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Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 19097 (2022) Citar este artigo

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A tomografia computadorizada (TC) de raios-X é uma modalidade estabelecida comercialmente para imagens de objetos grandes, como bagagens de passageiros. A TC pode fornecer a densidade e o número atômico efetivo, o que nem sempre é suficiente para identificar ameaças como explosivos e narcóticos, pois podem ter uma composição semelhante a plásticos benignos, vidro ou metais leves. Nesses casos, a difração de raios-X (XRD) pode ser mais adequada para distinguir as ameaças. Infelizmente, o fluxo de fóton difratado é tipicamente muito mais fraco que o transmitido. A medição de dados XRD de qualidade é, portanto, mais lenta em comparação com CT, o que é um desafio econômico para clientes em potencial, como aeroportos. Neste artigo, analisamos numericamente um novo projeto de scanner de baixo custo que captura sinais CT e XRD simultaneamente e usa a menor colimação possível para maximizar o fluxo. Para simular um instrumento realista, propomos um modelo direto que inclui os efeitos de limitação de resolução do espectro policromático, o detector e todos os fatores geométricos de tamanho finito. Em seguida, mostramos como reconstruir padrões XRD de um grande fantasma com vários objetos de difração. Incluímos uma quantidade razoável de ruído de contagem de fótons (estatísticas de Poisson), bem como viés de medição (espalhamento incoerente). Nossa reconstrução XRD adiciona informações específicas do material, embora em baixa resolução, à imagem CT já existente, melhorando assim a detecção de ameaças. Nosso modelo teórico é implementado em software acelerado por GPU (Graphics Processing Unit) que pode ser usado para otimizar ainda mais os projetos de scanner para aplicações em segurança, assistência médica e controle de qualidade de fabricação.

A tomografia computadorizada (TC) de raios-X é baseada na medição da transmissão de raios-X em uma grande região de interesse (ROI), por exemplo, uma mala em exames de segurança do aeroporto. Depois de realizar essa medição de vários ângulos, é possível reconstruir matematicamente a densidade 3D do objeto. Com CT multi-energia, também podemos inferir a composição média (número atômico efetivo) em 3D. Infelizmente para aplicações de segurança, a densidade e o número atômico de materiais de ameaça (drogas, explosivos) podem ser muito semelhantes aos de metais, cerâmicas e plásticos inofensivos. Uma impressão digital de material muito mais específico pode ser medida usando difração de raios-X (XRD). É muito sensível ao arranjo espacial dos átomos, que é altamente distinto em milhares de materiais diferentes. O XRD é especialmente adequado para identificar cristais, pois sua estrutura periódica dá origem a picos de difração muito nítidos. Isso é vantajoso para triagens de segurança, pois muitas ameaças são, na verdade, cristais, pós cristalinos ou materiais compostos semicristalinos (metanfetamina cristalina, cocaína e explosivos comuns como TNT e RDX).

A capacidade de identificar um material depende da resolução do padrão de difração reconstruído. A resolução pode ser aumentada com colimação apertada, tanto espacialmente quanto em termos de espectro de energia de raios-X. A desvantagem da colimação é a perda do fluxo de fótons1, que requer longos tempos de medição para compensar. Uma compensação razoável entre resolução e fluxo é, portanto, fundamental para um scanner economicamente viável. Há também a consideração da resolução espacial, mas isso é menos importante para aplicativos de segurança, onde o objetivo é detectar as ameaças mais flagrantes, como uma mala carregada com quilos de explosivos ou drogas. Pequenas quantidades de ameaças, ou uma infinidade de pequenas ameaças diferentes dentro da mesma mala, estão além do escopo desta pesquisa. Portanto, focamos nossa atenção na resolução do padrão de difração, em vez da resolução espacial, a menos que seja explicitamente declarado o contrário.

Um exemplo de boa resolução obtida em um ambiente real de segurança aeroportuária é descrito na Ref.2. Seu fluxo de trabalho consiste em duas máquinas: primeiro uma tomografia computadorizada (TC) para sinalizar possíveis objetos de ameaça e, em seguida, uma segunda passagem por um difratômetro de raios-X para fornecer uma assinatura de material mais específica. Para medir o padrão XRD de um objeto em alta resolução, os autores restringiram a abertura do feixe de raios X a uma forma fina de lápis, bem como adicionaram colimadores na frente de seu detector para que ele aceite apenas uma faixa estreita de ângulos de dispersão. Usando um tubo de raios X operando a 1,6 kW, os autores examinaram 4.182 artigos de bagagem de passageiros ao longo de 53 dias, ou 3 a 4 itens por hora. Um sistema semelhante de dois estágios, o XRD 3500, foi implantado comercialmente em vários aeroportos3. Além disso, outro projeto usando uma fonte de feixe cônico foi patenteado pela Halo technologies4. Apesar dessas histórias iniciais de sucesso, melhorias adicionais em velocidade, custo e precisão são necessárias para que a tomografia XRD seja adotada na aviação comercial em larga escala.