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CN118785948A - 用于x射线线性加速器的实时能量和剂量监测的系统和方法 - Google Patents

用于x射线线性加速器的实时能量和剂量监测的系统和方法 Download PDF

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CN118785948A
CN118785948A CN202380020243.9A CN202380020243A CN118785948A CN 118785948 A CN118785948 A CN 118785948A CN 202380020243 A CN202380020243 A CN 202380020243A CN 118785948 A CN118785948 A CN 118785948A
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CN
China
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linear accelerator
hvl
data
measured
ray
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202380020243.9A
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English (en)
Inventor
M·普罗克特
S·多兹
M·詹金斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lapiscan Holdings
Original Assignee
Lapiscan Holdings
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Lapiscan Holdings filed Critical Lapiscan Holdings
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Pending legal-status Critical Current

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Abstract

一种线性加速器，其与计算设备和可编程逻辑控制器进行数据通信，并且包括：磁控管；电子枪，其被配置为将加速的电子束指向所述靶，从而生成X射线束；初级准直器，其在所述X射线束的方向上定位于所述靶之外；次级准直器，其耦接到所述初级准直器的端部，所述X射线束在所述端部处离开所述初级准直器；衰减元件和量热计，其定位于所述初级准直器内；以及参考检测器，其定位于所述次级准直器内，并且被配置为在逐脉冲基础上测量所述线性加速器的X射线辐射剂量输出。

Description

用于X射线线性加速器的实时能量和剂量监测的系统和方法
交叉引用
本申请依赖于2022年2月3日提交的题为“Systems and Methods for Real-TimeEnergy and Dose Monitoring of an X-Ray Linear Accelerator(用于X射线线性加速器的实时能量和量监测的系统和方法)”的美国专利临时申请号63/267,526，作为优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本说明书总体上涉及评估和监测辐射源系统的领域。更具体地，本说明书涉及对X射线线性加速器的X射线辐射剂量输出和能量的测量，以便a)校正扫描图像，b)校正线性加速器的输出以实现稳定和恒定的输出，以及c)监测剂量足迹(dose footprint)。
背景技术
X射线扫描仪(诸如，用于货物检查的那些X射线扫描仪)通常包括可切换的多能量X射线源(诸如，线性加速器(linac))。从该线性加速器生成的辐射通常被准直以生成窄形辐射束，该窄形辐射束在检查中相对于货物扫过(sweep)，同时检测传输穿过货物或被货物散射的部分束。为了确保安全且一致的扫描，必须控制X射线成像中的辐射参数，包括用于工业应用(诸如，货物检查、射线照相(radiography)和食品灭菌)以及用于医疗应用(诸如，辐射成像和治疗)。
X射线扫描仪性能是通过测量辐射来确定的。如果发现扫描仪不符合预期的性能参数，则采取校正动作(诸如，重新校准设备)。基于辐射的性能参数包括kVp(千伏峰值)、mA(毫安)、HVL(半值层)、辐射剂量输出、曝光时间和辐射波形。
所生成的X射线的光谱分布由给定能量(波长/频率)下的X射线光子的数量(强度)来表征，其中，两个值在组合时影响任何X射线脉冲的总剂量。对于具有高达所配置的最大值的能量的连续分布的X射线脉冲，可以根据半值层(HVL)的检查来确定最大“端点(end-point)”能量的度量(measure)。通常，在辐射路径中放置不同厚度的过滤器(通常为钢)的辐射输出的若干离散曝光中获取数据来获得HVL。
由于环境和操作条件在扫描、几次扫描、一天、一周或甚至一年的过程中变化，X射线源的输出在最大能量输出以及光谱内的能量分布方面都会变化，从而剂量也会变化。
因此，需要用于一致地实时测量线性加速器的端点能量并且根据线性加速器的每脉冲的X射线辐射剂量输出来确定HVL值的系统和方法。还需要使用所确定的改变的HVL和剂量值，以便校正能量漂移和调整由于线性加速器剂量输出中的逐脉冲改变导致的扫描图像，用于扫描中的更好的材料识别一致性。
发明内容
结合系统、工具和方法描述和说明了以下实施例及其方面，这些系统、工具和方法旨在是示例性和说明性的，而不是限制范围。本申请公开了许多实施例。
本说明书公开了一种线性加速器，其包括：磁控管；靶；电子枪，其中，所述电子枪被配置为将加速的电子束指向所述靶，从而生成X射线束；初级准直器，所述初级准直器定位于沿着所述X射线束的方向；次级准直器，所述次级准直器定位于接收离开所述初级准直器的所述X射线束；衰减元件，所述衰减元件定位于所述初级准直器附近；量热计，所述量热计定位于所述初级准直器附近；以及参考检测器，所述参考检测器定位于所述次级准直器附近并且被配置为在逐脉冲基础上生成指示X射线辐射剂量输出的数据。
可选地，所述靶定位于所述电子枪与所述初级准直器之间。
可选地，所述次级准直器耦接到所述初级准直器的端部。
可选地，所述衰减元件和所述量热计定位于所述初级准直器内。
可选地，所述参考检测器定位于所述次级准直器内。
可选地，所述初级准直器或所述次级准直器中的至少一者具有固定的束成形孔径。
可选地，所述初级准直器或所述次级准直器中的至少一者具有可变的束成形孔径。
可选地，所述衰减元件被配置为将对应于半值层(HVL)测量的数据移位到较少受到所述X射线束的低能量分量影响的区域中。
可选地，所述衰减元件被配置为基于所述线性加速器的端点能量将对应于半值层(HVL)测量的数据移位到区域中。
可选地，所述电子束交替地被加速到至少约6MeV的第一峰值能量和约4MeV的第二峰值能量。
可选地，所述参考检测器还被配置为在所述逐脉冲基础上生成半值层(HVL)值。可选地，所述量热计包括第一检测器元件和至少一个后续检测器元件，从而形成检测器元件的堆叠阵列。可选地，所述线性加速器还包括与所述线性加速器进行数据通信的计算设备和与所述计算设备进行数据通信的可编程逻辑，其中，所述计算设备被配置为通过以下方式测量所述HVL值：从所述检测器元件获取X射线强度数据；确定所述X射线强度数据的自然对数与对应于所述检测器元件中的每个检测器元件的2的自然对数的比率；根据包括所述检测器元件中的每个检测器元件的材料的累积衰减厚度来确定所述比率的梯度；以及通过确定所述梯度的负倒数来生成所述HVL值。
可选地，所述线性加速器还包括与所述线性加速器进行数据通信的计算设备和与所述计算设备进行数据通信的可编程逻辑，其中，所述计算设备被配置为：确定通过修改所述X射线束的脉冲的高峰值能量和低峰值能量以及所述脉冲中的每个脉冲的对应HVL值测量而形成、经扫描的对象中的至少第一和第二材料的材料分离曲线之间的关系；以及基于针对所述脉冲中的每个脉冲的所述HVL值测量，使用校准曲线来对扫描图像进行着色用于材料识别。
可选地，所述线性加速器还包括与所述线性加速器进行数据通信的计算设备和与所述计算设备进行数据通信的可编程逻辑，其中，所述计算设备被配置为通过计算给定时间点处的脉冲的参考校正因子并且将所述参考校正因子应用于原始图像信号值以生成归一化像素值，使用所述X射线辐射剂量输出来校正由于所述X射线辐射剂量输出中的逐脉冲变化而导致的扫描图像。
可选地，所述线性加速器还包括与所述线性加速器进行数据通信的计算设备和与所述计算设备进行数据通信的可编程逻辑，其中，所述计算设备被配置为通过从所述参考检测器获取参考校正因子，并且将所述参考校正因子除以每像素的平均光信号以计算与所述X射线辐射剂量输出无关的比率，来使用所述X射线辐射剂量输出用于归一化扫描图像数据。
可选地，所述线性加速器还包括与所述线性加速器进行数据通信的计算设备和与所述计算设备进行数据通信的可编程逻辑，其中，所述可编程逻辑控制器和/或所述计算设备存储至少一个预定义阈值X射线辐射剂量值，并且其中，所述可编程逻辑控制器被配置为如果所述X射线辐射剂量输出接近或超过所述至少一个预定义阈值X射线辐射剂量值，则停用(deactivate)所述线性加速器。
本说明书还公开了一种使用所测量的实时半值层(HVL)数据来校正线性加速器的能量漂移的方法，其中，所述线性加速器与计算设备和可编程逻辑控制器进行数据通信，并且其中，所述线性加速器至少包括磁控管、电子枪以及检测器阵列或量热计中的至少一者，所述方法包括：如果所测量的HVL数据改变而由所述检测器阵列的第一检测器元件或所述量热计测量的剂量不改变，则调整所述电子枪的脉冲宽度；当所测量的HVL数据改变且由所述检测器阵列的所述第一检测器元件或所述量热计测量的剂量也改变时，测量所述磁控管的功率输出，并且将所测量的功率提供给所述可编程逻辑控制器用于持续实时HVL数据测量；如果所测量的HVL数据的改变是由于所测量的正向射频(RF)功率的改变，则调整到所述磁控管的电流脉冲；以及如果所测量的HVL数据的改变不是由于所测量的正向RF功率的改变，则调整所述磁控管的频率输出。
可选地，所述方法还包括：使用定向耦合器测量所述磁控管的功率输出。
可选地，所述方法还包括：当所测量的HVL数据增大时，增大所述脉冲宽度，而当所述测量的HVL数据减小时，减小所述脉冲宽度。
可选地，所述方法还包括：当所测量的HVL数据的减小对应于所述正向RF功率的减小时，增大所述电流脉冲，而当所测量的HVL数据值的增大对应于所述正向RF功率的增大时，减小所述电流脉冲。
可选地，所述方法还包括：使用连接到所述磁控管的调谐杆的电机来调整所述频率输出。可选地，所述方法还包括：当所测量的HVL数据由于所述调谐杆在所述第一方向上的移动而向靠近原始值接近时，在所述第一方向上移动所述调谐杆，而当所测量的HVL数据由于所述调谐杆在所述第一方向上的所述移动而远离所述原始值时，在与所述第一方向相反的第二方向上移动所述调谐杆。
本说明书还公开了一种线性加速器，其包括：靶；电子枪，其中，所述电子枪被配置为将加速的电子束指向所述靶，从而生成X射线束；初级准直器，所述初级准直器沿着所述X射线束的方向定位于所述靶之外；次级准直器，所述次级准直器耦接到所述初级准直器的端部，所述X射线束从所述端部离开所述初级准直器；衰减元件，所述衰减元件定位于所述初级准直器内，并且被配置为将X射线数据的获取移位到较少受所述X射线束的低能量分量影响的区域中以及移位到与所述线性加速器的端点能量更相关的区域中；以及检测器，所述检测器定位于所述次级准直器内，并且被配置为在逐脉冲基础上测量所述线性加速器的X射线辐射剂量输出，其中，所述检测器被封装在由处于预定义的固定距离处的两个平行铜板所限定的壳体内。
可选地，所述次级准直器包括盖板、顶部支撑件、第一和第二侧板、第一准直爪组、准直器调整组件和第二准直爪组。
可选地，所述线性加速器还包括：定位于壳体内的除湿器。
可选地，所述衰减元件包括大约6英寸的钢。
本说明书还公开了一种线性加速器，其中，所述线性加速器与计算设备和可编程逻辑控制器进行数据通信，并且其中，所述线性加速器包括：磁控管；电子枪，其中，所述电子枪被配置为将加速的电子束指向所述靶从而生成X射线束；初级准直器，所述初级准直器沿着所述X射线束的方向定位于所述靶之外；次级准直器，所述次级准直器耦接到所述初级准直器的端部，所述X射线束在所述端部处离开所述初级准直器；衰减元件和量热计，所述衰减元件和量热计定位于所述初级准直器内；以及参考检测器，所述参考检测器定位于次级准直器内，并且被配置为在逐脉冲基础上生成指示X射线辐射剂量输出和线性加速器的半值层(HVL)值的数据。
可选地，所述初级准直器或所述次级准直器中的至少一者具有固定的束成形孔径。
可选地，所述初级准直器或所述次级准直器中的至少一者具有可变的束成形孔径。
可选地，所述量热计包括第一检测器元件/像素和至少一个后续检测器元件/像素，形成多个检测器元件的堆叠分段(segmented)阵列。
可选地，所述衰减元件被配置为将对应于HVL测量的数据的获取移位到较少受X射线束的低能量分量影响的区域中以及移位到与所述线性加速器的端点能量更相关的区域中。
可选地，所述电子束交替地被加速到至少第一峰值能量和第二峰值能量，其中，所述第一峰值能量约6MeV，所述第二峰值能量约4MeV。
可选地，所述计算设备被配置为通过以下来测量所述HVL值：获取所述多个检测器元件中的每个检测器元件内的X射线强度数据；确定所述X射线强度数据的自然对数与对应于所述每个检测器元件的自然对数2的比率；根据所述每个检测器元件的材料的累积衰减厚度来确定所述比率的梯度；以及通过确定所述梯度的负倒数来生成HVL值。
可选地，所述计算设备被配置为确定经扫描的对象中的至少第一和第二材料的材料分离曲线之间的关系、受所述X射线束的脉冲的改变的高和低峰值能量影响的改变以及所述脉冲中的每个脉冲的对应HVL值测量；以及基于所述脉冲中的每个脉冲的所述HVL值测量，使用校准曲线来对扫描图像进行着色以用于材料识别。
可选地，所述计算设备被配置为通过以下方式，使用所述测量的X射线辐射剂量输出来校正由于X射线辐射剂量输出中的逐脉冲变化而导致的扫描图像：计算给定时间点处的脉冲的参考校正因子；以及将所述参考校正因子应用于原始图像信号值，以生成第二次(second pass)归一化像素值。
可选地，所述计算设备被配置为通过以下方式，使用所述测量的X射线辐射剂量输出来归一化扫描图像数据：从所述参考检测器获取参考校正因子；以及将所述参考校正因子除以所述参考检测器上每像素的平均光信号，以计算与所述X射线辐射剂量输出无关的比率。
可选地，所述可编程逻辑控制器和/或所述计算设备存储至少一个预定义阈值X射线辐射剂量值，其中，所述可编程逻辑控制器被配置为如果所述测量的X射线辐射剂量输出接近或超过所述至少一个预定义阈值X射线辐射剂量值，则解装配(disarm)所述线性加速器。
本说明书还公开了一种使用所测量的实时HVL数据来校正线性加速器的能量漂移的方法，所述线性加速器与计算设备和可编程逻辑控制器进行数据通信，其中，所述线性加速器至少包括磁控管和电子枪，所述方法包括：如果所述测量的HVL数据改变但由检测器或量热计的堆叠分段阵列的第一检测器元件、像素或晶体测量的剂量不改变，则调整所述电子枪的脉冲宽度；如果所测量的HVL数据改变且由检测器或量热计的堆叠分段阵列的第一检测器元件、像素或晶体测量的量也改变，则使用定向耦合器测量磁控管的功率输出，并且将所述测量的功率馈入到所述可编程逻辑控制器中用于持续实时HVL数据测量；如果所测量的HVL数据的改变是由于测量的正向RF功率的改变而导致的，则调整到所述磁控管的电流脉冲；以及如果所测量的HVL数据的改变不是由于所述测量的正向RF功率的改变，则调整所述磁控管的频率输出。
可选地，如果所测量的HVL数据增大，则增大所述脉冲宽度，并且如果所测量的HVL数据减小，则减小所述脉冲宽度。
可选地，如果所测量的HVL数据的减小对应于所述正向RF功率的减小，则增大所述电流脉冲，其中，如果所测量的HVL数据值的增大对应于所述正向RF功率的增大，则减小所述电流脉冲。
可选地，使用连接到所述磁控管的调谐杆的电机来调整所述频率输出。可选地，如果所测量的HVL数据由于所述调谐杆在所述第一方向上的所述移动而更接近原始值，则在所述第一方向上继续移动所述调谐杆，其中，如果所测量的HVL数据由于所述调谐杆在所述第一方向上的所述移动而远离所述原始值，则在与所述第一方向相反的第二方向上移动所述调谐杆。
本说明书还公开了一种线性加速器，其包括：电子枪，其中，所述电子枪被配置为将加速的电子束指向所述靶从而生成X射线束；初级准直器，所述初级准直器在所述X射线束的方向上定位于所述靶之外；次级准直器，所述次级准直器耦接到所述初级准直器的端部，所述X射线束在所述端部处离开所述初级准直器；衰减元件，所述衰减元件定位于所述初级准直器内，并且被配置为将X射线数据的获取移位到较少受所述X射线束的低能量分量影响的区域中以及移位到与所述线性加速器的端点能量更相关的区域中；以及检测器，所述检测器定位于所述次级准直器内，并且被配置为在逐脉冲基础上测量所述线性加速器的X射线辐射剂量输出，其中，所述检测器被封装在壳体内，所述壳体内以预定义的固定距离固定两个平行的铜板。
可选地，所述次级准直器包括盖板、顶部支撑件、第一和第二侧板、第一准直爪组、准直器调整组件和第二准直爪组。
可选地，所述壳体包括除湿器。
可选地，所述衰减元件包括6英寸的钢。
将在下面提供的附图和具体实施方式中更深入地描述本说明书的前述和其他实施例。
附图说明
附图示出了本公开的各种其他方面的系统、方法和实施例的各种实施例。本领域的普通技术人员将理解，图中所示的元素边界(例如，框、框组或其他形状)表示边界的一个示例。在一些示例中，可以将一个元素设计为多个元素，或者可以将多个元素设计为一个元素。在一些示例中，被示出为一个元素的内部部件的元素可以在另一个元素中被实现为外部部件，反之亦然。此外，元素可能未按比例绘制。参考以下附图描述非限制性和非穷举性描述。附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明原理上。
图1示出了根据本说明书的一些实施例的X射线系统；
图2A示出了根据本说明书的实施例的来自线性加速器的没有衰减的第一X射线光谱输出和具有衰减的第二X射线光谱输出；
图2B示出了根据本说明书的一些实施例的X射线强度的对数相对于定位于图1的X射线系统的次级准直器内的堆叠分段检测器阵列的累积厚度的曲线图；
图2C示出了根据本说明书的一些实施例的X射线强度的对数相对于定位于图1的系统的次级准直器内的堆叠分段检测器阵列的累积厚度的第一曲线图和第二曲线图；
图2D示出了分别对应于用于确定半值层(HVL)值的第一检测器材料和第二检测器材料的第一曲线和第二曲线；
图2E示出了在本说明书的实施例中如果线性加速器的能量在整个扫描中保持恒定会获得的第一材料分离曲线和第二材料分离曲线；
图2F示出了根据本说明书的一些实施例的6MeV到5.8MeV的高能量峰值输出的调制造成的第一和第二材料分离曲线的偏移；
图3是根据本说明书的一些实施例的确定HVL测量值的方法的多个示例性步骤的流程图；
图4A是根据本说明书的一些实施例的使用所测量的HVL数据在图像捕获后校正对象的扫描图像以便提供扫描中的更好的材料识别一致性的方法的多个示例性步骤的流程图；
图4B是根据本说明书的一些实施例的使用所测量的HVL数据在图像捕获后校正对象的扫描图像以便提供扫描中的更好的材料识别一致性的另一方法的多个示例性步骤的流程图；
图5是根据本说明书的一些实施例的使用实时HVL数据测量作为到线性加速器中的正反馈输入以校正能量漂移的第一方法的多个示例性步骤的流程图；
图6A示出了根据本说明书一些实施例的次级准直器组件的侧视图；
图6B示出了根据本说明书一些实施例的参考检测器壳体的线图；
图6C示出了根据本说明书一些实施例的从次级准直器组件拉出的参考检测器壳体；
图6D示出了根据本说明书一些实施例的参考检测器的离子室(ion chamber)的第一和第二铜板；
图6E是根据本说明书一些实施例的次级准直器组件的分解图；
图7A示出了对应于最大X射线辐射剂量信号测量的第一示例性曲线；
图7B示出了对应于最小X射线辐射剂量信号测量的第二示例性曲线；
图8是根据本说明书的一些实施例的使用指示线性加速器的X射线辐射剂量输出的测量数据(在逐脉冲基础上)来校正由于线性加速器量输出中的逐脉冲变化而导致的扫描图像的多个示例性步骤的流程图；以及
图9是根据本说明书一些实施例的归一化扫描图像数据用于线性加速器的动态剂量调制的方法的多个示例性步骤的流程图。
具体实施方式
本说明书涉及用于实现对来自高能量源(诸如，线性加速器)的X射线脉冲的多个特征的实时逐脉冲分析的系统和方法。在实施例中，分析提供总剂量、最大剂量(峰值)、剂量分布(半峰全宽(Full Width at Half Maximum))、上升时间和下降时间；来自HVL值的测量的输出的能量；全发射光谱中的剂量分布的度量；来自多个HVL测量的全发射光谱中的能量分布的度量；和/或在用于从线性加速器生成下一个脉冲的时间内确定测量的电位，使得线性加速器可以通知下一个脉冲的输出特性。
本说明书针对多个实施例。提供以下公开内容以便使本领域的普通技术人员能够实践本发明。本说明书中使用的语言不应被解释为对任何一个具体实施例的一般否定或用于限制权利要求超出其中使用的术语的含义。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用。此外，所使用的术语和措辞是出于描述示例性实施例的目的，并且不应被认为是限制性的。因此，本发明应符合涵盖与所公开的原理和特征一致的许多替代、修改和等同物的最宽范围。为了清楚起见，没有详细描述与本发明相关的技术领域中已知的技术材料相关的细节，以免不必要地模糊本发明。
在本申请的说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”及其形式中的每一个不必限于可以与词语相关联的列表中的成员。因此，它们旨在在含义上是等同的并且是开放式的，因为这些词语中的任何一个之后的一个或多个项目并不意味着是这样的一个或多个项目的详尽列表，或者意味着仅限于所列出的一个或多个项目。在本文中应当注意，除非另有明确说明，否则与特定实施例相关联描述的任何特征或组件可以与任何其他实施例一起使用和实现。
还必须注意，除非上下文另有说明，否则如本文和所附权利要求中所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数引用。尽管与本文描述的那些类似或等同的任何系统和方法可以用于本公开的实施例的实践或测试，但是现在描述优选的系统和方法。
在本说明书中使用的术语“半值层(HVL)”是X射线束的质量或强度的度量。X射线束的HVL被定义为将该射束减小到其原始电位的一半所需的吸收材料的量。HVL是光子能量或射束硬度的间接度量。较低的HVL表示低光子能量。HVL通常以钢的毫米为单位测量。在由一个HVL过滤之后，后续的HVL将更高，因为过滤后的光子具有更高的能量(需要更厚的材料来衰减一半的穿透射束)。
在各种实施例中，计算设备可以被用于接收和处理数据信号和图像数据，并且可以包括输入/输出控制器、至少一个通信接口和系统存储器。该系统存储器包括至少一个随机存取存储器(RAM)和至少一个只读存储器(ROM)。这些元件与中央处理单元(CPU)通信以实现计算设备的操作。在各种实施例中，计算设备可以是常规的独立计算机，或者替代地，计算设备的功能可以分布在多个计算机系统和架构的网络上。在一些实施例中，存储在一个或多个非易失性存储器中的多个程序指令或代码序列的执行使得计算设备的CPU能够或使计算设备的CPU执行各种功能和过程，例如，执行断层摄影图像重建以在屏幕上显示。在替代实施例中，可以使用硬连线电路代替或结合用于本申请中描述的系统和方法的实施方式过程的软件指令。因此，所描述的系统和方法不限于硬件和软件的任何特定组合。
X射线系统
图1示出了根据本说明书的一些实施例的X射线系统100。X射线系统100包括X射线源105，在一些实施例中，X射线源105是可切换的多能量线性加速器(linac)。控制接口128使得操作者能够调整线性加速器105的设置和操作。在一些实施例中，控制接口128与可编程逻辑控制器(PLC)122和计算设备125进行数据通信，以向线性加速器105提供控制信号(诸如，例如用于剂量调制)。
在一些实施例中，控制器150与线性加速器105的至少磁控管和电子枪接口。控制器150被配置为从PLC 122和/或计算设备125接收控制信号。调制器或脉冲电源连接到电子枪，在操作中，所述电子枪被配置为将电子束102发射到线性加速器105中。在一些实施例中，调制器或脉冲电源使得电子枪发射具有期望的时间特性(诸如，但不限于频率(即，脉冲重复率)和占空比)的电子束102。加速的电子束102被指向靶107(诸如，钨的靶107)处，从而生成X射线束140。
在电子撞击靶材107之前，可使用(例如但不限于)束负载效应(beam loadingeffect)或改变RF功率输入以不同能量加速电子束102。在一些实施例中，在交错(interleaving)操作中，电子束102交替地被加速到至少两个不同的输出峰值能量(诸如，约4MeV的第一峰值能量(低能量)和约6MeV的第二峰值能量(高能量))。
由线性加速器105生成的X射线辐射束140由一个或多个束成形部件或辐射传递设备成形。在一些实施例中，一个或多个束成形部件包括初级准直器组件120(其在线性加速器105内部)和次级准直器组件115。在一些实施例中，次级准直器组件115包括第一准直爪组115a和第二准直爪组115b。第一准直爪组115a被固定到缝隙，该具有在3mm至20mm范围内、优选地约10mm的尺寸。第二准直爪组115b可一直调整到完全闭合。在一些实施例中，结构142将第一准直爪组115a和第二准直爪组115b固定在一起，并且还用作屏蔽。在替代实施例中，一个或多个束成形部件还可以包括多叶准直器、第一爪组和/或第二爪组。
在一些实施方式中，初级准直器120和/或次级准直器115可以包括固定的束成形孔径(即，孔径的形状和/或尺寸可以被限制为预定的形状或尺寸)或可变的束成形孔径(即，孔径的形状和/或尺寸可以根据期望改变)。
在一些实施例中，初级准直器120定位于电子束102已经穿过线性加速器105的靶107之后。在一些实施方式中，次级准直器115定位于初级准直器120之后(在X射线束140的方向上)。
根据本说明书的一些方面，衰减元件130和量热计110定位于初级准直器120内。在一些配置中，参考检测器135定位于次级准直器115内。在一些实施例中，衰减元件130包括6英寸的钢或等同物。在实施例中，衰减元件130用于测量线性加速器105的每个脉冲的端点能量，并且根据每个脉冲捕获的X射线辐射剂量输出确定HVL值。在实施例中，参考检测器135被配置为测量线性加速器105的X射线辐射剂量输出。
图2A示出了从无衰减(没有衰减元件130)的线性加速器输出的第一X射线谱220和有衰减(使用衰减元件130)的第二X射线谱222。该图示出了能量分布如何随衰减而改变。因此，当试图识别脉冲的端点能量时，一旦脉冲中足够的低能量X射线被衰减掉(并且因此需要衰减元件130)，则实现更准确的值。对于低衰减，第一曲线220中的峰值(其处于低得多的能量)可以产生较低的HVL值。一旦超过一定厚度的衰减材料(诸如，衰减元件130的6英寸钢)，则实现第二曲线222，其通过HVL提供端点(最大值)能量的更好指示。
根据本说明书的一些方面，线性加速器105的初级准直器120被用于a)屏蔽和/或b)将从靶107发出的X射线辐射束140衰减到用于测量HVL数据的期望强度或至少一个期望能量水平。在一些实施例中，量热计110是堆叠分段阵列或模块。堆叠阵列110示出了第一检测器元件/像素110a，其后是堆叠阵列配置的多个后续检测器元件/像素。在各种实施例中，量热计110可以在光束方向上包括8、16或24个单独的检测器元件/像素，其中，每个检测器元件/像素在信号被前面的晶体(crystal)衰减时连续地采样较少的信号。在实施例中，每个检测器元件/像素在X射线束140路径的方向上具有预定义的厚度‘t’。在一些实施例中，预定义的厚度‘t’的范围为2.5mm至20mm(并且将取决于检测器元件/像素的材料的类型)。
在实施例中，用于屏蔽142和衰减元件130的材料类型通常是致密的(dense)、有高衰减特性，并且包括诸如钢、铅或钨的材料，以减小屏蔽和充分衰减所需的体积。在一些实施例中，衰减元件130使用6英寸的预衰减钢，对应于大约3英寸的铅和甚至更少的钨。
根据一些实施方式，衰减元件130安装、定位或放置在初级准直器120内，以实现一定量的预衰减，从而促进以下中的至少一者：
·降低所获取的信号的饱和概率；
·降低破坏位于高剂量X射线束140附近的电子部件的可能性(因为电子部件受益于通过初级准直器120的屏蔽的X射线的衰减)；和/或
·将对应于HVL测量的数据的获取移动到受辐射光谱的低能量分量影响较小的区域中并且移动到与线性加速器的X射线分布的端点能量更相关的区域中。
图3是根据本说明书的一些实施例的确定HVL值的方法300的多个示例性步骤的流程图。现在参考图1和图3，在步骤302处，系统100收集量热计110(其被配置为多个检测器元件/像素的堆叠分段阵列)的多个检测器元件/像素中的每个检测器元件/像素内的所测量的原始X射线强度数据。
在步骤304处，系统100确定对应于每个检测器元件/像素的所测量的原始X射线强度数据的自然对数与2的自然对数的比率。在步骤306处，系统100确定函数(诸如，为量热计110的每个检测器元件/像素的材料的累积衰减厚度的函数的比率的梯度)。最后，在步骤308处，系统100通过确定该梯度的负倒数来生成HVL值。
换句话说，首先确定对应于每个检测器元件/像素的所测量的原始X射线强度数据的自然对数与2的自然对数的比率的数据(步骤304)。此后，将数据绘制为每个检测器元件/像素的材料的累积衰减厚度的函数。如图2B所示，确定最佳拟合绘制数据的线214。随后，确定最佳拟合线214的梯度(步骤306)。梯度的负倒数生成HVL值(步骤308)。
图2F将最佳拟合的线214与曲线图225进行比较。曲线图225是数据点的对数曲线图，其中，包括低衰减数据点，导致曲线图225不是线性拟合。当不包括低衰减数据点时，则实现线性拟合(以线214的形式)，从而允许确定准确的HVL。
在一些实施例中，对于6MeV辐射能量，HVL值为约24mm p/m 0.003mm，并且对于4MeV辐射能量，HVL值为约21.6P/m 0.003mm。
作为图示，图2D示出了分别对应于正被用于确定HVL值的第一检测器材料和第二检测器材料的第一曲线210和第二曲线212。在实施例中，与第二检测器相比，第一检测器由更高密度的材料制成。X轴表示多个像素的堆叠分段阵列的累积厚度‘t’，而Y轴表示所测量的X射线强度数据或信号。如图所示，第一曲线210表明，对于致密材料，在给定体积中更多的X射线被衰减，因此更快地达到HVL值。相比之下，第二曲线212是更平坦的曲线(与第一曲线210相比)，其表明如果检测器材料较不致密，则需要更多的材料来衰减一半的X射线剂量。当考虑测量材料时，第一曲线210和第二曲线212都将给出相同的HVL值。当考虑用于进行测量的可用空间以及用于该目的的材料范围时，这是重要的。
使用HVL数据来校正扫描图像
根据本说明书的一些方面，所确定或所测量的HVL数据用于校正扫描后的对象的扫描图像，以便提供扫描中(across a scan)的更好的材料着色一致性。在一些实施例中，所测量的HVL数据直接链接到用于材料分离的校准数据。在一些实施例中，每脉冲的HVL数据测量被包括在原始X射线图像数据的线中。
图4A是根据本说明书的一些实施例的第一方法400a的多个示例性步骤的流程图，所述第一方法400a使用所测量的HVL数据来在捕获后校正对象的扫描图像，以便提供扫描中的更好的材料识别/着色一致性。现在参考图1和图4A，在步骤402处，使用量热计110(被配置为多个检测器元件/像素的堆叠分段阵列)来捕获或获取对应于扫描的第一组高能量数据(与例如6MeV的第一高能量峰值输出有关)和第二组低能量数据(与例如4MeV的第二低能量峰值输出有关)。
在步骤404处，执行对来自每个检测器元件/像素的数据点的拟合，并且根据数据确定HVL值(参见图3的方法300)。在步骤406处，将所确定的HVL值连同对应的误差测量作为单独的行项目附加到图像数据，或者在每行基础上在与该图像数据相关联的元数据中捕获该所确定的HVL值连同对应的误差测量。
在步骤408处，使用每行图像数据的HVL值作为输入来从针对多个HVL值的材料分类校正的查找表(LUT)中选择参数。此后，在步骤410处，基于校正后的材料分类拟合参数来实施有效Z(即，用于材料识别的原子序数)和图像着色。
图4B是根据本说明书的一些实施例的第二方法400b的多个示例性步骤的流程图，所述第二方法400b使用所测量的HVL数据来在捕获后校正对象的扫描图像，以便提供扫描中的更好的材料识别/着色一致性。参考图1和图4B，在步骤420处，作为线性加速器105上的调试(commissing)练习的一部分，确定材料分离曲线之间的关系、受改变高X射线脉冲和低X射线脉冲的端点能量影响的改变、以及其后针对每个X射线脉冲的对应HVL数据测量。这将得到每个HVL数据点(高和低能量数据)的许多不同的材料分离曲线或描述所有HVL数据值的改变的函数。
因此，根据本说明书的各方面，线性加速器输出能量被更改以模拟在典型扫描操作中可以看到的改变。在一些实施例中，这可以通过调整线性加速器磁控管AFC(自动频率调谐器)上的控制参数来完成，该线性加速器磁控管AFC用作调谐轴以确保来自磁控管的RF频率与加速结构中的驻波频率匹配。与共振的失谐导致电子加速度的改变，并因此导致最大X射线能量的改变。由于失谐在谐振的任一侧受到影响，当扫描校准固定件时，从堆叠阵列观察到HVL测量改变连同材料分离数据改变。材料分离数据被存储为LUT(查找表)并且通过HVL测量参考。
因此，在步骤422处，基于针对每个脉冲或在一段时间内(即，针对多个脉冲)聚合的所测量的HVL数据，使用校正材料分离(matsep)校准曲线来适当地对扫描图像进行着色以用于材料识别。校正材料分离校准曲线对应于当线性加速器105以高和低能量脉冲的期望能量(通常为6和4MeV)输出时生成的曲线。
图2E示出了如果线性加速器能量在整个扫描中保持恒定会获得的第一和第二材料分离(材料分离)曲线/曲线图202、204。Y轴对应于从线性加速器的6MeV和4MeV输出测量的扫描信号之间的差。X轴对应于6MeV信号强度。第一材料分离曲线202对应于第一材料(塑料)，而第二材料分离曲线204对应于第二材料(钢)。第一材料分离曲线202上的第一多个数据点(由“十字”表示)对应于第一材料的不同厚度。类似地，第二材料分离曲线204上的第二多个数据点(由“圆/点”表示)对应于第二材料的不同厚度。
图2F示出了根据本说明书的一些实施例的第一材料分离曲线202和第二材料分离曲线204由于6MeV到5.8MeV的高能量峰值输出的调制而导致的偏移(shift)。如图所示，第一曲线202改变为第三曲线206，而第二曲线204改变为第四曲线208。当高能量从6MeV下降到5.8MeV时，在对应于第三曲线206的信号和对应于第二曲线204的信号之间实现了较小的信号差。这减小了所测量的每个材料厚度的Y轴值。换句话说，高能量值的下降影响每个点的低信号和高信号之间的强度差值(Y轴)，并且如果点下降太多以至于它们与不同材料的曲线重叠，则可能导致材料的错误分类。
应当理解，如果不使用HVL数据来对扫描图像应用校正并且如果高或低X射线脉冲的能量改变，则校准曲线改变并且图像区域在扫描图像内不正确地着色，因为校准将指示图像区域属于不同的材料分类。
使用HVL数据作为线性加速器的正反馈输入
根据本说明书的一些方面，所确定或所测量的HVL数据用作输入到线性加速器105本身的正反馈，以便能够在扫描周期内校正能量漂移(drift)以维持材料识别一致性。该方面对于更长的扫描特别有用(例如，对于基于入口(portal)的扫描仪，扫描时间高达10秒；对于基于台架的扫描仪，扫描时间高达2分钟；而对于基于轨道的扫描仪，扫描时间为30至60分钟)，这是例如基于轨道的平台的特征。扫描越长，线性加速器可能由于外部环境的改变以及随着系统在整个扫描中继续加热的内部热效应而表现出能量和剂量输出的低频漂移的机会越大。
如所属领域的技术人员已知，对于X射线管或线性加速器，所发射的光子的能量的改变对应于电子束的能量的改变。可以改变电子束能量的三个主要因素有：
·射束负载(loading)；
·被加速腔(cavity)接受的RF功率；以及
·电子发射与进入该加速腔的RF功率之间的定时。
在各种实施例中，所测量的实时HVL数据被用作关于被线性加速器的加速腔接受的射束负载和RF功率的因素的反馈。为了确定所测量的HVL数据的改变是由于射束负载的改变还是由于被加速腔接受的RF功率的改变，使用由第一检测器元件、晶体或像素(图1的量热计110的检测器元件110a)吸收的剂量或由图1的参考检测器135测量的剂量。应当理解，(量热计110的)第一检测器元件、晶体或像素将接收由X射线脉冲的低能量分量主导的信号，并且因此是输出改变的原因的良好探测(probe)。
所测量的HVL数据随着线性加速器特性在整个扫描过程中的改变而改变。通常，在生成X射线的同时产生大量热量。热量在磁控管和加速器中消散，并且可能导致在磁控管和加速器腔中的膨胀(expansion)，从而改变谐振频率并且改变电子加速能量。
图5是根据本说明书的一些实施例的使用实时HVL数据测量作为到线性加速器中的正反馈输入以校正能量漂移的方法500的多个示例性步骤的流程图。在步骤502处，确定所测量的HVL数据值是否已经改变但所测量的剂量没有改变。如果是，则这指示所测量的HVL数据值的改变是由于射束负载的改变。这是因为剂量与能量影响有关，并且如果HVL数据值已经改变但剂量尚未改变，则光子的数量必须相应地改变。应当理解，所测量的HVL数据值随着线性加速器特性在整个扫描中改变而改变。通常，在生成X射线时生成大量热量。热量在磁控管和加速器中消散，并且可能导致在磁控管和加速器腔中的膨胀，从而改变谐振频率并其改变电子加速能量。因此，在这种情况下：
·所测量的HVL数据值的增大指示电子的能量已经增大但电子的数量已经减小；以及
·所测量的HVL数据值的减小指示电子的能量已经降低但电子的数量已经增大。
因此，在步骤504处，调整电子枪脉冲宽度，这将改变发射的电子的数量并且因此改变射束负载。因此，如果所测量的HVL数据值增大，则电子枪脉冲宽度增大，而如果测量的HVL数据值减小，则电子枪脉冲宽度减小。
然而，返回参考步骤502，如果确定所测量的HVL数据值已经改变并且所测量的剂量也改变，则这指示所生成的能量改变是由于线性加速器的加速腔所接受的RF功率的改变。由加速腔接受的RF功率的改变是由(线性加速器的)磁控管的功率输出的改变和/或来自加速腔的反射功率的量的改变而导致的。因此，在步骤506处，为了确定磁控管的RF功率输出是否已经改变，使用定向耦合器测量RF功率，并且将得到的RF功率的测量馈入到控制系统(即，图1的计算设备125和/或PLC 122)中以进行持续实时HVL数据测量。
在步骤508处，确定所测量的HVL数据值的改变是否是由于所测量的正向RF功率的改变。如果是，则在步骤510处：
·所测量的HVL数据值的减小对应于正向RF功率的减小，并且通过增大到磁控管的电流脉冲来校正。
·所测量的HVL数据值的增大对应于正向RF功率的增大，并且通过减小到磁控管的电流脉冲来校正。
然而，在步骤508处，如果确定所测量的HVL数据值的改变不对应于所测量的正向RF功率的改变，则这指示它是腔失谐和反向功率增大的结果。因此，在步骤512处，通过使用连接到磁控管调谐杆的电机来调整磁控管的频率输出以校正这一点。为了执行该校正，调谐杆在一个方向上移动一小段距离，并且监测HVL数据值，如下：
·如果所测量的HVL数据值向靠近原始值接近，则调谐杆在相同方向上进一步移动，直到所测量的HVL数据值返回到原始值。
·如果所测量的HVL进一步远离原始值移动，则调谐杆在相反方向上移动，直到所测量的HVL返回到原始值。
基准检波器
返回参考图1，在实施例中，参考检测器135定位于线性加速器105的前面并且在次级准直器组件115内。在一些实施例中，参考检测器135电子板包括两个平行的前置放大器级，其允许在低和高能量剂量方案中进行足够大的信号测量。
图6A示出了根据本说明书的一些实施例的次级准直器组件115的第一侧614，而图6B示出了置于次级准直器组件115内的参考检测器壳体605的线图。图6B还示出了壳体605的第一侧602和第二侧603。图6C示出了从次级准直器组件115移出的参考检测器壳体605。现在参考图1、图6A、图6B和图6C，在实施例中，参考检测器135被支撑并且被封装在专用壳体605内，专用壳体605被配置为装配在次级准直器组件115内。
壳体605被设计为最小化X射线束平面中的材料以减小衰减。在一些实施例中，壳体605是IP65额定的，以允许在次级准直器115在外部的X射线检查系统上使用。在一些实施例中，壳体605包括除湿器。在一些实施例中，参考检测器壳体605具有近似梯形的形状。在一些实施例中，参考检测器外壳605以预定义的固定间隔或距离‘d’固定离子室(ionchamber)的两个平行铜板。图6D示出了定位于壳体605的每一侧上的离子室的两个平行铜板650。壳体605的每一侧上的固定位置始终确保预定义的间隔或距离“d”。在一些实施例中，距离“d”为6mm。
图6E示出了根据本说明书的一些实施例的次级准直器组件115(参考图1)的分解图601e和等距视图602e。组件115包括盖板610、顶部支撑件612、第一侧板614和第二侧板615、散射捕获器或第一准直爪组115a、准直器调整组件620以及第二准直爪组115b。在实施例中，参考检测器壳体605(图6A、图6B)被安装到准直器115的可移除侧板614，从而使得第一侧板614(与被安装的参考检测器壳体605一起)可以插入组件115的一侧和从组件115的一侧移除，而不必当板614被插入回到组件115中时需要在组件115内重新对准参考检测器壳体605。次级准直器组件115的第一侧板614和第二侧板615将准直器组件115固定在一起，使得能够每次与X射线扇形束对准。第一侧614和第二侧615中的每一个保持第一准直爪组115a和第二准直爪组口115b中的爪。第一侧614和第二侧615通过盖板610连同顶部线性加速器适配器支架611a和底部线性加速器适配器支架611b(图6A)附接。因此，壳体605被设计为以每次确保对准的方式装配在次级准直器115中。这允许在所有线性加速器平台上使用相同的次级准直器组件和参考检测器。
本领域的普通技术人员将理解，出于累积剂量跟踪和向操作者显示的目的，绝对X射线辐射剂量测量将随着温度和湿度改变而在一天的过程中改变，因此用于这些目的的绝对剂量测量将需要调整。因此，在一些实施例中，参考检测器板支撑湿度和温度传感器，以允许基于温度和湿度的数据校正，以考虑不同的部署环境以及温度和湿度的改变。在一些实施例中，基于温度和湿度的数据校正或调整(对指示绝对X射线辐射剂量测量的数据)利用在校准过程中生成的查找表，其中，通过改变温度和湿度并监测输出的改变来捕获指示绝对X射线辐射剂量测量的数据。
在实施例中，参考检测器135被配置为通过测量分开预定距离“d”的图6D的两个平行铜板650之间的空气的电离来测量线性加速器105的X射线辐射剂量输出。如本领域的普通技术人员已知的，在两个铜板650之间施加电压，从而在它们之间的空间中生成电场。当铜板650之间的空间中的空气通过X射线(从线性加速器105发出)与空气粒子的相互作用而电离时，生成离子对，并且所得正离子和离解电子在电场的影响下移动到相反极性的电极，从而生成使用电路测量的电离电流。
每个离子对的第一离子和第二离子分别带正电和负电。需要收集离子对以便检测参考内的离子对。一个PCB(印刷电路板)带正电至约460V，并且形成电路的阳极，该阳极吸引该对中的带负电的离子。另一个PCB形成吸引离子对的正电荷离子的电路的阴极(并且附接到数字转换器电子器件)。当辐射穿过离子室时，离子室中的空气被电离，穿过该室的辐射越多会导致更高的电离水平。当离子对在阳极和阴极处被收集时，它在电路中引起电流流动，该电流被放大并被传输到扫描系统。
应当理解，预定距离“d”是信号捕获、施加到板的电压、确保初级射束不穿过板的足够间隔以及来自X射线脉冲剂量的预期电离电流的权衡。在一些实施例中，对于～450V板电压，预定距离“d”为6mm。
图7A示出了对应于最大X射线辐射剂量信号测量的第一示例性曲线705，而图7B示出了对应于最小X射线辐射剂量信号测量的第二示例性曲线710。在一个实施例中，第一曲线705下方的第一面积为3,049,136个单位，而第二曲线710下方的第二面积为208,769个单位。在实施例中，对应于来自离子室的电离电流的信号被数字化，并且计算第一曲线605和第二曲线610下的第一区域和第二区域以给出与指示由线性加速器输出的X射线辐射剂量的数据成比例的数字。电离电流包括最大和最小信号分量，其分别对应于在约50％最大输出下的约170pC(6MeV)和130pC(4MeV)的感应电荷。
在一些实施例中，辐射剂量测量电路包括具有不同放大水平的两个独立测量通道，以改善来自离子室的电离电流信号的信噪比，从而允许准确的剂量测量。数字转换器固件自动切换两个测量通道以提供用于进一步处理的最佳信号。在一些实施例中，两个独立的测量通道共享前端低电平接口，后续级用单独的低噪声放大器分成两部分，其中，增益被优化以最大化信号动态范围和信噪比。两个独立的测量通道具有单独的ADC(模数转换器)，以允许在逐脉冲基础上同时采样电离电流信号。
应当理解，两个独立的测量通道允许分辨来自单个平台的最大和最小预期剂量信号的能力。这将是高量高穿透设置和占用cab扫描成像设置。准确测量低剂量cab扫描图像所需的放大将导致较高剂量下的信号变白，因此需要两个单独的测量阶段或通道。
校正由于线性加速器量输出中的逐脉冲改变而导致的扫描图像
根据本说明书的一些方面，指示X射线辐射剂量输出的测量数据(在逐脉冲基础上)用于校正由于线性加速器量输出中的逐脉冲改变而导致的扫描图像。
由于来自线性加速器的X射线的生成遵循统计性质，因此从一个脉冲到下一个脉冲的精确量输出存在波动，通常在最大量值的约1％至2％的范围内(尽管这取决于绝对量值)。这种波动水平可以足以在扫描图像中对操作者可见或可辨别，并且还对材料分离或分类具有不利影响。因此，指示线性加速器在每个脉冲处的X射线辐射剂量输出的测量数据(在逐个脉冲的基础上)可以用于校正针对该线捕获数据的整个检测器阵列上的信号强度，以确保相邻线不表现出强度的任何阶跃改变。
图8是根据本说明书的一些实施例的使用指示线性加速器的X射线辐射剂量输出的测量数据(在逐脉冲基础上)来校正由于线性加速器量输出中的逐脉冲变化而导致的扫描图像的多个示例性步骤的流程图。在实施例中，扫描图像内的每个像素被归一化以去除脉冲间改变。
在步骤802处，针对给定时间点(x)处的脉冲计算参考校正因子R_x，如下：
其中，是在剂量水平(d)和能量(e)下校准期间X射线开启时的平均参考校正值；是X射线关闭时的平均参考校正值；以及Rdex是在剂量水平(d)、能量(e)和线位置(x)处的参考校正值。
在步骤804，将参考校正因子Rx应用于原始图像信号值S′idex生成S″idex，其是检测器阵列(i)、剂量水平(d)、能量(e)和线位置(x)处的给定通道的第二次归一化像素值。具体地，
S″idex＝S′idex*Rx
因此，如果Rdex略低于Rx将是一个小的正数，当乘以原始信号值时S′idex导致对线的总强度的小的正向调整。相反，如果数字为负，则该调整导致整根线上的强度降低。
通常，Rdex已经从检测器阵列顶部的多个检测器取得，这些检测器预期不会被正在被扫描的对象(例如，车辆)遮挡。然而，不仅这些检测器离发射中心轴(来自线性加速器)太远以至于X射线信号低，而且通常情况是这些检测器最难以准确对准，进一步放大了问题。这意味着整个扫描图像正在用低强度、有噪声的数据进行“校正”，对整个图像性能具有不利影响。
本说明书的参考检测器135通过测量线性加速器105处的X射线辐射剂量输出来克服该问题。这里，测量的幅度较高，因此统计误差较小，导致参考校正因子Rx的更准确的确定。由于参考检测器135直接定位于次级准直器115内的线性加速器105的前面，因此也不存在对准问题。
归一化将用于动态剂量调制的数据
根据本说明书的一些方面，指示线性加速器的X射线辐射剂量输出的测量数据(在逐脉冲基础上)用于归一化可用于动态剂量调制的扫描图像数据。
动态剂量调制是指修改线性加速器的每脉冲输出剂量的能力，使得例如仅生成对对象(诸如，容器)成像所需的剂量。也就是说，如果对空容器成像，则系统应减小每个脉冲的剂量输出，因为不需要具有高穿透的高高。相反，如果在图像中观察到高衰减区域，则可以增大输出以试图为成像提供足够的穿透。需要对每脉冲的线性加速器输出进行独立的、未遮挡的测量，以校正在整个扫描中以改变的每脉冲剂量捕获到的图像。
图9是根据本说明书一些实施例的归一化扫描图像数据以用于线性加速器的动态剂量调制的方法的多个示例性步骤的流程图。在步骤902处，从参考检测器110(图1)获取参考校正因子“Cf”。参考校正因子Cf与在图8的步骤802处确定的R_x＝(((R_de)·R·π)/(R_dex-r·π))相同。
在步骤904处，将参考校正因子“Cf”除以检测器阵列上的每像素的平均光信号，以计算与线性加速器的X射线辐射剂量输出无关的比率“R”。在实施例中，扫描图像数据线乘以值R以考虑扫描期间线性加速器的输出的改变。
在实施例中，比率‘R’反映了所有线性加速器输出的扫描隧道中的障碍物，并且是准确地组合来自不同X射线辐射剂量输出处的相邻脉冲的扫描图像数据所需的。因此，对于对被检查物体(例如，车辆或货物集装箱)的相同部分成像的两个连续脉冲，从一个脉冲到下一个脉冲将预期相同的响应。然而，如果线性加速器的X射线辐射剂量输出改变或改变，则这可能被误解为货物集装箱的货物成分的改变，例如，如果没有考虑线性加速器本身的输出的改变。使用参考检测器的指示线性加速器的X射线辐射剂量输出的测量数据(在逐脉冲基础上)提供线性加速器输出的基本事实。
跟踪累积量输出
返回参考图1，根据本说明书的一些方面，指示X射线辐射剂量输出的测量数据(在逐脉冲基础上)用于跟踪(线性加速器的)累积X射线辐射剂量输出，其随后可以用于动态剂量调制。在实施例中，参考检测器135使得能够在整个扫描、扫描的一部分或一段时间(诸如但不限于数小时、数天或数周)内跟踪X射线辐射剂量输出。应当理解，累积X射线辐射剂量输出的跟踪较少是线性加速器的逐脉冲量稳定性和改变的检查，并且更多是线性加速器的绝对量输出的监测。
用于扫描由人占用的车辆的常规X射线检查系统缺乏确定在扫描期间线性加速器是否输出用于成像人的预定安全X射线辐射剂量的能力。根据本说明书的一个方面，例如，将用于扫描被占用的车辆或货物集装箱的X射线检查系统与参考检测器135的X射线辐射剂量测量互锁确保了安全操作，因为如果线性加速器的辐射剂量输出超过被认为对于扫描人是安全的预定阈值量“Td”，则可以停止来自线性加速器的X射线发射。
在各种实施例中，线性加速器105的PLC(可编程逻辑控制器)122和/或计算设备125存储至少一个预定义阈值量‘Td’。安全PLC 122被配置为基于接近或超过至少一个预定阈值量“Td”来解装配线性加速器105。在一些实施例中，原始模拟信号(对应于X射线辐射剂量)从参考检测器135馈入到PLC 122，使得如果参考检测器135发生故障，则PLC 122直接知道这一点并且可以终止X射线的生成。原始模拟信号意味着数据可以潜在地被并入PLC 122的“安全电路”中。
也就是说，原始模拟信号被馈入到PLC 122以用作X射线检查系统互锁序列的一部分。互锁序列涉及在PLC 122中将来自参考检测器135的测量信号与至少一个预定阈值量“Td”进行比较。如果量超过该阈值，则X射线源105被禁用，防止过度暴露于被扫描的车辆中的任何乘客。
因此，当对占用车辆成像时，参考检测器135提供线性加速器是否以适当的模式输出的独立确认。在一些实施例中，由PLC 122和/或计算设备125将线性加速器105配置为在四种模式中的一种模式下操作：第一模式对应于没有发射X射线，第二模式对应于Cab扫描，第三模式对应于仅高剂量，第四模式对应于交错发射(或动态剂量)。第一、第二、第三和第四模式中的每一个模式适合于给定的扫描段或操作概念(ConOps)。例如，当对车辆的占用区域成像时，发射X射线的命令启用第二模式。当认为占用区域已经被通过时，PLC可以将命令切换到交错(第四模式)或高剂量(第三模式)。在第三模式(高剂量)或第四模式(交错)中，电离水平显著高于第二模式(cab scab)中的电离水平。
在实施例中，参考检测器135还使得能够在较长时间段内跟踪X射线的总发射(或累积X射线辐射剂量输出)，例如但不限于在数小时、数天或数周内。这种跟踪有利于确保动态剂量调制的实施方式不会导致X射线检查系统的剂量足迹相对于针对恒定量输出预定、预期和所测量的剂量足迹的增大。
例如，以7/10的剂量输出扫描20个卡车生成X射线检查/扫描系统所需的禁区。然而，输出为4/10的10次扫描(例如，需要较少剂量以实现必要性能的空容器的扫描)和输出为10/10的10次扫描(例如，需要额外穿透以准确成像的密集货物的扫描)也是如此。平均输出仍然是7/10。然而，在扫描之前不知道车辆中的轻型货物和重型货物的分布，因此X射线检查系统需要监测其自身的输出并且确定何时相当于7/10已经被满足。如果14次扫描需要10/10剂量，则X射线检查系统将自禁用，因为接下来的6次扫描中的任何一次将采用超过允许水平的输出以实现禁区(exclusion zone)。禁用将持续直到小时到时为止，然后可以恢复扫描。
上述示例仅说明本说明书的系统的许多应用。尽管这里仅描述了本发明的几个实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明可以以许多其他特定形式实施。因此，本示例和实施例应被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明可以在所附权利要求的范围内进行修改。

Claims (27)

1.一种线性加速器，包括：
磁控管；
靶；
电子枪，其中，所述电子枪被配置为将加速的电子束指向所述靶，从而生成X射线束；
初级准直器，所述初级准直器定位于沿着所述X射线束的方向；
次级准直器，所述次级准直器定位于接收离开所述初级准直器的所述X射线束；
衰减元件，所述衰减元件定位于所述初级准直器附近；
量热计，所述量热计定位于所述初级准直器附近；以及
参考检测器，所述参考检测器定位于所述次级准直器附近并且被配置为在逐脉冲基础上生成指示X射线辐射剂量输出的数据。
2.根据权利要求1所述的线性加速器，其中，所述靶定位于所述电子枪与所述初级准直器之间。
3.根据权利要求1所述的线性加速器，其中，所述次级准直器耦接到所述初级准直器的端部。
4.根据权利要求1所述的线性加速器，其中，所述衰减元件和所述量热计定位于所述初级准直器内。
5.根据权利要求1所述的线性加速器，其中，所述参考检测器定位于所述次级准直器内。
6.根据权利要求1所述的线性加速器，其中，所述初级准直器或所述次级准直器中的至少一者具有固定的束成形孔径。
7.根据权利要求1所述的线性加速器，其中，所述初级准直器或所述次级准直器中的至少一者具有可变的束成形孔径。
8.根据权利要求1所述的线性加速器，其中，所述衰减元件被配置为将对应于半值层(HVL)测量的数据移位到较少受到所述X射线束的低能量分量影响的区域中。
9.根据权利要求1所述的线性加速器，其中，所述衰减元件被配置为基于所述线性加速器的端点能量将对应于半值层(HVL)测量的数据移位到区域中。
10.根据权利要求1所述的线性加速器，其中，所述电子束交替地被加速到至少约6MeV的第一峰值能量和约4MeV的第二峰值能量。
11.根据权利要求1所述的线性加速器，其中，所述参考检测器还被配置为在所述逐脉冲基础上生成半值层(HVL)值。
12.根据权利要求11所述的线性加速器，其中，所述量热计包括第一检测器元件和至少一个后续检测器元件，从而形成检测器元件的堆叠阵列。
13.根据权利要求12所述的线性加速器，还包括与所述线性加速器进行数据通信的计算设备和与所述计算设备进行数据通信的可编程逻辑，其中，所述计算设备被配置为通过以下方式测量所述HVL值：
从所述检测器元件获取X射线强度数据；
确定所述X射线强度数据的自然对数与对应于所述检测器元件中的每个检测器元件的2的自然对数的比率；
根据包括所述检测器元件中的每个检测器元件的材料的累积衰减厚度来确定所述比率的梯度；以及
通过确定所述梯度的负倒数来生成所述HVL值。
14.根据权利要求11所述的线性加速器，还包括与所述线性加速器进行数据通信的计算设备和与所述计算设备进行数据通信的可编程逻辑，其中，所述计算设备被配置为：
确定通过修改所述X射线束的脉冲的高峰值能量和低峰值能量以及所述脉冲中的每个脉冲的对应HVL值测量而形成、经扫描的对象中的至少第一和第二材料的材料分离曲线之间的关系；以及
基于针对所述脉冲中的每个脉冲的所述HVL值测量，使用校准曲线来对扫描图像进行着色用于材料识别。
15.根据权利要求1所述的线性加速器，还包括与所述线性加速器进行数据通信的计算设备和与所述计算设备进行数据通信的可编程逻辑，其中，所述计算设备被配置为通过计算给定时间点处的脉冲的参考校正因子并且将所述参考校正因子应用于原始图像信号值以生成归一化像素值，使用所述X射线辐射剂量输出来校正由于所述X射线辐射剂量输出中的逐脉冲变化而导致的扫描图像。
16.根据权利要求1所述的线性加速器，还包括与所述线性加速器进行数据通信的计算设备和与所述计算设备进行数据通信的可编程逻辑，其中，所述计算设备被配置为通过从所述参考检测器获取参考校正因子，并且将所述参考校正因子除以每像素的平均光信号以计算与所述X射线辐射剂量输出无关的比率，来使用所述X射线辐射剂量输出用于归一化扫描图像数据。
17.根据权利要求1所述的线性加速器，还包括与所述线性加速器进行数据通信的计算设备和与所述计算设备进行数据通信的可编程逻辑，其中，所述可编程逻辑控制器和/或所述计算设备存储至少一个预定义阈值X射线辐射剂量值，并且其中，所述可编程逻辑控制器被配置为如果所述X射线辐射剂量输出接近或超过所述至少一个预定义阈值X射线辐射剂量值，则停用所述线性加速器。
18.一种使用所测量的实时半值层(HVL)数据来校正线性加速器的能量漂移的方法，其中，所述线性加速器与计算设备和可编程逻辑控制器进行数据通信，并且其中，所述线性加速器至少包括磁控管、电子枪以及检测器阵列或量热计中的至少一者，所述方法包括：
如果所测量的HVL数据改变而由所述检测器阵列的第一检测器元件或所述量热计测量的剂量不改变，则调整所述电子枪的脉冲宽度；
当所测量的HVL数据改变且由所述检测器阵列的所述第一检测器元件或所述量热计测量的剂量也改变时，测量所述磁控管的功率输出，并且将所测量的功率提供给所述可编程逻辑控制器用于持续实时HVL数据测量；
如果所测量的HVL数据的改变是由于所测量的正向射频(RF)功率的改变，则调整到所述磁控管的电流脉冲；以及
如果所测量的HVL数据的改变不是由于所测量的正向RF功率的改变，则调整所述磁控管的频率输出。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
使用定向耦合器测量所述磁控管的功率输出。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
当所测量的HVL数据增大时，增大所述脉冲宽度，而当所测量的HVL数据减小时，减小所述脉冲宽度。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括：
当所测量的HVL数据的减小对应于所述正向RF功率的减小时，增大所述电流脉冲，而当所测量的HVL数据值的增大对应于所述正向RF功率的增大时，减小所述电流脉冲。
22.根据权利要求18所述的方法，还包括：
使用连接到所述磁控管的调谐杆的电机来调整所述频率输出。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括：
当所测量的HVL数据由于所述调谐杆在所述第一方向上的移动而向靠近原始值接近时，在所述第一方向上移动所述调谐杆，而当所测量的HVL数据由于所述调谐杆在所述第一方向上的所述移动而远离所述原始值时，在与所述第一方向相反的第二方向上移动所述调谐杆。
24.一种线性加速器，包括：
靶；
电子枪，其中，所述电子枪被配置为将加速的电子束指向所述靶，从而生成X射线束；
初级准直器，所述初级准直器沿着所述X射线束的方向定位于所述靶之外；
次级准直器，所述次级准直器耦接到所述初级准直器的端部，所述X射线束从所述端部离开所述初级准直器；
衰减元件，所述衰减元件定位于所述初级准直器内，并且被配置为将X射线数据的获取移位到较少受所述X射线束的低能量分量影响的区域中以及移位到与所述线性加速器的端点能量更相关的区域中；以及
检测器，所述检测器定位于所述次级准直器内，并且被配置为在逐脉冲基础上测量所述线性加速器的X射线辐射剂量输出，其中，所述检测器被封装在由处于预定义的固定距离处的两个平行铜板所限定的壳体内。
25.根据权利要求24所述的线性加速器，其中，所述次级准直器包括盖板、顶部支撑件、第一和第二侧板、第一准直爪组、准直器调整组件和第二准直爪组。
26.根据权利要求24所述的线性加速器，还包括：
定位于所述壳体内的除湿器。
27.根据权利要求24所述的线性加速器，其中，所述衰减元件包括大约6英寸的钢。
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