Aparato y método mejorados para la determinación de una composición objetivo.

Un aparato de determinación de la composición objetivo el cual incluye:

un elemento de emisión de rayos X (1) configurado para transmitir simultáneamente fotones de rayos X con diferentes niveles de energía que abarcan el espectro de rayos X en un objetivo (3);

un elemento de detección de rayos X (7) configurado para recibir fotones de rayos X los cuales se han transmitido a través del objetivo y para determinar los niveles de energía de cada uno de dichos rayos X recibidos, dicho elemento de detección de rayos X (7) que se configura para generar al menos una señal de salida indicativa del número de rayos X que se han transmitido a través del objetivo (3) y los niveles de energía determinados para cada uno de dichos rayos X, en donde la señal o señales de salida del elemento de detección de rayos X (7) se agrupan en un período de tiempo preseleccionado para definir la resolución física del aparato de componente objetivo cuando el objetivo (3) se mueve con relación al aparato; y

un elemento de procesamiento (11,13) configurado para:

recibir dicha señal o señales de salida;

aplicar al menos una calibración multivariada preparada para una clase particular de objetivos para relacionar los datos al número de rayos X que se han transmitido a través del objetivo (3) y los niveles de energía determinados para cada uno de dichos rayos X cuando se derivan de la señal o señales de salida, para determinar la presencia de al menos un material componente dentro del objetivo (3), en donde la calibración multivariada correlaciona los datos, sus varianzas y covarianzas contra uno o más de: los niveles de material identificados previamente, la presencia de un material desconocido, o la presencia de un material no deseado; e

indicar la presencia de al menos un material componente dentro del objetivo.

Aparato y método mejorados para la determinación de una composición objetivo Campo técnico

Esta invención se refiere a un método y aparato configurado para determinar la composición objetivo o al menos la presencia de al menos un material componente dentro de un objetivo. En una implementación preferida la presente invención puede emplear información de absorción del espectro de rayos X derivado de un objetivo, y puede actuar automáticamente o emitir una notificación de detección si uno o más materiales de interés se encuentran presentes dentro de un objetivo.

Técnica anterior

En un número de ejemplos es importante detectar o determinar qué son los materiales componentes de un artículo con un proceso no invasivo, rápido y exacto.

Por ejemplo, los sistemas de seguridad de detección enfocada son un equipamiento importante en las industrias de transporte y viajes. Tal equipamiento de detección se emplea para impedir y detectar actividades de contrabando y terroristas. En particular, el equipaje de pasajeros de un avión (ambos, el de mano y el despachado) y la carga aérea necesitan evaluarse rápidamente mediante tales sistemas para mantener un alto movimiento de salidas y llegadas de aviones de un aeropuerto Los pasajeros de avión en particular no gustan de tener sus viajes en avión retrasados por procedimientos de seguridad.

La más efectiva de estas medidas de seguridad es una búsqueda física de la carga o de los pasajeros mismos para detectar la presencia de contrabando, armas y explosivos. Sin embargo, tales búsquedas físicas son lentas y además un proceso invasivo para los pasajeros que se debe evitar si es posible.

El equipo basado en escáner se usa en una extensión limitada en forma de sistemas de absorción de rayos X para escanear el equipaje y la carga. Los rayos X tienen una fuerte potencia de penetración la cual puede usarse para examinar una pieza completa de equipaje rápidamente. Sin embargo, tales sistemas basados en la absorción de rayos X proporcionan solamente información limitada con respecto a la composición objetivo o, en particular, una pieza de equipaje bajo investigación. Tales escáneres de seguridad de rayos X pueden proporcionar información general en términos del contorno físico de un artículo presente dentro de un objetivo el cual absorbe fuertemente los rayos X. En particular, los sistemas de escáner de medición de energía dual se conocen en tales aplicaciones las cuales pueden distinguir entre los rayos X de energía alta y energía baja recibidos. Sin embargo estos sistemas se limitan en su habilidad para distinguir entre diferentes materiales los cuales componen un objetivo. Tales sistemas de energía dual se limitan en particular a evaluar si el material objetivo contiene materiales inorgánicos, orgánicos o metálicos.

Tales escáneres de seguridad existentes proporcionan información limitada como una consecuencia de su resolución limitada del nivel de energía. Los sistemas de escáner de rayos X se conocen por entornos de laboratorio los cuales pueden resolver un amplio rango y número de diferentes niveles de energía para los rayos X recibidos. Sin embargo, estos tipos de equipos de laboratorio son relativamente caros para comprar, requieren un alto grado de mantenimiento y además son complicados de usar. Tales equipos del tipo de laboratorio no pueden trasplantarse directamente con facilidad hacia entornos donde se requiere equipamiento de seguridad basado en escáner, y en particular no pueden funcionar en tiempo real para proporcionar resultados rápidamente. Generalmente los sistemas detectores proporcionados en tales escáneres de seguridad de rayos X no diferencian fácilmente los niveles de energía de los rayos X recibidos, sino simplemente indican la cantidad de flujo de rayos X recibida que se ha transmitido a través de un objetivo en cualquier nivel de energía alto o bajo.

Esta característica de tales sistemas de detección basados en la absorción de rayos X de energía dual explica por qué esta tecnología se usa principalmente sólo para detectar la presencia de materiales con composiciones inorgánicas. En el caso de los explosivos, los compuestos en cuestión generalmente caen dentro del campo de la química orgánica, donde las características de absorción de rayos X de materiales explosivos pueden ser muy similares a esas de otros materiales orgánicos inocuos. Debido a la habilidad limitada de los sistemas de absorción de rayos X de energía dual para distinguir o resolver el nivel de energía de los rayos X recibidos transmitidos a través de tal objetivo, las distinciones no pueden hacerse fácilmente con respecto a cualquier composición particular de un objetivo.

Esta limitación de la tecnología de absorción de rayos X de energía dual explica además por qué no se usa en otras aplicaciones de determinación de composición. La determinación de la composición en tiempo real o en línea tiene muchos y variados usos fuera de las aplicaciones de seguridad tales como, por ejemplo, en el control de calidad para procesos industriales, tomografía diagnóstico para procedimientos médicos o veterinarios, o cualquier otra aplicación adecuada donde la composición exacta de los materiales que hacen un objetivo no se conoce de antemano.

Los expertos en la técnica deberían apreciar que las aplicaciones de seguridad discutidas a lo largo de esta descripción son un uso obvio de un aparato de determinación de la composición objetivo, el cual podría usarse para escanear rápidamente y de forma no invasiva un objetivo y determinar su composición.

En un número de aplicaciones sería preferible para tal trabajo de determinación de la composición que se completara en tiempo real, tal como por ejemplo, cuando los productos o artículos de equipaje de avión en una cinta transportadora de línea de producción se mueven a lo largo de o a través de un aparato de escáner. En tales ejemplos sería preferible usar una metodología de escaneo rápida donde los resultados obtenidos a partir del sistema de escaneo pueden procesarse rápidamente para proporcionar automáticamente una indicación de detección mientras el objetivo escaneado está aún en la vecindad del sistema de escaneo.

Para operar tales sistemas de detección en tiempo real, se prevé que los sistemas de detección y emisión de rayos X necesitarían operar con tasas de rendimiento relativamente altas cuando se compara con la tecnología de escaneo de rayos X de seguridad existente. En tales ejemplos una sola banda o sistema de emisión de nivel de energía necesitaría iterar a través de múltiples niveles de energía para la misma imagen de resultados que estaría disponible cuando los espectros completos de energías de rayos X se transmiten en una sola emisión estallido en un tiempo.

Los sistemas de detección de rayos X existentes pueden emplear además sistemas de detección basados en centelleo, los cuales convierten la radiación de rayos X entrante a energía de luz visible, la cual se recolecta y amplifica subsecuentemente por un componente sensible a la luz. Tales detectores de centelleo son vulnerables a la incertidumbre estadística en las mediciones tomadas, y se limitan en que son capaces de resolver los rayos X recibidos con diferentes pero cercanos niveles de energía.

Se conoce para proporcionar un sistema de escaneo de rayos X el cual mide la absorción de energía de rayos X por un objetivo a través de un amplio espectro de energías de rayos X para determinar la composición potencial de un objetivo. En particular la patente de los Estados Unidos núm. US 695492 describe un sistema de determinación de composición médico enfocado CT el cual emplea un sistema de generación de rayos X para transmitir una sola banda o nivel de energía de rayos X en un momento en un cuerpo objetivo. Tal sistema es inadecuado para las aplicaciones de escaneo en tiempo real en que el enfoque banda por banda iterativo descrito para las emisiones de rayos X no permitiría un rendimiento efectivo de los objetivos a escanear en un marco de tiempo razonable.

A partir del documento WO 21/29557 A2 se conoce un método y aparato para la determinación de las propiedades de un medio de alimento o alimentación. Un sistema escanea el medio mediante haces de rayos X que tienen al menos dos niveles de energía, que incluyen un nivel bajo y un nivel alto, detecta los haces de rayos X que han pasado a través del medio por una pluralidad de áreas (pixeles) del medio, calcula un valor para la absorción en cada área en el nivel de energía bajo y el nivel de energía alto. Los valores se aplican a un modelo de calibración.

Además, el documento US 6975944 se refiere a un método no destructivo en el lugar para monitorear directamente... [Seguir leyendo]

1. Un aparato de determinación de la composición objetivo el cual incluye:

un elemento de emisión de rayos X (1) configurado para transmitir simultáneamente fotones de rayos X con diferentes niveles de energía que abarcan el espectro de rayos X en un objetivo (3); un elemento de detección de rayos X (7) configurado para recibir fotones de rayos X los cuales se han transmitido a través del objetivo y para determinar los niveles de energía de cada uno de dichos rayos X recibidos, dicho elemento de detección de rayos X (7) que se configura para generar al menos una señal de salida indicativa del número de rayos X que se han transmitido a través del objetivo (3) y los niveles de energía determinados para cada uno de dichos rayos X, en donde la señal o señales de salida del elemento de detección de rayos X (7) se agrupan en un período de tiempo preseleccionado para definir la resolución física del aparato de componente objetivo cuando el objetivo (3) se mueve con relación al aparato; y

un elemento de procesamiento (11,13) configurado para: recibir dicha señal o señales de salida;

aplicar al menos una calibración multivariada preparada para una clase particular de objetivos para relacionar los datos al número de rayos X que se han transmitido a través del objetivo (3) y los niveles de energía determinados para cada uno de dichos rayos X cuando se derivan de la señal o señales de salida, para determinar la presencia de al menos un material componente dentro del objetivo (3), en donde la calibración multivariada correlaciona los datos, sus varianzas y covarianzas contra uno o más de: los niveles de material identificados previamente, la presencia de un material desconocido, o la presencia de un material no deseado; e

indicar la presencia de al menos un material componente dentro del objetivo.

2. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior el cual determina además los volúmenes, dimensiones y/o pesos de los materiales componentes presentes dentro del objetivo (3).

3. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior en donde los puntos sobre una superficie del objetivo (3) se iluminan por los rayos X únicamente una vez cuando el objetivo (3) pasa el aparato.

4. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior en donde los fotones de rayos X emitidos por el elemento de rayos X (1) se filtran antes de alcanzar el objetivo.

5. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior en donde el elemento de emisión de rayos X (1) transmite series continuas de rayos X.

6. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior el cual incluye al menos un elemento de emisión de rayos X (1) configurado para transmitir los fotones de rayos X sobre una pluralidad de planos de transmisión.

7. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior en donde el elemento de detección (7) consta de un solo transductor capaz de recibir los fotones de rayos X que se han transmitido a través del objetivo.

8. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior en donde el elemento de detección (7) consta de un arreglo de componentes de detección individuales, con cada componente que se configura para detectar los rayos X dentro de una banda de valores de energía.

9. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior en donde el elemento de procesamiento (11,13) recibe y coteja al menos una señal de salida del elemento de detección de rayos X (7) para indicar el número de fotones de rayos X que se transmiten a través del objetivo a niveles de energía específicos durante un período de tiempo predefinido.

1. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior en donde el elemento de procesamiento (11,13) completa un proceso de estandarización en una señal de salida recibida del elemento de detección (7) el cual usa estándares de longitud de onda los cuales proporcionan al menos dos características únicamente conocidas dentro del espectro de energía de rayos X.

11. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior en donde el elemento de procesamiento (11,13) se configura para emplear una calibración multivariada de material componente diferente para cada material componente para tener su presencia determinada dentro del objetivo (3).

12. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior en donde el elemento de procesamiento (11,13) se configura para indicar que el objetivo (3) incluye un material no identificado si el material no se correlaciona con la calibración multivariada usada.

13. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior en donde la calibración multivariada se prepara para el material componente mediante el uso de materiales componentes específicos de interés contra un fondo desconocido de materiales componentes.

14. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior en donde la calibración multivariada se prepara mediante el uso de un conjunto de datos espectrales de fondo en adición a los patrones de respuesta conocidos de al menos un material confuso.

15. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en la reivindicación 14 en donde el material confuso tiene características de absorción de rayos X similares a las del material componente para el cual se prepara la calibración multivariada.

16. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en la reivindicación 14 en donde el material confuso tiene características de absorción de rayos X no similares a las del material componente de interés para el cual se prepara la calibración multivariada.

17. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior el cual define además al menos una porción de una imagen del objetivo (3), en donde un pixel de la porción de la imagen se define por la señal o señales del elemento de detección de rayos X recibidas dentro de un solo período de tiempo.

18. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquiera de las

reivindicaciones 1 a la 16 el cual define una representación espectral de al menos una porción del objetivo (3) mediante el uso de una señal o señales del elemento de detección de rayos X recibidas dentro de un solo período de tiempo.

19. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en la reivindicación 17 o la reivindicación 18 en donde la porción de la imagen o representación espectral se proporciona por un hipercubo el cual indica una masa predicha de cada material componente asociado con cada pixel de la imagen.

2. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en la reivindicación 17 o la reivindicación 18 en donde la porción de la imagen o representación espectral se proporciona por un hipercubo el cual indica una estimación de probabilidad para la masa predicha de cada material componente asociado con cada pixel de la imagen.

21. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquiera de las

reivindicaciones 17 a la 2 el cual incluye además una unidad de procesamiento de imágenes (14) configurada para comparar los pixeles adyacentes o cercanos de la porción de la imagen.

22. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en la reivindicación 21 en donde la unidad de procesamiento de imágenes (14) completa un proceso de detección de patrones.

23. Un aparato de determinación de la composición objetivo como se reivindica en cualquier reivindicación anterior el cual incluye además un sistema de alarma de indicación automática.

24. Un método para determinar la presencia de al menos un material componente dentro de un objetivo (3), dicho método que se caracteriza por las etapas de:

i) transmitir simultáneamente los fotones de rayos X con diferentes niveles de energía que abarcan el espectro de rayos X en el objetivo;

ii) recibir, en un elemento de detección (7), los fotones de rayos X que se han transmitido a través del objetivo;

iii) recibir al menos una señal de entrada desde el elemento de detección (7), dicha señal o señales de entrada que indican el número de fotones de rayos X que se han transmitido a través del objetivo (3) y los niveles de energía determinados para cada uno de dichos fotones de rayos X;

iv) agrupar la señal o señales de entrada por un período de tiempo preseleccionado para definir la

resolución física del aparato de composición objetivo cuando el objetivo (3) se mueve con relación al

aparato;

v) aplicar al menos una calibración multivariada preparada para una clase particular de objetivos para relacionar los datos al número de rayos X que se han transmitido a través del objetivo (3) y los niveles de energía determinados para cada uno de dichos rayos X que se derivan de la señal o señales de salida

para determinar la presencia de al menos un material componente dentro del objetivo, en donde la

calibración multivariada correlaciona los datos, sus varianzas y covarianzas contra uno o más de: los niveles de los materiales identificados previamente, la presencia de un material desconocido, o la presencia de un material no deseado; y

vi) indicar la presencia de al menos un material componente dentro del objetivo (3).