СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ РАСПОЗНАВАЕМОСТИ МАТЕРИАЛА В РЕНТГЕНОВСКОЙ КОНТРОЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ И РЕНТГЕНОВСКАЯ КОНТРОЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2012 года по МПК G01N23/04 

Настоящее изобретение относится к способу улучшения распознаваемости материала в рентгеновской контрольной установке и рентгеновской контрольной установке.

Для проверки объектов, прежде всего предметов багажа, на наличие опасного содержимого известным образом применяются рентгеновские контрольные приборы, в которых проверяемые объекты просвечиваются рентгеновскими лучами. Для этого рентгеновские контрольные приборы имеют источник рентгеновских лучей и детекторы, в которых распознается интенсивность ослабленного излучения. Исходя из данных интенсивностей рассчитываются величины яркости представляемого на экране двухмерного рентгеновского изображения. Опасные материалы могут быть распознаны на этом рентгеновском изображении.

В отличие от компьютерных томографов для медицинской области рентгеновские контрольные приборы для контроля безопасности или недеструктивной проверки снабжены неподвижными источниками рентгеновских лучей и детекторами. Поэтому подобные рентгеновские контрольные устройства просвечивают лучами каждую точку пространства подлежащего проверке объекта только в одном направлении. Поэтому невозможно осуществить трехмерную реконструкцию подлежащего проверке объекта, которая требуется для определения плотности. Таким образом, располагающиеся друг за другом по ходу лучей материалы простым образом опознаны быть не могут. Поэтому в основу изобретения положена задача создания способа, который улучшит распознаваемость материала в рентгеновской контрольной установке.

Эта задача решена посредством способа согласно пункту 1 формулы изобретения. Преимущественные формы осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения. Пункт 7 формулы изобретения относится к рентгеновской контрольной установке со средствами для осуществления способа.

В предлагаемом способе сначала записывают по меньшей мере два абсорбционных рентгеновских изображения подлежащего проверке объекта при различной энергии. При этом энергии преимущественным образом выбирают так, что интенсивность прохождения рентгеновских лучей сквозь объект уменьшается за счет различных физических эффектов. Предпочтительно, согласно известному способу дуальных энергий записывают два абсорбционных рентгеновских изображения при различных энергиях. При этом понятие «рентгеновское изображение» в зависимости от контекста обозначает измеренные интенсивности рентгеновских лучей или рассчитанное по ним изображение для представления на экране.

В общем, измеренная интенсивность рентгеновских лучей соответствует уравнению поглощения:

При этом I₀ обозначает энергозависимую интенсивность рентгеновского излучения, которая бы попала на детектор, если бы между источником рентгеновских лучей и детектором не было никакого материала, а µ - зависящий от пространственной координаты r(s) внутри объекта коэффициент поглощения. S описывает путь рентгеновских лучей через объект. Так как рентгеновская контрольная установка традиционно не использует моноэнергетическое рентгеновское излучение, в уравнении (1) интегрирование происходит по энергетическому спектру рентгеновского излучения.

В качестве следующего шага способа следует математическое моделирование объекта посредством числа слоев с предположением конкретного материала для каждого слоя. При этом число слоев является меньшим или равным числу рентгеновских изображений и по меньшей мере для одного слоя предполагают подлежащий распознаванию при проверке материал. Так как материалы предполагаются однородными, то µ внутри одного слоя постоянно и интегрирование по пути S не требуется. Получают уравнение:

с толщиной d_m соответствующего материала, то есть протяженностью слоя в направлении рентгеновского излучения. М обозначает число слоев модели. Поглощающая способность объекта при моделировании распределяется по слоям, поглощающая способность одного слоя описывается при помощи коэффициента поглощения µ_m·d_m. Сумма коэффициентов поглощения слоев соответствует коэффициенту поглощения всего объекта:

.

Затем коэффициент поглощения каждого слоя раскладывают на зависимый от пути коэффициент и энергозависимый коэффициент. Зависимый от пути коэффициент не зависит от энергии, а энергозависимый коэффициент не зависит от пути. Поэтому происходит моделирование на основе переформулированного уравнения поглощения:

Предпочтительно, энергозависимый коэффициент τ_m соответствует массовому коэффициенту ослабления, а зависимый от пути коэффициент δ_m - плотности распределения массы материала. В общем, δ_m зависит от пути S и описывается следующей формулой:

Так как для слоев предполагают однородные материалы, уравнение (3) упрощается до:

На следующем шаге посредством уравнения (2) поглощения из абсорбционных рентгеновских изображений рассчитываются неизвестные, зависимые от пути коэффициенты δ_m всех слоев. Число неизвестных соответствует числу предполагаемых при моделировании объекта слоев. Каждое абсорбционное рентгеновское изображение дает одно уравнение для определения этих неизвестных, величины τ_m и ρ_m для принятых материалов известны. Так как число уравнений должно быть больше или равно числу неизвестных, число слоев должно быть меньше или равно числу рентгеновских изображений. Предварительная информация о подлежащем проверке объекте может при этом заменить одно или несколько рентгеновских изображений.

На основе зависимых от пути коэффициентов при помощи уравнения (4) могут быть рассчитаны толщины слоев. Эти толщины имели бы слои, если бы проверяемый объект состоял исключительно из предполагаемых материалов. Если же объект содержит другие материалы, нежели было принято при моделировании, то эти материалы дают ложные приращения к зависимым от пути коэффициентам и тем самым к толщинам нескольких слоев. Однако, как будет показано далее, это является несущественным для улучшения распознаваемости материала.

На следующем шаге способа происходит расчет по меньшей мере одного синтетического изображения из суммы умноженных на весовые коэффициенты коэффициентов поглощения всех слоев. Используемое при данном расчете уравнение синтеза выглядит, например, следующим образом:

На основе модели объекта, свойств предполагаемых материалов и зависящих от пути коэффициентов слоев синтезируется таким образом новое изображение. За счет выбора весовых коэффициентов w_m можно составить синтетическое изображение таким образом, что состоящий из подлежащего распознанию материала объект на синтетическом изображении не будет иметь контура или будет иметь только слабый контур. Если все весовые коэффициенты выбираются равными 1, то синтетическое изображение соответствует снятому абсорбционному рентгеновскому изображению.

Последний шаг состоит в оценке синтетического изображения. Оценка осуществляется, например, автоматизированно, при этом, например, звучит сигнал тревоги, если подлежащий проверке объект содержит подлежащий распознаванию материал. Альтернативно или дополнительно оценка происходит за счет демонстрации синтетического изображения на экране. Опционально рассчитываются два или более синтетических изображения при использовании различных весовых коэффициентов и показываются последовательно или параллельно на мониторе. Для этого оператор переключает рентгеновскую контрольную установку между несколькими синтетическими изображениями посредством, например, манипулятора или переключателя. В одной из форм осуществления изобретения весовые коэффициенты являются настраиваемыми оператором по меньшей мере для одного синтетического изображения или всех синтетических изображений.

Преимущественным образом при расчете синтетического изображения коэффициент поглощения слоя с подлежащим распознаванию материалом имеет нулевой коэффициент. Следовательно, синтетическое изображение не содержит доли поглощения, которая приписывается подлежащему распознаванию материалу при моделировании объекта. Контур предмета из подлежащего распознаванию материала, который выделяется на сделанном абсорбционном рентгеновском изображении, следовательно, таким образом в синтетическом изображении не содержится. Вследствие отсутствия этого контура, например, оператор рентгеновской контрольной установки делает заключение о присутствии в объекте подлежащего распознаванию материала.

В одной из форм осуществления изобретения весовые коэффициенты при расчете синтетического изображения зависят от расположения точки изображения на рентгеновском изображении. Следовательно, действительно уравнение w_m=w_m(x, у) с координатами x и у точки изображения на изображении. Таким образом, например, возможно при помощи различных весовых коэффициентов в различных областях синтетического изображения подавлять контуры предметов из различных материалов и тем самым делать возможным обнаружение на одном синтетическом изображении нескольких подлежащих распознаванию материалов.

Предпочтительно, обусловленное слоем поглощение излучения при расчете синтетического изображения окрашивают в зависимости от принятого для данного слоя материала. Предпочтительно, окрашивание осуществляют на основе порядкового номера Z материала в периодической таблице. Так, например, металлические материалы окрашиваются в синий, а органические материалы - в оранжевый цвет. Такое окрашивание позволяет оператору рентгеновской контрольной установки осуществлять более простое обнаружение искомых материалов.

Предлагаемая рентгеновская контрольная установка содержит средства для осуществления вышеописанного способа.

Настоящее изобретение должно быть пояснено подробнее на основе двух примеров осуществления. При этом показано на:

Фигура 1 - разрез через подлежащий проверке объект из двух материалов,

Фигура 2А - теоретическая толщина поглощения первого предполагаемого материала изображенного на фиг.1 объекта,

Фигура 2Б - теоретическая толщина поглощения второго предполагаемого материала фиг.1 объекта,

Фигура 3 - разрез объекта с тремя материалами,

Фигура 4А - теоретическая толщина поглощения второго предполагаемого материала изображенного на фиг.3 объекта, и

Фигура 4Б - теоретическая толщина поглощения второго предполагаемого материала изображенного на фиг.3 объекта.

На фиг.1 схематически показан разрез подлежащего проверке объекта, состоящего из двух материалов. Материал 1 является пластичным взрывчатым веществом Semtex, материал 2 - железом. Толщина материала 1 составляет 1,5 мм, толщина материала 2 составляет 1 мм. В качестве примера показаны позиции А, В, С и D, в которых расположены детекторы рентгеновского излучения. При записи абсорбционного рентгеновского изображения между непоказанным источником рентгеновских лучей рентгеновской контрольной установки и детекторами рентгеновского излучения на позициях А и В какой-либо материал отсутствует, между источником рентгеновских лучей и детектором на позиции С имеется только материал 2, а между источником рентгеновских лучей и детектором рентгеновского излучения на позиции D имеется как материал 1, так и материал 2. Детекторы рентгеновского излучения обнаруживают исходящее от источника рентгеновских лучей и ослабленное объектом рентгеновское излучение.

В основанной на способе дуальных энергий рентгеновской контрольной установке два абсорбционных рентгеновских изображения объекта записываются при двух различных спектрах энергии рентгеновского излучения. В данном примере энергия E_L рентгеновского излучения в случае записи при низкой энергии составляет от 20 кэВ до 70 кэВ, энергия Е_Н в случае записи при высокой энергии - от 70 кэВ до 140 кэВ. При абсорбционных рентгеновских изображениях речь идет о двухмерных изображениях, состоящих из отдельных точек изображения, при этом яркость каждой точки изображения соответствует поглощающей способности подлежащего проверке объекта в этой точке изображения. Оба абсорбционных рентгеновских изображения дают для каждой точки изображения обе интенсивности I(E_L) und I(E_H). Затем осуществляется математическое моделирование объекта по двум слоям. Для одного слоя предполагается Semtex в качестве материала 3, для другого слоя - железо в качестве материала 4. Интенсивность рентгеновского излучения для каждой точки изображения, которое после прохождения через смоделированный объект попадает на детектор рентгеновских лучей, рассчитывается затем по уравнению поглощения (2). Если положить эти теоретические интенсивности равными замеренным интенсивностям, то получают два уравнения

и

с двумя неизвестными δ₃ и δ₄. При этом I₀ обозначает известную интенсивность рентгеновского излучения, которое бы попало на детектор, если бы между источником рентгеновских лучей и детектором не находилось никакого материала. При τ₃ и τ₄ речь идет об известных, специфических для каждого материала массовых коэффициентах ослабления, которые являются независимыми от длины пути S рентгеновского излучения, но зависимыми от энергии излучения. Плотности распределения массы δ₃ и δ₄ являются зависимыми от длины пути S рентгеновского излучения через материал, но независимыми от энергии излучения.

Из уравнений (6) и (7) можно рассчитать обе переменные δ₃ и δ₄. Они взаимосвязаны через уравнение (3) или же (4) с толщинами слоев. Для наглядности на фигурах и в дальнейших формах осуществления эти толщины используются вместо плотностей распределения массы δ.

Рассчитанная толщина материала 3 показана на фиг.2А, рассчитанная толщина материала 4 - на фиг.2Б. Если, как в данном примере, предполагаемые материалы точно соответствуют материалам, из которых состоит объект, то рассчитанная толщина точно соответствует фактической толщине материалов в объекте. Если в проверяемом объекте несколько предметов из одинакового материала находятся на пути S распространения рентгеновского излучения, то они суммируются при моделировании объекта в общий слой. Это действует также в том случае, если эти предметы внутри объекта непосредственно не граничат друг с другом.

На следующем шаге на основе уравнения синтеза (5) рассчитывается по меньшей мере одно синтетическое изображение. Для данного случая оно имеет следующую форму:

.

Коэффициенты поглощения τ₃(E)·δ₃(S) или же τ₄(E)·δ₄(S) умножают на весовые коэффициенты w₃ или же w₄ и суммируют. Сумма при умножении на коэффициент, равный - 1, образует экспонент экспонентной функции в уравнении поглощения. В данном примере осуществления изобретения весовые коэффициенты w₃ und w₄ для всего изображения, то есть для всех точек изображения с любыми координатами x и y, выбираются постоянными. Рассчитанные интенсивности I_syn известным образом преобразуются в двухмерное изображение для представления на мониторе. Дополнительно осуществляется окрашивание частей отдельных слоев общего поглощения излучения в зависимости от предполагаемого для определенного слоя материала.

Если весовой коэффициент w₄ принимается равным нулю, то синтетическое изображение полностью основывается только на доле поглощения излучения через принятый материал 3, в данном случае Semtex. На фиг.2А показано, что предполагаемый материал 4, который в точности соответствует фактическому материалу 2, не дает какой-либо доли изображения. Контур, который материал 2 оставляет на одном из записанных абсорбционных рентгеновских изображений, на синтетическом изображении полностью отсутствует. Из этого можно заключить, что предполагаемый материал 4, то есть железо, содержится внутри объекта. Если же, наоборот, весовой коэффициент w₃ принимается равным нулю, то синтетическое изображение основывается исключительно на части поглощения излучения из предполагаемого материала 4. Различимый на абсорбционном рентгеновском изображении контур материала 1 на синтетическом изображении отсутствует, исходя из чего можно сделать вывод о присутствии предполагаемого материала 3 внутри объекта.

На фиг.3 показан разрез объекта, состоящего из 3-х материалов. Материалы 5 и 6, а также их толщина соответствуют материалам 1 и 2 на фиг.1. Дополнительно внутри объекта содержится материал 7 толщиной 2 мм. Материал 7 находится на траектории луча между источником рентгеновских лучей и детекторами на позициях B, C и D, но не между источником рентгеновских лучей и детектором на позиции А. Объект снова описывается на основе модели, состоящей из двух слоев. Для этого служит уравнение:

.

Для модели в качестве материала 8 предполагается Semtex, а в качестве материала 9 - железо, при этом эти материалы соответствуют двум действительно содержащимся внутри объекта материалам. Расчет величин δ₈ и δ₉ осуществляется аналогично первому примеру осуществления.

Так как созданная двухслойная модель не может корректно передать объект, состоящий из трех материалов, рассчитанные толщины даже при верном предположении материалов 8 и 9 не соответствуют фактической толщине материалов 5 и 6 внутри объекта. Более того, материал 7 является составляющей обеих рассчитанных толщин, так как он в точности не соответствует ни одному из предполагаемых материалов. Из этого следуют формы толщин материала 8 на фиг.4А и материала 9 на фиг.4Б.

Замеренное поглощение рентгеновского излучения через материал 7 на детекторе рентгеновского излучения на позиции В соответствует тому поглощению, которое бы вызвала толщина 1,2 мм материала 8, то есть Semtex, и 0,2 мм материала 9, то есть железо. Эти названные толщины образуют ложное несовпадение на позициях В, С и D. Для Semtex, предполагаемого в качестве материала 8, который соответствует действительному материалу 5, в позиции D выявляется другая, корректная составляющая толщины в 1,5 мм и тем самым общая расчетная толщина в 2,7 мм. Для материала 9, который был корректно предполагаем как действительный материал 6 - железо, на позициях C и D выявляется через объект дополнительная составляющая толщины в 1 мм и тем самым общая расчетная толщина в 1,2 мм.

На форме замеренных толщин на фиг.4А и 4Б видно, что хотя за счет третьего материала 7 возникает дополнительная составляющая толщины предполагаемых материалов, тем не менее реальный контур состоящего из соответствующих материалов предмета внутри объекта по-прежнему отображается корректно.

При выборе весового коэффициента W₉ равным нулю синтетическое изображение хотя и содержит контуры за счет материалов 5 и 6, но не за счет железа в качестве материала 6. Если, напротив, весовой коэффициент W₈ выбран равным нулю, то синтетическое изображение не содержит обусловленных Semtex контуров. Таким образом, за счет отсутствия контура по сравнению с записанным рентгеновским изображением можно сделать заключение о наличии предполагаемого материала внутри объекта, даже если объект содержит большее количество или же другие материалы, чем принято во внимание в математической модели.

Использование: для контроля объектов посредством рентгеновского излучения. Сущность заключается в том, что выполняют запись по меньшей мере двух абсорбционных рентгеновских изображений подлежащего проверке объекта при различных энергиях, осуществляют математическое моделирование объекта посредством числа слоев с предположением конкретного материала для каждого слоя, при этом коэффициент поглощения описывает поглощающую способность слоя, число слоев меньше или равно числу рентгеновских изображений, и по меньшей мере для одного слоя предполагают подлежащий распознаванию при проверке материал, проводят разложение коэффициента поглощения каждого слоя на зависящий от пути коэффициент и энергозависимый коэффициент, рассчитывают зависимые от пути коэффициенты для всех слоев из абсорбционных рентгеновских изображений посредством уравнения поглощения, рассчитывают по меньшей мере одно синтетическое изображение из суммы умноженных на весовые коэффициенты коэффициентов поглощения всех слоев, после чего оценивают синтетическое изображение. Технический результат: улучшение распознаваемости материала посредством рентгеновской контрольной установки. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ улучшения распознаваемости материала в рентгеновской контрольной установке с шагами способа:
- запись по меньшей мере двух абсорбционных рентгеновских изображений подлежащего проверке объекта при различных энергиях,
- математическое моделирование объекта посредством числа слоев с предположением конкретного материала для каждого слоя, при этом коэффициент поглощения описывает поглощающую способность слоя, число слоев меньше или равно числу рентгеновских изображений, и по меньшей мере для одного слоя предполагают подлежащий распознаванию при проверке материал,
- разложение коэффициента поглощения каждого слоя на зависящий от пути коэффициент и энергозависимый коэффициент,
- расчет зависимых от пути коэффициентов для всех слоев из абсорбционных рентгеновских изображений посредством уравнения поглощения,
- расчет по меньшей мере одного синтетического изображения из суммы умноженных на весовые коэффициенты коэффициентов поглощения всех слоев,
- оценка синтетического изображения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что два абсорбционных рентгеновских изображения записывают при двух энергиях.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при расчете синтетического изображения коэффициент поглощения слоя с подлежащим распознаванию материалом принимают с нулевым коэффициентом.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что весовые коэффициенты при расчете синтетического изображения являются зависимыми от положения точки изображения на рентгеновском изображении.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при расчете синтетического изображения обусловленную слоем абсорбцию окрашивают в зависимости от предполагаемого для слоя материала.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при энергозависимом коэффициенте речь идет о массовом коэффициенте ослабления, а при зависимом от пути коэффициенте речь идет о плотности распределения массы материала.

7. Рентгеновская контрольная установка, имеющая средства для осуществления способа согласно одному из пп.1-6.