Imagerie X de phase basée sur le capteur de front d’onde de Hartmann pour application sur l'étude des maladies neurodégénératives

X-ray phase imaging based on Hartmann Wavefront Sensor for applications on the study of neurodegenerative diseases

• Auteur / Autrice : Ginevra Begani Provinciali
• Direction : Philippe Zeitoun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/03/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau ; 1970 -....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'optique appliquée
• Jury : Président / Présidente : Lucie Sancey
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Zeitoun, Lucie Sancey, Fulvia Arfelli, David Ros, Jean-Claude Kieffer, Alessia Cedola
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fulvia Arfelli, David Ros

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie en biologie

Tomographie à rayons X

Maladies neurodégénératives

Rayonnements électromagnétiques

Imagerie médicale

Mots clés libres

Capteur de front d’onde

Contraste de phase

Tomographie

Rayon X

Imagerie biologique

Wavefront sensor

Phase Contrast

Tomography

X-Rays

Biological imaging

Résumé

L'objectif de cette thèse consiste en le développement d'une technique d'imagerie X de phase basée sur l'utilisation d'un senseur de front d'onde de type Hartmann pour être exploité sur différentes applications et de comparer ce nouveau système avec des techniques bien connues d'imagerie en contraste de phase. L'imagerie de phase sera principalement réalisée en 3D par tomographie. L'application principale inclue l'étude d'altérations du système nerveux central induites par des maladies neurodégénératives. La première section d'introduction décrit les aspects de base de l'interaction rayons X-matière et de la théorie de la cohérence avec des applications spécifiques à la conception de senseur de front d'onde de Hartmann. Dans le deuxième chapitre, une introduction à l'imagerie par contraste de phase est donnée, avec une attention particulière sur la technique en propagation libre. Le troisième chapitre examine les principes de la tomographie et des logiciels de reconstruction disponibles. Un chapitre séparé, numéroté 4, est dédié à la théorie des senseurs de front d'onde de Hartmann. Un modèle de propagation en 3D basé sur le propagateur de Fresnel a été développé pour optimiser l'architecture du senseur complet incluant la plaque de Hartmann, les distances entre les différents éléments du montage et enfin les propriétés de la source X. Le modèle peut gérer n'importe quel degré de cohérence spatiale, permettant de réaliser des modélisations précises d'une grande variété de source X. Différentes simulations de situation expérimentales sont décrites pour valider le programme. Puis, les programmes principaux de reconstruction du front d'onde ont été analysés. Dans le chapitre 5, nous allons présenter des résultats expérimentaux obtenus avec le senseur de font d'onde X en géométrie de faisceau parallèle (synchrotron) ou conique (mesure en laboratoire). Différentes plaques de Hartmann ont été utilisé sur le montage de laboratoire pour visualiser une série d'échantillons test et biologiques. De plus, sur synchrotron, nous avons testé le senseur de Hartmann pour retrouver la composition chimique d'objets composés de matériaux connus. La composition chimique peut être estimée à partir de mesures directes et indépendantes de la partie réelle (proportionnelle à l'absorption) de l'indice de réfraction de l'échantillon. Dans le chapitre 6, les résultats expérimentaux obtenus en tomographie X par contraste de phase en propagation libre seront discutés. Nous avons exploité la capacité de l'imagerie X par contraste de phase pour étudier les effets des maladies neurodégénératives du système nerveux central.

The aim of this PhD thesis is to develop the technic of X-ray phase imaging with Hartmann wavefront sensor for various applications and to compare this new system against well-established phase-contrast techniques. The X-ray phase imaging will be mainly performed in 3D using tomographic setup. The main application includes the study of alteractions in the central nervous system induced by neurodegenerative diseases. The first introductory section describes the basic aspects of X-ray interaction with matter and of yhe coherence theory with specific application to the Hartmann wavefront sensor design. In the second chapter, an introduction to the free-space propagation technique. The third chapter examines the principles of tomography acquisitions and the available reconstruction algorithms. A separate chapter, labeled 4, is dedicated to the theory of Hartmann wavefront sensor. A 3D wave propagation model based on Fresnel propagator was developed to optimize the architecture of the full wavefront sensor including the Hartmann plate, the distances between the different elements of the set-up as well as the X-ray source. The model can manage any degree of spatial coherence, enabling the accurate simulation of a wide range of X-ray sources. Several simulations of standard experimental situations are described to valid the program. Then, the main wavefront reconstruction algorithms have been analyzed. In chapter 5, we will present experimental results obtained with the X-ray Hartmann wavefront sensor using both a parallel beam geometry (synchrotron measurements) and a cone beam geometry (laboratory measurements). Different Hartmann plates were used with the laboratory set-up to visualize a series of test and biological samples. also, using synchrotron, we tested the Hartmann sensor to retrieve the chemical composition of objects composed of known materials. The chemical composition could be inferred starting from direct and independent measurements of the real part (proportional to the phase) and the imaginary part (proportional to the absorption) of the sample refractive index. In chapter 6, the experimental results obtained with free space propagation X-ray phase contrast tomography will be discussed. We exploited the capability of X-ray phase contrast imaging to investigate the effects of neurodegenerative diseases on the central nervous system.