专利名称：用于改善x射线检查设备中的物质可识别度的方法和x射线检查设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于改善x射线检查设备中的物质可识别度的方法以及x射线检
查设备。
背景技术：
为了检查对象，尤其是行李是否含有可疑物体，公知采用X射线检查设备，在该设 备中待检查的对象被X射线透射。该X射线检查设备为此具有X射线源和检测器，在该检
测器中检测衰减的射线的强度。通过该强度计算出在屏幕上显示的二维x射线图像的亮度 值。在该x射线图像中可以识别出危险物质。 与用于医疗领域的计算机断层造影不同，用于安全检查或非破坏性测试的X射线 检查设备具有固定的X射线源和检测器。这种X射线检查设备由此仅在一个方向透射检查 对象的每个空间点。因此不能执行对该检查对象的三维重构，而该重构是确定密度所必要 的。在光路中重叠放置的物质由此无法被简单地识别出来。因此本发明要解决的技术问题
是提供一种方法来改善x射线检查设备中的物质可识别度。
发明内容
该技术问题通过根据权利要求1的方法解决。优选的实施方式在从属权利要求中
提出。权利要求7涉及一种具有用于执行该方法的装置的X射线检查设备。 在本发明的方法中，首先在不同能量的情况下拍摄待检查对象的至少两幅吸收X
射线图像。在此，能量优选被选择为使得透射通过该对象的X射线的强度被不同的物理效
应减小。优选地，根据已知的双能量方法，在两个不同的能量的情况下拍摄两幅吸收X射线
图像。概念"X射线图像"在此根据上下文是指所测得的X射线强度或者由该强度计算出的
要显示在屏幕上的图像。 所测得的X射线强度一般遵循以下吸收等式
j7o(五).e * c/￡ (1) 在此，I。表示X射线的与能量有关的强度，该强度是在X射线源和检测器之间没有 物质时会在检测器上出现的强度，P表示与所述对象内的位置坐标r(s)有关的吸收系数。 S描述了 X射线穿过该对象的路径。由于X射线检查设备通常不使用单能的X射线，因此在 等式(1)中对X射线的能量谱进行积分。 在另一个方法步骤中，通过多个层来对所述对象进行数学建模，其中假定每一层 具有一种具体的物质。在此，层的数量小于或等于X射线图像的数量，而且对于至少一层假 定具有一种将在检查时识别的物质。由于这些物质假定是均匀的，因此一层内的P是恒定 的，而且不需要在路径S上的积分。由此给出以下等式
3[ooio] /(￡)= J/0(￡).e " 必
■ ■ ■￡ ■ 其中dm是各物质的厚度，也就是层在X射线方向上的延伸。M表示该模型的层数
量。对象的吸收能力在建模中被划分到层中，一层的吸收能力通过吸收值P^dm描述。这
些层的吸收值之和相当于整个对象的吸收值
P/(E，,(")必-Z (5).《 _ 此外，每一层的吸收值被分为与路径有关的因子和与能量有关的因子。与路径有 关的因子与能量无关，而与能量有关的因子与路径无关。因此，利用以下改写的吸收等式进 行建模
" 巡 (2) 优选的，与能量有关的因子、相当于物质的质量衰减系数，与路径有关的因子
Sm相当于物质的质量堆装密度。
一般来说，Sm取决于路径S并通过以下等式描述 cUS)-^m(屮))必 (3) 由于对于这些层假定具有均匀的物质，因此等式(3)简化为
S迈(S) = Pm d迈 (4) 在下一个步骤中，借助吸收等式(2)根据吸收X射线图像计算所有层的未知的与 路径有关的因子Sm。未知因子的数量等于在对对象建模时假定的层数量。每个吸收X射 线图像提供一个用于确定这些未知数的等式，、和Pm对于假定的物质是已知的。由于 等式的数量必须大于或等于未知数的数量，因此层的数量必须小于或等于X射线图像的数 量。对待检查对象的已有知识在此可以代替一个或多个X射线图像。 根据取决于路径的因子，可以借助等式(4)计算层的厚度。这些厚度是层在待检 查对象仅由所假定的物质构成时所具有的。如果对象包含不同于在建模时假定的物质，则 这些物质会对与路径有关的因子产生错误的影响，由此对多个层的厚度产生错误的影响。 但是如还将示出的那样，这对于改善物质的可识别度影响不大。 在下个方法步骤中，至少一个合成图像的计算是根据所有层的与权重因子相乘的 吸收值的和来进行的。在该计算中使用的合成等式例如如下所示 ;-JVo(必)'e " 巡 (5)
g■ ■ 由此，根据对象的模型、所假定的物质的特性以及层的取决于路径的因子，合成出 新的图像。通过选择权重因子l，可以将合成图像构成为使得由待识别物质构成的对象在 该合成图像中没有轮廓或只有淡淡的轮廓。如果所有权重因子都被选择为1，则合成图像就 对应于所拍摄的吸收X射线图像。 最后一个步骤是对合成图像进行分析。该分析例如自动进行，其中例如在待检查 对象包含待识别物质时产生警报。替换或附加的，该分析通过在屏幕上显示所述合成图像
4来进行。可选的，采用不同权重因子来计算两个或更多合成图像，并且相继地或者相邻地显 示在屏幕上。为此，X射线检查设备的操作者例如借助按键或开关在这些合成图像之间切 换。在本发明的一个实施方式中，至少一个合成图像的权重因子或者所有合成图像的权重 因子可以由操作者调节。 优选的，在计算合成图像时用因子0对具有待识别物质的层的吸收值加权。合成 图像因此不包含在对对象建模时归于待识别物质的吸收分量。由该待识别物质构成的物体 的轮廓由此不包含在该合成图像中，该轮廓在所拍摄的吸收X射线图像中被绘出。通过该 轮廓的缺失，例如X射线检查设备的操作人员推断待识别物质在该对象中是存在的。
在本发明的一实施方式中，计算合成图像时的权重因子取决于X射线图像中像点
的位置。因此Wm二Wm(X， y)，其中X和y是图像中像点的坐标。由此例如可以用不同的权
重因子在合成图像的不同区域中抑制由不同物质构成的物体的轮廓，由此使得在合成图像 中可以检测多个待识别的物质。 优选的，由一层所引起的吸收在计算合成图像时根据为该层所假定的物质而被着 色。着色优选借助该物质的序数Z来进行。从而例如金属物质被涂成蓝色，有机物质被涂 成桔色。这种着色使得X射线检查设备的操作人员可以容易地检测要查找的物质。
根据本发明的X射线检查设备具有用于执行上述方法的装置。
下面借助两个实施例详细解释本发明。在此 图1示出由两种物质构成的待检查对象的截面， 图2a示出图1所示对象的第一假定物质的理论吸收厚度， 图2b示出图1所示对象的第二假定物质的理论吸收厚度， 图3示出由三种物质构成的对象的截面， 图4a示出图3所示对象的第一假定物质的理论吸收厚度， 图4b示出图3所示对象的第二假定物质的理论吸收厚度，
具体实施例方式
图1示出由两种物质构成的待检查对象的示意截面图。物质1是塑料爆炸物塞姆 汀塑胶炸药，物质2是铁。物质1的厚度是1. 5mm，物质2的厚度是lmm。示例性示出4个 位置A、B、C、D，在这些位置处设置X射线检测器。在拍摄吸收X射线图像时，在X射线检查 设备的未示出的X射线源和位置A和B处的X射线检测器之间没有物质，在X射线源和位 置C处的检测器之间只有物质2，而在X射线源和位置D处的X射线检测器之间有物质1和 物质2。 X射线检测器检测由X射线源发出并被对象减弱的X射线。 在双能X射线检查设备中，在X射线的两个不同能量谱的情况下拍摄对象的两幅 吸收X射线图像。在本例中，在低能拍摄时X射线的能量介于20keV和70keV之间，在 高能拍摄时的能量EH介于70keV和140keV之间。吸收X射线图像是由各个像点构成的二 维图像，其中每个像点的亮度对应于待检查对象在该图像位置处的吸收能力。这两个吸收 X射线图像为每个像点提供两个强度I (EJ和I (EH)。 接着，用两层来对该对象进行数学建模。对于一层来说假定塞姆汀塑胶炸药是物
5质3，对于另一层来说假定铁是物质4。然后，根据吸收等式(2)计算每个像点的在透射通 过被建模对象后落在X射线检测器上的X射线的强度。如果这些理论强度等于所测量的强 度，则得到以下两个等式 "A)=. e""W，-"(W,巡 (6》 禾口Z(^);仏(W,，w")爆W")顿巡 (7) 其中具有两个未知数53和S4。在此，I。表示已知的在X射线源和检测器之间没 有物质的情况下会在检测器上出现的X射线的强度。13和、是已知的特定于物质的质 量衰减系数，该系数与X射线穿过物质的路径S的长度无关，但是与射线的能量有关。质量 堆装密度53和^与X射线穿过物质的路径S的长度有关，但是与射线的能量无关。
从等式(6)和(7)中可以计算出这两个未知数53和S4。它们通过等式(3)和 (4)而与层的厚度有关。为了加以说明，在附图中以及后面的描述中采用厚度而不是质量堆 装密度S 。 所计算的物质3的厚度在图2a中示出，所计算的物质4的厚度在图2b中示出。如 果像在所示例子中那样假定的物质恰好与构成所述对象的物质相同，则计算出的厚度恰好 等于对象中物质的实际厚度。如果在待检查对象中在X射线的传播路径S上存在多个由同 一物质构成的物体，则这些物体在对对象建模时被组合成一个共同层。这也适用于这些物 体在对象中没有直接相邻的情况。 在下一个步骤中借助合成等式(5)计算至少一个合成图像。该合成等式在此具有 以下形式 V —卩oW e 加 吸收值t3(E) S3(S)和t4(E) S4(S)分别与权重因子w3和w4相乘并相加。
该和与因子-l相乘就形成在该吸收等式中指数函数的指数。在本实施例中，权重因子w3和
w4对整个图像，也就是具有任意坐标x和y的所有像点来说都被选择为恒定的。所计算的
强度Isym以公知方式被转换为二维图像以显示在屏幕上。可选地，对各个层在总吸收中的 分量的着色根据为该层假定的物质来进行。 如果权重因子^等于0，则合成图像仅基于所假定的物质3的吸收分量，在本例中 该物质3是塞姆汀塑胶炸药。从图2a可以看出，恰好是实际物质2的假定的物质4不提供 图像分量。物质2在所拍摄的吸收X射线图像中留下的轮廓在合成图像中完全不存在。由 此可以推断，假定的物质4，即铁，包含在对象中。相反，如果将权重因子w3设为等于0，则 合成图像仅基于来自假定的物质4的吸收分量。在吸收X射线图像中能察觉到的物质1的 轮廓未包含在合成图像中，由此可以推断假定的物质3存在于该对象中。
图3示出由3种物质构成的对象的截面。物质5和6以及它们的厚度对应于图1 中的物质1和2。另外，该对象中包含2mm厚的物质7。物质7位于X射线源和在位置B、 C、 D处的检测器之间的射线路径中，但是并不在X射线源和位置A处的检测器之间。
该对象又通过由两层构成的模型来描述。为此采用以下等式
<formula>formula see original document page 7</formula>
对于该模型，假定物质8是塞姆汀塑胶炸药，物质9是铁，因此这些材料对应于在 该对象中实际存在的两种物质。S 8和S 9的计算类似于第一实施例。 由于所示出的两层模型不能正确反映由3种物质构成的对象，因此所计算出来的 厚度即使在正确假定物质8和9的情况下也不会等于对象中物质5和6的实际厚度。更不 用说物质7是两个所计算出来的厚度的一部分，因为物质7恰好不对应于所假定的物质中 任何物质。由此在图4a中给出物质8的厚度变化曲线，在图4b中给出物质9的厚度变化 曲线。 位置B处的X射线检测器所测量的X射线被物质7的吸收等于1. 2mm的物质8_即 塞姆汀塑胶炸药和0. 2mm的物质9-即铁所引起的吸收。所述厚度在位置B、 C、 D处形成错 误的偏移。如果塞姆汀塑胶炸药作为假定的物质8，该物质8对应于实际物质5，则在位置 D处产生1. 5mm的另一个正确厚度分量，并且因此所计算的总厚度为2. 7mm。对于正确地被 假定为实际物质6-铁的物质9，在位置C和D处通过该对象产生附加的厚度分量lmm，并且 因此所计算的总厚度为1. 2mm。 从图4a和4b中的所计算的厚度的变化曲线中可以看出，通过第三物质7虽然产 生了所假定的物质的厚度的附加分量，但是由各自物质构成的物体在该对象中的实际轮廓 却正确地反映了出来。 在将权重因子w9选择为0的情况下，合成图像虽然包含物质5和7的轮廓，但是 没有作为物质6的铁的轮廓。如果相反将权重因子W8选择为等于0，则合成图像不包含由 塞姆汀塑胶炸药引起的轮廓。由于与拍摄的吸收X射线图像相比没有轮廓，可以推断假定 的物质存在于对象中，即使该对象还包含更多或其它非所述数学模型所考虑的物质。
权利要求
一种用于改善X射线检查设备中的物质可识别度的方法，具有以下方法步骤-在不同能量的情况下拍摄待检查对象的至少两幅吸收X射线图像，-在假定每一层具有具体物质的情况下通过多个层来对该对象进行数学建模，其中吸收值描述一个层的吸收能力，层的数量小于或等于X射线图像的数量，而且对于至少一层假定存在检查时要识别的物质，-将每层的吸收值分解为与路径相关的因子和与能量相关的因子，-借助吸收等式根据所述吸收X射线图像来为所有层计算与路径相关的因子，-根据所有层的与权重因子相乘的吸收值的和来计算至少一个合成图像，-分析该合成图像。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，两幅吸收X射线图像是在两种能量的情况 下拍摄的。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在计算所述合成图像时，具有待识别 物质的层的吸收值用因子0加权。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，计算所述合成图像时的所述 权重因子与像点在X射线图像中的位置有关。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在计算所述合成图像时，由 层所引起的吸收根据对该层假定存在的物质而被着色。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，与能量相关的因子是物质的 质量衰减系数，与路径相关的因子是物质的质量堆装密度。
7. —种X射线检查设备，具有用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法的装置。
全文摘要
一种用于改善X射线检查设备中的物质可识别度的方法，具有以下方法步骤以不同的能量拍摄待检查对象的至少两幅吸收X射线图像，在假定每一层具有具体物质的情况下通过多个层来对该对象进行数学建模，其中吸收值描述了每一层的吸收能力，层的数量小于或等于X射线图像的数量，而且对于至少一层来说假定一种要在检查时识别的物质，将每层的吸收值分为去路径有关的因子和与能量有关的因子，借助吸收等式根据所述吸收X射线图像来计算所有层的与路径有关的因子，根据所有层的与权重因子相乘的吸收值之和来计算至少一幅合成图像，分析该合成图像。
文档编号G01N23/04GK101796400SQ200880105770
公开日2010年8月4日 申请日期2008年8月1日 优先权日2007年9月5日
发明者U·西登博格 申请人:史密斯海曼有限公司