Vreemde voorwerpen detecteren met dark-field X-stralen

Printervriendelijke versieSend by email

 

Screenen op aanwezigheid van vreemde voorwerpen is een essentieel voor kwaliteitscontrole en -garantie van levensmiddelen. Vooral de detectie van organische materialen vormt hier een grote uitdaging aangezien klassieke methoden, bijvoorbeeld gebaseerd op X-stralen, te kort schieten. Dark-field X-stralen beeldvorming kan hier soelaas bieden.

Conventionele X-stralen transmissie radiografie maakt gebruik van het absorptiecontrast tussen het product en het vreemde voorwerp. Organische componenten afkomstig van bijvoorbeeld ruwe grondstoffen of verpakkingen vertonen echter een zeer beperkte absorptie van X-stralen. Het beperkte contrast maakt detectie via een geautomatiseerd detectiealgoritme dan ook quasi onmogelijk. Er is dus nood aan een geautomatiseerde en gevoelige methode voor detectie van organisch materiaal. Dark-field X-stralen beeldvorming, gebaseerd op de verstrooiing van X-stralen,  biedt heel wat mogelijkheden. 

Absorptie vs fase-verschuiving

Werken met de verstrooide X-stralen ipv met de geabsorbeerde X-stralen biedt heel wat mogelijkheden om tot een betere contrastvorming te komen. De verstrooiing is doorgaans veel groter dan de absorptie en bovendien veroorzaken deze verstrooide X-stralen een faseverschuiving in de X-stralen golf die doorheen het staal passeert. Door het registreren van deze faseverschuiving in plaats van de absorptie zou een substantieel beter contrast bekomen kunnen worden. De voorbije jaren werden dan ook heel wat fase-gevoelige X-stralen radiografische methoden ontwikkeld. De grating interferometer is er daar een van.

Grating interferometer

Een grating interferometer bestaat uit verschillende gratings die tussen het staal en de detector geplaatst worden. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 1a. G1 en G2 zijn samen verantwoordelijk voor de contrastvorming.

De fase-grating G1is een grating waarvan de lijnen zo goed als geen absorptie vertonen maar wel een substantiële faseverschuiving. Deze grating doet dienst als beam splitter en verdeelt de inkomende straling in de eerste twee diffractie-ordes die dan een periodiek interferentiepatroon vormen in het vlag van deanalysator grating G2. Daar waar deze diffractiestralen overlappen, ontstaan lineaire perodieke franjepatronen. Het basisidee achter deze methode is om de positie van deze franjes te detecteren en hieruit de vorm van het golffront te bepalen (Figuur 1b). Deze analysator grating G2 is een absorptie grating met absorberende lijnen en gelijke periodiciteit en oriëntatie als de franjes. Deze analysator doet dienst als een transmissiemasker voor de detector en vertaalt de locale franjepositie naar variaties in signaal intensiteit. Het gedetecteerde signaal bevat aldus kwantitatieve informatie over de fasegradiënt van het staal.

Figuur 1: Experimentele setup X-ray grating interferometer: a) bron grating G0, fase grating G1 en analysator absortie grating G2; b) lineair periodiek franje patroon wordt gecreëerd na G1 in het vlak van G2; c) intensiteitsmodulatie gedetecteerd in een detectorpixel wanneer één van de gratings word gescand langs Xg. Een verlies in oscillatieamplitude door verstrooiing van de X-stralen in het staal kan gebruikt worden om beelden met dark-field contrast te extraheren. (Pfeiffer et al., 2008)

Verbeterd contrast via dark –field X-stralen radiografie

Via de opstelling geïllustreerd in Figuur 1 kunnen dark-field beelden, of algemeen beelden gebaseerd op de lokale verstrooiing van de  X-stralen door het staal, bekomen worden. Dark-field belichting verwijdert het niet-verstrooide licht uit het diffractiepatroon dat gevormd wordt in het achterste focale vlak. Dit resulteert in een beeld dat exclusief bestaat uit licht dat verstrooid wordt door het staal.

Figuur 2 illustreert dit aan de hand van X-stralen beelden van een kippenvleugel. Het conventionele transmissiecontract wordt getoond op Figuur 2a en het dark-field contrast in Figuur 2b. Beide beelden werden gemaakt aan de hand van een gelijke radiatiedosis en blootstellingstijd (40s). In het dark-field beeld verschijnt een scherpe aflijning van de kippenvleugel. Bovendien kan uit dit beeld ook geconcludeerd worden dat de kippenbotten bestaan uit een zeer poreuze en sterk verstrooiende microstructuur, wat maakt dat ze duidelijk zichtbaar zijn in het dark-field beeld.

Figuur 2: Beeldvorming van biologisch materiaal (kippenvleugel): a) conventioneel transmissie beeld; b) dark field image (Pfeiffer et al., 2008)

Detectie vreemde voorwerpen in levensmiddelen

Dat dark-field X-stralen radiografie potentieel heeft voor de detectie van vreemde voorwerpen in levensmiddelen wordt geïllustreerd aan de hand van twee voorbeelden: gehakt vlees en zure room (Figuur 3) met daaraan toegevoegd enkele vreemde voorwerpen. Transmissie en dark-field X-stralen radiografische opnames van beide stalen worden vervolgens met elkaar vergeleken (Figuur 4 en Figuur 5).

Figuur 3 Producten met daaraan toegevoegd enkele vreemde voorwerpen: a) gehakt vlees mat glas, papier en een lieveheersbeestje, b) zure room met papier, een vlieg en een sigarettenpeuk (Nielsen et al;, 2013)

Voor elke opname werd de CNR (contrast-to-noise-ratio)-waarde bepaald. Een hoge CNR wijst op een significant hoger contrast tussen het vreemde voorwerp en het levensmiddel dan de “ruis” in het beeld. Dit contrast is niet aanwezig bij een lage CNR-waarde.

In Figuur 4 worden een klassiek X-stralen beeld vergeleken met een dark-field opnamen. Uit de CNR-waarden in Tabel 1 blijkt dat het conventioneel X-stralen beeld beter scoort voor de contrastvorming van het stuk glas, maar minder scoort voor de andere vreemde voorwerpen. In de dark-field opname kan elke vreemd voorwerp duidelijk onderscheiden worden. Deze resultaten tonen aan dat transmissie en dark-field radiografie complementaire eigenschappen hebben en dus gecombineerd gebruikt kunnen worden voor detectie van verschillende vreemde voorwerpen. Een beperking voor het contrast in beide opnames is de grote pixelvariatie voor gehakt vlees, veroorzaakt door de specifieke structuur van gehakt vlees. Deze pixelvariatie limiteert de CNR-waarden die verkregen kunnen worden (minder contrast).

Figuur 4 Conventioneel X-stralen beeld (transmissie) (a) en dark-field x-stralen beeld van gehakt vlees (geel) met enkele vreemde voorwerpen (glas = blauw, papier = groen, insect = rood) (Nielssen et al., 2013)

Tabel 1: Contrast-to-noise-ratio (CNR) voor gehakt vlees (Nielssen et al., 2013)

Ook voor de zure room werden de CNR-waarden bepaald voor de conventionele X-stralen opname en de beeldvorming via dark-field X-stralen (Figuur 5). Een visuele vergelijking van beide opnames geeft aan dat dark-field radiografie een veel groter contrast oplevert tussen de room en de vreemde voorwerpen dan de transmissie radiografie. Vooral voor het papier is dit contrast zeer duidelijk. De CNR-waarden in Tabel 2 bevestigen dat de hoogste contrasten werden verkregen met de dark-field radiografie. Bovendien is het in de dark-field radiografie ook mogelijk luchtbellen in de room te onderscheiden, wat niet mogelijk is in de transmissie radiografie. De hoge contrasten verkregen met dark field radiografie onderstrepen het grote potentieel van deze techniek voor de detectie van vreemde voorwerpen die niet (altijd) worden opgepikt met conventionele transmissie X-stralen analyse.

Figuur 5 Conventioneel x-stralen beeld (a) en dark-field x-stralen beeld van zure room (geel) met enkele vreemde voorwerpen (papier = blauw, sigarettenpeuk = groen, insect = rood) (Nielssen et al., 2013)

 

Tabel 2: Contrast-to-noise-ratio (CNR) voor zure room (Nielssen et al., 2013)

Potentieel voor praktische implementatie

Het potentieel van dark-field X-stralen beeldvorming om “hard-to-find” vreemde voorwerpen in levensmiddelen op te sporen werd duidelijk aangetoond met de beschreven voorbeelden. Het verschil met de conventionele transmissie-gebaseerde systemen ligt in de hogere contrasten die gehaald worden via dark-field radiografie. Zeer kleine vreemde voorwerpen van poreus materiaal vormen een uitdaging in sommige matrices. Dit werd geïllustreerd in het voorbeeld van het gemalen vlees.

Om de stap te kunnen zetten naar een volledig geautomatiseerd detectiesysteem dient eerst nog onderzocht te worden welk contrast, en meer bepaald welke contrast/ruis-verhouding, hiervoor nodig is. Verder onderzoek is nog nodig vooraleer de techniek kan worden geïmplementeerd in een online detectiesysteem op een transportband. Een eerste voorstel voor een grating-gebaseerd interferometrisch scanning systeem dat gebruikt maakt van een aantal lijndetectoren en samplebeweging voor beeldvorming is reeds beschreven (Kottler et al., 2007). Grating-gebaseerde interferometrie heeft dus zeker een groot potentieel voor praktische implementatie.

Bronnen:

Kottler et al. (2007), Grating interferometer based scanning setup for hard X-ray phase contrast imaging, Review of Scientific Instruments, 78, 043710

Nielsen et al. (2013), X-ray dark-field imaging for detection of foreign bodies in food, Food Control, 30, 531-535

Pfeiffer et al. (2008), Hard X-ray dark-field imaging using a grating interferometer, Nature Materials, 7, 134-137

Weitkamp et al. (2005), X-ray phase imaging with a grating interferometer, Optics Express, 12, 6296-6304