Handgepäcks befinden. Der in 8 gezeigt Graph stellt die mittlere CT-Zahl dar, die für drei unterschiedliche Flüssigkeiten in unterschiedlichen Flaschentypen berechnet wurde. Für jede Berechnung wurden die Flaschen mit einer der Flüssigkeiten gefüllt und in eine 22-Zoll mit Kleidung gefüllte Handgepäcktasche platziert. Trotz der Streuung von den Taschen und den unterschiedlichen Flaschentypen besteht ein Unterschied von weniger als 2% für die mittlere CT-Zahl für jede Flüssigkeit. Dieser Unterschied ist kleiner als der relative Unterschied in den mittleren CT-Zahlen zwischen zwei sehr ähnlichen Flüssigkeiten (Cola und Wasser) und demonstriert, dass das Kontrollsystem 100 fähig ist, Flüssigkeiten abzubilden und zu identifizieren. Die Fähigkeit zwischen ähnlichen Flüssigkeiten zu unterscheiden und die hohe Auflösung des Systems, ermöglichen die Identifizierung von Flüssigkeiten in kleinen Flaschen (z. B. von 3 Unzen oder weniger).

Darüber hinaus ist das Kontrollsystem 100 aufgrund des schnellen Schaltens der Röntgenstrahl-Quellenelemente 152 (z. B. CNT-Mehrstrahl-Röntgenemitter) dazu in der Lage, sehr schmale Rekonstruktionsschichten zu erzeugen, was zu einer sehr hohen Auflösung in Z-Richtung führt. Diese hohe Auflösung mit einer Voxelgröße von etwa 1,5 mm in Z-Richtung ermöglicht die Visualisierung und Analyse von bogenförmigem Material (engl. Sheet Material) in beliebiger Ausrichtung, welches ein Merkmal ist, das in keinem anderen CT-System bei der benötigten Durchsatzrate verfügbar ist. 9 zeigt zwei unterschiedliche Ansichten von dreidimensionalen Röntgenbildern einer 22-Zoll Handgepäcktasche mit zwei dünnen in Rot hervorgehobenen Gummibögen sowie einem großen Tauchmesser. Zwei Ansichten werden gezeigt: Die erste ist eine Draufsicht mit der Unterseite der Tasche aufliegend auf dem Band und die Zweite ist eine gekippte Ansicht zur Demonstration einer 3D-Perspektive. Diese Tasche wurde mit beiden dünnen Bögen senkrecht zum Band gescannt und das Bild wurde mit 1,5 mm isotropen Voxeln rekonstruiert. Die Gummibögen wurden entlang der Kanten des Tascheninnenraums platziert, der mit Kleidung gefüllt war. Die Gummibögen haben Materialeigenschaften, die denen gewisser Gefahrenmaterialien (engl. Threats) ähneln, und demonstrieren die hohe Auflösungsfähigkeit des Kontrollsystems 100 und dessen Potenzial zur Gefahrenerkennung.

Die dünnen Gummibögen machen es einfach, zu erkennen, dass der Scanner nicht nur die Bögen auflöst, sondern auch die Form und die Kontur der Bögen. Das Tauchmesser ist klar erkennbar mit Details wie einer Kerbe im Messer, einem Verschluss für die Scheide und dem Gewicht am Ende des Griffs. Das Bild in 3D-Perspektive demonstriert, dass Röntgenstrahlen durch das Messer durchgedrungen sind und die darunterliegenden Objekte abgebildet haben. Ein globaler Schwellenwert (engl. Global Threshold) wurde auf die Bilder angewendet, um die Kleidung und andere Materialien mit niedriger Intensität zu entfernen, wobei allerdings dichtere Materialien wie Reißverschlüsse und Knöpfe sichtbar bleiben. Der Körper der Tasche, die Rollen und der Griff bleiben auch sichtbar, da diese auch aus dichteren Materialien gemacht sind.

Diese Detektion von dünnem bogenförmigen Material sowie die Analyse von Flüssigkeiten in Flaschen, die in Handgepäcktaschen enthalten sind, zeigen das Potenzial des Systems, automatisch Gefahren in einer Tasche an einem Kontrollpunkt zu detektieren. Diese Fähigkeit ist auch ohne den Bedarf nach spezialisierten Zusatzgeräten in vorteilhafter Weise vorhanden.

Die vorliegenden Gegenstände können in anderen Formen verkörpert sein, ohne vom Grundgedanken und seinen wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Die dafür beschriebenen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht-einschränkend anzusehen. Obgleich die vorliegenden Gegenstände anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurden, fallen andere Ausführungsformen, die für den Fachmann offensichtlich sind, ebenfalls in den Geltungsbereich der vorliegenden Gegenstände. Obwohl die Gegenstände in der vorliegende Anmeldung mit Bezug auf bestimmte Aspekte, Merkmale und/oder veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Nützlichkeit der beschriebenen Gegenstände damit nicht begrenzt, sondern erstreckt sich vielmehr hin zu zahlreichen anderen Variationen, Modifikationen und alternative Ausführungsformen, und schließt diese ein, wie sie sich dem Fachmann für die vorliegenden Gegenstände basierend auf der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung von selbst erschließen. Verschiedene Kombinationen und Unterkombinationen der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Strukturen und Merkmale werden von dem Fachmann mit Kenntnis dieser Offenbarung erwogen und als offensichtlich erachtet. Beliebige der verschiedenen in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Merkmale und Elemente können mit einem oder mehreren offenbarten Merkmalen und Elementen kombiniert werden, sofern nicht Gegenteiliges in der vorliegenden Anmeldung angegeben ist. Entsprechend ist es beabsichtigt, dass die untenstehend beanspruchten Gegenstände breit ausgelegt und interpretiert wird, sowie dass er alle solche Variationen, Modifikationen und alternative Ausführungsformen innerhalb seines Umfangs beinhaltet und Äquivalente der Patentansprüche beinhaltet.