WO2014036989A1 - Verfahren und vorrichtung zur bildgebenden prüfung von objekten mit röntgenstrahlung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bildgebenden prüfung von objekten mit röntgenstrahlung Download PDF

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WO2014036989A1
WO2014036989A1 PCT/DE2013/000507 DE2013000507W WO2014036989A1 WO 2014036989 A1 WO2014036989 A1 WO 2014036989A1 DE 2013000507 W DE2013000507 W DE 2013000507W WO 2014036989 A1 WO2014036989 A1 WO 2014036989A1
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ray
module
pixel
objects
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PCT/DE2013/000507
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Jürgen Bauch
Dietmar WÜNSCHE
Frank Henschel
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Technische Universität Dresden
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    • G01N23/041—Phase-contrast imaging, e.g. using grating interferometers

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the imaging examination of objects with X-radiation.
  • An application of the method and the device for the imaging examination of objects on their material content with X-radiation is in the field of security technology, in particular for baggage inspection. Among other things, it should be determined whether, for example, in the luggage a powder or a liquid within a package can be classified as harmless or if a narcotic or explosive is present.
  • the objects may also be components or containers which may contain one or more materials.
  • the attenuation of X-rays in different object areas is similar the more the product of attenuation coefficient and thickness matches. On the X-ray images, the object areas have virtually the same and therefore indistinguishable blackening information or intensity information.
  • Fig. 1 a representation of the dual-energy technology for baggage control via the Internet address http://AAww.smithsdetection.com/deu/321.php (excerpt from 30.08.2012) indicated in which the object to be examined either with two different acceleration voltages or with only one acceleration voltage, but with successive detectors (similar effect) is illuminated. From the two obtained radiographs, a false-color image is calculated and reconstructed with special image processing, in which the areas with low ordinal numbers, average ordinal numbers and higher average ordinal numbers are color-coded and thus highlighted, as described in DE 10 2007 042 144 A1 is.
  • a plurality of monoenergetic and directed X-rays are used, wherein X-ray images are generated from an object having a plurality of discrete X-ray energies to increase the sensitivity for non-destructive inspection of the object.
  • the process irradiates objects with various materials in any structural arrangement.
  • the equations contained are intended to show how mathematically a material assignment can take place from the result images. Calculated this is only possible for a monochromatic, brilliant X-ray source.
  • the thickness d (D) must be known in order to determine the respective material; or the material itself must be known to determine the thicknesses d.
  • D thickness of materials
  • n recordings are required at n monochromatic energies. This initially leads to an undesirable reduction of the imaged image information and possibly to a limited detail recognizability.
  • these energies would have to be chosen as low as possible according to the law of attenuation (energy dependence of the absorption), which means that only relatively thin objects can be irradiated or the objects otherwise may not be completely irradiated and thus no Image result can be achieved.
  • a medical computed tomography method in which a movement of the object is necessary
  • the emitted tube power is adaptively controlled directly in the X-ray tube by means of an additional electrode ("gate electrode") .
  • the maximum attenuation level necessary for the next projection is determined by the stored value by means of a minimum detector (minimum intensity which still leads to through-radiation) compared to the previous projection and set the X-ray output accordingly minimal.
  • a computed tomography method is used which does not serve for image optimization and material identification but reduces the radiation exposure of patients.
  • the X-ray source which emits an X-ray beam, wherein the X-ray beam is displaceable relative to an examination object with an attenuation profile in order to irradiate the examination subject from a multiplicity of different positions, wherein X-ray power is assigned to the X-ray beam,
  • a radiation detector on which the x-ray beam impinges, wherein the detector generates measurement data that depend on attenuation of the x-ray beam by the examination subject for a multiplicity of projections or correspond to different positions of the x-ray beam,
  • a pulse generating arrangement which is in communication with the X-ray source to cause the X-ray beam to emit at least one pulse of X-rays during detection of the measurement data for each projection
  • a modulation device for modulating the X-ray energy by setting a duration of at least one pulse as a function of the attenuation profile of each projection to produce a mAs product and to provide a given signal-to-noise ratio at each projection, and thus an average mAs product that substantially matches the attenuation profile in each projection.
  • the X-ray beam can be moved around the examination subject.
  • the associated medical computed tomography method also has the goal of reducing the radiation exposure of patients during the examination period by adapting the emitted tube power adaptively by means of an additional electrode (“gate electrode”) directly by means of a power modulator as a function of measured or previously stored attenuation profiles
  • the maximum attenuation level necessary for the next projection is compared by means of the minimum detector using the stored value of the previous projection, and the X-ray power is correspondingly set to a minimum.
  • An indirect control of the "exposure” on the detector is carried out by a complex pulse width modulation, which regulates the output integral intensity of the X-ray tube adaptively.
  • the image is not formed by the different absorption (attenuation) of the X-ray radiation but by the measurement of the phase shift due to the slightly varying propagation velocity of the X-radiation in different materials.
  • the method employs highly brilliant quasi-monochromatic X-ray light from a synchrotron. Similar to an interferometer, the phase shift is measured with two gratings and the phase shift is converted into contrast information.
  • the phase contrast method may provide a significantly increased contrast in some of the objects to be examined with regions of similar attenuation but different X-ray propagation velocities, e.g. in biological objects.
  • synchrotrons A decisive disadvantage of the use of synchrotrons, however, is that a synchrotron is extremely cost-intensive and with its correspondingly expensive operating times is not suitable for normal practical applications. For this reason, work is being done to produce phase-contrast images with a conventional x-ray tube and with three gratings.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and a device for the imaging examination of objects with X-radiation, which are designed so that the X-ray images of objects with at least conventionally hardly distinguishable information can be evaluated in more detail and a practically not identical and thus have discernible blackening information or intensity information. Besides, it should be so
  • Components or components with similar attenuation coefficients can be distinguished from each other in a contrasting manner
  • Exposure times t B of the object to be examined with at least one material - Evaluation of the digitized Aufhahmeserie in an evaluation with at least one functional unit for creating and assigning each flag CR; CS having modules, wherein
  • the first module as a reconstruction module to perform a reconstruction for high-contrast imaging in a very similar
  • the second module is provided as a spectroscopy module for the X-ray spectroscopic evaluation of the acquisition series and identification of at least one material of the objects to be examined, wherein a creation and assignment of second identifiers Cs for a material identification are carried out, wherein after the passage of the reconstruction module and then the spectroscopy module, the analysis results from the digitized radiographic acquisition series in a combination of the reconstruction mode and the subordinate to the reconstruction module spectroscopy module for a complex evaluation of the radiography in one
  • the first identifier CR TO each acceleration voltage UBI can be defined as a color value or as a gray value or as a code.
  • the second identifier C s for each pixel can be defined as a color value or as a gray value or as a code.
  • the method is a multi-energy method with several stepwise increasing acceleration voltages used U B i, wherein for all individual shots the same exposure time tßconst or to compensate for the sensitivity curve of the X-ray flat detector and at its limits of use of the X-ray tube with respect to the acceleration voltage a defined ter Course of the exposure times is used. An adjustment in which images can be made compatible on the basis of different exposure times t.sub.i can also be performed.
  • a material index MZ at least of atomic number OZ and density p is output as a result into a comparison unit, the determination step determining for each pixel of the one to be examined is repeated for each pixel of the material / object to be examined,
  • a flag in particular assigned a color, is contained, determined from the colored pixels, the final result image and the final result image a legend or a list of results for output in the output unit are created, and
  • the material index curves can be not only two-dimensional, but also three-dimensional, to represent the hardening of the bremsstrahlung spectrum as a function of thickness d can.
  • the identity of the examined materials / objects can be determined and output after a comparison of the flags CR, CS in the superposition unit of the evaluation.
  • a calibration of the device used can be carried out to adapt the previously prepared permanent material database DB n to another transfer function.
  • the device for the imaging examination of objects including materials of the objects with X-ray radiation using the aforementioned method,
  • control unit which is connected to the X-ray generator and adjusts at least the acceleration voltages UB and exposure times TEI for the X-ray source
  • an evaluation unit which communicates with the X-ray flat detector via the digitizing unit and which has at least the following modules, wherein
  • the first module as a reconstruction module at least with a first
  • Function unit is designed to generate and assign the first identifier CR for acceleration voltages UBI,
  • the second module as a spectroscopy module at least with a second functional unit for creating and assigning second identifier Cs for each pixel of the X-ray flat detector and with an associated permanent material database DB n with stored n predetermined materials / objects and associated material / object values is trained, a superposition unit for evaluating results from the reconstruction module and the spectroscopy module downstream of the reconstruction module,
  • control unit communicates with the evaluation unit for coordinating adjustable acceleration voltages U K and adjustable exposure times ta and the information obtained on the recordings of the recording series and for signal feedback, as well as
  • the reconstruction module can at least comprise, in addition to the first functional unit for generating and assigning first identifiers CR for adjustable acceleration voltages UB I
  • a data buffer for buffering the image set Bj from i images (i> 1 or i »1) with increasing acceleration voltage UBI and constant exposure time t Bc onst, wherein the data buffer in the evaluation unit is connected to the digitization unit,
  • an analysis unit for analyzing in each case all the pixels Pj W (x, y) from the image set Bj with increasing index i until a predefined threshold intensity S is reached with the assignment of the pixels with pixel P 0 * first identification C RJ
  • a decision-making unit for deciding whether an overexposed area or an underexposed area exists within a series of photographs
  • signals are forwarded to the spectroscopy module, wherein in an underexposed area, a preparation of a new image set Bj with increased exposure time t Bn eu> tß or
  • the reconstruction module may be in communication with a trigger unit for signaling to make new sets of images B in eu for both adapted increased exposure times tnew and adapted shortened exposure times u and to the control unit for adjusting the new imager set ⁇ ⁇ adjusted exposure time tßneu the X-ray tube is in communication.
  • the spectroscopy module may at least comprise, in addition to the second functional unit for generating and assigning second identifiers Cs for the material identification
  • a memory unit for permanent storage of known, predetermined materials of a material database DB n which is in a system learning phase with the n different predetermined materials in the form of a curve of a material index MZ, which is at least atomic number OZ and density p of the respective predetermined material in functional communication , is filled,
  • a quotient forming unit for forming a respective intensity ratio ⁇ J ⁇ 0 from the gray values of all the pixels P j (i) of the image set Bj and the excellent pixel field for determining the primary intensity lo associated with a comparison with the n predetermined materials of the material database DB n ,
  • a comparison unit for determining a degree of agreement between see the material to be examined and all already stored
  • the device can have a created material database DB n , which is constructed optionally in two dimensions or three-dimensional, with predetermined quantities to be stored optionally the acceleration voltage (energy) UK, the absorption coefficient ⁇ or the mass attenuation coefficient ⁇ / ⁇ or the product from absorption coefficient ⁇ and thickness d with
  • the invention thus describes a method and a device with which objects including the materials can be examined radiographically on the basis of image reconstruction of objects including materials from a large number of individual images with many different acceleration voltages and exposure times.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of an apparatus for the imaging examination of objects including materials for the inventive a method including a multi-energy stress method, wherein a first object to be examined with the model material wheat flour and a second object to be examined with the model material rye flour provided and wherein a structured in pixels Detector and a reconstructed result image are given,
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of the device according to the invention with a reconstruction module and with a spectroscopy module for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 4 is a functional block diagram of the reconstruction module
  • Fig. 5 is a functional block diagram of the spectroscopy module
  • Fig. 6 gray scale curves of two materials with very similar (mathematical) product ⁇ d, where ⁇ represent the attenuation coefficient and d the thickness of the respective material.
  • ⁇ represent the attenuation coefficient
  • d the thickness of the respective material.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device 1 for the image-wise examination of materials 3, 4 in objects 5 and 6 with X-ray radiation 21 for carrying out the method according to the invention, including a multi-energy-method. shown.
  • the device 1 for the image-wise examination of objects 5, 6 including the materials 3, 4 with X-radiation 21, using the method mentioned below, comprises at least
  • an X-ray generator 2 with adjustable acceleration voltage Ua for the X-ray source 7 a control unit 10, which is connected to the X-ray generator 2 and adjusts at least the acceleration voltages UK and exposure times TEI for the X-ray source 7,
  • an X-ray flat detector 9 organized with pixels 14, 15, 16 and further pixels P j ,
  • an evaluation unit 12 which is connected to the X-ray flat detector 9 via the digitizing unit 19 and which has at least the following modules 26, 27, wherein
  • the first module 26 is designed as a reconstruction module at least with a first functional unit 20 for generating and assigning first characteristics CR for acceleration voltages U Bi ,
  • the second module 27 as a spectroscopy module with at least a second functional unit 22 for creating and assigning second flag Cs for each pixel 14, 15, 16 and other pixels ⁇ / ° of the X-flat detector 9 and with an associated permanent material database DB n 24 with is formed therein predetermined predetermined materials / objects 25 and associated material / object values, - a superposition unit 28 for evaluating results from the reconstruction module 26 and the spectroscopy module 27,
  • control unit 10 communicates with the evaluation unit 12 for coordinating adjustable acceleration voltages UK and adjustable exposure times t "and with the information obtained on the recordings 17, 18 of the recording series and for signal feedback, as well as
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of the device 1 for carrying out the method according to the invention with a reconstruction module 26 and with a spectroscopy module 27.
  • the reconstruction module 26 shown in FIG. 3 and FIG. 4 comprises, in addition to the first functional unit 20 for generating and assigning first identifiers CR for adjustable acceleration voltages U B i, at least
  • a data buffer for temporarily storing the image set Bj from i recordings (i> 1 or i »1) with increasing acceleration voltage UBI and constant exposure time te, wherein the data buffer of the evaluation unit 12 is connected to the digitization unit 19,
  • an analysis unit for analyzing each pixel ⁇ ° ( ⁇ , ⁇ ) of the image set B; with increasing index i until a predefined threshold intensity S is reached with the assignment of the pixels with pixel ⁇ ° - * first identifier
  • signals are forwarded to the spectroscopy module 27 arranged downstream of the reconstruction module 26, wherein in the case of an underexposed area a preparation of a new image set Bj with an increased exposure time t Bn eu> te or
  • the reconstruction module 26 may preferably be in communication with a trigger unit for signaling to make new sets of images Bjnewn both for adjusted increased exposure times u and for adapted shortened exposure times u and to be used with the control unit 10 to set a new image set B in FIG eu adapted exposure time tßneu the X-ray tube 7 is in communication.
  • the spectroscopy module 27 shown in FIG. 3 and FIG. 5 comprises, in addition to the second functional unit 22 for creating and assigning second identifiers C s for the material identification at least
  • a memory unit for the permanent storage of n predetermined materials 25 of a material database DB "24, which in a system learning phase with n different known and predetermined materials 25 in the form of a curve of a material code number MZ with ordinal number OZ and density p of the respective predetermined material 25 in FIG functional compound MZ MZ (OZ, p), is filled,
  • a quotient formation unit for forming a respective intensity ratio Ij Io from the gray values of all pixels P j (i) of the image set Bj and the excellent pixel field 23 for determining the primary intensity lo with subsequent comparison with the materials DB n of the material database DB "24,
  • a comparison unit for determining a degree of agreement between the material to be examined 3 or 4 material and all already stored materials 25 in the permanent material database DB n 24, where
  • the first object to be examined 5 may be the material wheat flour 3
  • the second object to be examined 6 may contain the material rye flour 4. Both should represent model materials in the example. For the time being, both materials 3 and 4 should be regarded as unknown materials in order to be able to explain the process in more detail.
  • a series of photographs 17 to 18 having the same geometry and with a gradation of acceleration voltages U 1 and / or of exposure times is taken. The recording series with the recordings 17 to 18 is evaluated in the evaluation unit 12 with the reconstruction module 26 and the spectroscopy module 27.
  • the recording series is evaluated in the evaluation unit 12 with the reconstruction module 26 and with the spectroscopy module 27.
  • the reconstruction module 26 serves to carry out a reconstruction for high-contrast imaging with very similar attenuation coefficients and for expediently displaying different image areas with extremely different thicknesses and attenuation coefficients in one image,
  • a combination of the reconstruction module 26 and the spectroscopy module 27 is carried out for a complex evaluation of the radiography in a superposition unit 28 connected downstream of the spectroscopy module 27.
  • a radiographic exposure series with the images 17 to 18 of the object 5, 6 to be examined, including the respective material 3, 4 is made with a grading of the acceleration voltages U ⁇ i and / or the exposure times t B.
  • the recording series with the recordings 17 to 18 is analyzed after completion of the two successively connected modules 26, 27 and subsequently the analysis results are compared in combination in the superposition unit 28 with each other. While conventionally the object container nis 5 with the material wheat flour 3 from the object container 6 with the material 4 rye flour was not distinguishable by X-ray, according to the invention, a material identification is possible.
  • a result image 29 of the reconstruction module 26 shown in FIG. 2 may be prepared for intermediate information.
  • the method for the image examination of objects 5, 6 including the materials 3, 4 with X-ray radiation 21, taking into account FIG. 2, FIGS. 3 and 4, comprises at least the following steps:
  • the first module 26 serves as a reconstruction module for carrying out a reconstruction for high-contrast imaging with very similar attenuation coefficients and expediently displaying different image areas with extremely different thicknesses and attenuation coefficients in the image, wherein creation and assignment of first characteristics CR for the acceleration voltages are performed be, and
  • the second module 27 is provided as a spectroscopy module for the X-ray spectroscopic evaluation of the exposure series 17 to 18 and identification of at least one material 3, 4 of the objects 5, 6 to be examined, wherein a creation and assignment of second identifiers Cs for the Material identification be carried out wherein, after passing through the reconstruction module 26 and then the spectroscopy module 27, the analysis results from the digitized radiographic acquisition series 17, 18 are combined in a superposition unit 28 in a combination of the reconstruction mode 26 and the spectroscopy module 27 downstream of the reconstruction module 26 for a complex evaluation of the radiography the flags C R> Cs are compared with each other and output in a final result image 13 and a material identification is performed.
  • the following detailed steps are carried out in the evaluation unit 12:
  • the first flag C R to each acceleration voltage U B i can be used as a color value or as Gray value or as a code.
  • the second characteristic C s to each pixel 14, 15, 16 and to the other pixels P j ® of the X-ray flat panel detector 9 can be set as a color value or a gray scale value or as a code.
  • the method provides a multi-energy method of multiple step-like rising acceleration voltages, eg according to Fig 2 with UBL, ⁇ ⁇ U B H with L -.
  • Low / low, and H - high / high represents wherein for all individual photographs 17 to Teconst the same exposure time or to compensate for the sensitivity curve of the X-ray flat detector 9 and at the limits of use of the X-ray tube 7 with respect to the acceleration voltage, a defined course of the exposure times is used. An adjustment in which images can be made compatible on the basis of different exposure times tsi can be performed.
  • the wheat flour 3 and rye flour 4 to be examined are contained in the material database DB "24 and if, for a material / object, the degree of compaction is the same or if the degree of compaction is not equal, the material code number Curve MZWM of the wheat flour 3 to be examined and the material index curve MZ RM of the rye flour 4 to be examined and the material code number curve MZ of the known predetermined material / object 25 will be approximately parallel,
  • a material code MZ at least from atomic number OZ and density p is output as a result in a comparison unit, wherein the step for each pixel 14, 15, 16, and all other pixels P j ® of the to be tested wheat flour 3 and the rye flour 4 to be examined is repeated,
  • the wheat flour 3 and the rye flour 4 associated objects 5 and 6 may be, for example, small containers or bags. If the parameter-known predefined materials and / or objects 25 in the permanent material database DB n 24 are stored in advance, the identity of the examined materials 3, 4 / objects 5 can be determined after a comparison of the indicators CR and C S in the superposition unit 28 of the evaluation unit 12. 6 are detected and issued.
  • a calibration of the device 1 can be carried out to adapt the previously prepared permanent material database DB n 24 to the other transfer function.
  • a result image 29 of the reconstruction module 27 can be reconstructed from a multiplicity with regard to acceleration voltage UBI and / or exposure time adjustable graduations 17 to 18, whereby materials 3, 4 / objects 5, 6 having almost the same attenuation coefficient are mapped rich in contrast and objects 5 6 are shown exposed to greatly varying thicknesses or wall thicknesses in the result image 29, which corresponds to the realization of the reconstruction module 26,
  • a spectroscopic determination of the material 3, 4 / object 5, 6 to be examined in the spectroscopy module 27 is effected by means of adjustable graduated recording series with the recordings 17 to 18 and by the analysis method and evaluation method, whereby a high-contrast and correctly exposed imaging of the final result image 13 is achieved in combination with the spectroscopic analysis, wherein a correct exposure is defined as clearly above the noise of X-ray generator 2 and detector 9 and below the saturation of the detector 9.
  • Each individual predetermined acceleration voltage UBI is thereby a first characteristic by the functional unit 20 by means of a characteristic "color chart" CR, eg a color value or a gray value or a code assigned.
  • a characteristic "color chart” CR eg a color value or a gray value or a code assigned.
  • the same pixel 14 of the pixel field 1 1 with the x, y coordinates of the x-ray flat detector 9 is analyzed on all photographs 17 to 18 of a series.
  • the individual images 17 to 18 are in the order of increasing acceleration voltages U B L. 2 analyzes U B H according to FIG. 2 until the pixel 14 has reached a previously defined intensity l d for the first time.
  • the pixel 14 then receives from the functional unit 20 of the Rekonstrutationsmo ⁇ duls 26 the first flag CR, for example in the form of a color or a grayscale value or a code, that the first flag CR of the acceleration voltage UBH or U B L of the respective receptacle 17, 18 is assigned. That is, the pixel 4 of the coordinates x, y is given the first flag CR "color" of the acceleration voltage Ua at which the predetermined intensity l d is first reached, for each further pixel the step of marking becomes 15, 16 and all others pixel P j ® repeated as is indicated in Fig. 2 as an example wheat flour 3 and rye flour 4 with reconstructed final image 29 and pixel by pixel in the pixel array 1 1.
  • the first flag CR for example in the form of a color or a grayscale value or a code
  • the defined intensity ld must be significantly above the noise level and below the saturation of the X-ray flat detector 9. If all pixels 14, 5, 16 and all other pixels ⁇ ° are evaluated, a reconstructed result image 29 with relevant information is obtained from all images 17 to 18. Special requirements arise in the object regions, which have such a large or small absorption have the X-rays, so that the measured values outside the measuring range of the X-ray flat detector 9 or the parameters of the R ntgenrheime lie. 7
  • a combination between the variation of the acceleration voltage U B and the exposure time t B is expedient, in particular when the lower limit of the acceleration voltage or the upper limit of the acceleration voltage of the X-ray tube is reached.
  • a result image 31 of the spectroscopy module 27 can be displayed for intermediate information.
  • the spectroscopy module 27 is used to carry out a spectroscopic analysis with the aim of a clear material identification.
  • the primary intensity I 0 is measured by keeping a small field 23 of the X-ray flat detector 9 shown in FIG. 2 clear, ie the object 5 and / or the object 6 are not imaged in this field 23.
  • a wedge-shaped or stepped absorber can be used. The absorber can be used to calculate the primary intensity / 0 .
  • the secondary intensity / is the measured intensity in the considered pixel 14 of the imaged object 5 or 6.
  • the attenuation coefficient ⁇ in the case of radiography is essentially determined by the photoabsorption coefficient ⁇ ( ⁇ ), which is proportional to the average object density and to the fourth power of the average atomic number, as well as is indirectly proportional to the 3rd power of the energy of the irradiated X-radiation.
  • the experimentally determined material index curve of the quotient l: lo is compared with all material index curves in the permanent material database DB n 24 via a comparison unit for determining the degree of agreement.
  • the material to be examined 3 or 4 is included as a known predetermined material 25 in the permanent material database DB n 24 and if, for example, in a powder, the degree of compaction is the same. If the degree of compaction is not equal, then the material index curves will be approximately parallel.
  • a material code number MZ at least of atomic number OZ and density p, can be output as the result.
  • the said method step is repeated for each pixel 15, 16 and each further pixel P j W of the object 5, 6 to be examined.
  • Each identified material 3, 4 and each identified material index MZ in the object 5 or 6 receive in each pixel 14, 15, 16 and all other pixels p 0 a second identifier C s , in particular assigned a color.
  • the result image 31 is reconstructed from the colored pixels 14, 15, 16 and further pixels P °, and a legend or result list is created for the result image 31.
  • the identity of the materials 3 and 4 can be determined and output after comparison in the comparison unit for determining the degree of correspondence.
  • the permanent material database DB "24 not only data from materials of life-compatible goods, but also of dangerous goods, so the device 1 according to the invention can be used universally.
  • the method according to the invention does not require a synchrotron as device.
  • both the thickness d and the material are determined by a new multi-energy method, wherein thickness information or material information is not necessary in advance.
  • additional initial / primary intensity lo without object
  • either a free detector surface or, due to a possible supersaturation, a reference sample in the free beam path is used.
  • the residence time at the individual multi-energy values is simply lengthened or shortened.
  • FIG. 6 shows the following:
  • Gray value curves of two materials 3 and 4 wherein the gray value curves show the attenuation with respect to X-radiation at the different acceleration voltage parameters of the X-ray tube.
  • the material 3 and the material 4 can not be differentiated in the individual image at common customary acceleration voltages of between approximately 40 and 80 kV (in the middle region of the two curves) (in a conventional dual-energy method). With the method according to the invention and the associated device 1, however, the whole curves in their curve are compared and thus the differences leading to the differentiation of the materials 3 and 4 (in the outer regions of the curves) can be recognized.
  • a result image 29 is reconstructed by a new method.
  • materials 3, 4 / objects 5, 6 can be imaged in high contrast with almost the same attenuation coefficient.
  • Objects 5, 6 with widely differing thicknesses or wall thicknesses can also be adapted to be exposed in a result image 31 using the same method.
  • a spectroscopic determination of the material 3, 4 / objects 5, 6 can take place by means of the spectroscopy module 27.
  • a high-contrast and widely adapted exposed imaging on the X-ray flat detector 9 in combination with the spectroscopic analysis significantly increases the informational value compared to conventional radiography in the final result image 13.
  • Contrast imaging of objects 5, 6 consisting of materials 3, 4 and of materials 3, 4 having a similar attenuation coefficient, such as wheat flour 3 and rye flour 4. Correct "exposure" of all image areas, even with very different thicknesses or wall thicknesses or very different mass attenuation coefficients, ie there are neither overexposed nor underexposed image areas.
  • routine baggage check suspects object 5 with e.g. discovered an unknown material
  • the routine baggage check suspects object 5 with e.g. discovered an unknown material
  • the method according to the invention can be determined by the method according to the invention without opening the bag, whether an identified powder is harmless or a drug or explosive, and which material it is.
  • the method according to the invention can be examined before opening or before destroying the baggage, if there are more far-reaching dangers. In the prior art, this has not been possible so far.
  • the method according to the invention represents a combination of radiography and spectroscopy and, on the basis of an imaging X-ray spectroscopic method, can also be used in particular for significantly improved baggage analyzes.
  • ⁇ is the linear attenuation coefficient

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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 Ußi und/oder mittels einer einstellbaren Stufung von Belichtungszeiten tB 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 CR; CS 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 CR für Beschleunigungsspannungen UBi 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, wo bei eine Erstellung und eine Vergabe von zweiten Kennzeichen CS 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 CR, CS miteinander verglichen und in einem finalen Ergebnisbild (13) ausgegeben werden sowie eine Materialidentifikation durchgeführt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur bildgebenden Prüfung von Objekten mit Röntgenstrahlung
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 Röntgenvomchtungen 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 bis- her 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 / der Strahlung nach dem durchstrahlten Objekt mit der Materialdicke d
bzw. der bekannten Gleichung (II) für den Massenschwächungskoeffizienten ierungsinhalt
Figure imgf000004_0001
wobei
die Intensität der Strahlung nach dem Objekt (Sekundärintensität), die auf das Objekt auftreffende Intensität der Strahlung (Primärintensität),
μ der lineare Schwächungskoeffizient,
d die Materialdicke,
die Konzentration der Komponente /, p die Dichte und
/' der Index für die Komponente
sind,
ähnelt sich die Schwächung der Röntgenstrahlen in verschiedenen Objektgebie- ten, je mehr das Produkt aus Schwächungskoeffizient und Dicke übereinstimmt. Auf den Röntgenaufnahmen haben die Objektgebiete eine praktisch gleiche und damit nicht unterscheidbare Schwärzungsinformation bzw. Intensitätsinformation.
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 Grau- stufenauflösung 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 Bearbei- tung keine neuen Informationen in das Bild hineinbringt.
Um den Kontrast und den Informationsgehalt von Röntgeninspektionsaufnah- men 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.
Oes Weiteren ist eine grobe Zuordnung der Objektgebiete zu durchschnittlichen Ordnungszahlen/Dichten möglich, da das gleiche Objekt unter ansonsten glei- chen 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 da- hinter verbirgt sich in Wirklichkeit nur eine Zweifach-Beschleunigungsspan- nungs-Technik (Dual-Energy-Technik), keine Mehrfach-Beschleunigungsspan- nungs-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-Röntgenbildem eines zu un- tersuchenden 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 Ab- sorptions-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 Fig. 1 eine Darstellung zur Dual-Energy-Technologie zur Gepäckkontrolle über die Intemetadresse http:/AAww.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 Ra- diographien wird mit einer speziellen Bildverarbeitung ein Falschfarbenbild be- rechnet 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 Materia- lien 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 und eine Vorrichtung zur Multi-Energie-Prüfung von Objekten mit einer brillanten Röntgenquelle sind in der Druckschrift US 2010 0104072 A1 be- schrieben, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Verarbeiten eines ersten monoenergetischen Röntgenstrahlenbildes eines Objektes mit einer ersten gewählten Energie und eines zweiten monoenergetischen Röntgenstrahlenbildes des Objekts mit einer zweiten gewählten Energie, wobei die erste gewählte Energie und die zweite gewählte Energie aus einer Anzahl von Energieniveaus ausgewählt werden,
- Kombinieren des ersten monoenergetischen Röntgenstrahlenbildes und des zweiten monoenergetischen Röntgenstrahlenbildes, um ein Ergebnis zu erzeugen, - Darstellen des Ergebnisses aus verarbeiteten monoenergetischen Röntgen- strahlenbild-Daten, die die Materialien des Objekts beschreiben,
- Anzeigen einer Menge von Materialien innerhalb des Objekts, beruhend auf den verarbeiteten monoenergetische Röntgenstrahlenbild-Daten, und
- Anzeigen eines Dämpfungskoeffizienten des Materials innerhalb des Objekts aufgrund der verarbeiteten monoenergetischen Röntgenstrahlenbild-Daten. In dem Verfahren wird eine Vielzahl von monoenergetischen und gerichteten Röntgenstrahlen eingesetzt, wobei Röntgenstrahlenbilder von einem Objekt mit mehreren diskreten Röntgenenergien erzeugt werden, um die Empfindlichkeit für eine zerstörungsfreie Prüfung des Objekts zu erhöhen.
Mit dem Verfahren werden Objekte mit verschiedenen Materialien in beliebiger struktureller Anordnung durchstrahlt. Die enthaltenen Gleichungen sollen aufzeigen, wie rechnerisch aus den Ergebnisbildern eine Materialzuordnung statt- finden kann. Rechnerisch ist dies derart nur für eine monochromatische, brillante Röntgenstrahlenquelle möglich.
Der Nachteil besteht darin, das für alle Materialen entweder die Dicke d (D) bekannt sein muss, um das jeweilige Material zu bestimmen; oder das Material selbst bekannt sein muss, um die Dicken d zu bestimmen. Es werden so viele Aufnahmen erstellt, wie hintereinanderiiegende Materialien bestimmt werden sollen, d.h. für n Materialien sind n Aufnahmen bei n monochromatischen Energien erforderlich. Dies führt zunächst zu einer nicht wünschenswerten Reduktion der abgebildeten Bildinformation und ggf. zu einer eingeschränkten Detailerkennbarkeit. Zur Erzielung eines hohen (Absorptions-)Abbildungskontrastes müssten diese Energien gemäß Schwächungsgesetz möglichst niedrig gewählt werden (Energieabhängigkeit der Absorption), was dazu führt, dass nur relativ dünne Objekte durchstrahlt werden können bzw. die Objekte ansonsten ggf. nicht vollständig durchstrahlt werden und somit kein Abbildungsergebnis erzielt werden kann. Es wird versucht, die Nachteile zu umgehen, indem eine Röntgenquelle hoher Brillanz, d.h. mit hoher Photonenflussdichte mit implementiertem Monochroma- tor gefordert wird, was nur an Synchrotronquellen erreichbar ist. Die bei hochbrillanten Röntgenstrahlen vorhandene insbesondere hohe Photonenflussdichte kompensiert die genannten Einschränkungen insofern, dass das Verfahren somit überhaupt durchführbar wird. Ein weiterer Nachteil entsteht durch die notwendige Verwendung eines Sets von n Monochromatoren bzw. mehrerer über größere Energiebereiche durchstimm- barer Monochromatoren, die die Divergenz des Röntgenstrahles stark verkleinern bzw. ganz aufheben. Zur Durchstrahlung eines genügend großen Raumwinkels des Objektes ist aber gerade diese Divergenz von entscheidender Be- deutung, die aber nicht gegeben ist. Anderenfalls sind nur sehr kleine Objekte abbildbar. Die angedeutete Möglichkeit der Materialidentifizierung wird erwähnt, aber nur oberflächlich physikalisch-methodisch untersetzt. Eine Vorgehensweise zur hierfür nötigen Bestimmung der Ausgangsintensität lo (ohne Objekt) wird nicht erwähnt. Es kann somit unterstellt werden, dass konventionell vorgegan- gen wird und keine besseren Ergebnisse gegenüber dem Stand der Technik (nur sehr grobe Bestimmung der Ordnungszahl der Elemente des Objekts) erzielt werden können. Es werden auch keine realen Ergebnisbilder angegeben.
Es wird auch keine polychromatische, sondern monochromatische Strahlung verwendet, was zu Einschränkungen der Bildinformation führt und die zusätzliche Verwendung mehrerer Monochromatoren erforderlich macht und zur Erzielung des Abbildungskontrastes hochbrillante Strahlung und damit ein Synchrotron voraussetzt. Zusätzlich können infolge Divergenzverlustes nur räumlich kleine Ausschnitte aus einem Objekt untersucht werden. Wenn eine erwähnte Materialidentifizierung real möglich sein sollte, entspricht sie dem Stand der Technik - Ermitt- lung von materialabhängigen Schwächungskoeffizienten und grobe Zuordnung von Ordnungszahlen - und setzt im vorliegenden Fall zur Lösung des Gleichungssystems die Kenntnis der Dicken d voraus, um das Material zu bestimmen oder die Kenntnis des Materials selbst, um die Dicken d zu bestimmen.
Es ist auch kein finales Ergebnisbild angegeben. Ein Verfahren zur situationsangepassten Modulation der Leistung einer Röntgenröhre eines Computertomografen zur Reduzierung der Röntgendosis eines Röntgenstrahlenbündels ist in der Druckschrift US 5 822 393 A beschrieben, welches ein Objekt durchdringt und auf Röntgendetektoren des Computerto- mografen während der Aufnahme von Projektionen von Schichten des Objektes auftrifft, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Ermittlung des Wertes der maximalen Schwächung der Intensität des Röntgenstrahlenbündels pro Projektion aus mit den Röntgendetektoren gemessenen Objektprojektionsdaten einer Projektion,
- Speicherung des ermittelten Wertes,
- Vorhersage der maximalen Schwächung der Intensität des Röntgenstrahlenbündels der nächsten Projektion, basierend auf wenigstens einem der gespeicherten Werte,
- Ermittlung der Leistung der Röntgenröhre für die nächste Projektion, basie- rend auf dem entsprechend vorhergesagten Wert der maximalen Schwächung der Intensität des Röntgenstrahlenbündels der nächsten Projektion derart, dass die aufgrund der von den Röntgendetektoren empfangenen Intensität des Röntgenstrahlenbündels von den Röntgendetektoren erzeugten Objektprojektionsdaten entsprechenden Signale über dem Quantenrauschen der Röntgendetektoren liegen, und
Einstellung der Leistung der Röntgenröhre für die nächste Projektion gemäß der ermittelten Leistung der Röntgenröhre.
Es liegt ein medizinisches Computertomografte-Verfahren (bei dem eine Bewegung des Objektes notwendig ist) vor, das einzig das Ziel hat, die Strahlenbelas- tung von Patienten während der Untersuchungsdauer zu reduzieren, indem mittels eines Powermodulators in Abhängigkeit von gemessenen bzw. vorher gespeicherten Schwächungsprofilen die abgegebene Röhrenleistung adaptiv mittels einer Zusatzelektrode („Gateelektrode") direkt in der Röntgenröhre geregelt wird. Mittels eines Minimum-Detektors (minimale Intensität, die noch zur Durch- Strahlung führt) wird der für die nächste Projektion notwendige Maximum- Schwächungslevel anhand des gespeicherten Wertes der vorherigen Projektion verglichen und die Röntgenleistung entsprechend minimal eingestellt. Es kommt ein Computertomografie-Verfahren zum Einsatz, welches nicht der Bildoptimierung und Materialidentifizierung dient, sondern die Strahlenbelastung von Patienten reduziert. Es erfolgt keine pixelweise Auswertung, sondern es werden Schwächungsprofile individueller Projektionen verglichen. Es wird nicht mit einer Multi-Energy-Methode gearbeitet, sondern mit einer konstanten Energie von 120 keV. Die Energieabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten μ wird bei diesem Verfahrensprinzip nicht genutzt, ebenso erfolgt keinerlei spektroskopisch ermittelte Materialzuordnung.
Zur Realisierung ist somit eine aufwendige adaptive Regelung zur Belichtungs- Steuerung der Aufnahmen gegeben.
Eine Röntgen-Computertomografie-Vomchtung mit einer Modulation der Rönt- genleistung einer Röntgenquelle ist in der Druckschrift US 6 385 280 B1 beschrieben, die eine Weiterentwicklung der vorgenannten Vorrichtung der Druck- schritt US 5 822 393 A darstellt, wobei die Vorrichtung nach US 6 385 280 B1 umfasst:
- die Röntgenquelle, die ein Röntgenstrahlenbündel emittiert, wobei das Rönt- genstrahlenbündel relativ zu einem Untersuchungsobjekt mit einem Dämpfungsprofil verschiebbar ist, um das Untersuchungsobjekts aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Positionen zu bestrahlen, wobei dem Röntgenstrahlenbündel eine Röntgenstrahlenleistung zugeordnet ist,
- einen Strahlungsdetektor, auf den das Röntgenstrahlenbündel auftrifft, wobei der Detektor Messdaten erzeugt, die von einer Dämpfung des Röntgenstrah- lenbündels durch das Untersuchungsobjekt für eine Vielzahl von Projektionen abhängig sind beziehungsweise unterschiedlichen Positionen des Röntgen- strahlenbündels entsprechen,
- eine Impulse erzeugende Anordnung, die in Verbindung mit der Röntgenquelle steht, um zu verursachen, dass für das Röntgenstrahlenbündel zumindest einen Impuls von Röntgenstrahlen während der Erfassung der Messdaten für jede Projektion emittiert wird, und
- eine Modulationsvorrichtung zur Modulation der Röntgenstrahlenenergie durch Einstellen einer Dauer mindestens eines Impulses in Abhängigkeit von dem Dämpfungsprofil jeder Projektion, um ein mAs-Produkt zu erzeugen sowie um ein vorgegebenes Signal-Rausch-Verhältnis bei jeder Projektion und damit einen Mittelwert des mAs-Produkts zu schaffen, der im Wesentlichen dem Dämpfungsprofil in jeder Projektion entspricht.
Dabei kann das Röntgenstrahlenbündel rund um das Untersuchungsobjekt verschoben werden.
Das zugehörige medizinische Computertomographie-Verfahren hat auch das Ziel, die Strahlenbelastung von Patienten während der Untersuchungsdauer zu reduzieren, indem mittels eines Powermodulators in Abhängigkeit von gemes- senen bzw. vorher gespeicherten Schwächungsprofilen die abgegebene Röhrenleistung adaptiv mittels einer Zusatzelektrode („Gateelektrode") direkt in der Röntgenröhre geregelt wird. Mittels Minimum-Detektor wird das für die nächste Projektion notwendige Maximum-Schwächungsniveau anhand des gespeicherten Wertes der vorherigen Projektion verglichen und die Röntgenleistung entspre- chend minimal eingestellt.
Der Fortschritt des Verfahrens in der US 6 385 280 B1 gegenüber dem Verfahren in der US 5 822 393 A besteht darin, dass die abgegebene Leistung der Röntgenröhre jetzt mittels einer Pulsbreitenmodulation (periodisches Einschalten und Ausschalten der Röntgenröhre mit einem bestimmten Tastverhältnis) realisiert wird. Auf diese Weise kann mit einem konstanten Röhrenstrom gearbeitet werden, so dass das dem Stand der Technik entsprechende Belichtungsprodukt Röhrenstrom mal Zeit einfacher für die Auswertung der Schwächungsprofile mittels Detektor angepasst werden kann.
Eine indirekte Steuerung der„Belichtung" auf dem Detektor erfolgt durch eine aufwendige Pulsbreitenmodulation, die die abgegebene integrale Intensität der Röntgenröhre adaptiv regelt.
Auch hier ist zur Realisierung somit eine aufwendige adaptive Regelung zur Belichtungssteuerung der Aufnahmen gegeben. 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 unterschiedli- che 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 unter- scheidbare 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 Ord- nungszahlen 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 Röntgenflachdetek- tor aufgenommenen, digitalisierten radiografischen Aufnahmeserie mit gleicher Geometrie und mittels einer einstellbaren Stufung von Beschleu- nigungsspannungen UBj und/oder mittels einer einstellbaren Stufung von
Belichtungszeiten tB vom zu untersuchenden Objekt mit mindestens einem Material, - Auswertung der digitalisierten Aufhahmeserie in einer Auswerteeinheit mit zumindest jeweils einer Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von jeweiligen Kennzeichen CR; CS 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 CR für Beschleuni- gungsspannungen UBI durchgeführt werden, und
- das zweite Modul als ein Spektroskopiemodul zur röntgenspek- troskopischen Auswertung der Aufnahmeserie und Identifizierung zumindest eines Materials der zu untersuchenden Objekte vorgesehen wird, wobei eine Erstellung und eine Vergabe von zweiten Kennzei- chen Cs 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 Spektro- skopiemoduls für eine komplexe Auswertung der Radiographie in einer
Superpositionseinheit zusammengeführt und die Kennzeichen CR, CS 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 CR in einer ersten Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen CR für Beschleunigungsspannungen UBS im Rekonstruktionsmodul und
- Zuordnung eines Kennzeichens CR ZU jeder einzeln vorgegebenen Be- schleunigungsspannung UBI,
- Analyse des gleichen Pixels eines Pixelfeldes mit den Koordinaten x, y des Röntgenfiachdetektors auf allen Einzelaufnahmen einer Serie, - Analyse der Einzelaufnahmen, indem die Einzelaufnahmen in der Reihenfolge steigender Beschleunigungsspannungen UBI . . ., UBI analysiert werden, bis das Pixel eine vorher definierte Intensität ld erstmalig erreicht hat,
- Einführung einer Tabelle von zweiten Kennzeichen Cs in einer zweiten Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen Cs für die Materialidentifizierung im Spektroskopiemodul,
- Zuordnung jeweils eines zweiten Kennzeichens Cs an das Pixel, das dem ersten Kennzeichen CR der Beschleunigungsspannung UBj der betreffen- den Aufnahme entspricht,
- Wiederholung der Schritte der Kennzeichnungszuordnung für jedes weitere Pixel des Röntgenflachdetektors, wobei die definierte Intensität ld 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 CR ZU jeder Beschleunigungsspannung UBI kann als Farbwert oder als Grauwert oder als Code festgelegt werden.
Das zweite Kennzeichen Cs 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 UBi dar, wobei für alle Einzelaufnahmen die gleiche Belichtungszeit tßconst oder zur Kompensation der Empfindlichkeitskurve des Röntgenflachdetektors sowie an dessen Einsatzgrenzen der Röntgenröhre in Bezug auf die Beschleunigungsspannung ein definier- ter Verlauf der Belichtungszeiten eingesetzt wird. Eine Justierung, bei der Aufnahmen auf der Basis unterschiedlicher Belichtungszeiten tßi 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 DBn für n bekannte vorgegebene Materialien/Objekte einschließlich von materialzugehörigen Werten gearbeitet wird, wobei für jedes aufgenommene, in der permanenten Materialdatenbank DBn gespeicherte vorgegebene Material/Objekt eine Kurve MZ = MZ (OZ, p) der Materialkennziffer MZ, die Ordnungszahl OZ und Dichte p bezogen auf die Beschleunigungsspannung UBi,- - ·, UBj, aufgenommen und gespeichert wird.
Bei einer realen Aufnahmeserie eines zu untersuchenden Materials/Objektes wird pixelweise die experimentell ermittelte Materialkennziffer-Kurve des Quotienten l:lo (Sekundärintensität / dividiert durch Primärintensität lo) mit allen Materialkennziffer-Kurven in der permanenten Materialdatenbank DBn feststellend verglichen, wobei
- im Idealfall es eine Übereinstimmung gibt, wenn das zu untersuchende Material/Objekt in der Materialdatenbank DB„ 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 Ü- bereinstimmung festgestellt wird, mit der das zu untersuchende Material/Objekt mit dem bekannten vorgegebenen Material/Objekt in der permanenten Materialdatenbank DBn bezüglich seiner Materialkennziffer- Kurve übereinstimmt,
- bei keiner Übereinstimmung mit akzeptabler Wahrscheinlichkeit, eine Materialkennziffer MZ zumindest aus Ordnungszahl OZ und Dichte p als Ergebnis in eine Vergleichseinheit ausgegeben wird, wobei der Feststellungsschritt für jedes Pixel des zu untersuchenden lungsschritt 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„ kann nach einem Vergleich der Kennzeichen CR, CS 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 DBn an eine andere Übertragungsfunktion eine Kalibrierung der eingesetzten Vorrichtung durchgeführt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können
- aus einer Vielzahl bezüglich Beschleunigungsspannung UBi und/oder Belichtungszeit tßi 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 Auswerteein- heit eine spektroskopische Bestimmung des zu untersuchenden Materials
/Objektes in dem Spektroskopiemodul erfolgen,
wodurch eine kontrastreiche und korrekt belichtete Bildgebung des finalen Ergebnisbildes in Kombination mit der spektroskopischen Analyse erreicht wird, wobei eine korrekte Belichtung als deutlich oberhalb des Rauschens von Rönt- gengenerator und von Detektor und unterhalb der Sättigung des Detektors definiert wird.
Die Vorrichtung zur bildgebenden Prüfung von Objekten einschließlich von Ma- terialien der Objekte mit Röntgenstrahlung, unter Verwendung des vorgenannten Verfahrens,
umfasst gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 12 zumindest
- eine Röntgenquelle,
- einen Röntgengenerator mit einstellbarer Beschleunigungsspannung Ußi für die Röntgenquelle,
- eine Steuereinheit, die mit dem Röntgengenerator verbunden ist und zumindest die Beschleunigungsspannungen ÜB, und Belichtungszeiten tei 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 CR für Beschleunigungsspannungen UBI ausgebildet ist,
- das zweite Modul als Spektroskopiemodul zumindest mit einer zweiten Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzei- chen Cs für jedes Pixel des Röntgenflachdetektors sowie mit einer zugeordneten permanenten Materialdatenbank DBn mit darin gespeicherten n vorgegebenen Materialien/Objekten und zugehörigen Mate- rial-/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 UK und einstellbaren Belichtungszeiten ta und den auf den Aufnahmen der Aufnahmeserien erhaltenen Informationen und zur Signalrückkopplung in Verbindung steht, sowie
- eine Ausgabeeinheit für das aus der Superpositionseinheit erhaltene fina- le Ergebnisbild.
Zur Halterung von Objekten einschließlich der Materialien kann im Röntgen- strahlengang zumindest eine Halterungseinrichtung vorhanden sein. Das Rekonstruktionsmodul kann neben der ersten Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen CR für einstellbare Beschleunigungsspannungen UBI zumindest umfassen
- einen Datenpuffer zur Zwischenspeicherung des Bildersets Bj aus i Aufnahmen (i > 1 oder i »1 ) mit steigender Beschleunigungsspannung UBI und konstanter Belichtungszeit tBconst, wobei der Datenpuffer in der Auswerteeinheit mit der Digitalisierungseinheit in Verbindung steht,
- eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung eines Kennzeichens CRJ zum Bilderset Bi mit zugehöriger Beschleunigungsspannung UBS -*■ erstes Kennzeichen CRJ,
- eine Analyseeinheit zur Analyse jeweils aller Pixel PjW (x,y) vom Bilderset Bj mit steigendem Index i, bis eine vordefinierte Schwellwertintensität S erreicht ist mit der Zuordnung der Pixel mit Pixel P 0 -*· erstes Kennzeichen CRJ,
- 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 Bj mit vergrößerter Belichtungszeit tBneu > tß oder
wobei bei einem überbelichteten Bereich eine Anfertigung eines neuen Bildersets Bj mit verkürzter Belichtungszeit tßneu < te durchgeführt werden.
Das Rekonstruktionsmodul kann mit einer Auslöseeinheit in Verbindung stehen, die zur Signalgebung für eine Anfertigung von neuen Bildersets Bineu sowohl für angepasste vergrößerte Belichtungszeiten tßneu als auch für angepasste verkürzte Belichtungszeiten u dient und die mit der Steuereinheit zur Einstellung ei- ner dem neuen Bilderset Βίηβυ angepassten Belichtungszeit tßneu der Röntgenröhre in Verbindung steht.
Das Spektroskopiemodul kann neben der zweiten Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen Cs für die Materialidentifizierung zumindest umfassen
- eine Speichereinheit zur permanenten Speicherung von bekannten, vorgegebenen Materialien einer Materialdatenbank DBn, die in einer Systemlernphase mit den n verschiedenen vorgegebenen Materialien in Form einer Kurve einer Materialkennziffer MZ, die zumindest mit Ordnungszahl OZ und Dichte p des jeweiligen vorgegebenen Materials in funktioneller Verbindung steht, gefüllt ist,
- eine Quotientenbildungseinheit zur Bildung eines jeweiligen Intensitätsverhältnisses \J\0 aus den Grauwerten aller Pixel Pj (i) des Bildersets Bj und dem ausgezeichneten Pixelfeld zur Bestimmung der Primärintensität lo verbunden mit einem Vergleich mit den n vorgegebenen Materialien der Materialdatenbank DBn,
- eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung eines Materialcodes Csj zu einer Materialkennziffer MZ-Kurve,
- eine Vergleichseinheit zur Bestimmung eines Übereinstimmungsgrades zwi- sehen dem zu untersuchenden Material und allen bereits eingespeicherten
Materialien in der permanenten Materialdatenbank DBn, 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 DBn mit dem neuen Material (n+1) durch Speicherung zu einer um das neue Material vergrößerten Materialdatenbank zu DBn+i er- gänzt werden.
Die Vorrichtung kann bei Realisierung des Verfahrens eine erstellte Materialdatenbank DBn aufweisen, die wahlweise zweidimensioniert oder dreidimensioniert aufgebaut ist, wobei vorgegebene, zu speichernde Größen wahlweise die Be- schleunigungsspannung (Energie) UK, 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 Einzelaufriahmen 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:
Fig. 1 eine Dual-Energy-Technologie zur Gepäckkontrolle über die Intemet- adresse http:/ www.smithsdetection.com/deu/321.php (vom
30.08.2012),
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur bildgebenden Prüfung von Objekten einschließlich von Materialien für das erfindungsge- mäße Verfahren einschließlich eines Mehrfach-Beschleunigungsspan- nungs-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,
Fig. 3 eine schematische Blockdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Rekonstruktionsmodul und mit einem Spektroskopiemodul zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 eine funktionale Blockdarstellung des Rekonstruktionsmoduls, Fig. 5 eine funktionale Blockdarstellung des Spektroskopiemoduls und
Fig. 6 Grauwertkurven zweier Materialien mit sehr ähnlichem (mathematischem) Produkt μ d, wobei μ der Schwächungskoeffizient und d die Dicke des jeweiligen Materials darstellen. Im Folgenden werden die Fig. 2 und die Fig. 3 gemeinsam betrachtet.
In Fig. 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 Mehr- fach-Beschleunigungsspannungs-Verfahrens (engl. Multi-Energy-Verfahren) ge- zeigt.
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 Ua für die Röntgenquelle 7, - eine Steuereinheit 10, die mit dem Röntgengenerator 2 verbunden ist und zumindest die Beschleunigungsspannungen UK und Belichtungszeiten tei für die Röntgenquelle 7 einstellt,
- einen mit Pixeln 14, 15, 16 und weiteren Pixeln Pj organisierten Röntgen- flachdetektor 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 Mo- dule 26, 27 aufweist, wobei
- das erste Modul 26 als Rekonstruktionsmodul zumindest mit einer ersten Funktionseinheit 20 zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen CR für Beschleunigungsspannungen UBi ausgebildet ist,
- das zweite Modul 27 als Spektroskopiemodul zumindest mit einer zweiten Funktionseinheit 22 zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen Cs für jedes Pixel 14, 15, 16 und weiteren Pixeln Ρ/° des Röntgen- flachdetektors 9 sowie mit einer zugeordneten permanenten Materialdatenbank DBn 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 UK und einstellbaren Belichtungszeiten t« und mit den auf den Aufnahmen 17, 18 der Aufnahme- Serien 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 Fig. 2 zumindest eine Halterungseinrichtung 8 vorhanden sein. In Fig. 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 Fig. 3 und Fig. 4 dargestellte Rekonstruktionsmodul 26 umfasst neben der ersten Funktionseinheit 20 zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen CR für einstellbare Beschleunigungsspannungen UBi zumindest
- einen Datenpuffer zur Zwischenspeicherung des Bildersets Bj aus i Aufnahmen (i > 1 oder i »1 ) mit steigender Beschleunigungsspannung UBI und konstanter Belichtungszeit te, wobei der Datenpuffer der Auswerteeinheit 12 mit der Digitalisierungseinheit 19 in Verbindung steht,
- eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung eines Kennzeichens CR; zum Bilderset Bj mit zugehöriger Beschleunigungsspannung UBS -* erstes Kennzeichen CRJ,
- eine Analyseeinheit zur Analyse jeweils aller Pixel Ρ °(χ,ν) vom Bilderset B; mit steigendem Index i, bis eine vordefinierte Schwellwertintensität S erreicht ist mit der Zuordnung der Pixel mit Pixel Ρ ° -* erstes Kennzei
Figure imgf000025_0001
- eine Entscheidungseinheit zur Fallentscheidung, ob ein überbelichteter Bereich oder ein unterbelichteter Bereich existiert,
wobei bei keinem Eintritt der beiden Fälle Signale an das dem Rekonstruktionsmodul 26 nachgeordneten Spektroskopiemodul 27 weitergeleitet werden, wobei bei einem unterbelichteten Bereich eine Anfertigung eines neuen Bildersets Bj mit vergrößerter Belichtungszeit tBneu > te oder
wobei bei einem überbelichteten Bereich eine Anfertigung eines neuen Bildersets B, mit verkürzter Belichtungszeit u < te ausgelöst werden.
Das Rekonstruktionsmodul 26 kann vorzugsweise mit einer Auslöseeinheit in Verbindung stehen, die zur Signalgebung für eine Anfertigung von neuen Bildersets Bjneu sowohl für angepasste vergrößerte Belichtungszeiten u als auch für angepasste verkürzte Belichtungszeiten u dient und die mit der Steuereinheit 10 zur Einstellung einer dem neuen Bilderset Bineu angepassten Belichtungszeit tßneu der Röntgenröhre 7 in Verbindung steht. Das in Fig. 3 und Fig. 5 dargestellte Spektroskopiemodul 27 umfasst neben der zweiten Funktionseinheit 22 zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen Cs für die Materialidentifizierung zumindest
- eine Speichereinheit zur permanenten Speicherung von n vorgegebenen Materialien 25 einer Materialdatenbank DB„ 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 p des jeweiligen vorgegebenen Materials 25 in funktionel- ler Verbindung MZ = MZ (OZ, p) steht, gefüllt ist,
- eine Quotientenbildungseinheit zur Bildung eines jeweiligen Intensitätsverhältnisses Ij Io aus den Grauwerten aller Pixel Pj (i) des Bildersets Bj und dem ausgezeichneten Pixelfeld 23 zur Bestimmung der Primärintensität lo mit nachfolgendem Vergleich mit den Materialien DBn der Materialdaten- bank DB„24,
- eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung eines Kennzeichens Csj 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 DBn 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 DBn 24 mit dem neuen Material (n+1) durch Speicherung zu einer vergrößerten Materialdatenbank mit DBn+i 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& und/oder von Belichtungszeiten 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 Aufhahmeserie mit Aufnahmen 17 bis 18 mit gleicher Geometrie und mit einer Stufung von Beschleunigungsspannungen UBS und/oder von Belichtungszeiten tß 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.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden 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 Ußi und/oder der Belichtungszeiten tB angefertigt. 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 Behält- nis 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 Fig. 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 Fig. 2, der Fig. 3 und Fig. 4 umfasst zumindest folgende Schritte:
- Anfertigung einer von einem pixelweise organisierten Röntgenflachdetek- tor 9 aufgenommenen, digitalisierten radiografischen Aufnahmeserie mit den Aufnahmen 17 bis 18 mit gleicher Geometrie und mittels einer einstellbaren Stufung von Beschleunigungsspannungen UBI und/oder mittels einer einstellbaren Stufung von Belichtungszeiten te 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 CR; Cs 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 CR für die Beschleunigungsspannungen durchgeführt werden, und
- das zweite Modul 27 als ein Spektroskopiemodul zur röntgenspek- troskopischen Auswertung der Aufnahmeserie 17 bis 18 und Identifi- zierung zumindest eines Materials 3, 4 der zu untersuchenden 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 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 Spektrosko- piemoduls 27 für eine komplexe Auswertung der Radiographie in einer Superpositionseinheit 28 zusammengeführt und die Kennzeichen CR> Cs miteinander verglichen und in einem finalen Ergebnisbild 13 ausgegeben werden sowie eine Materialidentifikation durchgeführt wird. Dabei werden folgende detaillierte Schritte in der Auswerteeinheit 12 durchgeführt:
- Einführung einer Tabelle von ersten Kennzeichen CR in einer ersten Funktionseinheit 20 zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen CR für Beschleunigungsspannungen UBI im Rekonstruktionsmodul 26 und - Zuordnung des Kennzeichens CR ZU jeder einzeln vorgegebenen Beschleunigungsspannung Ußi,
- Analyse des gleichen Pixels 14 des Pixelfeldes 1 1 mit den Koordinaten x, y auf allen Einzelaufnahmen 17 bis 18 einer Serie,
- Analyse der Einzelaufnahmen 17, 18, indem die Einzelaufnahmen 1 7 bis 18 in der Reihenfolge steigender Beschleunigungsspannungen UBL- . -,
UBH gemäß Fig. 2 analysiert werden, bis das Pixel 14 eine vorher definierte Intensität l<j erstmalig erreicht hat,
- Einführung einer Tabelle von zweiten Kennzeichen Cs in einer zweiten Funktionseinheit 22 zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzei- chen Cs für die Materialidentifizierung im Spektroskopiemodul 27,
- Zuordnung jeweils eines zweiten Kennzeichens Cs an das Pixel 14, das dem ersten Kennzeichen CR der Beschleunigungsspannung JBi der betreffenden Aufnahme 17, 18 entspricht,
- Wiederholung der Schritte der Kennzeichnungszuordnung für jedes wei- tere Pixel 15, 16 und aller weiterer Pixel des Röntgenflachdetektors 9, wobei die definierte Intensität ld deutlich über dem Rauschen und unterhalb der Sättigung des Röntgenflachdetektors 9 liegt, - Auswertung der Pixel 14, 15, 16 und aller weiterer Pixel des Röntgen- flachdetektors 9 und Erstellung eines rekonstruierten finalen Ergebnisbildes 13 mit Informationen aus allen Aufnahmen 17 bis 18. Das erste Kennzeichen CR zu jeder Beschleunigungsspannung UBi kann als Farbwert oder als Grauwert oder als Code festgelegt werden.
Das zweite Kennzeichen Cs zu jedem Pixel 14, 15, 16 und zu weiteren Pixeln Pj® 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 Fig. 2 mit UBL, · ·■ UBH mit L - low/niedrig und H - high/hoch, dar, wobei für alle Einzelaufnahmen 17 bis 18 die gleiche Belichtungszeit teconst 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 tsi 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, experi- mentell erstellten permanenten Materialdatenbank DBn 24 für n bekannte vorgegebene Materialien/Objekte 25 und mit materialzugehörigen Werten gearbeitet wird, wobei für jedes aufgenommene, in der permanenten Materialdatenbank DBn 24 gespeicherte Material/Objekt 25 eine Kurve MZ = MZ (OZ, p) der Materialkennziffer MZ, zumindest die Ordnungszahl OZ und Dichte p bezogen auf die Beschleunigungsspannung UBJ, 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 expe- rimentell ermittelte Materialkennziffer-Kurve MZWM und MZRM des jeweiligen Quotienten /:/o (/ dividiert durch l0) mit allen Materialkennziffer-Kurven MZ in der permanenten Materialdatenbank DB,, 24 verglichen, wobei
- im Idealfall es eine Übereinstimmung gibt, wenn das zu untersuchende Weizenmehl 3 und Roggenmehl 4 in der Materialdatenbank DB„ 24 enthalten ist und wenn, bei einem Material/Objekt, der Verdichtungsgrad gleich ist, oder wenn der Verdichtungsgrad nicht gleich ist, die Materialkennziffer-Kurve MZWM des zu untersuchenden Weizenmehls 3 und die Materialkennziffer-Kurve MZRM 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 Ü- bereinstimmung 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
DBn 24 bezüglich seiner Materialkennziffer-Kurve MZ übereinstimmt,
- bei keiner Übereinstimmung mit akzeptabler Wahrscheinlichkeit, eine Materialkennziffer MZ, zumindest aus Ordnungszahl OZ und Dichte p, als Ergebnis in eine Vergleichseinheit ausgegeben wird, wobei der Verfahrensschritt für jedes Pixel 14, 15, 16 und alle weiteren Pixel Pj® 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 Pj® ein Kennzeichen, insbesondere eine Farbe zugeordnet, enthalten ist, wobei aus den farbigen Pixeln 14, 15, 16 und allen weiteren Pixeln Pj f,) 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 DBn 24 kann nach einem Vergleich der Kennzeichen CR und CS 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 DBn 24 an die andere Übertragungsfunktion eine Kalibrierung der Vorrichtung 1 durchgeführt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können
- aus einer Vielzahl bezüglich Beschleunigungsspannung UBI und/oder Be- lichtungszeit tei 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, 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 Rönt- gengenerator 2 und Detektor 9 und unterhalb der Sättigung des Detektors 9 de- finiert wird.
Jeder einzelnen vorgegebenen Beschleunigungsspannung UBI wird dabei durch die Funktionseinheit 20 per kennzeichnender„Farbtafel" ein erstes Kennzeichen CR, 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 1 1 mit den x,y - Koordinaten des Röntgenflachdetektors 9 analysiert. Die Einzelaufnahmen 17 bis 18 werden solange in der Reihenfolge steigender Be- schleunigungsspannungen UBL . - - UBH gemäß Fig. 2 analysiert, bis das Pixel 14 eine vorher definierte Intensität ld erstmalig erreicht hat.
Das Pixel 14 erhält dann aus der Funktionseinheit 20 des Rekonstruktionsmo¬ duls 26 das erste Kennzeichen CR, Z.B. in Form einer Farbe oder eines Grau- wertes oder eines Codes, das dem ersten Kennzeichen CR der Beschleunigungsspannung UBH oder UBL der betreffenden Aufnahme 17, 18 zugeordnet ist. Das heißt, das Pixel 4 der Koordinaten x, y erhält das erste Kennzeichen CR „Farbe" der Beschleunigungsspannung Ua, bei welcher erstmals die festgelegte Intensität ld erreicht wird. Der Schritt der Kennzeichnung wird für jedes weitere Pixel z.B. 15, 16 und alle weiteren Pixel Pj® wiederholt, wie in Fig. 2 an einem Beispiel Weizenmehl 3 und Roggenmehl 4 mit rekonstruiertem Ergebnisbild 29 und pixelweise im Pixelfeld 1 1 angedeutet ist. Die definierte Intensität ld muss deutlich über dem Rauschen und unterhalb der Sättigung des Röntgenflachdetektors 9 liegen. Sind alle Pixel 14, 5, 16 und alle weiteren Pixel Ρ ° ausgewer- tet, 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 UB und der Belichtungszeit tB 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) / = i0 e'^ für das Schwächungsgesetz nach der Objektdicke d umgestellt, wird folgende Gleichung (III) erhalten:
Figure imgf000034_0001
Da von einem zu untersuchenden Objekt 5 oder 6 bei gleicher Aufnahmegeo- metrie eine Serie von Einzelaufnahmen 17, 18 mit verschiedenen Beschleunigungsspannungen UBi, Uß2 oder ÜB. angefertigt wird, ist dann, bezogen auf ein konkretes Pixel 14 des Röntgenflachdetektors 9, die Objektdicke d in allen Aufnahmen Bj gleich (di = d2 = ck = d* = ds ··-■ d.h. d,= const.).
Für Stoffe in Fo nd Verbindungen wird nach Gleichung (II)
Figure imgf000034_0002
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 l0 wird dadurch gemes- sen, dass ein kleines, in Fig. 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 /0 berechnet werden. Die Sekundärintensität / 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(Ε) 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 UB = EMAX gemäß dem Gesetz von Duane-Hunt die untere Grenzwellenlänge AMM des Bremsstrahlungs- Spektrums 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 DBn 24 per- manent gespeicherte, z.B. definiert vorgegebene Material 25 wird eine Kurve der Materialkennziffer MZ, die zumindest Ordnungszahl OZ und Dichte p 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 l:lo mit allen Materialkennziffer-Kurven in der permanenten Materialdatenbank DBn 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 DBn 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 DBn 24 bezüglich seiner Materialkennziffer-Kurve übereinstimmt. Ist keine Übereinstimmung mit akzeptabler Wahrscheinlichkeit feststellbar, kann eine Materialkennziffer MZ, zumindest aus Ordnungszahl OZ und Dichte p, als Ergebnis ausgegeben werden. Der genannte Verfahrensschritt wird für jedes Pixel 15, 16 und jedes weitere Pixel Pj W 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 0 ein zweites Kennzeichen Cs, insbesondere eine Farbe zugeordnet. Aus den farbigen Pixeln 14, 15, 16 und weiteren Pixeln P ° wird das Ergebnisbild 31 rekonstruiert und für das Ergebnisbild 31 wird eine Legende oder Er- gebnisliste erstellt.
Sind in der permanenten Materialdatenbank DBn 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„ 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 DBn 24 mit einem anderen Röntgenflachdetektor 9 (andere Übertragungsfunktion) und einer anderen Röntgenröhre 7 zu nutzen, ist unter Umständen eine Kalibrierung erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt demnach als Vorrichtung kein Synchrotron. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mobil mit herkömmlichen Rönt- genröhren (polychromatische divergente Strahlung) einsetzbar und liefert stets optimal belichtete Röntgenaufnahmen auch großer Ausschnitte aus Objekten inklusive einer relativ genauen Materialidentifizierung im zu untersuchenden Objekt mittels einer lemfähigen Materialdatenbank, die gemessene Kurven l=f(Ue) mit materialspezifisch abgelegten Kurven l=f(Uß) pixelweise„spektroskopisch" ver- gleicht (ÜB -. Beschleunigungsspannung). Durch den Kurvenvergleich können auch zwei röntgenographisch ähnlich absorbierende Materialien (mathematisches Produkt: μ mal d) sicher unterschieden werden. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden dabei sowohl die Dicke d als auch das Material über eine neue Multi-Energy-Methode bestimmt, wobei eine Dickeninformation bzw. Materialinformationen vorab nicht notwendig sind. Für die zusätzlich festzuhaltende Ausgangs-/Primärintensität lo (ohne Objekt) wird ent- weder eine freie Detektorfläche oder aufgrund einer möglichen Übersättigung eine Referenzprobe im freien Strahlengang genutzt.
Im Falle von sehr großen bzw. sehr kleinen .Schwächungskoeffizient multipliziert Dicke"-Produkten wird auf einfache Art und Weise die Verweilzeit bei den einzelnen Multi-Energy-Werten verlängert bzw. verkürzt.
Um das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung 1 deutlicher gegenüber dem Stand der Technik herauszustellen, wird in der Fig. 6 die Schwächung zweier ähnlicher Materialien 3 und 4 betrachtet. Während in Bezug auf das genannte Verfahren und die genannte Vorrichtung in der Druckschrift US 2010 0104072 A1 die Materialerkennung„eindimensional", d.h. einer Beschleunigungsspannung, z.B. 65 kV, ist ein Grauwert, z.B. 150, zugeordnet, durchgeführt wird und damit nur ein Material 3 oder das Material 4 erkannt (ein Material bleibt durch die Überdeckung der beiden Grauwertkurven in dem Be- reich unerkannt) wird, wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung 1 durch die Beschleunigungsspannungssteuerung die jeweilige gesamte Kurve - der jeweils gesamte Kurvenverlauf - (zweidimensional) registrierend abgefahren, so dass auch das zweite Material zweifelsfrei erkannt werden kann.
In der Fig. 6 ist Folgendes dargestellt:
1. Grauwertkurven zweier Materialien 3 und 4, wobei die Grauwertkurven die Schwächung gegenüber Röntgenstrahlung bei den verschiedenen Be- schleunigungsspannungsparametern der Röntgenröhre zeigen.
2. Das Material 3 und das Material 4 können im Einzelbild bei gängigen übli- chen Beschleunigungsspannungen zwischen etwa 40 und 80 kV (im mittleren Bereich der beiden Kurven) nicht unterschieden werden (bei einer herkömmlichen Dual-Energy-Methode). Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung 1 werden aber die ganzen Kurven in ihrem Kurvenverlauf verglichen und somit die zur Unterscheidung der Materialien 3 und 4 führenden Abweichungen (in den äußeren Bereichen der Kurven) können erkannt werden.
3. Auf diese Weise sind beispielsweise bei gleicher Dicke d sehr ähnliche Materialien (ähnliches Produkt: μ ■ d) wie z.B. verschiedene normal schwer unterscheidbare Mehltypen deutlich unterscheidbar oder es sind verschiedene Materialen unterschiedlicher Dicke d, welche jedoch in Gesamtbetrachtung eine ähnliche Schwächung erzeugen, unterscheidbar.
Die wesentlichen Neuheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung 1 bestehen darin:
- Aus einer Vielzahl bezüglich Beschleunigungsspannung UBI und/oder Belichtungszeit tB 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 an- gepasst 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 Vorrich- tung 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 fest- gestellt 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 röntgenspek- troskopischen 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
1 1 Pixelfelder des Röntgenflachdetektors
12 Auswerteeinheit
13 Finales Ergebnisbild
14 erstes Pixel
15 zweites Pixel
16 drittes Pixel
17 Einzelaufnahme bei niedriger (low) Beschleunigungsspannung UBL
18 Einzelaufnahme bei hoher (high) Beschleunigungsspannung UBH
19 Digitalisierungseinheit
20 Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen CR für Beschleunigungsspannungen
21 Röntgenstrahlengang
22 Funktionseinheit zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen Cs für die Materialidentifizierung
23 Ausgezeichnetes Pixelfeld zur Bestimmung der Primärintensität l0
24 Permanente Materialdatenbank mit n bekannten vorgegebenen Materialien/Objekt
25 Bekanntes vorgegebenes Material/Objekt mit definierten Werten
26 Rekonstruktionsmodul
27 Spektroskopiemodul
28 Superpositionseinheit für CR vom Rekonstruktionsmodul und für Cs vom Spektroskopiemodul 29 Ergebnisbild des Rekonstruktionsmoduls
30 Ausgabeeinheit
31 Ergebnisbild des Spektroskopiemoduls (Materialidentifikation) UBL Beschleunigungsspannung (L - low/niedrig)
UBH Beschleunigungsspannung (H - high/hoch)
UB, Beschleunigungsspannung
tB Belichtungszeit
ld definierte Pixelintensität
/ die Intensität der Strahlung nach dem Objekt (Sekundärintensität) l0 die auf das Objekt auftreffende Intensität der Strahlung (Primärintensität)
μ der lineare Schwächungskoeffizient
μ/ρ Dichtebezogener Schwächungskoeffizient
(Massenschwächungskoeffizient)
d die Materialdicke
c, die Konzentration der Komponente /'
p die Dichte des Materials
/' der Index für die Komponente
S Schwellwertintensität (Graustufen von Pixeln)
CR Erstes Kennzeichen aus Rekonstruktionsmodul,
codiert Beschleunigungsspannungen
CS Zweites Kennzeichen aus Spektroskopiemodul,
codiert Materialidentifikationen
B, Bild B, aus dem Bilderset
Pj w Pixel mit Index j in Bild Bi
DBn permanente Materialdatenbank 24 mit n vorgegebenen gespeicherten Materialien/Objekten

Claims

Verfahren zur bildgebenden Prüfung von Objekten (5, 6) mit Röntgenstrahlung (21),
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Anfertigung einer von einem pixelweise organisierten Röntgenflachdetek- tor (9) aufgenommenen, digitalisierten radiografischen Aufnahmeserie (17 bis 18) mit gleicher Geometrie und mittels einer einstellbaren Stufung von Beschleunigungsspannungen UBi und/oder mittels einer einstellbaren Stufung von Belichtungszeiten te 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 CR; CS 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 CR für Beschleunigungsspannungen Ua durchgeführt werden, und
- das zweite Modul (27) als ein Spektroskopiemodul zur röntgenspek- troskopischen 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 Cs 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 Auswer- tung der Radiographie in einer Superpositionseinheit (28) zusammengeführt und die Kennzeichen CR, CS 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 CR in einer ersten Funktionseinheit (20) zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen CR für Beschleunigungsspannungen ÜB. im Rekonstruktionsmodul (26) und
- Zuordnung eines Kennzeichens CR ZU jeder einzeln vorgegebenen Beschleunigungsspannung Uei,
- Analyse des gleichen Pixels (14) eines Pixelfeldes (1 1 ) 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 UBI analysiert werden, bis das Pixel (14) eine vorher definierte Intensität ld erstmalig erreicht hat,
- Einführung einer Tabelle von zweiten Kennzeichen Cs in einer zweiten Funktionseinheit (22) zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen Cs für die Materialidentifizierung im Spektroskopiemodul (27),
- Zuordnung jeweils eines zweiten Kennzeichens Cs an das Pixel (14), das dem ersten Kennzeichen CR der Beschleunigungsspannung UBj der betreffenden Aufnahme (17, 18) entspricht,
- Wiederholung der Schritte der Kennzeichnungszuordnung für jedes weitere Pixel (15, 16) des Röntgenflachdetektors (9), wobei die definierte Intensität ld deutlich über dem Rauschen und unterhalb der Sättigung des Röntgenflachdetektors (9) liegt, - Auswertung aller Pixel P ° (14, 15, 16) des Röntgenflachdetektors (9) und Erstellung eines rekonstruierten finalen Ergebnisbildes (13) mit Informationen aus allen Aufnahmen (17 bis 18). 3. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Kennzeichen CR ZU jeder Beschleunigungsspannung UBI als Farbwert oder als Grauwert oder als Code festgelegt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Kennzeichen Cs zu jedem Pixel P 0 (14, 15, 16) des Röntgenflachdetektors (9) als Farbwert oder als Grauwert oder als Code festgelegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass es ein Multi-Energie-Verfahren mit mehreren stufenförmig steigenden eingesetzten Beschleunigungsspannungen UBI darstellt, wobei für alle Ein- zelaufnahmen (17, 18) die gleiche Belichtungszeit tßconst 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. 6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Justierung durchgeführt wird, bei der Aufnahmen (17, 18) auf der Basis unterschiedlicher Belichtungszeiten tsi kompatibel gemacht werden. 7. 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„ (24) für n vorgegebene Materialien/Objekte (25) einschließlich von materialzugehörigen Werten gearbeitet wird, wobei für jedes aufgenommene, in der permanenten Materialdatenbank DBn (24) gespeicherte Material/Objekt (25) eine Kurve MZ = MZ (OZ, p) der Materialkennziffer MZ, zumindest die Ordnungszahl OZ und Dichte p bezogen auf die Beschleunigungsspannung UBj, 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 /:/0 - Sekundärintensität / dividiert durch Primärintensität lo - mit allen Materialkennziffer-Kurven in der permanenten Materialdatenbank DBn (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„ (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 Ü- bereinstimmung festgestellt wird, mit der das zu untersuchende Material (3, 4)/Objekt (5, 6) mit dem bekannten vorgegebenen Material/Objekt (25) in der permanenten Materialdatenbank DBn (24) bezüglich seiner Materialkennziffer-Kurve übereinstimmt,
- bei keiner Übereinstimmung mit akzeptabler Wahrscheinlichkeit, eine Materialkennziffer MZ zumindest aus Ordnungszahl OZ und Dichte p als Ergebnis in eine Vergleichseinheit ausgegeben wird, wobei der Feststellungsschritt für jedes Pixel Pj® (14, 15, 16) des zu untersuchenden Materials (3, 4)/Objektes (5, 6) wiederholt wird, - bei jedem identifizierten Material (3, 4)/0bjekt (5, 6) und jeder identifizierten Materialkennziffer MZ im Material (3; 4)/0bjekt (5; 6) in jedem Pixel Ρ ° (14, 15, 16) ein Kennzeichen, insbesondere eine Farbe zugeordnet, enthalten ist, wobei aus den farbigen Pixeln Ρ ° (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 Bremsstrah- lungsspektrums in Abhängigkeit der Dicke d darzustellen.
9. 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 DBn (24) nach einem Vergleich des ersten Kennzeichens CR und des zweiten Kennzeichens Cs in der Superpositionseinheit (28) der Auswerteeinheit (12) die I- dentität der untersuchten Materialien (3, 4)/Objekte (5, 6) festgestellt und ausgegeben werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei Wechsel der Röntgenquelle (7) und/oder des Röntgenflachdetek- tors (9) zur Anpassung der vorab angefertigten permanenten Materialdaten- bank DBn (24) an eine andere Übertragungsfunktion eine Kalibrierung der eingesetzten Vorrichtung (1) durchgeführt wird.
1 1. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass
- aus einer Vielzahl bezüglich Beschleunigungsspannung UBI und/oder Belichtungszeit ta 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.
12. 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 Ußi für die Röntgenquelle (7),
- eine Steuereinheit (10), die mit dem Röntgengenerator (2) verbunden ist und zumindest die Beschleunigungsspannungen U& und Belichtungszeiten ta 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 CR für Beschleunigungsspannungen UBi ausgebildet ist,
- das zweite Modul (27) als Spektroskopiemodul zumindest mit einer zweiten Funktionseinheit (22) zur Erstellung und Vergabe von zweiten
Kennzeichen CS für jedes Pixel Pj (i) (14, 15, 16) des Röntgenflachde- tektors (9) sowie mit einer zugeordneten permanenten Materialdatenbank DBn (24) mit darin gespeicherten, n vorgegebenen Materialien/Objekten (25) und zugehörigen Material-/Objektwerten ausgebil- det 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 Koordinie- rung von einstellbaren Beschleunigungsspannungen UBl und einstellbaren Belichtungszeiten 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) erhal- tene finale Ergebnisbild (13).
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.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Rekonstruktionsmodul (26) neben der ersten Funktionseinheit (20) zur Erstellung und Vergabe von ersten Kennzeichen CR für einstellbare Beschleunigungsspannungen Ußi
zumindest umfasst einen Datenpuffer zur Zwischenspeicherung des Bildersets Bj aus i Aufnahmen (i > 1 oder i » 1) mit steigender Beschleunigungsspannung UBi und konstanter Belichtungszeit st, wobei der Datenpuffer in der Auswerteeinheit (12) mit der Digitalisierungseinheit (19) in Verbindung steht, eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung eines Kennzeichens C J zum Bilderset B, mit zugehöriger Beschleunigungsspannung UBI—► erstes Kennzeichen C j,
eine Analyseeinheit zur Analyse jeweils aller Pixel Ρ ° (x,y) vom Bilderset Bj mit steigendem Index i, bis eine vordefinierte Schwellwertintensität S erreicht ist mit der Zuordnung der Pixel mit Pixel Pj—► erstes Kennzeichen 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 Bj mit vergrößerter Belichtungszeit tBneu > tß oder
wobei bei einem überbelichteten Bereich eine Anfertigung eines neuen Bildersets B, mit verkürzter Belichtungszeit u < tß durchgeführt werden.
15. 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 Bineu sowohl für angepasste vergrößerte Belichtungszeiten tßneu als auch für an- gepasste verkürzte Belichtungszeiten tBneu dient und die mit der Steuereinheit (10) zur Einstellung einer dem neuen Bilderset Bineu angepassten Belichtungszeit tßneu der Röntgenröhre (7) in Verbindung steht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass das Spektroskopiemodul (27) neben der zweiten Funktionseinheit (22) zur Erstellung und Vergabe von zweiten Kennzeichen Cs für die Materialidentifizierung zumindest umfasst
- eine Speichereinheit zur permanenten Speicherung von bekannten vor- gegebenen Materialien (25) einer Materialdatenbank DBn (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 p des jeweiligen Materials (25) in funktioneller Verbindung steht, gefüllt ist,
- eine Quotientenbildungseinheit zur Bildung eines jeweiligen Intensitätsverhältnisses Ij/Io aus den Grauwerten aller Pixel P 0 des Bildersets Bj und einem ausgezeichneten Pixelfeld (23) zur Bestimmung der Primärintensität lo mit nachfolgendem Vergleich mit den vorgegebenen Materialien (25) der Materialdatenbank DBn (24),
- eine Zuordnungseinheit zur Zuordnung eines Materialcodes CSj 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 Material- datenbank DBn (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 Materi- aldatenbank DBn (24) mit dem neuen Material (n+1) durch Speicherung zu einer um ein Material vergrößerten Materialdatenbank DBn+i (24) ergänzt werden.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16 mit Realisierung des Verfahrens nach An- spruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Materialdatenbank DBn (24) zweidimensioniert oder dreidimensioniert aufgebaut ist, wobei vorgegebene zu speichernde Größen wahlweise die Beschleunigungsspannung (Energie) UBj, der Absorptionskoeffizient μ oder der Massenschwächungskoeffizient μΐρ oder das Produkt aus Absorptionskoeffizient μ und Dicke d mit μ d oder zusätzliche abgeleitete Größen wie die durchschnittliche Ordnungszahl OZ sind.
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