DE102007042144A1

DE102007042144A1 - Verfahren zur Verbesserung der Materialerkennbarkeit in einer Röntgenprüfanlage und Röntgenprüfanlage

Info

Publication number: DE102007042144A1
Application number: DE102007042144A
Authority: DE
Inventors: Uwe Siedenburg
Original assignee: Smiths Heimann GmbH
Current assignee: Smiths Heimann GmbH
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-03-12
Also published as: CN101796400A; RU2462702C2; WO2009030326A1; RU2010112942A; US8311309B2; HK1142675A1; CA2698285A1; EP2185920A1; US20100158384A1; CN101796400B

Abstract

Verfahren zur Verbesserung der Materialerkennbarkeit in einer Röntgenprüfanlage mit den Verfahrensschritten - Aufnahme von mindestens zwei Absorptions-Röntgenbildern eines zu untersuchenden Objekts bei verschiedenen Energien - mathematische Modellierung des Objekts durch eine Anzahl Schichten unter Annahme eines konkreten Materials für jede Schicht, wobei ein Absorptionswert das Absorptionsvermögen einer Schicht beschreibt, die Anzahl der Schichten kleiner oder gleich der Anzahl der Röntgenbilder ist und für zumindest eine Schicht ein bei der Prüfung zu erkennendes Material angenommen wird - Zen wegabhängigen Faktor und einen energieabhängigen Faktor - Berechnung der wegabhängigen Faktoren für alle Schichten aus den Absorptions-Röntgenbildern mittels der Absorptionsgleichung - Berechnung zumindest eines synthetischen Bildes aus der Summe der mit Gewichtungsfaktoren multiplizierten Absorptionswerte aller Schichten - Auswertung des synthetischen Bildes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Materialerkennbarkeit in einer Röntgenprüfanlage sowie eine Röntgenprüfanlage.
Zum Überprüfen von Objekten, insbesondere von Gepäckstücken, auf verdächtige Inhalte werden bekannterweise Röntgenprüfgeräte eingesetzt, in denen die zu überprüfenden Objekte von Röntgenstrahlen durchstrahlt werden. Die Röntgenprüfgeräte weisen dazu eine Röntgenquelle und Detektoren auf, in denen die Intensitäten der abgeschwächten Strahlung detektiert werden. Aus diesen Intensitäten werden Helligkeitswerte für einen an einem Bildschirm dargestelltes zweidimensionales Röntgenbild errechnet. In diesem Röntgenbild können gefährliche Materialien erkannt werden.
Im Gegensatz zu Computertomographen für den medizinischen Bereich weisen Röntgenprüfgeräte für Sicherheitskontrollen oder nicht-destruktives Testen feststehende Röntgenquellen und Detektoren auf. Derartige Röntgenprüfanlagen durchstrahlen jeden Raumpunkt des Prüfobjektes daher nur in einer Richtung. Es ist daher nicht möglich, eine dreidimensionale Rekonstruktion des Prüfobjekts durchzuführen, die für eine Dichtebestimmung erforderlich ist. Im Strahlengang hintereinander liegende Materialien können somit nicht auf einfache Weise erkannt werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zu schaffen, das die Materialerkennbarkeit in einer Röntgenprüfanlage verbessert.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen. Patentanspruch 7 betrifft eine Röntgenprüfanlage mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst mindestens zwei Absorptions-Röntgenbilder eines zu untersuchenden Objekts bei verschiedenen Energien aufgenommen. Dabei werden die Energien vorteilhaft so gewählt, dass die Intensität der durch das Objekt transmittierten Röntgenstrahlung durch unterschiedliche physikalische Effekte vermindert wird. Bevorzugt werden nach dem bekannten Dual-Energy-Verfahren zwei Absorptions-Röntgenbilder bei zwei verschiedenen Energien aufgenommen. Der Begriff Röntgenbild bezeichnet dabei je nach Kontext die gemessenen Röntgenintensitäten oder das daraus berechnete Bild zur Darstellung auf einem Bildschirm.
Die gemessene Röntgenintensität folgt allgemein der Absorptionsgleichung
Dabei bezeichnet I₀ die energieabhängige Intensität der Röntgenstrahlung, die an einem Detektor auftreffen würde, wenn sich kein Material zwischen Röntgenquelle und Detektor befände, und μ den von der Ortskoordinate r(s) innerhalb des Objekts abhängigen Absorptionskoeffizienten. S beschreibt den Weg der Röntgenstrahlung durch das Objekt. Da Röntgenprüfanlagen üblicherweise keine monoenergetische Röntgenstrahlung verwenden, erfolgt in Gleichung (1) eine Integration über das Energiespektrum der Röntgenstrahlung.
In einem weiteren Verfahrensschritt folgt die mathematische Modellierung des Objekts durch eine Anzahl Schichten unter Annahme eines konkreten Materials für jede Schicht. Dabei ist die Anzahl der Schichten kleiner oder gleich der Anzahl der Röntgenbilder und für zumindest eine Schicht wird ein bei der Prüfung zu erkennendes Material angenommen. Da die Materialien als homogen angenommen werden, ist μ innerhalb einer Schicht konstant und die Integration über den Weg S entfällt. Es ergibt sich die Gleichung
mit der Dicke d_m des jeweiligen Materials, also der Ausdehnung der Schicht in Richtung der Röntgenstrahlung. M bezeichnet die Anzahl der Schichten des Modells. Das Absorptionsvermögen des Objekts wird bei der Modellierung auf die Schichten aufgeteilt, das Absorptionsvermögen einer Schicht wird durch einen Absorptionswert μ_m·d_m beschrieben. Die Summe der Absorptionswerte der Schichten entspricht dem Absorptionswert des gesamten Objekts: ∫ Sμ(E,r(s))ds = Σ MμM(E)·dm.
Weiterhin wird der Absorptionswert jeder Schicht in einen wegabhängigen Faktor und einen energieabhängigen Faktor zerlegt. Der wegabhängige Faktor ist energieunabhängig, der energieabhängige Faktor wegunabhängig. Daher erfolgt die Modellierung anhand der umformulierten Absorptionsgleichung
Bevorzugt entspricht der energieabhängige Faktor τ_m dem Massenschwächungskoeffizienten und der wegabhängige Faktor δ_m der Massenbelegungsdichte des Materials. Im Allgemeinen ist δ_m abhängig vom Weg S und wird beschrieben durch δm(S) = ∫ Sρm(r(s))ds (3)
Da für die Schichten homogene Materialien angenommen werden, vereinfacht sich Gleichung (3) zu δm(S) = ρm·dm. (4)
In einem nächsten Schritt werden mittels der Absorptionsgleichung (2) die unbekannten wegabhängigen Faktoren δ_m aller Schichten aus den Absorptions-Röntgenbildern berechnet. Die Anzahl der Unbekannten entspricht der bei der Modellierung des Objekts angenommenen Anzahl Schichten. Jedes Absorptions-Röntgenbild liefert eine Gleichung zur Bestimmung dieser Unbekannten, die τ_m und ρ_m sind für die angenommenen Materialien bekannt. Da die Anzahl der Gleichungen größer oder gleich der Anzahl der Unbekannten sein muss, muss die Anzahl der Schichten kleiner oder gleich der Anzahl der Röntgenbilder sein. Ein Vorwissen über das zu untersuchende Objekt kann dabei ein oder mehrere Röntgenbilder ersetzen.
Aus den wegabhängigen Faktoren lassen sich anhand von Gleichung (4) die Dicken der Schichten berechnen. Diese Dicken würden die Schichten aufweisen, wenn das zu untersuchende Objekt ausschließlich aus den angenommenen Materialien bestünde. Enthält das Objekt andere Materialien als bei der Modellierung angenommen, so ergeben diese Materialien fälschliche Beiträge zu den wegabhängigen Faktoren und damit den Dicken mehrerer Schichten. Dies ist jedoch, wie noch gezeigt wird, für die Verbesserung der Materialerkennbarkeit unerheblich.
In einem nächsten Verfahrensschritt erfolgt die Berechnung zumindest eines synthetischen Bildes aus der Summe der mit Gewichtungsfaktoren multiplizierten Absorptionswerte aller Schichten. Die bei dieser Berechnung verwendete Synthetisierungsgleichung lautet beispielsweise
Aus dem Modell des Objekts, den Eigenschaften der angenommenen Materialien und den wegabhängigen Faktoren der Schichten wird somit ein neues Bild synthetisiert. Durch die Wahl der Gewichtungsfaktoren w_m ist es möglich, das synthetische Bild derart zu gestalten, dass ein aus einem zu erkennenden Material bestehendes Objekt im synthetischen Bild keine oder nur eine schwache Kontur aufweist. Werden alle Gewichtungsfaktoren zu 1 gewählt, so entspricht das synthetische Bild einem aufgenommenen Absorptions-Röntgenbild.
Der letzte Schritt besteht in der Auswertung des synthetischen Bildes. Die Auswertung erfolgt beispielsweise automatisiert, wobei beispielsweise ein Alarm ertönt, wenn das zu untersuchende Objekt ein zu erkennendes Material enthält. Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Auswertung durch Anzeige des synthetischen Bildes auf einem Bildschirm. Optional werden zwei oder mehr synthetische Bilder unter Verwendung unterschiedlicher Gewichtungsfaktoren berechnet und nacheinander oder nebeneinander auf dem Bildschirm dargestellt. Dazu schaltet der Bediener der Röntgenprüfanlage beispielsweise mittels eines Tasters oder Schalters zwischen den synthetischen Bildern um. In einer Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Gewichtungsfaktoren für zumindest ein synthetisches Bild oder alle synthetischen Bilder durch den Bediener einstellbar.
In vorteilhafter Weise wird bei der Berechnung des synthetischen Bildes der Absorptionswert einer Schicht mit einem zu erkennenden Material mit dem Faktor Null gewichtet. Das synthetische Bild enthält demnach keinen Absorptionsanteil, der bei der Modellierung des Objekts dem zu erkennenden Material zugerechnet wird. Eine Kontur eines Gegenstands aus dem zu erkennenden Material, die sich in dem aufgenommenen Absorptions-Röntgenbildern abzeichnet, ist demnach im synthetischen Bild nicht enthalten. Durch das Fehlen dieser Kontur schließt beispielsweise das Bedienpersonal der Röntgenprüfanlage auf die Anwesenheit des zu erkennenden Materials im Objekt.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Gewichtungsfaktoren bei der Berechnung des synthetischen Bildes abhängig von der Lage des Bildpunktes im Röntgenbild. Demnach gilt w_m = w_m(x, y) mit den Koordinaten x und y eines Bildpunktes im Bild. Dadurch ist es beispielsweise möglich, mit unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren in verschiedenen Bereichen des synthetischen Bildes die Konturen von Gegenständen aus verschiedenen Materialien zu unterdrücken und somit in einem synthetischen Bild die Detektion mehrerer zu erkennender Materialien zu ermöglichen.
Bevorzugt wird die von einer Schicht verursachte Absorption bei der Berechnung des synthetischen Bildes abhängig von dem für die Schicht angenommenen Material eingefärbt. Die Einfärbung erfolgt bevorzugt anhand der Ordnungszahl Z des Materials. So werden beispielsweise metallische Materialien blau und organische Materialien orange eingefärbt. Diese Einfärbung erlaubt dem Bedienpersonal der Röntgenprüfanlage eine einfachere Detektion der gesuchten Materialien.
Eine erfindungsgemäße Röntgenprüfanlage weist Mittel zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens auf.
Die vorliegende Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dabei zeigen
1 einen Schnitt durch ein zu untersuchendes Objekt aus zwei Materialien,
2a die theoretische Absorptionsdicke des ersten angenommenen Materials des Objekts aus 1,
2b die theoretische Absorptionsdicke des zweiten angenommenen Materials des Objekts aus 1,
3 einen Schnitt durch ein Objekt mit drei Materialien,
4a die theoretische Absorptionsdicke des ersten angenommenen Materials des Objekts aus 3 und
4b die theoretische Absorptionsdicke des zweiten angenommenen Materials des Objekts aus 3.
Dargestellt in 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines zu untersuchenden Objekts bestehend aus zwei Materialien. Bei dem Material 1 handelt es sich um den Plastiksprengstoff Semtex, bei dem Material 2 um Eisen. Die Dicke des Materials 1 beträgt 1,5 mm, die Dicke des Materials 2 beträgt 1 mm. Beispielhaft herausgestellt sind vier Positionen A, B, C und D, an denen Röntgendetektoren angeordnet sind. Bei der Aufnahme eines Absorptions-Röntgenbildes befindet sich zwischen der nicht dargestellten Röntgenquelle einer Röntgenprüfanlage und den Röntgendetektoren an den Positionen A und B kein Material, zwischen der Röntgenquelle und dem Detektor an der Position C nur das Material 2 und zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor an der Position D sowohl das Material 1 als auch das Material 2. Die Röntgendetektoren detektieren die von der Röntgenquelle ausgesendete und vom Objekt abgeschwächte Röntgenstrahlung.
In einer Dual-Energy-Röntgenprüfanlage werden zwei Absorptions-Röntgenbilder des Objekts bei zwei verschiedenen Energiespektren der Röntgenstrahlung aufgenommen. Im vorliegenden Beispiel liegt die Energie E_L der Röntgenstrahlung bei der Low-Energy-Aufnahme zwischen 20 keV und 70 keV, die Energie EH bei der High-Energy-Aufnahme zwischen 70 kev und 140 keV. Bei den Absorptions-Röntgenbildern handelt es sich um zweidimensionale Bilder aus einzelnen Bildpunkten, wobei die Helligkeit jedes Bildpunktes zu dem Absorptionsvermögen des zu untersuchenden Objekts an dieser Bildposition korrespondiert. Die beiden Absorptions-Röntgenbilder liefern für jeden Bildpunkt die beiden Intensitäten I(E_L) und I(E_H).
Anschließend wird eine mathematische Modellierung des Objekts durch zwei Schichten vorgenommen. Für die eine Schicht wird Semtex als Material 3 angenommen, für die andere Schicht Eisen als Material 4. Die Intensität der Röntgenstrahlung für jeden Bildpunkt, die nach der Transmission durch das modellierte Objekt auf einem Röntgendetektor trifft, errechnet sich dann aus der Absorptionsgleichung (2). Setzt man diese theoretischen Intensitäten gleich den gemessenen Intensitäten, so ergeben sich die beiden Gleichungen
mit den beiden Unbekannten δ₃ und δ₄. Dabei bezeichnet I₀ die bekannte Intensität der Röntgenstrahlung, die an einem Detektor auftreffen würde, wenn sich kein Material zwischen Röntgenquelle und Detektor befände. Bei τ₃ und τ₄ handelt es sich um bekannte materialspezifische Massenschwächungskoeffizienten, die unabhängig von der Länge des Weges S der Röntgenstrahlung durch das Material, aber abhängig von der Energie der Strahlung sind. Die Massenbelegungsdichten δ₃ und δ₄ sind abhängig von der Länge des Weges S der Röntgenstrahlung durch das Material, aber unabhängig von der Energie der Strahlung.
Aus den Gleichungen (6) und (7) sind die beiden Unbekannten δ₃ und δ₄ berechenbar. Sie hängen über die Gleichung (3) beziehungsweise (4) mit den Dicken der Schichten zusammen. Zur Veranschaulichung werden in den Figuren und den folgenden Ausführungen diese Dicken anstatt der Massenbelegungsdichten δ verwendet.
Die berechnete Dicke des Materials 3 ist in 2a dargestellt, die berechnete Dicke des Materials 4 in 2b. Stimmen, wie im vorliegenden Beispiel, die angenommenen Materialien exakt mit den Materialien überein, aus denen das Objekt besteht, so entsprechen die berechneten Dicken exakt den tatsächlichen Dicken der Materialien im Objekt. Liegen im zu untersucheden Objekt mehrere Gegenstände aus dem gleichen Material im Ausbreitungsweg S der Röntgenstrahlung, so werden diese bei der Modellierung des Objekts zu einer gemeinsamen Schicht zusammengefasst. Dies gilt auch, wenn diese Gegenstände im Objekt nicht direkt aneinandergrenzen.
In einem nächsten Schritt wird mindestens ein synthetisches Bild anhand der Synthetisierungsgleichung (5) berechnet. Diese hat vorliegend die Form
Die Absorptionswerte τ₃(E)·δ₃(S) beziehungsweise τ₄(E)·δ₄(S) werden mit den Gewichtungsfaktoren w₃ beziehungsweise w₄ multipliziert und summiert. Die Summe bildet mit dem Faktor –1 multipliziert den Exponenten der Exponentialfunktion in der Absorptionsgleichung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Gewichtungsfaktoren w₃ und w₄ für das gesamte Bild, also alle Bildpunkte mit beliebigen Koordinaten x und y, konstant gewählt. Die berechneten Intensitäten I werden auf bekannte Weise in ein zweidimensionales Bild zur Darstellung auf einem Bildschirm umgewandelt. Optional erfolgt eine Einfärbung der Anteile der einzelnen Schichten an der Gesamtabsorption in Abhängigkeit des für die Schicht angenommenen Materials.
Wir der Gewichtungsfaktor w₄ gleich Null gesetzt, so beruht das synthetische Bild einzig auf dem Absorptionsanteil durch das angenommene Material 3, im vorliegenden Fall Semtex. Aus 2a wird deutlich, dass das angenommene Material 4, das exakt dem tatsächlichen Material 2 entspricht, keinerlei Bildanteil liefert. Eine Kontur, die das Material 2 in einem der aufgenommenen Absorptions-Röntgenbilder hinterlässt, fehlt in dem synthetischen Bild vollständig. Daraus kann geschlossen werden, dass das angenommene Material 4, also Eisen, in dem Objekt enthalten ist. Wird umgekehrt der Gewichtungsfaktor w₃ zu Null gesetzt, so beruht das synthetische Bild ausschließlich auf Absorptionsanteilen aus den angenommenen Material 4. Eine in einem Absorptions- Röntgenbild wahrnehmbare Kontur des Materials 1 ist in dem synthetischen Bild nicht enthalten, woraus auf die Anwesenheit des angenommenen Materials 3 im Objekt geschlossen werden kann.
3 zeigt einen Schnitt durch ein Objekt aus 3 Materialien. Die Materialien 5 und 6 sowie deren Dicken entsprechenden den Materialien 1 und 2 aus 1. Zusätzlich ist ein 2 mm dickes Material 7 im Objekt enthalten. Das Material 7 befindet sich im Strahlengang zwischen der Röntgenquelle und den Detektoren an den Positionen B, C und D, jedoch nicht zwischen der Röntgenquelle und dem Detektor an der Position A.
Das Objekt wird wieder durch ein Modell aus zwei Schichten beschrieben. Dazu dient die Gleichung
Für das Modell wird das Material 8 als Semtex und das Material 9 als Eisen angenommen, womit diese Materialien zwei der tatsächlich im Objekt vorhanden Materialien entsprechen. Die Berechnung von δ₈ und δ₉ erfolgt analog zum ersten Ausführungsbeispiel.
Da das aufgestellte Zwei-Schichten-Modell ein Objekt aus drei Materialien nicht korrekt wiedergeben kann, entsprechen die berechneten Dicken auch bei korrekter Annahme der Materialien 8 und 9 nicht den tatsächlichen Dicken der Materialien 5 und 6 im Objekt. Vielmehr ergibt das Material 7 einen Anteil an beiden berechneten Dicken, da es keinem der angenommenen Materialien exakt entspricht. Daraus ergeben sich die Verläufe der Dicken des Materials 8 in 4a und des Materials 9 in 4b.
Die gemessene Absorption der Röntgenstrahlung durch das Material 7 am Röntgendetektor an Position B entspricht derjenigen Absorption, die 1,2 mm des Materials 8, also Semtex, und 0,2 mm des Materials 9, also Eisen, hervorrufen würden. Diese genannten Dicken bilden einen fälschlichen Offset an den Positionen B, C und D. Für Semtex als angenommenes Material 8, das dem tatsächlichen Material 5 entspricht, ergibt sich an Position D ein weiterer, korrekter Dickenanteil von 1,5 mm und somit die gesamte berechnete Dicke von 2,7 mm. Für das Material 9, das korrekt als das tatsächliche Material 6 Eisen angenommen wurde, ergibt sich an den Positionen C und D durch das Objekt ein zusätzlicher Dickenanteil von 1 mm und somit eine gesamte berechnete Dicke von 1,2 mm.
Aus den Verläufen der berechneten Dicken in den 4a und 4b ist ersichtlich, dass sich durch das dritte Material 7 zwar ein zusätzlicher Anteil an den Dicken für die angenommenen Materialien ergibt, die reale Kontur eines aus dem jeweiligen Materials bestehenden Gegenstand im Objekt jedoch weiterhin korrekt wiedergegeben wird.
Bei der Wahl des Gewichtungsfaktors w₉ zu Null enthält das synthetische Bild zwar Konturen durch die Materialien 5 und 7, nicht aber durch Eisen als Material 6. Wird hingegen der Gewichtungsfaktor w₈ gleich Null gewählt, so enthält das synthetische Bild keine von Semtex hervorgerufenen Konturen. Durch das Fehlen einer Kontur im Vergleich zu einem aufgenommenen Absorptions-Röntgenbild kann somit auf die Anwesenheit des angenommenen Materials im Objekt geschlossen werden, auch wenn das Objekt mehr beziehungsweise andere Materialien enthält, als das mathematische Model berücksichtigt.

Claims

Verfahren zur Verbesserung der Materialerkennbarkeit in einer Röntgenprüfanlage mit den Verfahrensschritten – Aufnahme von mindestens zwei Absorptions-Röntgenbildern eines zu untersuchenden Objekts bei verschiedenen Energien – mathematische Modellierung des Objekts durch eine Anzahl Schichten unter Annahme eines konkreten Materials für jede Schicht, wobei ein Absorptionswert das Absorptionsvermögen einer Schicht beschreibt, die Anzahl der Schichten kleiner oder gleich der Anzahl der Röntgenbilder ist und für zumindest eine Schicht ein bei der Prüfung zu erkennendes Material angenommen wird – Zerlegen des Absorptionswertes jeder Schicht in einen wegabhängigen Faktor und einen energieabhängigen Faktor – Berechnung der wegabhängigen Faktoren für alle Schichten aus den Absorptions-Röntgenbildern mittels der Absorptionsgleichung – Berechnung zumindest eines synthetischen Bildes aus der Summe der mit Gewichtungsfaktoren multiplizierten Absorptionswerte aller Schichten – Auswertung des synthetischen Bildes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Absorptions-Röntgenbilder bei zwei Energien aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des synthetischen Bildes der Absorptionswert einer Schicht mit einem zu erkennenden Material mit dem Faktor Null gewichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren bei der Berechnung des synthetischen Bildes abhängig sind von der Lage des Bildpunktes im Röntgenbild.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des synthetischen Bildes die von einer Schicht verursachte Absorption abhängig von dem für die Schicht angenommenen Material eingefärbt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem energieabhängigen Faktor um den Massenschwächungskoeffizienten und bei dem wegabhängigen Faktor um die Massenbelegungsdichte des Materials handelt.
Röntgenprüfanlage, aufweisend Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.