Development of speckle based X-ray imaging for biomedical applications

Osteoarticular diseases are one of the most common causes of chronic pain, but their diagnosis and understanding can be complex. Dierent imaging methods are available to describe joint conditions such as radiography, MRI, CT scan or ultrasound, but none of them can depict all the anatomical components in a single image. For the past two decades, X-ray Phase Contrast Imaging (PCI) are constantly being under development because of their superiority for imaging low density objects and its ability to a simultaneous visualization of all tissues. But the extraction of the phase signal is not directly possible, making this information not very often retrieved. The required gold standard instrumentation for PCI is currently a synchrotron facility, limiting clinical applications due to limited access. Several PCI techniques have already been developed and, despite the advances in the literature, they still face many challenges, both instrumental and dosimetric. In this context, the main motivation of this PhD was to propose and develop a phase contrast imaging technique that is easily transferable to conventional sources. The speckle based PCI technique was chosen because, compared to other PCI techniques, it appears to be the most suitable technique for the dose aspects. In addition, it does not require neither an expensive instrumentation nor the specific properties of synchrotron radiation to be implemented. Despite these benefits, it required many algorithmic developments and optimization of the experimental configurations before a transfer on conventional sources. In the first part of the thesis, we propose to show the diagnostic potential of the PCI for osteoarticular applications by imaging anatomical pieces and small animal osteoarticular models. The development and the optimization of speckle based PCI was first performed using the ideal conditions of the European synchrotron source. In particular, a new phase retrieval algorithm has been implemented permitting to reduce the delivered dose while maintaining a constant image quality compared to other speckle based PCI techniques. Several acquisition schemes and experimental conditions were tested. A new instrumental solution for speckle generation has been created. Finally, under these optimized conditions, measurements were made with various conventional X-ray sources. The results obtained have demonstrated the feasibility of the transfer on standard sources under compatible experimental conditions of clinical and pre- clinical imaging routines. This transfer could improve the understanding of the osteoarticular diseases as well as the follow-up of dierent therapeutic strategies and finally an earlier diagnosis.

The jury is composed of:

Madame Christine Chappard
Chargée de Recherche, UMR 7052 CNRS Biologie-B3OA, Université Paris Diderot, Reviewer

Monsieur Timm Weitkamp
Scientifique de ligne, synchrotron SOLEIL, Reviewer

Monsieur Sylvain Bohic
Chargé de Recherche, Communauté Université Grenoble Alpes, PhD Director

Madame Marlène Wiart
Directrice de Recherche, CarMeN Inserm U1060 Lyon, Examinator

Monsieur Philippe Gaudin
Professeur des universités - praticien hospitalier, CHU Grenoble Alpes, Examinator

Monsieur David Paganin
Professeur, School of Physics and Astronomy, Monash University, Examinator

en français:
Les pathologies ostéo-articulaires représentent une des causes les plus fréquentes de douleurs chroniques mais leur diagnostic et leur compréhension peuvent être complexes. Différentes méthodes d’imagerie sont disponibles pour décrire l’état des articulations telles que la radiographie, l’IRM, le scanner ou encore les ultrasons, mais aucune ne permet de visualiser tous les composants anatomiques sur une seule image. Depuis deux décennies, les méthodes d’Imagerie en Contraste de Phase (ICP), dans le domaine des rayons X, font l’objet de développements constants en raison de leur supériorité pour l’imagerie d’objets de faible densité et la visualisation simultanée de tous les tissus. Or l’extraction du signal de phase n’est pas directement mesurable, rendant cette information bien souvent inexploitée. L’instrumentation de référence nécessaire à l’ICP, de par ses propriétés, est à l’heure actuelle une installation synchrotron, limitant les applications cliniques du fait de l’accès limité à ces instruments. Plusieurs techniques d’ICP ont déjà été développées et, malgré les progrès réalisés dans la littérature, elles doivent encore faire face à de nombreux défis, concernant les aspects instrumentaux et dosimétriques, avant que l’ICP ne devienne une technique non invasive de routine clinique. Dans ce contexte, la principale motivation de cette thèse a été de proposer et développer une technique d’imagerie en contraste de phase qui soit aisément transférable sur source conventionnelle. La technique d’ICP par tavelures a été choisie pour envisager un tel transfert car, par comparaison avec d’autres techniques d’ICP, elle apparaît comme la plus à même de respecter les contraintes dosimétriques. De plus, elle ne nécessite ni une instrumentation coûteuse ni les propriétés spécifiques du rayonnement synchrotron pour être mise en oeuvre. En contrepartie de ces avantages, elle demande de nombreux développements algorithmiques et une optimisation des configurations expérimentales avant qu’un déploiement sur sources conventionnelles puisse être envisagé. Dans une première partie de la thèse, nous proposons de montrer le potential diagnostic de l’ICP pour les applications ostéo-articulaires en imageant des pièces anatomiques et modèles ostéo-articulaires chez le petit animal. Avant le transfert sur des sources conventionnelles, le développement et l’optimisation de la technique d’ICP par tavelures ont été réalisés dans les conditions idéales du synchrotron européen. En particulier, un nouvel algorithme d’extraction du signal de phase a été implémenté et a permis de réduire la dose délivrée tout en maintenant un rapport signal-sur-bruit constant comparée aux autres techniques d’ICP par tavelures. Plusieurs schémas d’acquisition et conditions expérimentales ont été testés. Une nouvelle solution instrumentale pour générer les tavelures a été créée. Finalement, dans ces conditions optimisées, des mesures ont été réalisées auprès de différentes sources de rayons X conventionnelles. Les résultats obtenus ont ainsi pu démontrer la faisabilité de ce transfert de l’ICP par tavelures sur des sources standards dans des conditions expérimentales compatibles des routines d’imagerie clinique et pré-clinique. Ce transfert pourrait améliorer la compréhension des maladies, le suivi des différentes stratégies thérapeutiques et le diagnostic précoce dans le cas des maladies ostéo articulaires comme dans le cas d’autres pathologies.