EP2265938A1 - Verfahren und vorrichtung zur detektion eines bestimmten materials in einem objekt mittels elektromagnetischer strahlen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur detektion eines bestimmten materials in einem objekt mittels elektromagnetischer strahlen

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EP2265938A1
EP2265938A1 EP09733361A EP09733361A EP2265938A1 EP 2265938 A1 EP2265938 A1 EP 2265938A1 EP 09733361 A EP09733361 A EP 09733361A EP 09733361 A EP09733361 A EP 09733361A EP 2265938 A1 EP2265938 A1 EP 2265938A1
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electromagnetic radiation
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Matthias MÜNSTER
Jörg NITTIKOWSKI
Pia Dreiseitel
Andreas Mader
Rainer Heinkel
Thomas Ries
Dirk Naumann
Uwe Siedenburg
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Smiths Heimann GmbH
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Smiths Heimann GmbH
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    • G01N2223/60—Specific applications or type of materials
    • G01N2223/639—Specific applications or type of materials material in a container

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for detecting a specific material in an object, in particular in a piece of luggage, by means of electromagnetic radiation, in which the intensities of unabsorbed beams from at least three beam planes are measured and evaluated in associated detector arrangements.
  • BESTATIGUNGSKOPIE First, a two-dimensional image of the object is created, then an area imaged on the image is selected for review based on the value of a material size, then an absorption thickness of the area is determined using a stored value and at the same time the corresponding thickness of the area is determined from spatial position data , which were determined solely from measured intensity values. By comparing the two determined values, it is then determined whether the suspected material actually exists.
  • the intensities of two energy ranges are evaluated in the method in the so-called dual-energy method, with X-ray radiation being evaluated separately in energy ranges below (low range) and above (high range) of about 70 KeV.
  • This advantageous method works differently from known CT scanners with a small number of fewer than 10 views, which are generated with a corresponding number of fixed radiation sources and fixed detectors. With this small number of views, a complex object can not be completely reconstructed for mathematical reasons. Therefore, it is limited to obtaining partial information from certain regions selected and reviewed from single views.
  • the invention has for its object to provide a method of the generic type, which allows a more precise evaluation and thus improved detection performance.
  • Another object is to provide an apparatus for carrying out a method according to the invention.
  • the first object is achieved with the features of claim 1, the second object with the features of claim 2.
  • the invention will be explained with reference to a preferred, as particularly advantageous embodiment, which is shown in simplified form. Show
  • FIG. 1 shows the basic structure of the device
  • Figure 2 shows the section through a device in which the object of four
  • Figure 4 shows the associated mass profile.
  • the device shown in Figure 1 serves as a test system for security checking of objects 1, in particular of luggage, as carried out at airports.
  • items 2 located in the items of luggage are checked for their safety relevance.
  • the test facility contains as essential components stationary radiation sources 3.1-3.4 and the same number of associated detector arrangements, from which the intensities of the beams not absorbed by the object 1 are measured. At least three radiation sources 3.1-3.4 and associated detector arrangements are used, preferably 4 to 15 radiation sources, in particular 4 to 8, in the example it being 4.
  • the radiation sources 3.1.-3.4 are arranged so that the objects 1 are each different Directions to obtain as much independent data as possible.
  • the radiation sources 3.1-3.4 are arranged in the transport direction of the objects 1 at a distance one behind the other and on different sides of the radiation tunnel 6, through which the objects 1 are transported by a transport device, preferably a belt conveyor 7.
  • beams are emitted in at least 3 preferably fan-shaped beam planes 5.1-5.4, which preferably run parallel to one another.
  • X-rays are preferably emitted in an energy range up to a maximum of 140 KeV.
  • the detector arrays contain dual detectors that measure the intensities of the unabsorbed radiation separately for high (> 70 KeV) and lower ( ⁇ 70 KeV) energies for the so-called dual-energy method.
  • the inspection system includes an evaluation unit with a computer and a screen on which the generated images of the objects 1 and the objects 2 therein are displayed for additional visual inspection by an operator.
  • an evaluation software is deposited, which checks according to the method described below, whether in the objects 1 items 2 made of certain materials are available:
  • the object 1 to be examined is conveyed by the conveyor 7 into the examination area (beam tunnel 6), where it is irradiated by X-radiation from the X-radiation sources in at least three radiation planes.
  • the radiation not absorbed by the object 1 is picked up by the associated X-ray detectors, converted into electrical signals that are digitized, and an image is generated according to the dual-energy method that contains specific material formations.
  • a dual-energy method is not absolutely necessary if the measurement in only one energy range is sufficient to determine the desired material information.
  • the X-ray image of the examined object 1 thus generated in a first evaluation step is now classified in terms of its complexity in a second evaluation step.
  • Parameters for this classification can be: In step 1, metal content in the examination area, its brightness, as well as proportion and size of areas with equal intensity.
  • FIGS. 3 and 4 an advantageous method for determining the complexity is sketched.
  • simple regions E of low complexity within the object 1 are determined such that a mass profile is generated.
  • the unabsorbed intensities measured by each detector arrangement are summed for the different layers of the object 1 which are guided through the radiation planes.
  • the radiation planes and thus also the layers of an object 1 to be examined are perpendicular to the belt conveyor 7, as shown in FIGS. 2 and 3.
  • the summation of the unabsorbed intensities results in an object 1 in Figure 4 shown course. It is checked whether there are low-complexity, simple regions E in which the sum values of the intensities change only slightly or not.
  • the further evaluation is carried out according to an algorithm which calculates a three-dimensional reconstruction of the examination object 1 from different views and carries out a material detection via the estimation of the attenuation coefficient ⁇ .
  • a slice S to be examined is selected, which leads through the region E simple complexity.
  • the area to be examined in the layer S is divided into a voxel grid V.
  • the individual voxels can be cuboid with an edge length of approximately 3.5 mm and a depth that corresponds to the width of a detector row.
  • the number of voxels to be examined is determined before the evaluation.
  • the run length of the X-rays is then determined by the selected voxels.
  • the attenuation coefficient ⁇ is finally determined by using the high-energy radiation with the aid of the absorption equation.
  • the attenuation coefficient ⁇ is characteristic of the materials to be detected during the test.
  • an algorithm is used to determine the material from the ratio of absorbance values at different X-ray energies.

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Detektion eines bestimmten Materials in einem Objekt (1), insbesondere in einem Gepäckstück, mittels elektromagnetischer Strahlen, bei dem die Intensitäten von nicht absorbierten Strahlen aus mindestens drei Strahlenebenen in zugeordneten Detektoranordnungen gemessen und ausgewertet werden, wobei - zunächst aus den Intensitäten der nicht absorbierten Strahlung ein Bild erzeugt wird, und, falls einfache Bereiche (E) geringer Komplexität ermittelt werden die sich durch ungefähr konstante Intensitäten auszeichen, nach einem Algorithmus, der aus verschiedenen Ansichten eine dreidimensionale Rekonstruktion errechnet, eine Abschätzung des Schwächungskoeffizienten μ, vorgenommen wird und in dem Bereich (E) eine Materialdetektion durchgeführt wird.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verfahren und Vorrichtung zur Detektion eines bestimmten Materials in einem Objekt mittels elektromagnetischer Strahlen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion eines bestimmten Materials in einem Objekt, insbesondere in einem Gepäckstück, mittels elektromagnetischer Strahlen, bei dem die Intensitäten von nicht absorbierten Strahlen aus mindestens drei Strahlenebenen in zugeordneten Detektoranordnungen gemessen und ausgewertet werden.
Zur Inspektion von Objekten, beispielsweise zur Sicherheitsüberprüfung von Gepäckstücken auf Flughäfen, werden bekannterweise Verfahren und Vorrichtungen verwendet, bei denen das Objekt durch elektromagnetische Strahlen gefördert wird, die von ortsfesten Strahlenquellen abgegeben werden. Die Intensitäten der nicht absorbierten Strahlen werden von den Strahlenquellen zugeordneten, ebenfalls ortsfesten Detektoranordnungen gemessen und ausgewertet. Üblicherweise erfolgt die Inspektion mit Röntgenstrahlen.
Aus der WO 03/031960 ist ein Verfahren bekannt, bei dem fünf ortsfeste Strahlenquellen Röntgenstrahlen in Strahlenebenen abgeben, von denen drei zueinander parallel und senkrecht zur Transportrichtung der Objekte durch die Gepäckprüfanlage verlaufen. Aus den Daten der den Strahlenquellen zugeordneten Detektoranordnungen wird nach folgendem Verfahren geprüft, ob ein vermutetes Material auch tatsächlich vorhanden ist:
BESTATIGUNGSKOPIE Zunächst wird ein zweidimensionales Bild des Objektes erzeugt, danach wird ein auf dem Bild abgebildetes Gebiet auf Grundlage des Wertes einer Materialgröße zur Überprüfung ausgewählt, danach wird eine Absorptionsdicke des Gebietes unter Verwendung eines hinterlegten Wertes bestimmt und zugleich die entsprechende Dicke des Gebietes aus räumlichen Positionsdaten bestimmt, die allein aus gemessenen Intensitätswerte ermittelt wurden. Durch Vergleichen der beiden ermittelten Werte wird anschließend festgestellt, ob das vermutete Material tatsächlich vorhanden ist. Auf bekannte Weise werden bei dem Verfahren im sogenannten Dual-Energy-Verfahren die Intensitäten zweier Energiebereiche ausgewertet, wobei Röntgenstrahlung in Energiebereichen unterhalb (Low-Bereich) und oberhalb (High-Bereich) von circa 70 KeV getrennt ausgewertet werden.
Dieses vorteilhafte Verfahren arbeitet anders als bekannte Computertomographen mit einer geringen Anzahl von weniger als 10 Ansichten, die mit einer entsprechenden Anzahl feststehender Strahlenquellen und feststehender Detektoren erzeugt werden. Mit dieser geringen Anzahl von Ansichten ist ein komplexes Objekt aus mathematischen Gründen nicht vollständig rekonstruierbar. Daher wird sich auf die Gewinnung partieller Informationen aus bestimmten Regionen beschränkt, die aus Einzelansichten ausgewählt und weitergeprüft werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, das eine präzisere Auswertung und somit eine verbesserte Detektionsleistung ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen.
Die erste Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , die zweite Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten, da besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiels erläutert, das vereinfacht dargestellt ist. Dabei zeigen
Figur 1 den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung,
Figur 2 den Schnitt durch eine Vorrichtung, in der das Objekt von vier
Strahlenquellen durchleuchtet wird, Figur 3 zeigt das Röntgenbild des Objekts, aus dem die Komplexität bestimmt wird, Figur 4 zeigt das zugehörige Massenprofil.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung dient als Prüfanlage zur Sicherheitsüberprüfung von Objekten 1 , insbesondere von Gepäckstücken, wie sie auf Flughäfen durchgeführt wird. Dabei werden in den Gepäckstücken befindliche Gegenstände 2 hinsichtlich ihrer Sicherheitsrelevanz geprüft.
Die Prüfanlage enthält als wesentliche Bestandteile ortsfeste Strahlenquellen 3.1-3.4 und dieselbe Anzahl von zugeordneten Detektoranordnungen, von denen die Intensitäten der nicht vom Objekt 1 absorbierten Strahlen gemessen werden. Es werden mindestens drei Strahlenquellen 3.1-3.4 und zugeordnete Detektoranordnungen verwendet, bevorzugt sind es 4 bis 15 Strahlenquellen, insbesondere 4 bis 8, im Beispiel sind es 4. Die Strahlenquellen 3.1.-3.4 sind dabei so angeordnet, dass die Objekte 1 jeweils in verschiedenen Richtungen durchleuchtet werden, um möglichst viele voneinander unabhängige Daten zu erhalten. Dazu sind die Strahlenquellen 3.1-3.4 in Transportrichtung der Objekte 1 mit Abstand hintereinander und an verschiedenen Seiten des Strahlentunnels 6 angeordnet, durch den die Objekte 1 von einer Transportvorrichtung, vorzugsweise einem Bandförderer 7, transportiert werden. Dabei werden Strahlen in mindestens 3 bevorzugt fächerförmigen Strahlenebenen 5.1-5.4 abgegeben, die bevorzugt parallel zueinander verlaufen. Bevorzugt werden Röntgenstrahlen in einem Energiebereich bis maximal 140 KeV abgegeben. Die Detektoranordnungen enthalten Doppeldetektoren, die für das sogenannte Dual-Energy-Verfahren die Intensitäten der nicht absorbierten Strahlung getrennt nach hohen (> 70 KeV) und niedrigeren (< 70 KeV) Energien messen. Weiterhin enthält die Prüfanlage eine Auswerteeinheit mit einem Computer und einem Bildschirm, auf dem die erzeugten Bilder der Objekte 1 und der darin befindlichen Gegenstände 2 für eine zusätzliche visuelle Prüfung durch eine Bedienperson angezeigt werden. In dem Computer ist eine Auswertesoftware hinterlegt, die nach dem nachfolgend beschriebenen Verfahren prüft, ob in den Objekten 1 Gegenstände 2 aus bestimmten Materialien vorhanden sind:
Zunächst wird das zu untersuchende Objekt 1 von dem Förderer 7 in den Untersuchungsbereich (Strahlentunnel 6) gefördert, wo es von Röntgenstrahlung aus den Röntgenstrahlungsquellen in mindestens drei Strahlungsebenen durchstrahlt wird. Die nicht von dem Objekt 1 absorbierte Strahlung wird von den zugehörigen Röntgendetektoren aufgenommen, in elektrische Signale umgewandelt, die digitalisiert, und es wird nach dem Dual-Energy-Verfahren ein Bild erzeugt, das bestimmte Materialienformationen enthält. Ein Dual-Energy-Verfahren ist nicht unbedingt erforderlich, falls die Messung in nur einem Energiebereich zur Bestimmung der gewünschten Materialinformationen ausreicht.
Das so in einem ersten Auswerteschritt erzeugte Röntgenbild des untersuchten Objekts 1 wird nun in einem zweiten Auswerteschritt hinsichtlich seiner Komplexität klassifiziert. Parameter für diese Klassifikation können sein: In Schritt 1 bestimmte Metallanteil im Untersuchungsbereich, seine Helligkeit, sowie Anteil und Größe von Bereichen mit gleicher Intensität.
In den Figuren 3 und 4 ist ein vorteilhaftes Verfahren zur Bestimmung der Komplexität skizziert. Bei diesem Verfahren werden einfache Bereiche E geringer Komplexität innerhalb des Objekts 1 so bestimmt, dass ein Massenprofil erzeugt wird. Dazu werden für die verschiedenen Schichten des Objekts 1 , die durch die Strahlungsebenen geführt werden, jeweils die von jeder Detektoranordnung gemessenen nicht absorbierten Intensitäten aufsummiert. Bevorzugt verlaufen die Strahlungsebenen und somit auch die zu untersuchenden Schichten eines Objekts 1 senkrecht zu dem Bandförderer 7, wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist. Die Aufsummierung der nicht absorbierten Intensitäten ergibt für ein Objekt 1 den in Figur 4 dargestellten Verlauf. Dabei wird geprüft, ob wenig komplexe, einfache Bereiche E vorhanden sind, in denen sich die Summenwerte der Intensitäten nur wenig oder nicht ändern.
Werden einfache Bereiche E ermittelt, so erfolgt die weitere Auswertung nach einem Algorithmus, der aus verschiedenen Ansichten eine dreidimensionale Rekonstruktion des Untersuchungsobjekts 1 errechnet und über die Abschätzung des Schwächungskoeffizienten μ eine Materialdetektion durchführt.
Dazu wird zunächst eine zu untersuchende Schicht S ausgewählt, die durch den Bereich E einfacher Komplexität führt. Der zu untersuchende Bereich in der Schicht S wird in ein Voxelraster V aufgeteilt. Die einzelnen Voxel können dabei quaderförmig mit einer Kantenlänge von circa 3,5 mm und einer Tiefe sein, die der Breite einer Detektorzeile entspricht. Die zu untersuchende Anzahl von Voxeln wird vor der Auswertung festgelegt. In Abhängigkeit von der Position der Strahlenquellen 3.1-3.4 und dem ausgewählten Bereich wird anschließend die Durchlauflänge der Röntgenstrahlen durch die ausgewählten Voxel bestimmt. Unter Verwendung der Durchlauflänge als Absorptionsdicke wird zum Schluss unter Verwendung der High- Energy-Strahlung mit Hilfe der Absorptionsgleichung der Schwächungskoeffizient μ bestimmt. Der Schwächungskoeffizient μ ist charakteristisch für die Materialien, die bei der Prüfung detektiert werden sollen.
Bei Bildern von Objekten, die als komplex eingestuft werden, wird ein Algorithmus zur Bestimmung des Materials aus dem Verhältnis der Absorptionswerte bei verschiedenen Röntgenenergien angewendet.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E Verfahren und Vorrichtung zur Detektion eines bestimmten Materials in einem Objekt mitteis elektromagnetischer Strahlen.
1.
Verfahren zur Detektion eines bestimmten Materials in einem Objekt (1), insbesondere in einem Gepäckstück, mittels elektromagnetischer Strahlen, bei dem die Intensitäten von nicht absorbierten Strahlen aus mindestens drei Strahlenebenen in zugeordneten Detektoranordnungen gemessen und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass
- zunächst aus den Intensitäten der nicht absorbierten Strahlung ein Bild erzeugt wird,
- anschließend das erzeugte Bild hinsichtlich seiner Komplexität klassifiziert wird,
- und, falls einfache Bereiche (E) geringer Komplexität ermittelt werden, nach einem Algorithmus, der aus verschiedenen Ansichten eine dreidimensionale Rekonstruktion errechnet und über die eine Abschätzung des Schwächungskoeffizienten μ, in dem Bereich (E) eine Materialdetektion durchgeführt wird.
2.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Patentanspruch 1 mit einer durch einen Strahlentunnel (6) führenden Transporteinrichtung (7) und um die Transporteinrichtung (7) angeordnete Strahlenquellen (3.1-3.4), die Strahlen in mindestens drei Strahlenebenen abgeben, auf die jeweils eine zugeordnete Detektoranordnung ausgerichtet ist und mit einer Auswerteeinheit, die einen Computer enthält, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit mit einem Computer, der eine Software enthält, die
- zunächst aus den Intensitäten der nicht absorbierten Strahlung ein Bild erzeugt,
- anschließend das erzeugte Bild hinsichtlich seiner Komplexität klassifiziert,
- und, falls einfache Bereiche (E) geringer Komplexität ermittelt werden, nach einem Algorithmus, der aus verschiedenen Ansichten eine dreidimensionale Rekonstruktion errechnet und über die eine Abschätzung des Schwächungskoeffizienten μ, in dem Bereich (E) eine Materialdetektion durchgeführt.
EP09733361A 2008-04-18 2009-04-08 Verfahren und vorrichtung zur detektion eines bestimmten materials in einem objekt mittels elektromagnetischer strahlen Ceased EP2265938A1 (de)

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