Experimental and theoretical contributions to X-ray phase-contrast techniques for medical imaging
Contributions expérimentales et théoriques aux techniques de contraste de phase pour l'imagerie médicale par rayons X
Résumé
Several X-ray phase-contrast techniques have recently been developed. Unlike conventional X-ray methods, which measure the absorption properties of the tissues, these techniques derive contrast also from the modulation of the phase produced by the sample. Since the phase shift can be significant even for small details characterized by weak or absent absorption, the achievable image contrast can be greatly increased, notably for the soft biological tissues. These methods are therefore very promising for applications in the medical domain. The aim of this Thesis is to contribute to a deeper understanding of these techniques, in particular propagation-based imaging (PBI), analyzer-based imaging (ABI) and grating interferometry (GIFM), and to study their potential and the best practical implementation for medical imaging applications. An important part of this Thesis is dedicated to the use of mathematical algorithms for the extraction, from the acquired images, of quantitative sample information (the absorption, refraction and scattering sample properties). In particular, five among the most known algorithms based on the geometrical optics approximation have been theoretically analysed and experimentally compared, in planar and tomographic modalities, by using geometrical phantoms and human bone-cartilage and breast samples. A semi-quantitative method for the acquisition and reconstruction of tomographic images in the ABI and GIFM techniques has also been proposed. The validity conditions are analyzed in detail and the method, enabling a considerable simplification of the imaging procedure, is experimentally verified on phantoms and human samples. Finally, a theoretical and experimental comparison of the PBI, ABI and GIFM techniques is presented. The advantages and drawbacks of each of these techniques are discussed. The results obtained from this analysis can be very useful for determining the most adapted technique for a given application.
Différentes techniques d'imagerie par contraste de phase des rayons X ont été récemment développées. Contrairement aux méthodes conventionnelles, qui mesurent les propriétés d'absorption des tissus, ces techniques donnent aussi le contraste du déphasage introduit par l'échantillon. Puisque le changement dans la phase peut être important même quand les différences en atténuation sont faibles ou absentes, le contraste d'image obtenable peut être considérablement augmenté, notamment pour les tissus mous biologiques. Ces méthodes sont donc très prometteuses pour une application dans le domaine médical. Cette Thèse a le but de contribuer à une compréhension plus profonde de ces techniques, en particulier la propagation-based imaging (PBI), la analyzer-based imaging (ABI) et la grating interferometry (GIFM), et d'étudier leur potentiel et la meilleure implémentation pratique pour les applications médicales. Une partie importante de cette Thèse est dédiée à l'utilisation d'algorithmes mathématiques pour l'extraction, à partir des images acquises, d'informations quantitatives (absorption, réfraction et diffusion) concernant l'échantillon. En particulier, cinq parmi les algorithmes les plus connus pour la technique ABI sont analysés théoriquement et comparés expérimentalement, dans les modalités planaire et tomographique, en utilisant des fantômes et des échantillons de tissu mammaire et d'os-cartilage. Une méthode semi-quantitative pour l'acquisition et la reconstruction d'images tomographiques dans les techniques ABI et GIFM est aussi proposée. Les conditions de validité sont analysées en détail et la méthode, permettant une simplification considérable de l'implémentation pratique, est vérifiée expérimentalement sur des fantômes et des échantillons humains. Enfin, une comparaison théorique et expérimentale des techniques PBI, ABI et GIFM est présentée. Les avantages et les désavantages de chacune des techniques sont mis en évidence. Les résultats obtenus par cette analyse peuvent être très utiles pour déterminer quelle technique est la plus adaptée à une application donnée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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