DE102012017872A1

DE102012017872A1 - Verfahren und Vorrichtung zur bildgebenden Prüfung von Objekten mit Röntgenstrahlung

Info

Publication number: DE102012017872A1
Application number: DE102012017872.7A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Bauch; Dietmar Wünsche; Frank Henschel
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2014-05-15
Also published as: WO2014036989A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur bildgebenden Prüfung von Objekten (5, 6) mit Röntgenstrahlung (21). Dabei werden folgende Schritte durchgeführt: – Anfertigung einer von einem pixelweise organisierten Röntgenflachdetektor (9) aufgenommenen, digitalisierten radiografischen Aufnahmeserie (17 bis 18) mit gleicher Geometrie und mittels einer einstellbaren Stufung von Beschleunigungsspannungen UBi und/oder von Belichtungszeiten tB vom Objekt (5, 6) einschließlich mindestens eines Materials (3, 4), – Auswertung der digitalisierten Aufnahmeserie (17 bis 18) in einer Auswerteeinheit (12) mit zumindest jeweils einer Funktionseinheit (20; 22) zur Erstellung und Vergabe von jeweiligen Kennzeichen CR; CS aufweisenden Modulen (26; 27), wobei das erste Modul (26) zur Durchführung einer Rekonstruktion zur kontrastreichen Abbildung bei sehr ähnlichem Schwächungskoeffizienten und zur zweckmäßigen Darstellung verschiedener Bildbereiche mit extrem unterschiedlichen Dicken und Schwächungskoeffizienten in der Abbildung dient, wobei eine Erstellung und eine Vergabe von ersten Kennzeichen CR für Beschleunigungsspannungen UBi durchgeführt werden, und das zweite Modul (27) zur röntgenspektroskopischen Auswertung der Aufnahmeserie (17 bis 18) und Identifizierung zumindest des Materials (3, 4) der Objekte (5, 6) vorgesehen wird, wobei eine Erstellung und eine Vergabe von zweiten Kennzeichen CS für die Materialidentifizierung durchgeführt werden, wobei nach dem Durchlauf des ersten Moduls (26) und danach des zweiten Moduls (27) die Analyseergebnisse in einer Kombination des ersten Modus (26) und des zweiten Moduls (27) für eine Auswertung der Radiographie in einer Superpositionseinheit (28) zusammengeführt, CR, CS miteinander verglichen und in einem Ergebnisbild (13) ausgegeben werden sowie eine Materialidentifikation durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur bildgebenden Prüfung von Objekten mit Röntgenstrahlung.
Eine Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung zur bildgebenden Prüfung von Objekten auf deren Materialinhalt mit Röntgenstrahlung liegt auf dem Gebiet der Sicherheitstechnik, insbesondere zur Gepäckkontrolle. Dabei soll unter anderem festgestellt werden, ob z. B. im Gepäck ein Pulver oder eine Flüssigkeit innerhalb eines Paketes als harmlos eingestuft werden kann oder ob ein Rauschgift oder ein Sprengstoff vorhanden ist.
Andererseits können die Objekte auch Bauteile oder Behältnisse sein, die ein Material oder auch mehrere Materialien enthalten können.
Es gibt herkömmliche Röntgenverfahren und Röntgenvorrichtungen zur Prüfung von Materialien in Objekten, die aber bei der Auswertung an ihre Grenzen stoßen, z. B.:

– bei Objekten aus Werkstoffen mit sehr ähnlicher Absorption der Röntgenstrahlung, so dass kein verwertbarer Kontrast entsteht, z. B. Karbonfasern in Kunststoff, keramische Fasern in einer Matrix, oder auch
– bei Objekten aus Materialien mit sehr unterschiedlicher Absorption durch unterschiedliche Wandstärken und Schwächungskoeffizienten, so dass bisher nur immer ein Teil des Objekts richtig belichtet werden konnte; dies ist ein bisher nicht gelöstes radiographisches Grundproblem, und
– weil nur sehr grob auf den durchschnittlichen Massenschwächungskoeffizienten geschlossen werden kann.

Gemäß der bekannten Absorptionsgleichung (I) für die Intensität I der Strahlung nach dem durchstrahlten Objekt mit der Materialdicke d I = I₀e^–μd (I) bzw. der bekannten Gleichung (II) für den Massenschwächungskoeffizienten von Objekten mit Legierungsinhalt
wobei

I: die Intensität der Strahlung nach dem Objekt (Sekundärintensität),
I₀: die auf das Objekt auftreffende Intensität der Strahlung (Primärintensität),
μ: der lineare Schwächungskoeffizient,
d: die Materialdicke,
c_i: die Konzentration der Komponente i,
ρ: die Dichte und
i: der Index für die Komponente

Solche Probleme gibt es z. B. bei karbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Die Entwicklung im Flugzeugbau und Automobilbau zeigt, dass der Anteil der karbonfaserverstärkten Kunststoff-Teile rasant anwächst. Deshalb ist es erforderlich, ein die Unterscheidbarkeit verbesserndes zerstörungsfreies Prüfverfahren von Objekten – Materialien und Objekte selbst – zu erarbeiten. Ähnliche Prüfprobleme existieren auf dem Gebiet der Sicherheitstechnik, z. B. bei der Flughafengepäckkontrolle.
Die aufgeführten Beispiele von Schwächen der herkömmlichen Radiographie von Objekten haben zu Modifikationen und Weiterentwicklungen geführt. Die Röntgenfilme sind durch digitale Detektoren mit hoher Ortsauflösung und Graustufenauflösung abgelöst worden. Die digital vorliegenden Röntgenaufnahmen können mit Bildverarbeitungsprogrammen bearbeitet werden. Ein Beispiel hierfür ist die Tonwertkorrektur für die gezielte Hervorhebung von Zonen mit begrenztem Grauwertumfang. Letztgenanntes Verfahren gehört zum Standard heutiger Röntgensysteme. Deren Nutzen ist jedoch begrenzt, da diese Bearbeitung keine neuen Informationen in das Bild hineinbringt.
Um den Kontrast und den Informationsgehalt von Röntgeninspektionsaufnahmen zu erhöhen, werden derzeit Objekte mit zwei verschiedenen Beschleunigungsspannungen durchstrahlt (engl. Dual-Energy). Bei diesem Verfahren wird ausgenutzt, dass der Schwächungskoeffizient neben den Materialeigenschaften von der Photonenenergie und damit von der Beschleunigungsspannung abhängig ist.
Durch eine Rekonstruktion einer berechneten Aufnahme aus zwei Einzelaufnahmen kann der Nutzkontrast erheblich verbessert werden. Des Weiteren ist eine grobe Zuordnung der Objektgebiete zu durchschnittlichen Ordnungszahlen/Dichten möglich, da das gleiche Objekt unter ansonsten gleichen räumlichen Bedingungen bei unterschiedlichen Schwächungskoeffizienten infolge unterschiedlicher Beschleunigungsspannungen durchstrahlt wird, während die durchstrahlte Dicke konstant bleibt.
Viele herkömmliche Techniken führen im Titel zwar ein „Multi-Energy”, aber dahinter verbirgt sich in Wirklichkeit nur eine Zweifach-Beschleunigungsspannungs-Technik (Dual-Energy-Technik), keine Mehrfach-Beschleunigungsspannungs-Technik (Multi-Energy-Technik).
Ein Verfahren zur Verbesserung der Materialerkennbarkeit in/von Objekten in einer Röntgenprüfanlage und die zugehörige Röntgenprüfanlage, die auch in die Kontrolle von Gepäck an Flughäfen einbezogen werden können, sind in der Druckschrift DE 10 2007 042 144 A1 beschrieben.
Folgende Verfahrensschritte werden dabei durchgeführt:

– 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 (I),
– Berechnung zumindest eines synthetischen Bildes aus der Summe der mit Gewichtungsfaktoren multiplizierten Absorptionswerte aller Schichten und
– Auswertung des synthetischen Bildes.

Dazu ist in 1 eine Darstellung zur Dual-Energy-Technologie zur Gepäckkontrolle über die Internetadresse http://www.smithsdetection.com/deu/321.php (Auszug vom 30.08.2012) angegeben, bei dem das zu untersuchende Objekt entweder mit zwei verschiedenen Beschleunigungsspannungen oder mit nur einer Beschleunigungsspannung, aber dafür mit hintereinander liegenden Detektoren (ähnlicher Effekt) durchleuchtet wird. Aus den beiden erhaltenen Radiographien wird mit einer speziellen Bildverarbeitung ein Falschfarbenbild berechnet und rekonstruiert, in welchem die Bereiche mit niedrigen Ordnungszahlen, mittleren Ordnungszahlen und höheren durchschnittlichen Ordnungszahlen farbig gekennzeichnet und damit hervorgehoben werden, wie in DE 10 2007 042 144 A1 beschrieben ist. Das dargestellte Röntgen-Diagnostikverfahren ermöglicht zwar einen ersten Überblick, aber ein bildlicher Kontrast zwischen Materialien mit ähnlichen Schwächungskoeffizienten ist ebenfalls nicht bzw. unbefriedigend darstellbar. Die „spektroskopische” Auflösung ist wegen der nur zwei verschiedenen Quantenenergien sehr grob und damit für detailliertere Sicherheitsprüfungen ungenügend.
Ein Teil bisheriger Techniken befasst sich auch mit Synchrotronstrahlung, d. h. mit kostenintensiver Grundlagenforschung, die nicht oder nicht ohne Weiteres auf Standard-Röntgentechnik übertragen werden kann.
Ein Verfahren zur medizinischen Dual-Source-Computertomografie und ein zugehöriger Tomograf sind in der Druckschrift Carrington: Dual Source CT-Bildgebung – eine neue Ära in der Computertomographie, Siemens AG, Medical Solution, März 2006 beschrieben, wobei mit zwei verschiedenen Beschleunigungsspannungen gearbeitet wird.
Beim Phasenkontrastverfahren entsteht das Bild nicht durch die unterschiedliche Absorption (Schwächung) der Röntgenstrahlung, sondern durch die Messung der Phasenverschiebung infolge der geringfügig variierenden Ausbreitungsgeschwindigkeit der Röntgenstrahlung in verschiedenen Materialien. Für das Verfahren wird hochbrillantes quasimonochromatisches Röntgenlicht aus einem Synchrotron verwendet. Ähnlich wie in einem Interferometer wird mit zwei Gittern die Phasenverschiebung gemessen und die Phasenverschiebung in eine Kontrastinformation umgesetzt. Das Phasenkontrastverfahren kann bei einem Teil der zu untersuchenden Objekte mit Bereichen ähnlicher Schwächung, aber unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Röntgenstrahlen, einen deutlich gesteigerten Kontrast bringen, z. B. bei biologischen Objekten.
Ein entscheidender Nachteil des Einsatzes von Synchrotronen besteht aber darin, dass ein Synchrotron extrem kostenintensiv und mit seinen entsprechend teuren Betriebszeiten nicht für normale praktische Anwendungen geeignet ist. Aus diesem Grund wird daran gearbeitet, Phasenkontrastaufnahmen mit einer herkömmlichen Röntgenröhre und mit drei Gittern herzustellen.
Dazu ist ein Phasenkontrastverfahren mit herkömmlicher Röntgenröhre, aber zwei Gittern plus einem Gitter in der Druckschrift Pfeiffer, Weitkamp, Bunk, David: Phase retrieval and differential phase contrast imaging with low-brilliance X-ray sources, Nature Physics, 2 (4), 2006, p. 258–261, beschrieben. Darin ist eine Aufnahme an einem winzigen Neonfisch beschrieben.
Die Nachteile der genannten Verfahren bestehen darin, dass

– Bauteile oder Bestandteile mit ähnlichen Schwächungskoeffizienten nicht kontrastreich voneinander unterschieden werden können,
– mit der Dual-Energy-Technik nur eine sehr grobe Einteilung in leichte, mittlere und hohe Ordnungszahlen bzw. Schwächungskoeffizienten möglich ist,
– Objekte mit sehr unterschiedlichen Massenschwächungskoeffizienten und/oder unterschiedlichen Dicken nicht in einer einzigen Aufnahme richtig belichtet werden können.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur bildgebenden Prüfung von Objekten mit Röntgenstrahlung anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass die Röntgenaufnahmen von Objekten mit zumindest herkömmlich schwerlich unterscheidbaren Informationen detaillierter auswertbar und eine praktisch nicht gleiche und damit unterscheidbare Schwärzungsinformationen bzw. Intensitätsinformationen aufweisen. Außerdem sollen damit

– Bauteile oder Bestandteile mit ähnlichen Schwächungskoeffizienten kontrastreich voneinander unterschieden werden können,
– eine feine detaillierte Einteilung in leichte Ordnungszahlen, mittlere Ordnungszahlen und hohe Ordnungszahlen bzw. Schwächungskoeffizienten möglich sein,
– Objekte mit sehr unterschiedlichen Massenschwächungskoeffizienten und/oder unterschiedlichen Dicken in einer einzigen Aufnahme richtig belichtet werden können und
– Materialidentifikationen mittels spektroskopischer Erkennung realisiert werden.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 12 gelöst. Das Verfahren zur bildgebenden Prüfung von Objekten mit Röntgenstrahlung umfasst gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 zumindest folgende Schritte:

– Anfertigung einer von einem pixelweise organisierten Röntgenflachdetektor aufgenommenen, digitalisierten radiografischen Aufnahmeserie mit gleicher Geometrie und mittels einer einstellbaren Stufung von Beschleunigungsspannungen U_Bi und/oder mittels einer einstellbaren Stufung von Belichtungszeiten t_B vom zu untersuchenden Objekt einschließlich mindestens eines Materials,
– Auswertung der digitalisierten Aufnahmeserie in einer Auswerteeinheit mit zumindest jeweils einer Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von jeweiligen Kennzeichen C_R; C_S aufweisenden Modulen, wobei – das erste Modul als ein Rekonstruktionsmodul zur Durchführung einer Rekonstruktion zur kontrastreichen Abbildung bei sehr ähnlichem Schwächungskoeffizienten und zur zweckmäßigen Darstellung verschiedener Bildbereiche mit extrem unterschiedlichen Dicken und Schwächungskoeffizienten in der Abbildung dient, wobei eine Erstellung und eine Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für Beschleunigungsspannungen U_Bi durchgeführt werden, und – das zweite Modul als ein Spektroskopiemodul zur röntgenspektroskopischen Auswertung der Aufnahmeserie und Identifizierung zumindest eines Materials der zu untersuchenden Objekte vorgesehen wird, wobei eine Erstellung und eine Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für eine Materialidentifizierung durchgeführt werden, wobei nach dem Durchlauf des Rekonstruktionsmoduls und danach des Spektroskopiemoduls die Analyseergebnisse aus den digitalisierten radiographischen Aufnahmeserien in einer Kombination des Rekonstruktionsmodus und des dem Rekonstruktionsmodul nachgeordneten Spektroskopiemoduls für eine komplexe Auswertung der Radiographie in einer Superpositionseinheit zusammengeführt und die Kennzeichen C_R, C_S miteinander verglichen und in einem finalen Ergebnisbild ausgegeben werden sowie eine Materialidentifikation durchgeführt wird.

Dabei werden folgende detaillierte Schritte in der Auswerteeinheit durchgeführt:

– Einführung einer Tabelle von ersten Kennzeichen C_R in einer ersten Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für Beschleunigungsspannungen U_Bi im Rekonstruktionsmodul und
– Zuordnung eines Kennzeichens C_R zu jeder einzeln vorgegebenen Beschleunigungsspannung U_Bi,
– Analyse des gleichen Pixels eines Pixelfeldes mit den Koordinaten x, y des Röntgenflachdetektors auf allen Einzelaufnahmen einer Serie,
– Analyse der Einzelaufnahmen, indem die Einzelaufnahmen in der Reihenfolge steigender Beschleunigungsspannungen U_B1..., U_Bi analysiert werden, bis das Pixel eine vorher definierte Intensität I_d erstmalig erreicht hat,
– Einführung einer Tabelle von zweiten Kennzeichen C_S in einer zweiten Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für die Materialidentifizierung im Spektroskopiemodul,
– Zuordnung jeweils eines zweiten Kennzeichens C_S an das Pixel, das dem ersten Kennzeichen C_R der Beschleunigungsspannung U_Bi der betreffenden Aufnahme entspricht,
– Wiederholung der Schritte der Kennzeichnungszuordnung für jedes weitere Pixel des Röntgenflachdetektors, wobei die definierte Intensität I_d deutlich über dem Rauschen und unterhalb der Sättigung des Röntgenflachdetektors liegt,
– Auswertung aller Pixel des Röntgenflachdetektors und Erstellung eines rekonstruierten finalen Ergebnisbildes mit Informationen aus allen Aufnahmen.

Das erste Kennzeichen C_R zu jeder Beschleunigungsspannung U_Bi kann als Farbwert oder als Grauwert oder als Code festgelegt werden.
Das zweite Kennzeichen C_S zu jedem Pixel kann als Farbwert oder als Grauwert oder als Code festgelegt werden.
Das Verfahren stellt ein Multi-Energie-Verfahren mit mehreren stufenförmig steigenden eingesetzten Beschleunigungsspannungen U_Bi dar, wobei für alle Einzelaufnahmen die gleiche Belichtungszeit t_Bconst oder zur Kompensation der Empfindlichkeitskurve des Röntgenflachdetektors sowie an dessen Einsatzgrenzen der Röntgenröhre in Bezug auf die Beschleunigungsspannung ein definierter Verlauf der Belichtungszeiten eingesetzt wird.
Eine Justierung, bei der Aufnahmen auf der Basis unterschiedlicher Belichtungszeiten t_Bi kompatibel gemacht werden können, kann ebenso durchgeführt werden.
Das Spektroskopiemodul dient zur Durchführung einer spektroskopischen Analyse, wobei mit Hilfe einer in der Auswerteeinheit oder speziell in dem Spektroskopiemodul befindlichen, experimentell erstellten permanenten Materialdatenbank DB_n für n bekannte vorgegebene Materialien/Objekte einschließlich von materialzugehörigen Werten gearbeitet wird, wobei für jedes aufgenommene, in der permanenten Materialdatenbank DB_n gespeicherte vorgegebene Material/Objekt eine Kurve MZ = MZ(OZ, ρ) der Materialkennziffer MZ, die Ordnungszahl OZ und Dichte ρ bezogen auf die Beschleunigungsspannung U_B1, ..., U_Bi, aufgenommen und gespeichert wird.
Bei einer realen Aufnahmeserie eines zu untersuchenden Materials/Objektes wird pixelweise die experimentell ermittelte Materialkennziffer-Kurve des Quotienten I:I₀ (Sekundärintensität I dividiert durch Primärintensität I₀) mit allen Materialkennziffer-Kurven in der permanenten Materialdatenbank DB_n feststellend verglichen, wobei

– im Idealfall es eine Übereinstimmung gibt, wenn das zu untersuchende Material/Objekt in der Materialdatenbank DB_n enthalten ist und wenn, bei einem Material/Objekt, der Verdichtungsgrad gleich ist, oder wenn der Verdichtungsgrad nicht gleich ist, die Materialkennziffer-Kurven des zu untersuchenden Materials/Objektes und die Materialkennziffer-Kurve des bekannten vorgegebenen Materials/Objektes annähernd parallel sind,
– im Realfall mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit eine prozentuale Übereinstimmung festgestellt wird, mit der das zu untersuchende Material/Objekt mit dem bekannten vorgegebenen Material/Objekt in der permanenten Materialdatenbank DB_n bezüglich seiner Materialkennziffer-Kurve übereinstimmt,
– bei keiner Übereinstimmung mit akzeptabler Wahrscheinlichkeit, eine Materialkennziffer MZ zumindest aus Ordnungszahl OZ und Dichte ρ als Ergebnis in eine Vergleichseinheit ausgegeben wird, wobei der Feststellungsschritt für jedes Pixel des zu untersuchenden Materials/Objektes wiederholt wird,
– bei jedem identifizierten Material/Objekt und jeder identifizierten Materialkennziffer MZ im Objekt in jedem Pixel ein Kennzeichen, insbesondere eine Farbe zugeordnet, enthalten ist, wobei aus den farbigen Pixeln das finale Ergebnisbild ermittelt und für das finale Ergebnisbild eine Legende oder eine Ergebnisliste zur Ausgabe in der Ausgabeeinheit erstellt werden, und
– die Materialkennziffer-Kurven nicht nur zweidimensional, sondern auch dreidimensional sein können, um die Aufhärtung des Bremsstrahlungsspektrums in Abhängigkeit der Dicke d darstellen zu können.

Bei einer Vorab-Speicherung der n bekannten vorgegebenen Materialien und/oder Objekte in der permanenten Materialdatenbank DB_n kann nach einem Vergleich der Kennzeichen C_R, C_S in der Superpositionseinheit der Auswerteeinheit die Identität der untersuchten Materialien/Objekte festgestellt und ausgegeben werden.
Bei einem Wechsel der Röntgenquelle und/oder des Röntgenflachdetektors kann zur Anpassung der vorab angefertigten permanenten Materialdatenbank DB_n an eine andere Übertragungsfunktion eine Kalibrierung der eingesetzten Vorrichtung durchgeführt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können

– aus einer Vielzahl bezüglich Beschleunigungsspannung U_Bi und/oder Belichtungszeit t_Bi einstellbar abgestufter Aufnahmen ein Ergebnisbild des Rekonstruktionsmoduls rekonstruiert werden, wobei damit Materialien/Objekte mit nahezu gleichem Schwächungskoeffizienten kontrastreich abgebildet werden und Objekte mit stark unterschiedlichen Dicken bzw. Wandstärken angepasst belichtet in dem Ergebnisbild dargestellt werden, was der Realisierung des Rekonstruktionsmoduls entspricht,
– durch einstellbar abgestufte Aufnahmeserien mit den Aufnahmen und durch das Analyseverfahren und Auswerteverfahren in der Auswerteeinheit eine spektroskopische Bestimmung des zu untersuchenden Materials/Objektes in dem Spektroskopiemodul erfolgen,

Die Vorrichtung zur bildgebenden Prüfung von Objekten einschließlich von Materialien der Objekte mit Röntgenstrahlung, unter Verwendung des vorgenannten Verfahrens,
umfasst gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 12 zumindest

– eine Röntgenquelle,
– einen Röntgengenerator mit einstellbarer Beschleunigungsspannung U_Bi für die Röntgenquelle,
– eine Steuereinheit, die mit dem Röntgengenerator verbunden ist und zumindest die Beschleunigungsspannungen U_Bi und Belichtungszeiten t_Bi für die Röntgenquelle einstellt,
– einen mit Pixeln organisierten Röntgenflachdetektor,
– eine Digitalisierungseinheit, die dem Röntgenflachdetektor nachgeordnet ist,
– eine Auswerteeinheit, die über der Digitalisierungseinheit mit dem Röntgenflachdetektor in Verbindung steht und die zumindest folgende Module aufweist, wobei – das erste Modul als Rekonstruktionsmodul zumindest mit einer ersten Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für Beschleunigungsspannungen U_Bi ausgebildet ist, – das zweite Modul als Spektroskopiemodul zumindest mit einer zweiten Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für jedes Pixel des Röntgenflachdetektors sowie mit einer zugeordneten permanenten Materialdatenbank DB_n mit darin gespeicherten n vorgegebenen Materialien/Objekten und zugehörigen Material-/Objektwerten ausgebildet ist, – eine Superpositionseinheit zur Bewertung von Ergebnissen aus dem Rekonstruktionsmodul und dem dem Rekonstruktionsmodul nachgeordneten Spektroskopiemodul, wobei die Steuereinheit mit der Auswerteeinheit zur Koordinierung von einstellbaren Beschleunigungsspannungen U_Bi und einstellbaren Belichtungszeiten t_Bi und den auf den Aufnahmen der Aufnahmeserien erhaltenen Informationen und zur Signalrückkopplung in Verbindung steht, sowie
– eine Ausgabeeinheit für das aus der Superpositionseinheit erhaltene finale Ergebnisbild.

Zur Halterung von Objekten einschließlich der Materialien kann im Röntgenstrahlengang zumindest eine Halterungseinrichtung vorhanden sein.
Das Rekonstruktionsmodul kann neben der ersten Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für einstellbare Beschleunigungsspannungen U_Bi zumindest umfassen

– einen Datenpuffer zur Zwischenspeicherung des Bildersets B_i aus i Aufnahmen (i > 1 oder i » 1) mit steigender Beschleunigungsspannung U_Bi und konstanter Belichtungszeit t_Bconst, wobei der Datenpuffer in der Auswerteeinheit mit der Digitalisierungseinheit in Verbindung steht,
– eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung eines Kennzeichens C_Rj zum Bilderset Bi mit zugehöriger Beschleunigungsspannung U_Bi → erstes Kennzeichen C_Rj,
– eine Analyseeinheit zur Analyse jeweils aller Pixel P_j ⁽ⁱ⁾(x, y) vom Bilderset B_i mit steigendem Index i, bis eine vordefinierte Schwellwertintensität S erreicht ist mit der Zuordnung der Pixel mit Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ → erstes Kennzeichen C_Rj,
– eine Entscheidungseinheit zur Fallentscheidung, ob ein überbelichteter Bereich oder ein unterbelichteter Bereich innerhalb einer Aufnahmeserie existiert, wobei bei keinem Eintritt der beiden Fälle Signale an das Spektroskopiemodul weitergeleitet werden, wobei bei einem unterbelichteten Bereich eine Anfertigung eines neuen Bildersets B_i mit vergrößerter Belichtungszeit t_Bneu > t_B oder wobei bei einem überbelichteten Bereich eine Anfertigung eines neuen Bildersets B_i mit verkürzter Belichtungszeit t_Bneu < t_B durchgeführt werden.

Das Rekonstruktionsmodul kann mit einer Auslöseeinheit in Verbindung stehen, die zur Signalgebung für eine Anfertigung von neuen Bildersets B_ineu sowohl für angepasste vergrößerte Belichtungszeiten t_Bneu als auch für angepasste verkürzte Belichtungszeiten t_Bneu dient und die mit der Steuereinheit zur Einstellung einer dem neuen Bilderset B_ineu angepassten Belichtungszeit t_Bneu der Röntgenröhre in Verbindung steht.
Das Spektroskopiemodul kann neben der zweiten Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für die Materialidentifizierung zumindest umfassen

– eine Speichereinheit zur permanenten Speicherung von bekannten, vorgegebenen Materialien einer Materialdatenbank DB_n, die in einer Systemlernphase mit den n verschiedenen vorgegebenen Materialien in Form einer Kurve einer Materialkennziffer MZ, die zumindest mit Ordnungszahl OZ und Dichte ρ des jeweiligen vorgegebenen Materials in funktioneller Verbindung steht, gefüllt ist,
– eine Quotientenbildungseinheit zur Bildung eines jeweiligen Intensitätsverhältnisses I_i/I₀ aus den Grauwerten aller Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ des Bildersets B_i und dem ausgezeichneten Pixelfeld zur Bestimmung der Primärintensität I₀ verbunden mit einem Vergleich mit den n vorgegebenen Materialien der Materialdatenbank DB_n,
– eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung eines Materialcodes C_Sj zu einer Materialkennziffer MZ-Kurve,
– eine Vergleichseinheit zur Bestimmung eines Übereinstimmungsgrades zwischen dem zu untersuchenden Material und allen bereits eingespeicherten Materialien in der permanenten Materialdatenbank DB_n, wobei – bei einem hohen Übereinstimmungsgrad Bestätigungs-Signale zur Superpositionseinheit geführt werden oder – bei keinem oder einem niedrigen Übereinstimmungsgrad eine Ausgabe einer neuen Materialkennziffer MZ erfolgt, die im Lernmodus die Materialdatenbank DB_n mit dem neuen Material (n + 1) durch Speicherung zu einer um das neue Material vergrößerten Materialdatenbank zu DB_n+1 ergänzt werden.

Die Vorrichtung kann bei Realisierung des Verfahrens eine erstellte Materialdatenbank DB_n aufweisen, die wahlweise zweidimensioniert oder dreidimensioniert aufgebaut ist, wobei vorgegebene, zu speichernde Größen wahlweise die Beschleunigungsspannung (Energie) U_Bi, der Absorptionskoeffizient μ oder der Massenschwächungskoeffizient μ/ρ oder das Produkt aus Absorptionskoeffizient μ und Dicke d mit
μ·d oder zusätzliche abgeleitete Größen, wie die durchschnittliche Ordnungszahl OZ, sind.
Die Erfindung beschreibt damit ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen auf der Grundlage einer Bildrekonstruktion von Objekten einschließlich von Materialien aus einer größeren Anzahl von Einzelaufnahmen mit vielen verschiedenen Beschleunigungsspannungen und Belichtungszeiten Objekte einschließlich der Materialien radiographisch untersucht werden können.
Weiterbildungen und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 eine Dual-Energy-Technologie zur Gepäckkontrolle über die Internetadresse http://www.smithsdetection.com/deu/321.php (vom 30.08.2012),
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur bildgebenden Prüfung von Objekten einschließlich von Materialien für das erfindungsgemäße Verfahren einschließlich eines Mehrfach-Beschleunigungsspannungs-Verfahrens (engl. Multi-Energy), wobei ein erstes zu untersuchendes Objekt mit dem Modell-Material Weizenmehl und ein zweites zu untersuchendes Objekt mit dem Modell-Material Roggenmehl vorgesehen und wobei ein in Pixel strukturierter Detektor und ein rekonstruiertes Ergebnisbild angegeben sind,
3 eine schematische Blockdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Rekonstruktionsmodul und mit einem Spektroskopiemodul zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine funktionale Blockdarstellung des Rekonstruktionsmoduls und
5 eine funktionale Blockdarstellung des Spektroskopiemoduls.
Im Folgenden werden die 2 und die 3 gemeinsam betrachtet.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur bildgebenden Prüfung von Materialien 3, 4 in Objekten 5 und 6 mit Röntgenstrahlung 21 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einschließlich eines Mehrfach-Beschleunigungsspannungs-Verfahrens (engl. Multi-Energy-Verfahren) gezeigt.
Die Vorrichtung 1 zur bildgebenden Prüfung von Objekten 5, 6 einschließlich der Materialien 3, 4 mit Röntgenstrahlung 21, unter Verwendung des nachfolgend genannten Verfahrens, umfasst zumindest

– eine Röntgenquelle 7,
– einen Röntgengenerator 2 mit einstellbarer Beschleunigungsspannung U_Bi für die Röntgenquelle 7,
– eine Steuereinheit 10, die mit dem Röntgengenerator 2 verbunden ist und zumindest die Beschleunigungsspannungen U_Bi und Belichtungszeiten t_Bi für die Röntgenquelle 7 einstellt,
– einen mit Pixeln 14, 15, 16 und weiteren Pixeln P_j organisierten Röntgenflachdetektor 9,
– eine Digitalisierungseinheit 19, die dem Röntgenflachdetektor 9 nachgeordnet ist,
– eine Auswerteeinheit 12, die über der Digitalisierungseinheit 19 mit dem Röntgenflachdetektor 9 in Verbindung steht und die zumindest folgende Module 26, 27 aufweist, wobei – das erste Modul 26 als Rekonstruktionsmodul zumindest mit einer ersten Funktionseinheit 20 zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für Beschleunigungsspannungen U_Bi ausgebildet ist, – das zweite Modul 26 als Spektroskopiemodul zumindest mit einer zweiten Funktionseinheit 22 zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für jedes Pixel 14, 15, 16 und weiteren Pixeln P_j ⁽ⁱ⁾ des Röntgenflachdetektors 9 sowie mit einer zugeordneten permanenten Materialdatenbank DB_n 24 mit darin gespeicherten vorgegebenen Materialien/Objekten 25 und zugehörigen Material-/Objektwerten ausgebildet ist, – eine Superpositionseinheit 28 zur Bewertung von Ergebnissen aus dem Rekonstruktionsmodul 26 und dem Spektroskopiemodul 27, wobei die Steuereinheit 10 mit der Auswerteeinheit 12 zur Koordinierung von einstellbaren Beschleunigungsspannungen U_Bi und einstellbaren Belichtungszeiten t_Bi und mit den auf den Aufnahmen 17, 18 der Aufnahmeserien erhaltenen Informationen und zur Signalrückkopplung in Verbindung steht, sowie
– eine Ausgabeeinheit 30 für das aus der Superpositionseinheit 28 erhaltene finale Ergebnisbild 13.

Zur Halterung von Objekten 5, 6 einschließlich der Materialien 3, 4 kann im Röntgenstrahlengang 21 gemäß 2 zumindest eine Halterungseinrichtung 8 vorhanden sein.
In 3 ist eine schematische Blockdarstellung der Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Rekonstruktionsmodul 26 und mit einem Spektroskopiemodul 27 gezeigt.
Das in 3 und 4 dargestellte Rekonstruktionsmodul 26 umfasst neben der ersten Funktionseinheit 20 zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für einstellbare Beschleunigungsspannungen U_Bi zumindest

– einen Datenpuffer zur Zwischenspeicherung des Bildersets B_i aus i Aufnahmen (i > 1 oder i » 1) mit steigender Beschleunigungsspannung U_Bi und konstanter Belichtungszeit t_B, wobei der Datenpuffer der Auswerteeinheit 12 mit der Digitalisierungseinheit 19 in Verbindung steht,
– eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung eines Kennzeichens C_Rj zum Bilderset B_i mit zugehöriger Beschleunigungsspannung U_Bi → erstes Kennzeichen C_Rj,
– eine Analyseeinheit zur Analyse jeweils aller Pixel P_j ⁽ⁱ⁾(x, y) vom Bilderset B_i mit steigendem Index i, bis eine vordefinierte Schwellwertintensität S erreicht ist mit der Zuordnung der Pixel mit Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ → erstes Kennzeichen C_Rj,
– eine Entscheidungseinheit zur Fallentscheidung, ob ein überbelichteter Bereich oder ein unterbelichteter Bereich existiert,

26

27

_i

_Bneu

_B

_i

_Bneu

_B

Das Rekonstruktionsmodul 26 kann vorzugsweise mit einer Auslöseeinheit in Verbindung stehen, die zur Signalgebung für eine Anfertigung von neuen Bildersets B_ineu sowohl für angepasste vergrößerte Belichtungszeiten t_Bneu als auch für angepasste verkürzte Belichtungszeiten t_Bneu dient und die mit der Steuereinheit 10 zur Einstellung einer dem neuen Bilderset B_ineu angepassten Belichtungszeit t_Bneu der Röntgenröhre 7 in Verbindung steht.
Das in 3 und 5 dargestellte Spektroskopiemodul 27 umfasst neben der zweiten Funktionseinheit 22 zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für die Materialidentifizierung zumindest

– eine Speichereinheit zur permanenten Speicherung von n vorgegebenen Materialien 25 einer Materialdatenbank DB_n 24, die in einer Systemlernphase mit n verschiedenen bekannten und vorgegebenen Materialien 25 in Form einer Kurve einer Materialkennziffer MZ, die mit Ordnungszahl OZ und Dichte ρ des jeweiligen vorgegebenen Materials 25 in funktioneller Verbindung MZ = MZ(OZ, ρ) steht, gefüllt ist,
– eine Quotientenbildungseinheit zur Bildung eines jeweiligen Intensitätsverhältnisses I_i/I₀ aus den Grauwerten aller Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ des Bildersets B_i und dem ausgezeichneten Pixelfeld 23 zur Bestimmung der Primärintensität I₀ mit nachfolgendem Vergleich mit den Materialien DB_n der Materialdatenbank DB_n 24,
– eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung eines Kennzeichens C_Sj zu einer Materialkennziffer MZ-Kurve,
– eine Vergleichseinheit zur Bestimmung eines Übereinstimmungsgrades zwischen dem zu untersuchenden Material 3 oder Material 4 und allen bereits eingespeicherten Materialien 25 in der permanenten Materialdatenbank DB_n 24, wobei bei einem hohen Übereinstimmungsgrad Bestätigungs-Signale zur Superpositionseinheit 28 geführt werden oder bei keinem oder einem niedrigen Übereinstimmungsgrad eine Ausgabe einer neuen Materialkennziffer MZ erfolgt, wobei im Lernmodus die Materialdatenbank DB_n 24 mit dem neuen Material (n + 1) durch Speicherung zu einer vergrößerten Materialdatenbank mit DB_n+1 24 ergänzt wird.

Das erste zu untersuchende Objekt 5 kann das Material Weizenmehl 3, das zweite zu untersuchende Objekt 6 kann das Material Roggenmehl 4 enthalten. Beide sollen im Beispiel Modell-Materialien darstellen. Beide Materialien 3 und 4 sollen in der weiteren Darstellung vorerst als unbekannte Materialien angesehen werden, um das Verfahren näher erläutern zu können.
Zum Einen wird vom ersten zu untersuchenden Objekt 5 mit dem unbekannten Material Weizenmehl 3 eine Aufnahmeserie mit Aufnahmen 17 bis 18 mit gleicher Geometrie und mit einer Stufung von Beschleunigungsspannungen U_Bi und/oder von Belichtungszeiten t_B angefertigt. Die Aufnahmeserie mit den Aufnahmen 17 bis 18 wird in der Auswerteeinheit 12 mit dem Rekonstruktionsmodul 26 und dem Spektroskopiemodul 27 ausgewertet.
Zum Anderen wird vom zweiten zu untersuchenden Objekt 6 mit dem unbekannten Material Roggenmehl 4 eine Aufnahmeserie mit Aufnahmen 17 bis 18 mit gleicher Geometrie und mit einer Stufung von Beschleunigungsspannungen U_Bi und/oder von Belichtungszeiten t_B angefertigt. Die Aufnahmeserie wird in der Auswerteeinheit 12 mit dem Rekonstruktionsmodul 26 und mit dem Spektroskopiemodul 27 ausgewertet. Dabei

– dient das Rekonstruktionsmodul 26 zur Durchführung einer Rekonstruktion zur kontrastreichen Abbildung bei sehr ähnlichem Schwächungskoeffizienten und zur zweckmäßigen Darstellung verschiedener Bildbereiche mit extrem unterschiedlichen Dicken und Schwächungskoeffizienten in einer Abbildung,
– ist das Spektroskopiemodul 27 zur röntgenspektroskopischen Auswertung der Aufnahmeserie mit den Aufnahmen 17 bis 18 und Identifizierung der zu untersuchenden Materialien 3, 4 in der Auswerteeinheit 12 vorgesehen und
– wird eine Kombination des Rekonstruktionsmoduls 26 und des Spektroskopiemoduls 27 für eine komplexe Auswertung der Radiographie in einer dem Spektroskopiemodul 27 nachgeschalteten Superpositionseinheit 28 durchgeführt.

Das wesentlich Neue an der Erfindung besteht darin, dass vom zu untersuchenden Objekt 5, 6 einschließlich des jeweiligen Materials 3, 4 jeweils eine radiographische Aufnahmeserie mit den Aufnahmen 17 bis 18 mit einer Stufung der Beschleunigungsspannungen U_Bi und/oder der Belichtungszeiten t_B angefertigt wird. Die Aufnahmeserie mit den Aufnahmen 17 bis 18 wird nach der Absolvierung der beiden nacheinander geschalteten Module 26, 27 analysiert und nachfolgend werden die Analyseergebnisse in Kombination in der Superpositionseinheit 28 miteinander verglichen. Während herkömmlich das Objekt Behältnis 5 mit dem Material Weizenmehl 3 vom Objekt Behältnis 6 mit dem Material 4 Roggenmehl röntgenographisch nicht unterscheidbar war, ist erfindungsgemäß eine Materialidentifikation möglich.
Gegebenenfalls kann für Zwischeninformationen ein in 2 gezeigtes Ergebnisbild 29 des Rekonstruktionsmoduls 26 angefertigt werden.
Das Verfahren zur bildgebenden Prüfung von Objekten 5, 6 einschließlich der Materalien 3, 4 mit Röntgenstrahlung 21 unter Berücksichtigung der 2, der 3 und 4 umfasst zumindest folgende Schritte:

– Anfertigung einer von einem pixelweise organisierten Röntgenflachdetektor 9 aufgenommenen, digitalisierten radiografischen Aufnahmeserie mit den Aufnahmen 17 bis 18 mit gleicher Geometrie und mittels einer einstellbaren Stufung von Beschleunigungsspannungen U_Bi und/oder mittels einer einstellbaren Stufung von Belichtungszeiten t_B vom zu untersuchenden Material/Objekt 3, 4, 5, 6 und
– Auswertung der digitalisierten Aufnahmeserie 17 bis 18 in einer Auswerteeinheit 12 mit zumindest jeweils einer Funktionseinheit 20; 22 zur Erstellung und Vergabe von jeweiligen Kennzeichen C_R; C_S aufweisenden Modulen 26; 27, wobei – das erste Modul 26 als ein Rekonstruktionsmodul zur Durchführung einer Rekonstruktion zur kontrastreichen Abbildung bei sehr ähnlichem Schwächungskoeffizienten und zur zweckmäßigen Darstellung verschiedener Bildbereiche mit extrem unterschiedlichen Dicken und Schwächungskoeffizienten in der Abbildung dient, wobei eine Erstellung und eine Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für die Beschleunigungsspannungen durchgeführt werden, und – das zweite Modul 27 als ein Spektroskopiemodul zur röntgenspektroskopischen Auswertung der Aufnahmeserie 17 bis 18 und Identifizierung zumindest eines Materials 3, 4 der zu untersuchenden Objekte 5, 6 vorgesehen wird, wobei eine Erstellung und eine Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für die Materialidentifizierung durchgeführt werden,

26

27

17

18

26

27

28

_R

_S

13

Dabei werden folgende detaillierte Schritte in der Auswerteeinheit 12 durchgeführt:

– Einführung einer Tabelle von ersten Kennzeichen C_R in einer ersten Funktionseinheit 20 zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für Beschleunigungsspannungen U_Bi im Rekonstruktionsmodul 26 und
– Zuordnung des Kennzeichens C_R zu jeder einzeln vorgegebenen Beschleunigungsspannung U_Bi,
– Analyse des gleichen Pixels 14 des Pixelfeldes 11 mit den Koordinaten x, y auf allen Einzelaufnahmen 17 bis 18 einer Serie,
– Analyse der Einzelaufnahmen 17, 18, indem die Einzelaufnahmen 17 bis 18 in der Reihenfolge steigender Beschleunigungsspannungen U_BL ..., U_BH gemäß 2 analysiert werden, bis das Pixel 14 eine vorher definierte Intensität I_d erstmalig erreicht hat,
– Einführung einer Tabelle von zweiten Kennzeichen C_S in einer zweiten Funktionseinheit 22 zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für die Materialidentifizierung im Spektroskopiemodul 27,
– Zuordnung jeweils eines zweiten Kennzeichens C_S an das Pixel 14, das dem ersten Kennzeichen C_R der Beschleunigungsspannung U_Bi der betreffenden Aufnahme 17, 18 entspricht,
– Wiederholung der Schritte der Kennzeichnungszuordnung für jedes weitere Pixel 15, 16 und aller weiterer Pixel des Röntgenflachdetektors 9, wobei die definierte Intensität I_d deutlich über dem Rauschen und unterhalb der Sättigung des Röntgenflachdetektors 9 liegt,
– Auswertung der Pixel 14, 15, 16 und aller weiterer Pixel des Röntgenflachdetektors 9 und Erstellung eines rekonstruierten finalen Ergebnisbildes 13 mit Informationen aus allen Aufnahmen 17 bis 18.

Das erste Kennzeichen C_R zu jeder Beschleunigungsspannung U_Bi kann als Farbwert oder als Grauwert oder als Code festgelegt werden.
Das zweite Kennzeichen C_S zu jedem Pixel 14, 15, 16 und zu weiteren Pixeln P_j ⁽ⁱ⁾ des Röntgenflachdetektors 9 kann als Farbwert oder als Grauwert oder als Code festgelegt werden.
Das Verfahren stellt ein Multi-Energie-Verfahren mit mehreren stufenförmig steigenden Beschleunigungsspannungen, z. B. gemäß 2 mit U_BL, ..., U_BH mit L – low/niedrig und H – high/hoch, dar, wobei für alle Einzelaufnahmen 17 bis 18 die gleiche Belichtungszeit t_Bconst oder zur Kompensation der Empfindlichkeitskurve des Röntgenflachdetektors 9 sowie an dessen Einsatzgrenzen der Röntgenröhre 7 in Bezug auf die Beschleunigungsspannung ein definierter Verlauf der Belichtungszeiten eingesetzt wird.
Eine Justierung, bei der Aufnahmen auf der Basis unterschiedlicher Belichtungszeiten t_Bi kompatibel gemacht werden können, kann durchgeführt werden.
Das Spektroskopiemodul 27 dient zur Durchführung einer spektroskopischen Analyse, wobei mit Hilfe einer in der Auswerteeinheit 12 befindlichen, experimentell erstellten permanenten Materialdatenbank DB_n 24 für n bekannte vorgegebene Materialien/Objekte 25 und mit materialzugehörigen Werten gearbeitet wird, wobei für jedes aufgenommene, in der permanenten Materialdatenbank DB_n 24 gespeicherte Material/Objekt 25 eine Kurve MZ = MZ(OZ, ρ) der Materialkennziffer MZ, zumindest die Ordnungszahl OZ und Dichte ρ bezogen auf die Beschleunigungsspannung U_Bi, aufgenommen und gespeichert wird.
Bei einer realen Aufnahmeserie 17 bis 18 des zu untersuchenden Weizenmehls 3 und des zu untersuchenden Roggenmehls 4 wird jeweils pixelweise die experimentell ermittelte Materialkennziffer-Kurve MZ_WM und MZ_RM des jeweiligen Quotienten I:I₀ (I dividiert durch I₀) mit allen Materialkennziffer-Kurven MZ in der permanenten Materialdatenbank DB_n 24 verglichen, wobei

– im Idealfall es eine Übereinstimmung gibt, wenn das zu untersuchende Weizenmehl 3 und Roggenmehl 4 in der Materialdatenbank DB_n 24 enthalten ist und wenn, bei einem Material/Objekt, der Verdichtungsgrad gleich ist, oder wenn der Verdichtungsgrad nicht gleich ist, die Materialkennziffer-Kurve MZ_WM des zu untersuchenden Weizenmehls 3 und die Materialkennziffer-Kurve MZ_RM des zu untersuchenden Roggenmehls 4 und die Materialkennziffer-Kurve MZ des bekannten vorgegebenen Materials/Objektes 25 annähernd parallel sein werden,
– im Realfall mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit eine prozentuale Übereinstimmung festgestellt wird, mit der das zu untersuchende Weizenmehl 3 und das zu untersuchende Roggenmehl 4 mit dem bekannten vorgegebenen Material/Objekt 25 in der permanenten Materialdatenbank DB_n 24 bezüglich seiner Materialkennziffer-Kurve MZ übereinstimmt,
– bei keiner Übereinstimmung mit akzeptabler Wahrscheinlichkeit, eine Materialkennziffer MZ, zumindest aus Ordnungszahl OZ und Dichte ρ, als Ergebnis in eine Vergleichseinheit ausgegeben wird, wobei der Verfahrensschritt für jedes Pixel 14, 15, 16 und alle weiteren Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ des zu untersuchenden Weizenmehls 3 und des zu untersuchenden Roggenmehls 4 wiederholt wird,
– bei jedem identifizierten untersuchten Weizenmehls 3 und untersuchten Roggenmehls 4 und jeder identifizierten Materialkennziffer MZ im Objekt 5; 6 in jedem Pixel 14, 15, 16 und in allen weiteren Pixeln P_j ⁽ⁱ⁾ ein Kennzeichen, insbesondere eine Farbe zugeordnet, enthalten ist, wobei aus den farbigen Pixeln 14, 15, 16 und allen weiteren Pixeln P_j ⁽ⁱ⁾ das finale Ergebnisbild 13 ermittelt und für das finale Ergebnisbild 13 eine Legende oder eine Ergebnisliste zur Ausgabe in der Ausgabeeinheit 30 erstellt werden.

Die dem Weizenmehl 3 und dem Roggenmehl 4 zugeordneten Objekte 5 und 6 können z. B. kleine Behältnisse oder Tüten sein.
Bei einer Vorab-Speicherung der parameterbekannten vorgegebenen Materialien und/oder Objekten 25 in der permanenten Materialdatenbank DB_n 24 kann nach einem Vergleich der Kennzeichen C_R und C_s in der Superpositionseinheit 28 der Auswerteeinheit 12 die Identität der untersuchten Materialien 3, 4/Objekte 5, 6 festgestellt und ausgegeben werden.
Bei einem Wechsel der Röntgenquelle 7 und/oder des Röntgenflachdetektors 9 kann zur Anpassung der vorab angefertigten permanenten Materialdatenbank DB_n 24 an die andere Übertragungsfunktion eine Kalibrierung der Vorrichtung 1 durchgeführt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können

– aus einer Vielzahl bezüglich Beschleunigungsspannung U_Bi und/oder Belichtungszeit t_Bi einstellbar abgestufter Aufnahmen 17 bis 18 ein Ergebnisbild 29 des Rekonstruktionsmoduls 27 rekonstruiert werden, wobei damit Materialien 3, 4/Objekte 5, 6 mit nahezu gleichem Schwächungskoeffizienten kontrastreich abgebildet werden und Objekte 5, 6 mit stark unterschiedlichen Dicken bzw. Wandstärken angepasst belichtet in dem Ergebnisbild 29 dargestellt werden, was der Realisierung des Rekonstruktionsmoduls 26 entspricht,
– durch einstellbar gestufte Aufnahmeserien mit den Aufnahmen 17 bis 18 und durch das Analyseverfahren und Auswerteverfahren in der Auswerteeinheit 12 eine spektroskopische Bestimmung des zu untersuchenden Materials 3, 4/Objektes 5, 6 in dem Spektroskopiemodul 27 erfolgen,

13

2

9

Jeder einzelnen vorgegebenen Beschleunigungsspannung U_Bi wird dabei durch die Funktionseinheit 20 per kennzeichnender „Farbtafel” ein erstes Kennzeichen C_R, z. B. ein Farbwert oder ein Grauwert oder ein Code zugeordnet. Dabei wird auf allen Aufnahmen 17 bis 18 einer Serie das gleiche Pixel 14 des Pixelfeldes 11 mit den x, y-Koordinaten des Röntgenflachdetektors 9 analysiert. Die Einzelaufnahmen 17 bis 18 werden solange in der Reihenfolge steigender Beschleunigungsspannungen U_BL ... U_BH gemäß 2 analysiert, bis das Pixel 14 eine vorher definierte Intensität I_d erstmalig erreicht hat.
Das Pixel 14 erhält dann aus der Funktionseinheit 20 des Rekonstruktionsmoduls 26 das erste Kennzeichen C_R, z. B. in Form einer Farbe oder eines Grauwertes oder eines Codes, das dem ersten Kennzeichen C_R der Beschleunigungsspannung U_BH oder U_BL der betreffenden Aufnahme 17, 18 zugeordnet ist. Das heißt, das Pixel 14 der Koordinaten x, y erhält das erste Kennzeichen C_R „Farbe” der Beschleunigungsspannung U_Bi, bei welcher erstmals die festgelegte Intensität I_d erreicht wird. Der Schritt der Kennzeichnung wird für jedes weitere Pixel z. B. 15, 16 und alle weiteren Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ wiederholt, wie in 2 an einem Beispiel Weizenmehl 3 und Roggenmehl 4 mit rekonstruiertem Ergebnisbild 29 und pixelweise im Pixelfeld 11 angedeutet ist. Die definierte Intensität I_d muss deutlich über dem Rauschen und unterhalb der Sättigung des Röntgenflachdetektors 9 liegen. Sind alle Pixel 14, 15, 16 und alle weiteren Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ ausgewertet, wird ein rekonstruiertes Ergebnisbild 29 mit relevanten Informationen aus allen Aufnahmen 17 bis 18 erhalten. Besondere Anforderungen ergeben sich bei den Objektgebieten, die eine so große oder so kleine Absorption der Röntgenstrahlen aufweisen, so dass die Messwerte außerhalb des Messbereiches des Röntgenflachdetektors 9 oder der Parameter der Röntgenröhre 7 liegen.
Gegebenenfalls ist eine Kombination zwischen der Variation der Beschleunigungsspannung U_B und der Belichtungszeit t_B zweckmäßig, insbesondere dann, wenn die untere Grenze der Beschleunigungsspannung oder die obere Grenze der Beschleunigungsspannung der Röntgenröhre erreicht wird.
Gegebenenfalls kann zur Zwischeninformation ein Ergebnisbild 31 des Spektroskopiemoduls 27 angezeigt werden.
Das Spektroskopiemodul 27 dient zur Durchführung einer spektroskopischen Analyse mit dem Ziel einer eindeutigen Materialidentifikation.
Wird die bekannte Absorptionsgleichung (I) I = I₀e^–μd für das Schwächungsgesetz nach der Objektdicke d umgestellt, wird folgende Gleichung (III) erhalten:
Da von einem zu untersuchenden Objekt 5 oder 6 bei gleicher Aufnahmegeometrie eine Serie von Einzelaufnahmen 17, 18 mit verschiedenen Beschleunigungsspannungen U_B1, U_B2 oder U_Bi angefertigt wird, ist dann, bezogen auf ein konkretes Pixel 14 des Röntgenflachdetektors 9, die Objektdicke d in allen Aufnahmen B_i gleich (d₁ = d₂ = d₃ = d₄ = d₅ ..., d. h. d_i = const.).
Für Stoffe in Form von Gemischen und Verbindungen wird nach Gleichung (II)
verfahren.
Es kann also ein mathematisches Gleichungssystem aufgestellt werden. Zur Lösung des mathematischen Gleichungssystems werden Randbedingungen betrachtet oder mit einem vorgegebenen Standardobjekt gearbeitet, da das Gleichungssystem eine mathematische Unbekannte mehr hat als mathematische Gleichungen vorhanden sind. Die Primärintensität I₀ wird dadurch gemessen, dass ein kleines, in 2 gezeigtes Feld 23 des Röntgenflachdetektors 9 frei gehalten wird, d. h. das Objekt 5 und/oder das Objekt 6 in diesem Feld 23 nicht abgebildet werden. Bei Sättigung des Röntgenflachdetektors 9 kann ein keilförmiger oder stufenförmiger Absorber Anwendung finden. Über den Absorber kann die Primärintensität I₀ berechnet werden. Die Sekundärintensität I ist die gemessene Intensität im betrachteten Pixel 14 des abgebildeten Objektes 5 oder 6.
Der Schwächungskoeffizient μ wird bei der Radiographie im Wesentlichen vom Photoabsorptionskoeffizienten τ(E) bestimmt, der proportional zur durchschnittlichen Objektdichte und zur 4. Potenz der durchschnittlichen Ordnungszahl sowie indirekt proportional zur 3. Potenz der Energie der eingestrahlten Röntgenstrahlung ist.
Da sich in den zu untersuchenden Objekten 5 und 6 die durchschnittliche Ordnungszahl und die durchschnittliche Dichte, bezogen auf ein konkretes Pixel 14 oder 15 oder 16, nicht so einfach als absolute Messwerte bestimmen lassen, wird mit relativen Werten gearbeitet. Auch die Energie ist nicht bestimmbar, da ja mit einem kontinuierlichen Spektrum durchleuchtet wird und nicht nur mit der maximalen Beschleunigungsspannung, wobei aus U_B = E_max gemäß dem Gesetz von Duane-Hunt die untere Grenzwellenlänge λ_min des Bremsstrahlungsspektrums folgt.
Um die Problematik dennoch zu beherrschen, wird mit Hilfe einer in der Auswerteeinheit 12 befindlichen, experimentell erstellten Materialdatenbank 24 für bekannte, definiert vorgegebene Materialien und mit zugehörigen bezogenen Werten gearbeitet. Für jedes aufgenommene, in der Materialdatenbank DB_n 24 permanent gespeicherte, z. B. definiert vorgegebene Material 25 wird eine Kurve der Materialkennziffer MZ, die zumindest Ordnungszahl OZ und Dichte ρ berücksichtigt, bezogen auf die Beschleunigungsspannung, aufgenommen und gespeichert.
Bei einer realen Aufnahmeserie 17 bis 18 eines zu untersuchenden Materials 3 und/oder 4 wird über eine Vergleichseinheit zur Bestimmung des Übereinstimmungsgrades die experimentell ermittelte Materialkennziffer-Kurve des Quotienten I:I₀ mit allen Materialkennziffer-Kurven in der permanenten Materialdatenbank DB_n 24 verglichen. Im Idealfall gibt es eine Übereinstimmung, wenn das zu untersuchende Material 3 oder 4 als bekanntes vorgegebenes Material 25 in der permanenten Materialdatenbank DB_n 24 enthalten ist und wenn, z. B. bei einem Pulver, der Verdichtungsgrad gleich ist. Ist der Verdichtungsgrad nicht gleich, dann werden die Materialkennziffer-Kurven annähernd parallel sein.
Im Realfall kann es aber auch sein, dass nur eine prozentuale Übereinstimmung festgestellt werden kann, d. h. die Wahrscheinlichkeit, mit das zu untersuchende Material 3 oder 4 mit dem bekannten Material 25 in der permanenten Materialdatenbank DB_n 24 bezüglich seiner Materialkennziffer-Kurve übereinstimmt. Ist keine Übereinstimmung mit akzeptabler Wahrscheinlichkeit feststellbar, kann eine Materialkennziffer MZ, zumindest aus Ordnungszahl OZ und Dichte ρ, als Ergebnis ausgegeben werden. Der genannte Verfahrensschritt wird für jedes Pixel 15, 16 und jedes weitere Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ des zu untersuchenden Objektes 5, 6 wiederholt. Jedes identifizierte Material 3, 4 und jede identifizierte Materialkennziffer MZ im Objekt 5 oder 6 erhalten in jedem Pixel 14, 15, 16 und allen weiteren Pixeln P_j ⁽ⁱ⁾ ein zweites Kennzeichen C_S, insbesondere eine Farbe zugeordnet. Aus den farbigen Pixeln 14, 15, 16 und weiteren Pixeln P_j ⁽ⁱ⁾ wird das Ergebnisbild 31 rekonstruiert und für das Ergebnisbild 31 wird eine Legende oder Ergebnisliste erstellt.
Sind in der permanenten Materialdatenbank DB_n 24 bereits vorher das Material Weizenmehl 3 und das Material Roggenmehl 4 gespeichert, so kann nach Vergleich in der Vergleichseinheit zur Bestimmung des Übereinstimmungsgrades die Identität der Materialien 3 und 4 festgestellt und ausgegeben werden. Sind in der permanenten Materialdatenbank DB_n 24 nicht nur Daten von Materialien von lebensverträglichen Gütern, sondern auch von Gefahrengütern gespeichert, so kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 universell eingesetzt werden.
Um die vorab angefertigte permanente Materialdatenbank DB_n 24 mit einem anderen Röntgenflachdetektor 9 (andere Übertragungsfunktion) und einer anderen Röntgenröhre 7 zu nutzen, ist unter Umständen eine Kalibrierung erforderlich.
Die wesentlichen Neuheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung 1 bestehen darin:

– Aus einer Vielzahl bezüglich Beschleunigungsspannung U_Bi und/oder Belichtungszeit t_B angepasster abgestufter Aufnahmen 17 bis 18 wird nach einem neuen Verfahren ein Ergebnisbild 29 rekonstruiert. Mit dem Verfahren können Materialien 3, 4/Objekte 5, 6 mit nahezu gleichem Schwächungskoeffizienten kontrastreich abgebildet werden. Mit dem gleichen Verfahren können auch Objekte 5, 6 mit stark unterschiedlichen Dicken bzw. Wandstärken angepasst belichtet in einem Ergebnisbild 31 dargestellt werden.
– Durch die angepasst gestufte Aufnahmeserie mit den Aufnahmen 17 bis 18 und das Analyseverfahren und Auswerteverfahren in der Auswerteeinheit 12 kann eine spektroskopische Bestimmung des Materials 3, 4/Objekte 5, 6 mittels des Spektroskopiemoduls 27 erfolgen.
– Eine kontrastreiche und überall angepasste belichtete Bildgebung auf dem Röntgenflachdetektor 9 in Kombination mit der spektroskopischen Analyse erhöht die Aussagefähigkeit gegenüber herkömmlicher Radiographie im finalen Ergebnisbild 13 erheblich.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung 1 sind somit:

– Kontrastreiche Abbildung von Objekten 5, 6, die aus Materialien 3, 4 bestehen, sowie der Materialien 3, 4, die einen ähnlichen Schwächungskoeffizienten wie z. B. Weizenmehl 3 und Roggenmehl 4 besitzen.
– Richtige „Belichtung” aller Bildbereiche, auch bei sehr unterschiedlichen Dicken oder Wandstärken oder sehr unterschiedlichen Massenschwächungskoeffizienten, d. h. es gibt weder überbelichtete noch unterbelichtete Bildbereiche.
– Spektroskopische Bestimmung der Materialien 3, 4/Objekte 5, 6.

Dafür ein anderes Beispiel: Wird bei der routinemäßigen Gepäckkontrolle ein verdächtiges Objekt 5 mit z. B. einem unbekannten Material entdeckt, dann kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne Öffnen des Gepäckstückes festgestellt werden, ob ein identifiziertes Pulver ungefährlich oder ein Rauschgift oder ein Sprengstoff ist, und um welches Material es sich handelt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vor Öffnen oder vor Zerstören des Gepäckstückes untersucht werden, ob weiterreichende Gefahren bestehen. Nach dem bisherigen Stand der Technik ist dies bisher nicht möglich gewesen.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine Kombination von Radiographie und von Spektroskopie dar und kann auf der Basis eines bildgebenden röntgenspektroskopischen Verfahrens insbesondere auch für wesentlich verbesserte Gepäckanalysen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Röntgengenerator mit digital einstellbarer Hochspannung
3: Erstes zu untersuchendes Material
4: Zweites zu untersuchendes Material
5: Erstes zu untersuchendes Objekt
6: Zweites zu untersuchendes Objekt
7: Röntgenquelle
8: Halterungseinrichtung
9: Röntgenflachdetektor
10: Steuereinheit
11: Pixelfelder des Röntgenflachdetektors
12: Auswerteeinheit
13: Finales Ergebnisbild
14: erstes Pixel
15: zweites Pixel
16: drittes Pixel
17: Einzelaufnahme bei niedriger (low) Beschleunigungsspannung U_BL
18: Einzelaufnahme bei hoher (high) Beschleunigungsspannung U_BH
19: Digitalisierungseinheit
20: Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für Beschleunigungsspannungen
21: Röntgenstrahlengang
22: Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für die Materialidentifizierung
23: Ausgezeichnetes Pixelfeld zur Bestimmung der Primärintensität I₀
24: Permanente Materialdatenbank mit n bekannten vorgegebenen Materialien/Objekt
25: Bekanntes vorgegebenes Material/Objekt mit definierten Werten
26: Rekonstruktionsmodul
27: Spektroskopiemodul
28: Superpositionseinheit für C_R vom Rekonstruktionsmodul und für C_S vom Spektroskopiemodul
29: Ergebnisbild des Rekonstruktionsmoduls
30: Ausgabeeinheit
31: Ergebnisbild des Spektroskopiemoduls (Materialidentifikation)
U_BL: Beschleunigungsspannung (L – low/niedrig)
U_BH: Beschleunigungsspannung (H – high/hoch)
U_Bi: Beschleunigungsspannung
t_B: Belichtungszeit
I_d: definierte Pixelintensität
I: die Intensität der Strahlung nach dem Objekt (Sekundärintensität)
I₀: die auf das Objekt auftreffende Intensität der Strahlung (Primärintensität)
μ: der lineare Schwächungskoeffizient
μ/ρ: Dichtebezogener Schwächungskoeffizient (Massenschwächungskoeffizient)
d: die Materialdicke
c_i: die Konzentration der Komponente I
ρ: die Dichte des Materials
i: der Index für die Komponente
S: Schwellwertintensität (Graustufen von Pixeln)
C_R: Erstes Kennzeichen aus Rekonstruktionsmodul, codiert Beschleunigungsspannungen
C_S: Zweites Kennzeichen aus Spektroskopiemodul, codiert Materialidentifikationen
B_i: Bild B_i aus dem Bilderset
P_j ⁽ⁱ⁾: Pixel mit Index j in Bild B_i
DB_n: permanente Materialdatenbank 24 mit n vorgegebenen gespeicherten Materialien/Objekten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007042144 A1 [0011, 0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.smithsdetection.com/deu/321.php (Auszug vom 30.08.2012) [0013]
Carrington: Dual Source CT-Bildgebung – eine neue Ära in der Computertomographie, Siemens AG, Medical Solution, März 2006 [0015]
Pfeiffer, Weitkamp, Bunk, David: Phase retrieval and differential phase contrast imaging with low-brilliance X-ray sources, Nature Physics, 2 (4), 2006, p. 258–261 [0018]
http://www.smithsdetection.com/deu/321.php (vom 30.08.2012) [0042]

Claims

Verfahren zur bildgebenden Prüfung von Objekten (5, 6) mit Röntgenstrahlung (21), gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Anfertigung einer von einem pixelweise organisierten Röntgenflachdetektor (9) aufgenommenen, digitalisierten radiografischen Aufnahmeserie (17 bis 18) mit gleicher Geometrie und mittels einer einstellbaren Stufung von Beschleunigungsspannungen U_Bi und/oder mittels einer einstellbaren Stufung von Belichtungszeiten t_B vom zu untersuchenden Objekt (5, 6) einschließlich mindestens eines Materials (3, 4), – Auswertung der digitalisierten Aufnahmeserie (17 bis 18) in einer Auswerteeinheit (12) mit zumindest jeweils einer Funktionseinheit (20; 22) zur Erstellung und Vergabe von jeweiligen Kennzeichen C_R; C_S aufweisenden Modulen (26; 27), wobei – das erste Modul (26) als ein Rekonstruktionsmodul zur Durchführung einer Rekonstruktion zur kontrastreichen Abbildung bei sehr ähnlichem Schwächungskoeffizienten und zur zweckmäßigen Darstellung verschiedener Bildbereiche mit extrem unterschiedlichen Dicken und Schwächungskoeffizienten in der Abbildung dient, wobei eine Erstellung und eine Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für Beschleunigungsspannungen U_Bi durchgeführt werden, und – das zweite Modul (27) als ein Spektroskopiemodul zur röntgenspektroskopischen Auswertung der Aufnahmeserie (17 bis 18) und Identifizierung zumindest des Materials (3, 4) der zu untersuchenden Objekte (5, 6) vorgesehen wird, wobei eine Erstellung und eine Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für die Materialidentifizierung durchgeführt werden, wobei nach dem Durchlauf des Rekonstruktionsmoduls (26) und danach des Spektroskopiemoduls (27) die Analyseergebnisse aus den digitalisierten radiographischen Aufnahmeserien (17, 18) in einer Kombination des Rekonstruktionsmodus (26) und des dem Rekonstruktionsmodul (26) nachgeordneten Spektroskopiemoduls (27) für eine komplexe Auswertung der Radiographie in einer Superpositionseinheit (28) zusammengeführt und die Kennzeichen C_R, C_S miteinander verglichen und in einem finalen Ergebnisbild (13) ausgegeben werden sowie eine Materialidentifikation durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende detaillierte Schritte in der Auswerteeinheit (12) durchgeführt werden: – Einführung einer Tabelle von ersten Kennzeichen C_R in einer ersten Funktionseinheit (20) zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für Beschleunigungsspannungen U_Bi im Rekonstruktionsmodul (26) und – Zuordnung eines Kennzeichens C_R zu jeder einzeln vorgegebenen Beschleunigungsspannung U_Bi, – Analyse des gleichen Pixels (14) eines Pixelfeldes (11) mit den Koordinaten (x, y) des Röntgenflachdetektors (9) auf allen Einzelaufnahmen (17 bis 18) einer Serie, – Analyse der Einzelaufnahmen (17, 18), indem die Einzelaufnahmen (17, 18) in der Reihenfolge steigender Beschleunigungsspannungen U_Bi analysiert werden, bis das Pixel (14) eine vorher definierte Intensität I_d erstmalig erreicht hat, – Einführung einer Tabelle von zweiten Kennzeichen C_S in einer zweiten Funktionseinheit (22) zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für die Materialidentifizierung im Spektroskopiemodul (27), – Zuordnung jeweils eines zweiten Kennzeichens C_S an das Pixel (14), das dem ersten Kennzeichen C_R der Beschleunigungsspannung U_Bi der betreffenden Aufnahme (17, 18) entspricht, – Wiederholung der Schritte der Kennzeichnungszuordnung für jedes weitere Pixel (15, 16) des Röntgenflachdetektors (9), wobei die definierte Intensität I_d deutlich über dem Rauschen und unterhalb der Sättigung des Röntgenflachdetektors (9) liegt, – Auswertung aller Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ (14, 15, 16) des Röntgenflachdetektors (9) und Erstellung eines rekonstruierten finalen Ergebnisbildes (13) mit Informationen aus allen Aufnahmen (17 bis 18).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kennzeichen C_R zu jeder Beschleunigungsspannung U_Bi als Farbwert oder als Grauwert oder als Code festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kennzeichen C_S zu jedem Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ (14, 15, 16) des Röntgenflachdetektors (9) als Farbwert oder als Grauwert oder als Code festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Multi-Energie-Verfahren mit mehreren stufenförmig steigenden eingesetzten Beschleunigungsspannungen U_Bi darstellt, wobei für alle Einzelaufnahmen (17, 18) die gleiche Belichtungszeit t_Bconst oder zur Kompensation der Empfindlichkeitskurve des Röntgenflachdetektors (9) sowie an dessen Einsatzgrenzen der Röntgenröhre (7) in Bezug auf die Beschleunigungsspannung ein definierter Verlauf der Belichtungszeiten eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Justierung durchgeführt wird, bei der Aufnahmen (17, 18) auf der Basis unterschiedlicher Belichtungszeiten t_Bi kompatibel gemacht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektroskopiemodul (27) zur Durchführung einer spektroskopischen Analyse dient, wobei mit Hilfe einer in der Auswerteeinheit (12) oder speziell im Spektroskopiemodul (27) befindlichen permanenten Materialdatenbank DB_n (24) für n vorgegebene Materialien/Objekte (25) einschließlich von materialzugehörigen Werten gearbeitet wird, wobei für jedes aufgenommene, in der permanenten Materialdatenbank DB_n (24) gespeicherte Material/Objekt (25) eine Kurve MZ = MZ(OZ, ρ) der Materialkennziffer MZ, zumindest die Ordnungszahl OZ und Dichte ρ bezogen auf die Beschleunigungsspannung U_Bi, aufgenommen und gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer realen Aufnahmeserie (17 bis 18) eines zu untersuchenden Materials (3, 4)/Objektes (5, 6) jeweils pixelweise die experimentell ermittelte Materialkennziffer-Kurve des Quotienten I:I₀ – Sekundärintensität I dividiert durch Primärintensität I₀ – mit allen Materialkennziffer-Kurven in der permanenten Materialdatenbank DB_n (24) feststellend verglichen wird, wobei – im Idealfall es eine Übereinstimmung gibt, wenn das zu untersuchende Material (3, 4)/Objekt (5, 6) in der Materialdatenbank DB_n (24) enthalten ist und wenn, bei einem Material/Objekt, der Verdichtungsgrad gleich ist, oder wenn der Verdichtungsgrad nicht gleich ist, die Materialkennziffer-Kurven des zu untersuchenden Materials (3, 4)/Objektes (5, 6) und die Materialkennziffer-Kurve des bekannten Materials/Objektes (25) annähernd parallel sind, – im Realfall mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit eine prozentuale Übereinstimmung festgestellt wird, mit der das zu untersuchende Material (3, 4)/Objekt (5, 6) mit dem bekannten vorgegebenen Material/Objekt (25) in der permanenten Materialdatenbank DB_n (24) bezüglich seiner Materialkennziffer-Kurve übereinstimmt, – bei keiner Übereinstimmung mit akzeptabler Wahrscheinlichkeit, eine Materialkennziffer MZ zumindest aus Ordnungszahl OZ und Dichte ρ als Ergebnis in eine Vergleichseinheit ausgegeben wird, wobei der Feststellungsschritt für jedes Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ (14, 15, 16) des zu untersuchenden Materials (3, 4)/Objektes (5, 6) wiederholt wird, – bei jedem identifizierten Material (3, 4)/Objekt (5, 6) und jeder identifizierten Materialkennziffer MZ im Material (3; 4)/Objekt (5; 6) in jedem Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ (14, 15, 16) ein Kennzeichen, insbesondere eine Farbe zugeordnet, enthalten ist, wobei aus den farbigen Pixeln P_j ⁽ⁱ⁾ (14, 15, 16) das finale Ergebnisbild (13) ermittelt und für das finale Ergebnisbild (13) eine Legende oder eine Ergebnisliste zur Ausgabe in der Ausgabeeinheit (30) erstellt werden, und – die Materialkennziffer-Kurven wahlweise nicht nur zweidimensional, sondern auch dreidimensional sind, um die Aufhärtung des Bremsstrahlungsspektrums in Abhängigkeit der Dicke d darzustellen.
Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorab-Speicherung der bekannten vorgegebenen Materialien und/oder Objekte (25) in der permanenten Materialdatenbank DB_n (24) nach einem Vergleich des ersten Kennzeichens C_R und des zweiten Kennzeichens C_S in der Superpositionseinheit (28) der Auswerteeinheit (12) die Identität der untersuchten Materialien (3, 4)/Objekte (5, 6) festgestellt und ausgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Wechsel der Röntgenquelle (7) und/oder des Röntgenflachdetektors (9) zur Anpassung der vorab angefertigten permanenten Materialdatenbank DB_n (24) an eine andere Übertragungsfunktion eine Kalibrierung der eingesetzten Vorrichtung (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass – aus einer Vielzahl bezüglich Beschleunigungsspannung U_Bi und/oder Belichtungszeit t_Bi einstellbar abgestufter Aufnahmen (17 bis 18) ein Ergebnisbild (29) des Rekonstruktionsmoduls (27) rekonstruiert wird, wobei damit Materialien (3, 4)/Objekte (5, 6) mit nahezu gleichem Schwächungskoeffizienten kontrastreich abgebildet werden und Objekte (5, 6) mit stark unterschiedlichen Dicken bzw. Wandstärken angepasst belichtet in dem Ergebnisbild (29) dargestellt werden, was der Realisierung des Rekonstruktionsmoduls (26) entspricht, – durch einstellbar gestufte Aufnahmeserien mit den Aufnahmen (17 bis 18) und durch das Analyseverfahren und Auswerteverfahren in der Auswerteeinheit (12) eine spektroskopische Bestimmung des zu untersuchenden Materials (3, 4)/Objektes (5, 6) in dem Spektroskopiemodul (27) erfolgt, wodurch eine kontrastreiche und korrekt belichtete Bildgebung des finalen Ergebnisbildes (13) in Kombination mit der spektroskopischen Analyse erreicht wird, wobei eine korrekte Belichtung als deutlich oberhalb des Rauschens von Röntgengenerator (2) und von Detektor (9) und unterhalb der Sättigung des Detektors (9) definiert wird.
Vorrichtung (1) zur bildgebenden Prüfung von Objekten (5, 6) mit Röntgenstrahlung (21), einschließlich von Materialien (3, 4), unter Verwendung des vorgenannten Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zumindest umfasst – eine Röntgenquelle (7), – einen Röntgengenerator (2) mit einstellbarer Beschleunigungsspannung U_Bi für die Röntgenquelle (7), – eine Steuereinheit (10), die mit dem Röntgengenerator (2) verbunden ist und zumindest die Beschleunigungsspannungen U_Bi und Belichtungszeiten t_Bi für die Röntgenquelle (7) einstellt, – einen mit Pixeln (14, 15, 16) organisierten Röntgenflachdetektor (9), – eine Digitalisierungseinheit (19), die dem Röntgenflachdetektor (9) nachgeordnet ist, – eine Auswerteeinheit (12), die über der Digitalisierungseinheit (19) mit dem Röntgenflachdetektor (9) in Verbindung steht und die zumindest folgende Module (26, 27) aufweist, wobei – das erste Modul (26) als Rekonstruktionsmodul zumindest mit einer ersten Funktionseinheit (20) zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für Beschleunigungsspannungen U_Bi ausgebildet ist, – das zweite Modul (26) als Spektroskopiemodul zumindest mit einer zweiten Funktionseinheit (22) zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für jedes Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ (14, 15, 16) des Röntgenflachdetektors (9) sowie mit einer zugeordneten permanenten Materialdatenbank DB_n (24) mit darin gespeicherten, n vorgegebenen Materialien/Objekten (25) und zugehörigen Material-/Objektwerten ausgebildet ist, – eine Superpositionseinheit (28) zur Bewertung von Ergebnissen aus dem Rekonstruktionsmodul (26) und dem dem Rekonstruktionsmodul (26) nachgeordneten Spektroskopiemodul (27), wobei die Steuereinheit (10) mit der Auswerteeinheit (12) zur Koordinierung von einstellbaren Beschleunigungsspannungen U_Bi und einstellbaren Belichtungszeiten t_Bi und den auf den Aufnahmen (17, 18) der Aufnahmeserien erhaltenen Informationen und zur Signalrückkopplung in Verbindung steht, sowie – eine Ausgabeeinheit (30) für das aus der Superpositionseinheit (28) erhaltene finale Ergebnisbild (13).
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Halterung von Objekten (5, 6) einschließlich von Materialien (3, 4) im Röntgenstrahlengang (21) zumindest eine Halterungseinrichtung (8) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekonstruktionsmodul (26) neben der ersten Funktionseinheit (20) zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen C_R für einstellbare Beschleunigungsspannungen U_Bi zumindest umfasst – einen Datenpuffer zur Zwischenspeicherung des Bildersets B_i aus i Aufnahmen (i > 1 oder i » 1) mit steigender Beschleunigungsspannung U_Bi und konstanter Belichtungszeit t_Bconst, wobei der Datenpuffer in der Auswerteeinheit (12) mit der Digitalisierungseinheit (19) in Verbindung steht, – eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung eines Kennzeichens C_Rj zum Bilderset B_i mit zugehöriger Beschleunigungsspannung U_Bi → erstes Kennzeichen C_Rj, – eine Analyseeinheit zur Analyse jeweils aller Pixel P_j ⁽ⁱ⁾(x, y) vom Bilderset B_i mit steigendem Index i, bis eine vordefinierte Schwellwertintensität S erreicht ist mit der Zuordnung der Pixel mit Pixel P_j → erstes Kennzeichen C_Rj, – eine Entscheidungseinheit zur Fallentscheidung, ob ein überbelichteter Bereich oder ein unterbelichteter Bereich innerhalb einer Aufnahmeserie existiert, wobei bei keinem Eintritt der beiden Fälle Signale an das Spektroskopiemodul (27) weitergeleitet werden, wobei bei einem unterbelichteten Bereich eine Anfertigung eines neuen Bildersets B_i mit vergrößerter Belichtungszeit t_Bneu > t_B oder wobei bei einem überbelichteten Bereich eine Anfertigung eines neuen Bildersets B_i mit verkürzter Belichtungszeit t_Bneu < t_B durchgeführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekonstruktionsmodul (26) mit einer Auslöseeinheit in Verbindung steht, die zur Signalgebung für eine Anfertigung von neuen Bildersets B_ineu sowohl für angepasste vergrößerte Belichtungszeiten t_Bneu als auch für angepasste verkürzte Belichtungszeiten t_Bneu dient und die mit der Steuereinheit (10) zur Einstellung einer dem neuen Bilderset B_ineu angepassten Belichtungszeit t_Bneu der Röntgenröhre (7) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektroskopiemodul (27) neben der zweiten Funktionseinheit (22) zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen C_S für die Materialidentifizierung zumindest umfasst – eine Speichereinheit zur permanenten Speicherung von bekannten vorgegebenen Materialien (25) einer Materialdatenbank DB_n (24), die in einer Systemlernphase mit n verschiedenen bekannten vorgegebenen Materialien (25) in Form einer Kurve einer Materialkennziffer MZ, die zumindest mit Ordnungszahl OZ und Dichte ρ des jeweiligen Materials (25) in funktioneller Verbindung steht, gefüllt ist, – eine Quotientenbildungseinheit zur Bildung eines jeweiligen Intensitätsverhältnisses I_i/I₀ aus den Grauwerten aller Pixel P_j ⁽ⁱ⁾ des Bildersets B_i und einem ausgezeichneten Pixelfeld (23) zur Bestimmung der Primärintensität I₀ mit nachfolgendem Vergleich mit den vorgegebenen Materialien (25) der Materialdatenbank DB_n (24), – eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung eines Materialcodes C_Sj zu einer Materialkennziffer MZ-Kurve, – eine Vergleichseinheit zur Bestimmung eines Übereinstimmungsgrades zwischen dem zu untersuchenden Material (3; 4) und allen bereits eingespeicherten vorgegebenen Materialien (25) in der permanenten Materialdatenbank DB_n (24), wobei bei einem hohen Übereinstimmungsgrad Bestätigungs-Signale zur Superpositionseinheit (28) geführt werden oder bei keinem oder einem niedrigen Übereinstimmungsgrad eine Ausgabe einer neuen Materialkennziffer MZ erfolgt, die im Lernmodus die Materialdatenbank DB_n (24) mit dem neuen Material (n + 1) durch Speicherung zu einer um ein Material vergrößerten Materialdatenbank DB_n+1 (24) ergänzt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 16 mit Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialdatenbank DB_n (24) zweidimensioniert oder dreidimensioniert aufgebaut ist, wobei vorgegebene zu speichernde Größen wahlweise die Beschleunigungsspannung (Energie) U_Bi, der Absorptionskoeffizient μ oder der Massenschwächungskoeffizient μ/ρ oder das Produkt aus Absorptionskoeffizient μ und Dicke d mit μ·d oder zusätzliche abgeleitete Größen wie die durchschnittliche Ordnungszahl OZ sind.