Transfert de l'imagerie X en contraste de phase du synchrotron à l'hôpital : développement et optimisation de l'imagerie par modulations

Transfer of X-ray phase contrast imaging from the synchrotron to the hospital : development and optimization of modulations-based imaging

• Auteur / Autrice : Laurène Quenot
• Direction : Sylvain Bohic, Emmanuel Brun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Rayonnement synchrotron pour la recherche biomédicale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Sam Bayat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clarisse Fournier, Philippe Zeitoun, Anne Bonnin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Paola Coan, Simon Zabler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement synchrotron

Tomographie

Rayons X

Traitement d'images

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Simulations numériques

Imagerie X en contraste de phase

Traitement d'images

Imagerie X de champ sombre

Tomographie

Numerical simulations

X-Ray phase contrast imaging

Image processing

X-Ray Dark-Field imaging

Tomography

Résumé

Il a été prouvé que l'imagerie à rayons X par contraste de phase et en champ sombre ont un grand potentiel pour le diagnostic médical de diverses pathologies grâce aux nouveaux contrastes qu'ils fournissent par rapport à la radiographie conventionnelle. Contrairement à l'atténuation qui est directement visible sur une radiographie sous la forme de ''l'ombre'' de l'échantillon, les signaux de phase et de champ sombre nécessitent des dispositifs spéciaux pour être récupérés. Les techniques d'imagerie par contraste de phase ont d'abord été inventées en utilisant des sources de rayons X superpuissantes : les synchrotrons. Cependant, ces sources ne sont pas compatibles avec les routines cliniques. De nouvelles techniques ont donc été inventées : l'interférométrie par réseaux, l'illumination de bord ou l'imagerie basée sur les modulations.Ce travail présente des avancées concernant le transfert d'une technique synchrotron appelée imagerie par tavelures ('speckle-based imaging' en anglais) vers des installations à sources conventionnelles. La méthode est alors renommée imagerie par modulations en raison de la disparition du phénomène de 'speckle' avec la perte de cohérence de ces installations. Cette méthode consiste à placer une membrane structurée de manière aléatoire dans la trajectoire du faisceau afin de créer un motif de référence, puis, d'analyser les modifications du motif lors de l'insertion de l'échantillon dans la trajectoire du faisceau. La difficulté est que les modifications du motif sont moins visibles lorsque l'on travaille avec une source conventionnelle à faible cohérence et un détecteur à faible résolution tel que ceux utilisés dans les appareils cliniques. Le travail présenté dans ce manuscrit comprend la création et la validation d'un outil de simulation pour l'optimisation du set-up ainsi que de nouveaux algorithmes d'extraction de signaux adaptés aux cas moins cohérents. Des résultats sur des expériences de synchrotron ainsi que sur des dispositifs à sources conventionnelles sont présentés. Les outils numériques développés ici devraient permettre, avec un travail d'optimisation complémentaire et de moyens matériels, la création d'un dispositif compatible avec la clinique.

X-ray phase contrast and dark-field imaging were proven to have a great potential for medical diagnosis of various pathologies thanks to the new contrasts they can provide compared to conventional radiography. Contrary to the attenuation that is directly visible on a radiography as the “shadow” of the sample, the phase and dark-field signals need special set-ups for them to be retrieved. Phase contrast imaging techniques were first invented using super-powerful x-ray sources: synchrotrons. However, those sources are not compatible with clinical routines. Therefore, new techniques were invented: Grating interferometry, Edge illumination or Modulations-based imaging.The present work reports advances toward the transfer of a synchrotron technique called speckle-based imaging to set-ups with conventional sources, renaming the method Modulation-Based Imaging (MoBI) due to the disappearance of the 'speckle' phenomenon with those set-ups. This method consists in placing a randomly structured membrane in the path of the beam in order to create a reference pattern and then analyze the pattern modifications upon introduction of the sample in the path of the beam. The difficulty is that the modifications of the pattern gets less visible when working with a conventional source and a low-resolution detector such as the ones used in clinical devices. The work presented in this manuscript includes the creation and validation of a simulation tool for set-up optimization along with new signals extraction algorithms adapted to less coherent cases. Results on synchrotron experiments as well as on conventional sources set-ups are presented. The numerical tools developed here should allow, with some more optimization work and means, the creation of a clinical compatible device.