WO2020157263A1 - Procedes et systemes pour l'imagerie de contraste phase - Google Patents

Procedes et systemes pour l'imagerie de contraste phase Download PDF

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WO2020157263A1
WO2020157263A1 PCT/EP2020/052401 EP2020052401W WO2020157263A1 WO 2020157263 A1 WO2020157263 A1 WO 2020157263A1 EP 2020052401 W EP2020052401 W EP 2020052401W WO 2020157263 A1 WO2020157263 A1 WO 2020157263A1
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phase contrast
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Xavier Levecq
Fabrice Harms
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Imagine Optic
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    • G01N2223/612—Specific applications or type of materials biological material

Definitions

  • the present invention contains a description and a set of claims. It also contains figures, an abstract and an abstract figure.
  • the present description relates to methods and systems for phase contrast imaging, and more precisely phase contrast imaging by means of X-rays.
  • the present description finds applications in particular in the medical field and non-destructive testing (eg identification of internal defects in the structure of materials).
  • X-rays are electromagnetic waves of very high frequencies, typically 10 16 to 10 20 Hz (i.e. wavelengths between 0.003 nm and 30 nm), having the capacity to penetrate the vast majority of materials over significant thicknesses, typically from several centimeters to several meters. These physical properties of X-rays have been exploited for decades in the field of imaging to produce images characteristic of the interaction of X-rays with matter.
  • the best-known example concerns medical imaging: imaging transmitting X-rays through a biological object, called radiography, provides access to images whose contrast is representative of both thickness and the attenuation coefficient of the structures crossed.
  • the local attenuation of the image is representative of the phenomena of absorption and diffusion by a volume within the object passed through, for example a tumor in the case of radiography at cancer diagnostic aim.
  • phase contrast imaging In general, the phase shift of an electromagnetic wave is not a phenomenon directly observable using existing detection methods, in particular image sensors. The latter are in fact sensitive to the intensity of the radiation, itself corresponding to the square of the amplitude of the electromagnetic wave.
  • Narrow interferom imaging is based on the generation of interference between a wave whose phase is disturbed by an object of non-homogeneous index and a reference wave.
  • the interference fringes thus created correspond to a modulation of the amplitude of the electromagnetic field, directly observable with the aid of cameras, and whose characteristics - for example the number of fringes present on a given surface - make it possible to trace the variations. phase induced by the object.
  • the review article by A. Bravin et al. [Ref. 1] describes more precisely the interferometric imaging techniques in the X-ray field.
  • a difficulty of interferometric imaging in the X-ray field is linked in particular to the need to use spatially and spectrally coherent X-ray sources, which prohibits the use of X-ray tubes conventionally used in radiography.
  • a network the dimensioning of which is directly linked to the characteristics of the other networks present in the system, is placed directly in front of a conventional source such as an X-ray tube (see for example the article by F. Pfeiffer et al. [ Ref. 2]).
  • this approach has many limitations, including the difficulty of fabricating such networks, due to the very low wavelengths involved.
  • the second large family of phase contrast imaging methods in the X-ray field includes deflectometric imaging techniques. Those- ci are based on the local deflection measurement of a beam as an indicator of a local phase variation. The generation of a multitude of beams with respect to a given surface, and the analysis of the local deflections of each of these beams after crossing an object of interest makes it possible to go back to a two-dimensional map of the variations in phase induced by the object. These techniques present in particular the advantage of being less sensitive to the characteristics of the source used, in particular in terms of coherence, and of being thus able to be implemented with conventional X-ray sources in radiography.
  • FIGS 1 A and IB illustrate the principle.
  • the phase contrast imaging described in FIGS IA and IB is obtained by means of a first mask 8 arranged upstream of a sample 10 and of a second mask 6 arranged upstream of an X-ray detector 4
  • the X-rays emitted by an X-ray source 2 are transformed into elementary beams 16 by openings 32 of the mask 8.
  • Said elementary beams 16 pass through the sample 10 and reach elementary detection elements or pixels 12 of the detector 4 through openings 30 of the second mask 6.
  • the elementary beams 16 are arranged to strike the edge of the pixels.
  • the first image is measured with the first edge but not the second edge of each elementary beam overlapping a row of pixels and the second image is measured with the second edge but not the first edge overlapping the adjacent row of pixels.
  • the phase contrast is thus measured in one direction, namely the direction perpendicular to the slits.
  • the gradient of the x-ray absorption function can be calculated and a proportional term can be included in the image processing to calculate a phase contrast image that is only related to the real part of the index refraction.
  • the present description relates to a narrow ectom challenge imaging technique making it possible to obtain a phase contrast image freed from the effect of absorption, in two directions and in a single acquisition, said technique also making it possible, by compared to the techniques known in the state of the art, to reduce the quantity of X-rays necessary for this acquisition.
  • the present description relates to a method of phase contrast imaging of an object comprising the following steps:
  • the emission by means of an X-ray source of an illumination beam the sending of said illumination beam to a detector of said X-rays, said detector comprising a two-dimensional arrangement of identical elementary detectors, said elementary detectors forming a plurality of groups of juxtaposed elementary detectors, each group comprising four elementary detectors arranged in a square;
  • phase contrast image of an object of interest arranged near said first mask comprising acquiring a plurality of picture elements each associated with a group of said plurality of groups of elementary detectors, the acquisition of an image element comprising the measurement of the displacement of the projected shadow of a first opaque element on said group of elementary detectors.
  • the method thus described by measuring movements of cast shadows of opaque elements on groups of elementary detectors, enables more energy efficient two-dimensional phase contrast image formation. Indeed, compared to an aperture mask as defined in the state of the art, the amount of X-rays of the illumination beam blocked by the mask is less; thus, less x-rays are needed to achieve the same signal level on each pixel.
  • phase contrast imaging is meant the formation of an image comprising a plurality of image elements, each image element being characteristic of a local phase shift introduced by an elementary region of an object of interest, resulting from an inhomogeneity present in said elementary region, the local phase shift being determined with respect to a reference phase.
  • opaque is understood to mean a residual transmission to X-rays in a useful spectral band of said X-rays less than the detection sensitivity of the X-ray detector.
  • useful spectral band of X-rays is understood to mean the range of wavelengths selected, for example using spectral filters, such as for example metal absorption filters, so as to obtain radiation whose spectrum is restricted to the desired domain for the intended application. For example, in mammography, a useful spectral range between 20 and 40 keV is usually used.
  • the projected shadow of each first opaque element illuminated by said beam illumination is centered on the intersection between said four elementary detectors.
  • the projected shadow of each first opaque element illuminated by said illumination beam is of shape and dimensions substantially identical to that of a detector.
  • One and / or the other of the embodiments described above help to increase the sensitivity of detection in the method according to the present description.
  • the measurement of the displacement of the projected shadow of a first opaque element on said group of elementary detectors comprises a measurement of the intensity of the X-radiation at the level of each of the four elementary detectors of said group of elementary detectors.
  • the method according to the present description further comprises the acquisition of an absorption image, comprising the calculation of the ratio between the sum of the intensities of the X-radiation measured by each of the four elementary detectors of said group of elementary detectors in the presence of said object of interest and in the absence of said object of interest.
  • the method according to the present description further comprises:
  • the object is positioned downstream of the first mask, that is to say between the first mask and the detector.
  • the distance between the area of the object responsible for a local angular deviation of an incident beam and the detector cannot be precisely known, which does not make it possible to deduce therefrom a quantitative value of said deviation but a mapping of the relative local variations of the phase, hence the concept of “phase contrast”.
  • the object is positioned upstream of the first mask, that is to say between the source and the first mask.
  • This particular arrangement makes it possible to measure the local phase variation quantitatively. Indeed, with the object of interest upstream of the first mask, as the distance between the first mask and the detector is known with certainty, the angular deviation introduced locally can be determined with certainty with respect to the displacement of the cast shadow.
  • phase imaging for this particular case of phase contrast imaging.
  • the method according to the present description further comprises the positioning of a second mask upstream of the first mask, the object of interest being positioned during the formation of a phase image between the first mask and the second mask.
  • the presence of a second mask reduces the amount of X-rays incident on the object, and not useful for imaging.
  • the second mask comprises a set of second opaque elements in said useful spectral band, arranged so that the projected shadow of a second opaque element on the first mask is included in a first opaque element of the first mask.
  • the present description relates to a device for imaging the phase contrast of an object for the implementation of a method according to the first aspect and its various embodiments.
  • phase contrast imaging device comprising:
  • said detector comprising a two-dimensional arrangement of identical elementary detectors, said elementary detectors forming a plurality of groups of juxtaposed elementary detectors, each group comprising four elementary detectors arranged in a square;
  • the first mask comprising an arrangement two-dimensional first opaque elements in a useful spectral band of said X-rays, of given shapes and dimensions such that the projected shadow of each first opaque element illuminated by said illumination beam partially covers each of the four elementary detectors of a group of elementary detectors;
  • a processing unit configured to form a phase contrast image of an object of interest arranged near said first mask, said image comprising a plurality of image elements each associated with a group of said plurality of groups of elementary detectors, each image element being determined from the measurement of the displacement of the projected shadow of a first opaque element on said group of elementary detectors.
  • the X-ray source comprises an X-ray tube or an X-ray source with micro focus (or “microfocus”).
  • the X-ray detector comprises an indirect detection system, for example a detection plate (or "flat panel”) with a matrix of elementary detectors sensitive in the visible (for example CMOS camera) on which is deposited a conversion layer (or scintillator) making it possible to transform the X radiation into visible radiation by a phenomenon of fluorescence.
  • a detection plate or "flat panel” with a matrix of elementary detectors sensitive in the visible (for example CMOS camera) on which is deposited a conversion layer (or scintillator) making it possible to transform the X radiation into visible radiation by a phenomenon of fluorescence.
  • the X-ray detector comprises a direct detection system, for example a photon counting camera (direct detection), a thinned CCD camera (CCD abbreviation of the English expression “Charge Coupled Device” ).
  • a direct detection system for example a photon counting camera (direct detection), a thinned CCD camera (CCD abbreviation of the English expression “Charge Coupled Device” ).
  • the opaque elements of the first mask are formed by pads arranged on a substrate transparent to said X-rays.
  • transparent is understood to mean transmission to the X-rays emitted by the X-ray source, or to the X-rays. X-rays included in the useful spectral band, typically greater than 80%.
  • the opaque elements have the same shapes as the elementary detectors.
  • the dimensions of the opaque elements and of the elementary detectors are different to take account of a magnification factor between the plane of the first mask and the plane of the detector.
  • the opaque elements and the elementary detectors are of rectangular shape, advantageously of square shape.
  • the elementary detectors and the first opaque elements are arranged periodically according to each dimension of two-dimensional arrangement.
  • the shadow projected from each first opaque element is centered on the intersection between said four elementary detectors.
  • the phase contrast imaging device further comprises a second mask positioned upstream of the first mask, the second mask comprising a set of second opaque elements in said useful spectral band, arranged in such a way that when the second mask is illuminated by said illumination beam, the projected shadow of a second opaque element on the first mask is included in a first opaque element of the first mask.
  • the phase contrast imaging device further comprises means for relative movement of said first mask and said detector.
  • FIG. IA is a diagram illustrating a phase contrast imaging method according to the state of the art
  • FIG. IB is a diagram illustrating a phase contrast imaging method according to the state of the art
  • FIG. IC is a diagram illustrating a phase contrast imaging method according to the state of the art
  • FIG. 2A is a diagram illustrating an example of an imaging device according to the present description
  • FIG. 2B represents a diagram illustrating an example of an imaging device according to the present description
  • FIG. 3 A represents a diagram illustrating an example of implementation of the imaging method according to the present description, with the object positioned downstream of the first mask
  • FIG. 3B is a diagram illustrating an example of implementation of the imaging method according to the present description, with the object positioned upstream of the first mask;
  • FIG. 4A is a diagram illustrating an example of shadows cast from opaque elements of an example of a first mask on a detector, for the acquisition of a picture element;
  • FIG. 4B is a diagram illustrating an example of shadows cast from opaque elements of an example of a first mask on a detector, for the acquisition of a picture element;
  • FIG. 4C is a diagram illustrating a cast of shadows of opaque elements of an example of a first mask on a detector, for the acquisition of a picture element;
  • FIG. 4D is a diagram illustrating an example of shadows cast from opaque elements of an example of a first mask on a detector, for the acquisition of a picture element;
  • FIG. 5 A is a diagram illustrating an example of an imaging device according to the present description, comprising a second mask positioned between the source and the first mask;
  • FIG. 5B is a diagram illustrating an implementation example of the device illustrated in FIG. 5 A with an object positioned between the first mask and the second mask;
  • FIG. 6A is a diagram illustrating a configuration of the device according to the present description, according to an example, for the acquisition of a dark field image (no object);
  • FIG. 6B is a diagram illustrating the light intensity on the elementary detectors, according to an example, in the configuration shown in FIG. 6a;
  • FIG. 6C represents a diagram illustrating a configuration of the device according to the present description, according to an example, for the acquisition of a dark field image (with an object);
  • FIG. 6D represents a diagram illustrating the light intensity on the elementary detectors, according to one example, in the configuration shown in FIG. 6c.
  • FIGS. 2A, 2B schematically illustrate an example of an imaging device 200 for implementing an example of a phase contrast imaging method according to the present description.
  • the device is shown schematically in axial section for illustration purposes.
  • the imaging device 200 shown in FIG. 2A comprises an X-ray source 210 allowing the emission of an illumination beam 212, a detector 230 of said X-rays, a first mask 220, a processing unit 240.
  • the first mask 220 and the detector 230 are illustrated in partially in FIG. 2B.
  • the source 210 comprises for example an X-ray tube, a source traditionally used in mammography.
  • X-ray sources can be used, the emitting surfaces of which have sizes smaller than those of X-ray tubes, typically between 5 ⁇ m 2 to 50 ⁇ m 2 .
  • the X-ray detector 230 comprises a two-dimensional arrangement of identical elementary detectors 232.
  • the detector 230 is for example a detector of the detection plate or "flat panel" type.
  • a detector sensitive to X-rays, comprises for example a matrix of elementary CMOS detectors on which is deposited a conversion layer (or scintillator) making it possible to transform the X-radiation into visible radiation by a phenomenon of fluorescence.
  • the photosensitive element of each elementary detector can include silicon like cameras in the visible range.
  • the conversion layer comprises a material of the Csl (Cesium iodide) type, for example a few tens of micrometers thick.
  • the typical size of the elementary detectors of a detector of the detection plate type varies between 50 ⁇ m to 100 ⁇ m per side, the elementary detectors generally being square in shape.
  • the detector 230 is for example a photon counting camera (“photon counting camera”).
  • photon counting camera This type of detector, called direct detection, does not use any additional spectral conversion element of an X photon into a visible photon such as for example the scintillator described above, but uses a semiconductor, such as for example Silicon (Si), Gallium Arsenide (GaAs), or Cadmium Telluride (CdTe), electrically polarized to convert an X photon into electrons, which are themselves quantified using a read circuit including various steps such as amplification, thresholding and event counting.
  • This type of detector has certain advantages such as virtually non-existent read noise, a Modulation Transfer Function (MTF) sensor of the order of one pixel and possibly a capacity for spectral discrimination of incident radiation.
  • MTF Modulation Transfer Function
  • detectors can be used, such as direct detection cameras typically based on thinned CCD (Charge Coupled Device) sensors but whose sensitivity is limited to low X-ray energies, or even indirect detection X cameras, again using a spectral conversion element such as a scintillator, but - unlike a "flat panel" - this is not positioned in direct contact with the detector but combined with the latter using an optical image recovery system, for example based on the use of lenses or bundles of optical fibers.
  • CCD Charge Coupled Device
  • the first mask 220 comprises a two-dimensional arrangement of first elements 222 opaque to said X-rays.
  • the opaque elements are for example pads arranged on a substrate 221 transparent to said X-rays.
  • the pads are for example formed of a material opaque to the X-rays of interest. ; they are formed for example from gold, with sufficient thickness to give them the desired opacity.
  • the term “opaque” element is understood to mean a residual transmission to the X-rays emitted by the source 210, or in the useful spectral band considered for the use of the device 200, less than the detection sensitivity of the X-ray detector. As illustrated in the figures. FIGS 2A, 2B, the entire surface 221 of the substrate not covered by the pads is transparent to the X-rays of interest.
  • the term “transparent” is understood to mean a transmission to the X-rays emitted by the source 210, or to the X-rays of the spectral band useful for using the device 200, of greater than 80%.
  • the substrate is for example, for a useful spectral band centered at 30 keV, made up of a graphite plate several hundred micrometers thick, typically 1 mm.
  • the first mask is arranged between the source 210 and the detector 230, in a plane parallel to a plane of the detector 230, at a given distance from the detector, denoted d in FIG 2 A.
  • an object of interest of which it is desired to form a phase image can be positioned upstream or downstream of the first mask 220, as will be explained below with reference to FIGS. 3A, 3B.
  • a processing unit 240 is configured for the implementation of calculation and / or processing steps implemented in methods according to the present application.
  • each calculation or processing step can be implemented by software. , hardware, firmware, microcode or any suitable combination of these technologies.
  • each computational or processing step can be performed by computer program instructions or software code. These instructions can be stored or transmitted to a storage medium readable by a computer (or processing unit) and / or be executed by a computer (or processing unit) in order to implement these calculation or processing steps.
  • the elementary detectors 232 of the detector 230 form a plurality of groups of juxtaposed elementary detectors, each group 234 comprising four elementary detectors 232 arranged in a square.
  • the group 234i is formed of four juxtaposed elementary detectors 232 (1), 232 (2), 232 (3), 232 (4) arranged in a square.
  • the first opaque elements 222 of the mask 220 are arranged such that the projected shadow 224 of each first opaque element 222 illuminated by the illumination beam partially covers each of the four elementary detectors of a group of elementary detectors.
  • the projected shadow 224i of the first opaque element 222i of the mask 220 partially covers each of the four elementary detectors 232 (1), 232 (2), 232 (3), 232 (4) of the group of elementary detectors 234i.
  • t'm The size of the projected shadow of an opaque element (assumed to be square) on the detector, denoted t'm, is therefore given by:
  • t m is the size of an opaque element of mask 220 and D the distance between source 210 and mask 220.
  • the size t m of the opaque elements of the mask 220, their distribution and the distance d will be advantageously chosen by taking into account the magnification (D + d) / D, so that the projected shadow of each opaque element is centered on the 'intersection of the 4 elementary detectors of a group of elementary detectors arranged in a square, in the absence of any object of interest, and advantageously has a size similar to an elementary detector.
  • the distribution of the opaque elements advantageously has a periodicity proportional to that of the detector 230 according to the magnification (D + d) / D.
  • the characteristics thus defined of the opaque elements make it possible to obtain an optimal detection sensitivity.
  • the example above mentions elementary detectors and opaque elements of square shapes, other shapes for elementary detectors and / or opaque elements are possible.
  • the opaque elements can be rectangular (non-square) in the case where the elementary detectors are themselves rectangular (non-square).
  • the shapes of the elementary detectors and of the opaque elements are identical, the latter differing in their dimensions to take account of the magnification between the plane of the mask 220 and the plane of the detector 230.
  • FIGS 3A and 3B illustrate the implementation of a method according to the present description, by means of a device as illustrated in FIGS. 2A, 2B, in a first example (FIG. 3 A) in which the object of interest 10 is positioned upstream of the first mask 220, that is to say between the source 210 of X-rays and the first mask 220 and in a second example (FIG. 3B) in which the object of interest 10 is positioned downstream of the first mask 220, that is to say between the first mask 220 and the X-ray detector 230.
  • FIGS 3A and 3B are Schematic cross-sectional representations but the first mask 220 and the detector 230 should be understood as two-dimensional arrangements of opaque elements and elementary detectors, respectively, as illustrated in FIG. 2B.
  • an inhomogeneity 101 present in the object of interest 10 results in local angular deviations (qc, 0y) of the X-rays incident on the object, defined respectively in two directions x, y parallel to the directions of arrangement of the elements opaque on the first mask.
  • These local angular deviations are directly related to the characteristics of inhomogeneity 101, in particular its refractive index and its geometry, as precisely explained in the review article by A. Bravin et al. [Ref. 1]
  • the complex refractive index n of a material is expressed in the form:
  • n 1— d + ⁇ b
  • a local phase induced by the object 10 thus causes local lateral deviations of the incident beam, and consequently local lateral deviations of the shadow projected from the opaque element opposite said induced local phase.
  • These local deviations are equal to tanOx.d (respectively tanOy.d), in each of the directions x, y parallel to the directions of arrangement of the opaque elements on the first mask.
  • the Very short wavelengths induce very low phase shifts (of the order of a few prad), and for large d values (several tens of cm) it is possible to obtain a sensitivity for detecting lateral deviations (tanOx.d , tanOy.d) sufficient, ie typically less than a tenth of an elementary detector of the detector.
  • the projected shadow 224i of an opaque element 222i thus undergoes deviations Dci, Ay, on the detector 230 with respect to the shadow projected without an object.
  • FIG. 3A only the angular deviation qc is shown as well as the deviation Dci.
  • the projected shadow 224 j of an opaque element 222 j undergoes deviations Dc ,, Ay, on the detector 230 with respect to the shadow projected without an object.
  • the set of local lateral deviations Dc ⁇ , Ayi of the projected shadows 224i is analyzed, as illustrated by means of FIGS 4A - 4D.
  • FIG. 4A shows a top view representation of FIG. 2B.
  • the dark zones correspond to the opaque elements 222. These are advantageously positioned so that their shadows projected on the detector are centered at the intersection of the group consisting of 2x2 elementary detectors in the absence of an object of interest. .
  • the projected shadow 224i of the corresponding opaque element 222i modifies the signal detected by each elementary detector. If the local phase of the radiation at the level of an opaque element is different from a reference phase corresponding to the phase coming from the source alone, that is to say in the absence of an object of interest, the The projected shadow of the opaque element undergoes lateral deviations in x and in y at the level of the detector, in a manner proportional to the local derivative of the phase as previously explained, in each direction.
  • the light areas in FIG. 4A correspond to the projected shadows of the opaque elements having undergone such deviations. It is then possible to calculate the deviations in x and in y by combining the intensities measured at the level of each elementary detector of the group of 2x2 elementary detectors corresponding to the opaque element considered.
  • FIG. 4B makes it possible to visualize these deviations more precisely, represented by arrows.
  • the dotted squares represent the cast shadows 224i (0) in the case of the reference phases in the absence of an object, while the light areas 224i correspond as in FIG. 4 A to projected shadows of elements opaque, shifted in x and y in a manner proportional to the local derivative of the phase of the radiation at the level of each element.
  • FIGS 4C and 4D describe according to an example the calculation carried out to determine an image element associated with a group 234i of elementary detectors.
  • FIG. 4C illustrates at detector 230 shadows cast by opaque elements on the detector in an implementation as described in FIG. 3 A.
  • the zone S corresponds to a projected shadow 224i of an opaque element 222i, a projected shadow shifted in x and in y proportional to the phase gradient present at the level of the opaque element whose projected shadow intercepts the elementary detectors of the group elementary detector.
  • the 234i group of elementary detectors consists of 4 elementary detectors 232 (1), 232 (2), 232 (3), 232 (4).
  • the mask pattern is centered by default at the intersection of the 4 elementary detectors, which makes it possible to obtain the best dynamics and sensitivity for measuring the displacement of the shadow projected by this pattern.
  • I be the luminous intensity at the level of the group 234i of elementary detectors, sampled as illustrated in FIG. 4D by the 4 elementary detectors 232 (1), 232 (2), 232 (3), 232 (4).
  • the signals detected by each elementary detector are denoted respectively II, 12, 13 and 14, and correspond to the integration of the light signal received on the respective surfaces of the elementary detectors. This corresponds for FIG. 4D with hatched surfaces, that is to say, for each elementary detector, at the surface of the elementary detector minus the part of the surface S located at the level of each of the elementary detectors, possibly not centered on the 4 elementary detectors in the case of a non-planar local phase.
  • the quantity 1 Il + 12 + 13 +14 is used to determine the local absorption of the object, on the scale of a group of detectors elementary. if Io is the intensity measured at the level of a group of elementary detectors in the absence of an object, the absorption coefficient is determined by:
  • the geometry of an opaque element of the mask will be chosen as being similar to the geometry of an elementary detector, up to the magnification. Indeed, this proportion corresponds to a good compromise between sensitivity and dynamic position measurement. Furthermore, this geometry makes it possible, by adjusting the position of the mask according to one or more particular positions, to access at least one other imaging contrast, such as for example so-called dark field imaging, as described below.
  • a phase image can then be reconstructed by various known integration methods, such as for example a zonal reconstruction method, as described in W.H Southwell et al. [Ref. 5], based on an iterative process of local integration.
  • the configuration depicted in FIG. 3 A allows, when the distance d is precisely known as can be achieved by calibration, to obtain a quantitative measurement of the phase produced by an object, since the measured deviations correspond exactly to the quantities tanGx.d and tanGy.d.
  • the object is located between the first mask and the detector; however, it is generally not possible to know with precision the distance from the object to the detector.
  • a representation of local phase variations that is to say a phase contrast image, by subtracting the deviations measured with and without an object, and by normalizing the deviation map obtained: an image will thus be obtained for example, the values of which will vary between 0 (no local phase variation) and 1 (maximum phase variation measured).
  • detector 230 of the detection plate type provided with elementary square detectors of 50 ⁇ m side
  • first mask 220 for example of the type illustrated in FIG. 2B, arranged in a plane positioned a finite distance from the detection plate.
  • a first mask positioned 50 cm from the detector enables detection sensitivity of a local phase shift of the order of a microradian.
  • the dimension of the side of the opaque elements of the mask will be chosen as being half of that of the pixels of the detector, that is to say 25 ⁇ m in the example described here, so as to obtain an optimal dimensioning as presented previously. and illustrated by the figures.
  • the size of the emitting zone of the X-ray source will advantageously be chosen as being as small as possible.
  • the sources of the microfocus type have emitting zones whose surfaces vary from 5 ⁇ m 2 to 50 ⁇ m 2 depending on the control parameters of these sources (example: applied voltage).
  • the choice of a source whose emitting area is small makes it possible to minimize the smoothing effect of the signal induced by it, since according to the wave propagation laws, the signal corresponding to the projected shadow of an opaque element of the mask 220 consists of the projection of said opaque element, possibly locally deviated by a local phase shift linked to the object, projection to which is added a convolution by the intensity pattern at the output of the source, a pattern directly linked to the size of the emitting area.
  • FIGS 5A, 5B describe an advantageous implementation making it possible to minimize the dose of radiation incident on the object, more particularly making it possible not to send radiation to the areas of the object not participating in the creation of a useful signal to the object. detector level.
  • a second mask 620 comprising a two-dimensional arrangement of opaque elements 624, is positioned upstream of the first mask 220, namely between the source 210 of radiation and the first mask 220.
  • the object of interest 10 is positioned between the two masks.
  • FIGS. 2A, 3A, 3B, FIGS. 5A and 5B are diagrammatic cross-sectional representations but the first mask 220, the second mask 620 and the detector 230 must be understood as two-dimensional arrangements respectively of opaque elements and of elementary detectors.
  • the second mask comprises, in a manner similar to the first mask, a two-dimensional arrangement of second elements opaque to X-rays, arranged on a substrate transparent to said rays, for example a substrate with characteristics similar to the substrate of the first mask.
  • the arrangement of the second opaque elements reproduces the arrangement of the first opaque elements of the first mask (except for the size of the opaque elements of the second mask), taking into account the magnification linked to the relative position of the 2 masks.
  • the opaque elements 222 and 622 respectively on the masks 220 and 620 are arranged periodically in two directions and the periodicity of the second opaque elements of the second mask is equal to the periodicity of the first opaque elements of the first mask multiplied by a magnification factor d? / D
  • the second mask is advantageously positioned relative to the first mask so that the projected shadow 624 of each second opaque element 622 on the first mask is centered on a first opaque element 222 of the first mask in the absence of an object.
  • the size of the second opaque elements of the second mask is advantageously adjusted so that the projected shadow of a second opaque element on the first mask is such that there is always a complete overlap of this projected shadow on a first opaque element. of the first mask, including in the case of an inhomogeneous object capable of inducing local phase variations (see FIG. 5B).
  • the size of the second opaque elements assuming square-shaped opaque elements, will be chosen according to the following equation:
  • This last equation corresponds to an approximation for small angles of incidence of the X-rays on the opaque elements of the first mask and of the second mask, that is to say for large distances d2 with respect to the size of the mask.
  • FIGS 5A, 5B illustrate the effect of this multi-mask arrangement with respect to the dose of X-rays received by the object.
  • the second mask positioned upstream of the object defines on the latter a set of projected shadows for which no X-radiation reaches the object, thus minimizing the quantity of unnecessary radiation deposited on the object.
  • a distance d2 of 40cm, a distance D of 50 cm and a maximum angular deviation 0 ma x 0.05mrad it is possible to reduce the dose received by the object by approximately 10%.
  • dark field image it is understood that only the X-rays scattered by the sample are detected.
  • FIGS 6A - 6D illustrate an example of an implementation making it possible to access this image.
  • FIGS 6A and 6C are schematic cross-sectional representations of the first mask 220 and of the detector 230 formed respectively of two-dimensional arrangements, respectively, of opaque elements 222 and of elementary detectors 232.
  • the relative position of the first mask 220 of opaque elements and of the detector 230 is changed such that each projected shadow 224 of each opaque element 222 of the first mask corresponds to a detector elementary, whether with respect to its size or its position, in the absence of an object.
  • This configuration can be obtained for example when the opaque elements of the first mask have characteristics of size, geometry and periodicity proportional to those of the detector.
  • Obtaining this particular position of the first mask can be acquired by a translation of the first mask 220 or of the detector 230 along an axis perpendicular to the optical axis defined by the source and the axis perpendicular to the detector.
  • FIG. 6B illustrates the signal obtained at the level of the detector - according to a single dimension for the purposes of simplifying the representation - namely a succession of non-harmful signals and of alternating harmful signals, the non-harmful signals being equal in the case of a homogeneous source in illumination.
  • this particular position of the mask can be predetermined in the absence of an object, and saved so that it can simply be found if necessary, for example using an appropriate motorization of the mask and / or detector. .
  • the elementary detectors directly adjacent to the elementary detectors which receive undesirable signals in the particular position of the first mask described in FIGS 6A, 6B, receive a diffusion signal, as illustrated in FIG. 6D.
  • This scattering signal calculated over the entire detector makes it possible to obtain a scattering contrast image or dark field image.
  • This type of contrast is complementary to phase contrast, for example in the case of imaging of biological objects for medical purposes, as described in the review article by A. B ravin et al. [Ref. 1]
  • FIGS 6A - 6D can be obtained with a device such as that shown in FIGS 5A, 5B, in which two masks are provided.
  • the first and second masks will remain integral when changing the relative position between the first mask and the detector to move from a first position suitable for phase contrast imaging to a second position suitable for imaging. in dark field.
  • phase contrast imaging method and the device for implementing said method include different variants, modifications and improvements which will be evident to those skilled in the art, it being understood that these different variants, modifications and improvements form part of the scope of the invention as defined by the claims which follow.

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Abstract

Selon un aspect, la présente description a pour objet un procédé d'imagerie de contraste de phase d'un objet comprenant : l'émission, au moyen d'une source de rayons X, d'un faisceau d'illumination; l'envoi dudit faisceau d'illumination vers un détecteur (230) comprenant un agencement bidimensionnel de détecteurs élémentaires (232) identiques, lesdits détecteurs élémentaires formant une pluralité de groupes (234) de détecteurs élémentaires juxtaposés, chaque groupe comprenant quatre détecteurs élémentaires agencés en carré; le positionnement d'au moins un premier masque (220) entre ladite source et le détecteur, le premier masque comprenant un arrangement bidimensionnel de premiers éléments (222) opaques dans une bande spectrale utile desdits rayons X, de formes et de dimensions données telles que l'ombre projetée (224) de chaque premier élément opaque éclairé par ledit faisceau d'illumination recouvre partiellement chacun des quatre détecteurs élémentaires d'un groupe de détecteurs élémentaires; la formation d'une image de contraste de phase d'un objet d'intérêt agencé à proximité dudit premier masque, la formation de ladite image comprenant l'acquisition d'une pluralité d'éléments d'image associés chacun à un groupe de ladite pluralité de groupes de détecteurs élémentaires, l'acquisition d'un élément d'image comprenant la mesure du déplacement de l'ombre projetée d'un premier élément opaque sur ledit groupe de détecteurs élémentaires.

Description

Titre : Procédés et systèmes pour l’imagerie de contraste phase
La présente invention contient une description et un jeu de revendications. Elle contient également des figures, un abrégé et une figure d’abrégé.
Domaine technique de l'invention
La présente description concerne des procédés et systèmes pour l’imagerie de contraste de phase, et plus précisément l’imagerie de contraste de phase au moyen de rayons X. La présente description trouve des applications notamment dans le domaine médical et le contrôle non destructif (e.g. identification de défauts internes dans la structure des matériaux).
Etat de la technique
Les rayons X sont des ondes électromagnétiques de très hautes fréquences, typiquement 1016 à 1020 Hz (soit des longueurs d’onde comprises entre 0,003 nm et 30 nm), ayant la capacité de pénétrer la grande majorité des matériaux sur des épaisseurs importantes, typiquement de plusieurs centimètres à plusieurs mètres. Ces propriétés physiques des rayons X sont exploitées depuis des dizaines d’années dans le domaine de l’imagerie pour produire des images caractéristiques de l’interaction des rayons X avec la matière. L’exemple le plus connu concerne l’imagerie médicale : l’imagerie de transmission des rayons X au travers d’un objet biologique, appelée radiographie, permet d’accéder à des images dont le contraste est représentatif à la fois de l’épaisseur et du coefficient d’atténuation des structures traversées. En particulier, pour ce type d’imagerie, l’atténuation locale de l’image est représentative des phénomènes d’absorption et de diffusion par un volume au sein de l’objet traversé, par exemple une tumeur dans le cas de la radiographie à visée de diagnostic du cancer.
Comme tout rayonnement électromagnétique, à la traversée d’un objet dont certaines propriétés sont localement inhomogènes, le rayonnement X peut faire l’objet d’un phénomène de réfraction correspondant à une déviation locale du faisceau. Ces inhomogénéités correspondent par exemple à des changements locaux d’indices de réfraction du fait de la composition inhomogène d’un objet. La capacité de visualiser ces déviations locales sous la forme d’une image permet d’accéder à des propriétés de l’objet différentes de celles obtenues par le contraste d’absorption et de diffusion utilisé en radiographie. C’est ce qu’on appelle l’imagerie par contraste de phase. De manière générale, le déphasage d’une onde électromagnétique n’est pas un phénomène directement observable à l’aide des méthodes de détection existantes, en particulier des capteurs d’images. Ces derniers sont en effet sensibles à l’intensité du rayonnement, elle-même correspondant au carré de l’amplitude de l’onde électromagnétique. Différentes méthodes permettent de transformer une variation de phase en une variation d’intensité, directement détectable et caractérisable à l’aide de détecteurs d’images (caméras). Dans le domaine des rayons X, les technologies d’imagerie permettant d’accéder à une image représentative des variations de phase d’un objet peuvent être regroupées en 2 grandes familles : les techniques d’imagerie interférom étriqués et les techniques d’imagerie « déflectom étriqués » basées sur l’analyse de la déflexion de faisceaux.
L’imagerie interférom étriqué est basée sur la génération d’interférences entre une onde dont la phase est perturbée par un objet d’indice non homogène et une onde de référence. Les franges d’interférence ainsi créées correspondent à une modulation de l’amplitude du champ électromagnétique, directement observable à l’aide de caméras, et dont les caractéristiques - par exemple le nombre de franges présentes sur une surface donnée - permettent de remonter aux variations de phase induites par l’objet. L’article de revue de A. Bravin et al. [Réf. 1] décrit plus précisément les techniques d’imagerie interférométrique dans le domaine des Rayons X. Une difficulté de l’imagerie interférométrique dans le domaine des Rayons X est liée notamment à la nécessité d’utiliser des sources de Rayons X cohérentes spatialement et spectralement, ce qui interdit l’usage des tubes à rayons X classiquement utilisées en radiographie. Seule la méthode d’imagerie interférométrique basée sur l’utilisation de plusieurs réseaux, connue sous le nom de « grating-based X-Ray phase-contrast imaging », permet de produire des images de contraste de phase avec l’usage d’une source incohérente. Pour cela, un réseau, dont le dimensionnement est directement lié aux caractéristiques des autres réseaux présents dans le système, est placé directement devant une source conventionnelle comme un tube à rayons X (voir par exemple l’article de F. Pfeiffer et al. [Réf. 2]). Cependant, cette approche présente de nombreuses limitations, dont la difficulté de fabrication de tels réseaux, du fait des très basses longueurs d’onde mises en jeu.
La seconde grande famille de méthodes d’imagerie de contraste de phase dans le domaine des rayons X regroupe les techniques d’imagerie déflectométriques. Celles- ci reposent sur la mesure de déflexion locale d’un faisceau comme indicateur d’une variation de phase locale. La génération d’une multitude de faisceaux vis-à-vis d’une surface donnée, et l’analyse des déflexions locales de chacun de ces faisceaux après traversée d’un objet d’intérêt permet de remonter à une carte bidimensionnelle des variations de phase induites par l’objet. Ces techniques présentent notamment l’avantage d’être moins sensibles aux caractéristiques de la source utilisée, notamment en terme de cohérence, et de pouvoir ainsi être mises en œuvre avec des sources de rayons X conventionnelles en radiographie.
Plus précisément, une mise en œuvre de cette technique, dénommée « coded aperture X-ray phase contrast imaging », est décrite dans la demande de brevet publiée W02008029107 [Réf. 3] dont les FIGS 1 A et IB illustrent le principe.
L'imagerie de contraste de phase décrite sur les FIGS IA et IB est obtenue au moyen d'un premier masque 8 agencé en amont d’un échantillon 10 et d'un deuxième masque 6 agencé en amont d’un détecteur 4 de rayons X. Les rayons X émis par une source 2 de rayons X sont transformés en faisceaux élémentaires 16 par des ouvertures 32 du masque 8. Lesdits faisceaux élémentaires 16 traversent l’échantillon 10 et atteignent des éléments de détection élémentaires ou pixels 12 du détecteur 4 à travers des ouvertures 30 du deuxième masque 6. Les faisceaux élémentaires 16 sont agencés pour frapper le bord des pixels. Ainsi, des petits écarts Q dans les faisceaux élémentaires 16 résultant des déflexions subis lors de la traversée de l’échantillon 10 provoquent une augmentation ou une diminution significative du signal frappant la zone exposée 22 du pixel, ce qui entraîne un signal de contraste de phase significatif.
Cependant, dans la technique décrite dans la demande W02008029107, il n’est pas possible de distinguer dans l’augmentation ou la diminution du signal frappant la zone exposée du pixel la part résultant de la déflexion d’un faisceau élémentaire traversant l’échantillon (liée à la partie réelle de l’indice de réfraction) et celle résultant de l’absorption du faisceau traversant l’échantillon (liée à la partie imaginaire de l’indice de réfraction).
La demande de brevet publiée US2014233699 [Réf. 4], dont est extraite la FIG. IC, décrit une technique d'imagerie de contraste de phase améliorée qui permet de former sélectivement une image d’absorption et une image de contraste de phase qui s’affranchit de l’effet l’absorption. Pour cela, des rayons X émis par une source 2 de rayons X sont transformés en faisceaux élémentaires 16 par des ouvertures 32 d’un masque 8, les ouvertures présentant des formes de fentes. Comme illustré sur la FIG. IC, les faisceaux élémentaires 16 sont agencés pour chevaucher deux rangées adjacentes de pixels 12 d’un détecteur 4 de rayons X. Selon le procédé décrit dans la demande US2014233699, une image de contraste de phase est obtenue au moyen d’une soustraction entre une première image et une deuxième image qui peuvent être acquises simultanément. La première image est mesurée avec le premier bord mais pas le deuxième bord de chaque faisceau élémentaire chevauchant une rangée de pixels et la deuxième image est mesurée avec le deuxième bord mais pas le premier bord chevauchant la rangée de pixels adjacente. Le contraste de phase est ainsi mesuré selon une direction, à savoir la direction perpendiculaire aux fentes. Le gradient de la fonction d'absorption des rayons X peut être calculé et un terme proportionnel peut être inclus dans le traitement d'image pour calculer une image de contraste de phase qui n’est lié qu’à la partie réelle de l’indice de réfraction.
La présente description a pour objet une technique d’imagerie défi ectom étriqué permettant d’obtenir une image de contraste de phase affranchie de l’effet de l’absorption, selon deux directions et en une seule acquisition, ladite technique permettant en outre, par rapport aux techniques connues de l’état de l’art, de réduire la quantité de rayons X nécessaire pour cette acquisition.
Résumé de l’invention
Selon un premier aspect, la présente description concerne un procédé d’imagerie de contraste de phase d’un objet comprenant les étapes suivantes :
l’émission au moyen d’une source de rayons X d’un faisceau d’illumination ; l’envoi dudit faisceau d’illumination vers un détecteur desdits rayons X, ledit détecteur comprenant un agencement bidimensionnel de détecteurs élémentaires identiques, lesdits détecteurs élémentaires formant une pluralité de groupes de détecteurs élémentaires juxtaposés, chaque groupe comprenant quatre détecteurs élémentaires agencés en carré ;
le positionnement d’au moins un premier masque entre ladite source et le détecteur, à une distance donnée (d) du détecteur, le premier masque comprenant un arrangement bidimensionnel de premiers éléments opaques auxdits rayons X, de formes et de dimensions données telles que l’ombre projetée de chaque premier élément opaque éclairé par ledit faisceau d’illumination recouvre partiellement chacun des quatre détecteurs élémentaires d’un groupe de détecteurs élémentaires;
la formation d’une image de contraste de phase d’un objet d’intérêt agencé à proximité dudit premier masque, la formation de ladite image comprenant l’acquisition d’une pluralité d’éléments d’image associés chacun à un groupe de ladite pluralité de groupes de détecteurs élémentaires, l’acquisition d’un élément d’image comprenant la mesure du déplacement de l’ombre projetée d’un premier élément opaque sur ledit groupe de détecteurs élémentaires.
Le procédé ainsi décrit, en mesurant des déplacements d’ombres projetées d’éléments opaques sur des groupes de détecteurs élémentaires, permet une formation d’image bidimensionnelle de contraste de phase plus efficace en terme énergétique. En effet, par rapport à un masque d’ouvertures tel que défini dans l’état de l’art, la quantité de rayons X du faisceau d’illumination obturée par le masque est moins importante ; ainsi, moins de rayons X sont nécessaires pour atteindre un même niveau de signal sur chaque pixel.
Par imagerie de contraste de phase, on entend au sens de la présente description la formation d’une image comprenant une pluralité d’éléments d’image, chaque élément d’image étant caractéristique d’un déphasage local introduit par une région élémentaire d’un objet d’intérêt, résultant d’une inhomogénéité présente dans ladite région élémentaire, le déphasage local étant déterminé par rapport à une phase de référence.
Par « opaque » on comprend une transmission résiduelle aux rayons X dans une bande spectrale utile desdits rayons X inférieure à la sensibilité de détection du détecteur de rayons X.
Par « bande spectrale utile » des rayons X, on entend la gamme de longueurs d’onde sélectionnée par exemple à l’aide de filtres spectraux, comme par exemple des filtres d’absorption métalliques, de manière à obtenir un rayonnement dont le spectre est restreint au domaine souhaité pour l’application visée. Par exemple, en mammographie, il est habituellement fait usage d’un domaine spectral utile entre 20 et 40 keV.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, en l’absence d’un objet d’intérêt, l’ombre projetée de chaque premier élément opaque éclairé par ledit faisceau d’illumination est centrée sur l’intersection entre lesdits quatre détecteurs élémentaires.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, en l’absence d’un objet d’intérêt, l’ombre projetée de chaque premier élément opaque éclairé par ledit faisceau d’illumination est de forme et de dimensions sensiblement identiques à celle d’un détecteur élémentaire :
L’une et/ou l’autre des modes de réalisation décrits ci-dessus contribuent à augmenter la sensibilité de la détection dans le procédé selon la présente description.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation du procédé selon la présente description, la mesure du déplacement de l’ombre projetée d’un premier élément opaque sur ledit groupe de détecteurs élémentaires comprend une mesure de l’intensité du rayonnement X au niveau de chacun des quatre détecteurs élémentaires dudit groupe de détecteurs élémentaires.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé selon la présente description comprend en outre l’acquisition d’une image en absorption, comprenant le calcul du ratio entre la somme des intensités du rayonnement X mesurées par chacun des quatre détecteurs élémentaires dudit groupe de détecteurs élémentaires en présence dudit objet d’intérêt et en l’absence dudit objet d’intérêt.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé selon la présente description comprend en outre :
le déplacement relatif dudit premier masque et dudit détecteur de telle sorte que l’ombre projetée de chaque premier élément opaque éclairé par ledit faisceau d’illumination coïncide avec un détecteur élémentaire ; et
l’acquisition d’une image en champ sombre de l’objet par mesure d’un signal sur chacun des détecteurs élémentaires coïncidant avec l’ombre projetée de chaque premier élément opaque.
Une acquisition d’une image en champ sombre en complément d’une image de contraste de phase permet de donner des informations complémentaires sur la nature de l’objet d’intérêt.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation du procédé selon la présente description, l’objet est positionné en aval du premier masque, c’est-à-dire entre le premier masque et le détecteur. La distance entre la zone de l’objet responsable d’une déviation angulaire locale d’un faisceau incident et le détecteur ne peut être précisément connue, ce qui ne permet pas d’en déduire une valeur quantitative de ladite déviation mais une cartographie des variations locales relatives de la phase d’où la notion de « contraste de phase ».
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l’objet est positionné en amont du premier masque, c’est-à-dire entre la source et le premier masque. Cet agencement particulier permet de mesurer la variation de phase locale de façon quantitative. En effet, avec l’objet d’intérêt en amont du premier masque, comme on connaît de façon certaine la distance entre le premier masque et le détecteur, la déviation angulaire introduite localement peut être déterminée de façon certaine par rapport au déplacement de l’ombre projetée. Dans la présente description, on parlera aussi d’« imagerie de phase » pour ce cas particulier d’imagerie de contraste de phase.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé selon la présente description comprend en outre le positionnement d’un deuxième masque en amont du premier masque, l’objet d’intérêt étant positionné lors de la formation d’une image de phase entre le premier masque et le deuxième masque. La présence d’un deuxième masque permet de réduire la quantité de rayons X incidents sur l’objet, et non utiles pour l’imagerie. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le deuxième masque comprend un ensemble de deuxièmes éléments opaques dans ladite bande spectrale utile, agencés de telle sorte que l’ombre projetée d’un deuxième élément opaque sur le premier masque soit incluse dans un premier élément opaque du premier masque.
Selon un deuxième aspect, la présente description concerne un dispositif d’imagerie de contraste de phase d’un objet pour la mise en œuvre d’un procédé selon le premier aspect et de ses différents modes de réalisation.
Plus précisément, la présente description concerne un dispositif d’imagerie de contraste de phase comprenant :
- une source de rayons X pour l’émission d’un faisceau d’illumination ;
- un détecteur desdits rayons X agencé pour recevoir ledit faisceau d’illumination, ledit détecteur comprenant un agencement bidimensionnel de détecteurs élémentaires identiques, lesdits détecteurs élémentaires formant une pluralité de groupes de détecteurs élémentaires juxtaposés, chaque groupe comprenant quatre détecteurs élémentaires agencés en carré;
au moins un premier masque positionné entre ladite source et le détecteur, à une distance donnée du détecteur, le premier masque comprenant un arrangement bidimensionnel de premiers éléments opaques dans une bande spectrale utile desdits rayons X, de formes et de dimensions données telles que l’ombre projetée de chaque premier élément opaque éclairé par ledit faisceau d’illumination recouvre partiellement chacun des quatre détecteurs élémentaires d’un groupe de détecteurs élémentaires;
- une unité de traitement configurée pour former une image de contraste de phase d’un objet d’intérêt agencé à proximité dudit premier masque, ladite image comprenant une pluralité d’éléments d’image associés chacun à un groupe de ladite pluralité de groupes de détecteurs élémentaires, chaque élément d’image étant déterminé à partir de la mesure du déplacement de l’ombre projetée d’un premier élément opaque sur ledit groupe de détecteurs élémentaires.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la source de rayons X comprend un tube à rayon X ou une source à rayons X à micro foyer (ou « microfocus »).
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le détecteur de rayons X comprend un système de détection indirecte, par exemple une plaque de détection (ou « flat panel ») avec une matrice de détecteurs élémentaires sensible dans le visible (par exemple caméra CMOS) sur laquelle est déposé une couche de conversion (ou scintillateur) permettant de transformer le rayonnement X en rayonnement visible par un phénomène de fluorescence.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le détecteur de rayons X comprend un système de détection directe, par exemple une caméra à comptage de photons (détection directe), une caméra CCD amincie (CCD abréviation de l’expression anglosaxonne « Charge Coupled Device »).
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les éléments opaques du premier masque sont formés par des plots agencés sur un substrat transparent auxdits rayons X. Par « transparent », on comprend une transmission aux rayons X émis par la source de rayons X, ou aux rayons X compris dans la bande spectrale utile, supérieure à typiquement 80%.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les éléments opaques sont de mêmes formes que les détecteurs élémentaires. Avantageusement cependant, les dimensions des éléments opaques et des détecteurs élémentaires sont différentes pour tenir compte d’un facteur de grandissement entre le plan du premier masque et le plan du détecteur. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les éléments opaques et les détecteurs élémentaires sont de forme rectangulaire, avantageusement de forme carrée.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les détecteurs élémentaires et les premiers éléments opaques sont agencés de façon périodique selon chaque dimension de ragencement bidimensionnel.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, en l’absence d’un objet d’intérêt, lorsque le premier masque est éclairé par ledit faisceau d’illumination, l’ombre projetée de chaque premier élément opaque est centrée sur l’intersection entre lesdits quatre détecteurs élémentaires.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif d’imagerie de contraste de phase comprend en outre un deuxième masque positionné en amont du premier masque, le deuxième masque comprenant un ensemble de deuxièmes éléments opaques dans ladite bande spectrale utile, agencés de telle sorte que lorsque le deuxième masque est éclairé par ledit faisceau d’illumination, l’ombre projetée d’un deuxième élément opaque sur le premier masque soit incluse dans un premier élément opaque du premier masque.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif d’imagerie de contraste de phase comprend en outre des moyens de déplacement relatif dudit premier masque et dudit détecteur.
Brève description des figures
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes :
[Fig. IA] représente un schéma illustrant un procédé d’imagerie de contraste de phase selon l’état de l’art ;
[Fig. IB] représente un schéma illustrant un procédé d’imagerie de contraste de phase selon l’état de l’art ;
[Fig. IC] représente un schéma illustrant un procédé d’imagerie de contraste de phase selon l’état de l’art ;
[Fig. 2A] représente un schéma illustrant un exemple de dispositif d’imagerie selon la présente description ;
[Fig. 2B] représente un schéma illustrant un exemple de dispositif d’imagerie selon la présente description ; [Fig. 3 A] représente un schéma illustrant un exemple de mise en œuvre du procédé d’imagerie selon la présente description, avec l’objet positionné en aval du premier masque ;
[Fig. 3B] représente un schéma illustrant un exemple de mise en œuvre du procédé d’imagerie selon la présente description, avec l’objet positionné en amont du premier masque ;
[Fig. 4A] représente un schéma illustrant un exemple d’ombres projetées d’éléments opaques d’un exemple de premier masque sur un détecteur, pour l’acquisition d’un élément d’image ;
[Fig. 4B] représente un schéma illustrant un exemple d’ombres projetées d’éléments opaques d’un exemple de premier masque sur un détecteur, pour l’acquisition d’un élément d’image ;
[Fig. 4C] représente un schéma illustrant un d’ombres projetées d’éléments opaques d’un exemple de premier masque sur un détecteur, pour l’acquisition d’un élément d’image ;
[Fig. 4D] représente un schéma illustrant un exemple d’ombres projetées d’éléments opaques d’un exemple de premier masque sur un détecteur, pour l’acquisition d’un élément d’image ;
[Fig. 5 A] représente un schéma illustrant un exemple de dispositif d’imagerie selon la présente description, comprenant un deuxième masque positionné entre la source et le premier masque;
[Fig. 5B] représente un schéma illustrant un exemple mise en œuvre du dispositif illustré en Fig. 5 A avec un objet positionné entre le premier masque et le deuxième masque ;
[Fig. 6A] représente un schéma illustrant une configuration du dispositif selon la présente description, selon un exemple, pour l’acquisition d’une image en champ sombre (pas d’objet) ;
[Fig. 6B] représente un schéma illustrant l’intensité lumineuse sur les détecteurs élémentaires, selon un exemple, dans la configuration représentée que la Fig. 6a;
[Fig. 6C] représente un schéma illustrant une configuration du dispositif selon la présente description, selon un exemple, pour l’acquisition d’une image en champ sombre (avec un objet) ; [Fig. 6D] représente un schéma illustrant l’intensité lumineuse sur les détecteurs élémentaires, selon un exemple, dans la configuration représentée que la Fig. 6c.
Description détaillée de l’invention
Les FIGS. 2A, 2B illustrent schématiquement un exemple d’un dispositif d’imagerie 200 pour la mise en œuvre d’un exemple de procédé d’imagerie de contraste de phase selon la présente description. Sur la FIG. 2A, le dispositif est schématisé selon une coupe axiale à des fins d’illustration.
Le dispositif d’imagerie 200 représenté sur la FIG. 2A comprend une source 210 de rayons X permettant l’émission d’un faisceau d’illumination 212, un détecteur 230 desdits rayons X, un premier masque 220, une unité de traitement 240. Le premier masque 220 et le détecteur 230 sont illustrés de façon partielle sur la FIG. 2B.
La source 210 comprend par exemple un tube à rayons X, source traditionnellement utilisée en mammographie. Alternativement, on pourra utiliser des sources de rayonnement X dites à micro foyer (ou « microfocus »), dont les surfaces émettrices ont des tailles plus petites que celles des tubes à rayons X, typiquement entre 5 pm2 à 50 pm2.
Le détecteur 230 de rayons X comprend un agencement bidimensionnel de détecteurs élémentaires identiques 232.
Dans le cadre d’une application du dispositif d’imagerie dans le domaine de l’imagerie médicale, par exemple en mammographie, le détecteur 230 est par exemple un détecteur de type plaque de détection ou « flat panel ». Un tel détecteur, sensible aux rayons X, comprend par exemple une matrice de détecteurs élémentaires CMOS sur laquelle est déposé une couche de conversion (ou scintillateur) permettant de transformer le rayonnement X en rayonnement visible par un phénomène de fluorescence. Ainsi, l’élément photosensible de chaque détecteur élémentaire peut comprendre du silicium comme les caméras dans le domaine visible. Par exemple, la couche de conversion comprend un matériau de type Csl (Iodure de Césium), par exemple de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur. La taille typique des détecteurs élémentaires d’un détecteur de type plaque de détection varie entre 50 pm à 100 pm de côté, les détecteurs élémentaires étant généralement de forme carrée.
Alternativement, le détecteur 230 est par exemple une caméra à comptage de photons (« photon counting caméra »). Ce type de détecteur, dit à détection directe, n’utilise pas d’élément supplémentaire de conversion spectrale d’un photon X en photon visible comme par exemple le scintillateur précédemment décrit, mais utilise un semiconducteur, comme par exemple le Silicium (Si), l’Arséniure de Gallium (GaAs), ou le Tellurure de Cadmium (CdTe), polarisé électriquement pour convertir un photon X en électrons, eux-mêmes quantifiés à l’aide d’un circuit de lecture incluant différentes étapes telles que amplification, seuillage et comptage d’évènements. Ce type de détecteur présente certains avantages comme un bruit de lecture quasi inexistant, une Fonction de Transfert de Modulation (FTM) capteur de l’ordre d’un pixel et éventuellement une capacité de discrimination spectrale du rayonnement incident.
D’autres type de détecteurs peuvent être utilisés, comme les caméras à détection directe typiquement basées sur des capteurs CCD ( Charge Coupled Device ) amincis mais dont la sensibilité est limitée aux basses énergies de rayonnement X, ou encore les caméras X à détection indirecte, utilisant là encore un élément de conversion spectrale tel qu’un scintillateur, mais - à la différence d’un « flat panel » - celui-ci n’est pas positionné au contact direct du détecteur mais conjugué à celui-ci à l’aide d’un système optique de reprise d’image, par exemple basé sur l’utilisation de lentilles ou de faisceaux de fibres optiques.
Le premier masque 220 comprend un arrangement bidimensionnel de premiers éléments 222 opaques auxdits rayons X. Les éléments opaques sont par exemple des plots agencés sur un substrat 221 transparent auxdits rayons X. Les plots sont par exemple formés en matériau opaque aux rayonnements X d’intérêt ; ils sont formés par exemple en or, avec une épaisseur suffisante pour leur conférer l’opacité recherchée. Par élément « opaque » on comprend une transmission résiduelle aux rayons X émis par la source 210, ou dans la bande spectrale utile considérée pour l’utilisation du dispositif 200, inférieure à la sensibilité de détection du détecteur de rayons X. Comme illustré sur les FIGS 2A, 2B, toute la surface 221 du substrat non recouverte par les plots est transparente aux rayons X d’intérêt.
Par « transparent », on comprend une transmission aux rayons X émis par la source 210, ou aux rayons X de la bande spectrale utile pour l’utilisation du dispositif 200, supérieure à 80%. Le substrat est par exemple, pour une bande spectrale utile centrée à 30 keV, constitué d’une plaque de graphite de plusieurs centaines de micromètres d’épaisseur, typiquement 1mm.
Comme illustré sur la FIG. 2A, le premier masque est agencé entre la source 210 et le détecteur 230, dans un plan parallèle à un plan du détecteur 230, à une distance donnée du détecteur, notée d sur la FIG 2 A. En fonctionnement, un objet d’intérêt dont on veut former une image de phase peut être positionné en amont ou en aval du premier masque 220, comme ce sera expliqué par la suite en référence aux FIGS.3A, 3B.
Une unité de traitement 240 est configurée pour la mise en œuvre d’étapes de calcul et/ou de traitement mises en œuvre dans des procédés selon la présente demande. De façon générale, lorsque dans la présente description, il est fait référence à des étapes de calcul ou traitement pour la mise en œuvre notamment d’étapes de procédés, il est entendu que chaque étape de calcul ou traitement peut être mis en œuvre par logiciel, hardware, firmware, microcode ou toute combinaison appropriée de ces technologies. Lorsqu’un logiciel est utilisé, chaque étape de calcul ou traitement peut être mise en œuvre par des instructions de programme d’ordinateur ou du code logiciel. Ces instructions peuvent être stockées ou transmises vers un support de stockage lisible par un ordinateur (ou unité de traitement) et/ou être exécutées par un ordinateur (ou unité de traitement) afin de mettre en œuvre ces étapes de calcul ou traitement.
Comme illustré sur la FIG. 2B, les détecteurs élémentaires 232 du détecteur 230 forment une pluralité de groupes de détecteurs élémentaires juxtaposés, chaque groupe 234 comprenant quatre détecteurs élémentaires 232 agencés en carré. Ainsi, à titre d’exemple sur la FIG. 2B, le groupe 234i est formé de quatre détecteurs élémentaires juxtaposés 232(1), 232(2), 232(3), 232(4) agencés en carré. En fonctionnement, les premiers éléments opaques 222 du masque 220 sont agencés de telle sorte que l’ombre projetée 224 de chaque premier élément opaque 222 éclairé par le faisceau d’illumination recouvre partiellement chacun des quatre détecteurs élémentaires d’un groupe de détecteurs élémentaires. Ainsi, dans l’exemple de la FIG. 2B, l’ombre projetée 224i du premier élément opaque 222i du masque 220 recouvre partiellement chacun des quatre détecteurs élémentaires 232(1), 232(2), 232(3), 232(4) du groupe de détecteurs élémentaires 234i.
Dans le cas d’un rayonnement divergent, c’est-à-dire correspondant à un ensemble de faisceaux issus d’une source 210 à distance finie du masque comme illustré sur la FIG. 2B, un grandissement est présent entre le plan du masque 220 et le plan du détecteur 230. La taille de l’ombre projetée d’un élément opaque (supposé carré) sur le détecteur, notée t’m, est donc donnée par :
Figure imgf000016_0001
où tm est la taille d’un élément opaque du masque 220 et D la distance entre la source 210 et le masque 220.
La taille tm des éléments opaques du masque 220, leur répartition et la distance d seront avantageusement choisie en prenant en compte le grandissement (D+d)/D, de telle sorte que l’ombre projetée de chaque élément opaque soit centrée sur l’intersection des 4 détecteurs élémentaires d’un groupe de détecteurs élémentaires agencés en carré, en l’absence d’un quelconque objet d’intérêt, et présente avantageusement une taille similaire à un détecteur élémentaire. Ainsi, lorsque le détecteur 230 est constitué de détecteurs élémentaires agencés de manière périodique selon 2 dimensions, la répartition des éléments opaques présente avantageusement une périodicité proportionnelle à celle du détecteur 230 suivant le grandissement (D+d)/D. Les caractéristiques ainsi définies des éléments opaques permettent d’obtenir une sensibilité de détection optimale.
Bien que l’exemple ci-dessus fasse mention de détecteurs élémentaires et d’éléments opaques de formes carrées, d’autres formes pour les détecteurs élémentaires et/ou les éléments opaques sont possibles. Par exemple, les éléments opaques peuvent être de forme rectangulaire (non carrée) dans le cas où les détecteurs élémentaires sont eux-mêmes de forme rectangulaire (non carrée). Avantageusement, pour les raisons expliquées ci-dessus, les formes des détecteurs élémentaires et des éléments opaques sont identiques, ceux-ci différant dans leurs dimensions pour tenir compte du grandissement entre le plan du masque 220 et le plan du détecteur 230.
Les FIGS 3A et 3B illustrent la mise en œuvre d’un procédé selon la présente description, au moyen d’un dispositif tel qu’illustré sur les FIGS. 2A, 2B, dans un premier exemple (FIG. 3 A) dans lequel l’objet d’intérêt 10 est positionné en amont du premier masque 220, c’est-à-dire entre la source 210 de rayons X et le premier masque 220 et dans un deuxième exemple (FIG. 3B) dans lequel l’objet d’intérêt 10 est positionné en aval du premier masque 220, c’est-à-dire entre le premier masque 220 et le détecteur 230 de rayons X. Comme pour la FIG. 2A, les FIGS 3 A et 3B sont des représentations schématiques en coupe mais le premier masque 220 et le détecteur 230 doivent être compris comme des agencements bidimensionnels respectivement d’éléments opaques et de détecteurs élémentaires, tels qu’illustrés sur la FIG. 2B.
Comme illustré sur la FIG. 3A, une inhomogénéité 101 présente dans l’objet d’intérêt 10 résulte en des déviations angulaires locales (qc, 0y) des rayons X incidents sur l’objet, définies respectivement selon deux directions x, y parallèles aux directions d’agencement des éléments opaques sur le premier masque. Ces déviations angulaires locales sont directement liées aux caractéristiques de l’inhomogénéité 101, en particulier son indice de réfraction et sa géométrie, comme précisément explicité dans l’article de revue de A. Bravin et al. [Réf. 1] En effet, dans le domaine des rayons X, pour une longueur d’onde donnée l, l’indice de réfraction complexe n d’un matériau est exprimé sous la forme :
n = 1— d + ίb
où b est proportionnel au coefficient d’absorption linéaire m (perte d’intensité par unité de longueur) dudit matériau selon m=4p b/ l, et d est proportionnel à la phase f induite par ledit matériau selon f=2p d/ l. Ainsi les déviations angulaires locales qc, 0y, respectivement selon les axes x et y, induites par l’inhomogénéité 101 peuvent être déterminées selon :
Figure imgf000017_0001
et
Figure imgf000017_0002
c’est-à-dire de manière directement proportionnelle à la dérivée locale de la phase. Ainsi, pour une inhomogénéité 101 d’indice n homogène et différent de celui de l’objet d’intérêt 10 environnant, la déviation angulaire locale induite par l’inhomogénéité sera maximale au bord de celle-ci.
Comme illustré sur la FIG. 2B, une phase locale induite par l’objet 10 entraîne ainsi des déviations latérales locales du faisceau incident, et par voie de conséquence des déviations latérales locales de l’ombre projetée de l’élément opaque en regard de ladite phase locale induite. Ces déviations locales sont égales à tanOx.d (respectivement tanOy.d), selon chacune des directions x, y parallèles aux directions d’agencement des éléments opaques sur le premier masque. Dans le cas des rayonnements X, les longueurs d’onde très courtes induisent des déphasages très faibles (de l’ordre de quelques prad), et pour des valeurs d importantes (plusieurs dizaines de cm) il est possible d’obtenir une sensibilité de détection des déviations latérales (tanOx.d, tanOy.d) suffisantes, c’est à dire typiquement inférieure au dixième de détecteur élémentaire du détecteur.
L’ombre projetée 224i d’un élément opaque 222i subit ainsi des déviations Dci, Ay, sur le détecteur 230 par rapport à l’ombre projetée sans objet. Sur la FIG. 3A, seule la déviation angulaire qc est représentée ainsi que la déviation Dci. De la même manière, l’ombre projetée 224j d’un élément opaque 222j subit des déviations Dc,, Ay, sur le détecteur 230 par rapport à l’ombre projetée sans objet. Pour obtenir une image de contraste de phase de l’objet 10, on analyse l’ensemble des déviations latérales locales Dcί, Ayi des ombres projetées 224i, comme illustré au moyen des FIGS 4A - 4D.
La FIG. 4 A montre une représentation vue de dessus de la FIG. 2B. Les zones foncées correspondent aux éléments opaques 222. Ceux-ci sont avantageusement positionnés de manière à ce que leurs ombres projetées sur le détecteur soit centrée à l’intersection du groupe constitué de 2x2 détecteurs élémentaires en l’absence d’un objet d’intérêt.
Pour chaque groupe 234i de 2x2 détecteurs élémentaires adjacents du détecteur 230, l’ombre projetée 224i de l’élément opaque 222i correspondant modifie le signal détecté par chaque détecteur élémentaire. Si la phase locale du rayonnement au niveau d’un élément opaque est différente d’une phase de référence correspondant à la phase issue de la source seule, c’est-à-dire en l’absence d’objet d’intérêt, l’ombre projetée de l’élément opaque subit des déviations latérales en x et en y au niveau du détecteur, de manière proportionnelle à la dérivée locale de la phase comme précédemment explicité, selon chaque direction. Les zones claires sur la FIG. 4A correspondent aux ombres projetées des éléments opaques ayant subies de telles déviations. Il est alors possible de calculer les déviations en x et en y par combinaison des intensités mesurées au niveau de chaque détecteur élémentaire du groupe de 2x2 détecteurs élémentaires correspondant à l’élément opaque considéré.
La FIG. 4B permet de visualiser plus précisément ces déviations, représentés par des flèches. Sur la FIG. 4B, les carrés en pointillés représentent les ombres projetées 224i(0) dans le cas des phases de référence en l’absence d’objet, tandis que les zones claires 224i correspondent comme sur la FIG. 4 A aux ombres projetées des éléments opaques, décalées en x et en y de manière proportionnelle à la dérivée locale de la phase du rayonnement au niveau de chaque élément.
Les FIGS 4C et 4D décrivent selon un exemple le calcul réalisé pour déterminer un élément d’image associé à un groupe 234i de détecteurs élémentaires. La FIG. 4C illustre au niveau du détecteur 230 des ombres projetées d’éléments opaques sur le détecteur dans une mise en œuvre telle que décrite sur la FIG. 3 A. Sur la FIG. 4D, la zone S correspond à une ombre projetée 224i d’un élément opaque 222i, ombre projetée décalée en x et en y proportionnellement au gradient de phase présent au niveau de l’élément opaque dont l’ombre projetée intercepte les détecteurs élémentaires du groupe de détecteur élémentaire. Dans l’exemple de la FIG. 4D, le groupe 234i de détecteurs élémentaires est constituée de 4 détecteurs élémentaires 232(1), 232(2), 232(3), 232(4). De manière préférentielle le motif du masque est centré par défaut au niveau de l’intersection des 4 détecteurs élémentaires, ce qui permet d’obtenir les meilleures dynamique et sensibilité de mesure de déplacement de l’ombre projetée de ce motif.
Soit I l’intensité lumineuse au niveau du groupe 234i de détecteurs élémentaires, échantillonnée comme illustrée sur la FIG. 4D par les 4 détecteurs élémentaires 232(1), 232(2), 232(3), 232(4). Les signaux détectés par chaque détecteur élémentaire sont notés respectivement II, 12, 13 et 14, et correspondent à l’intégration du signal lumineux reçu sur les surfaces respectives des détecteurs élémentaires. Ceci correspond pour la FIG. 4D aux surfaces hachurées, c’est-à-dire, pour chaque détecteur élémentaire, à la surface du détecteur élémentaire moins la part de la surface S située au niveau de chacun des détecteurs élémentaires, éventuellement non centrée sur les 4 détecteurs élémentaires dans le cas d’une phase locale non plane.
Ainsi, en considérant I constante à l’échelle d’un groupe de détecteurs élémentaires, celui-ci définissant ainsi la résolution spatiale d’une image d’absorption, la position selon les 2 axes x et y de la surface S est déterminée selon les équations suivantes :
Dcί = ((12+13) - (11+14)) / ((Il +12+13 +14))
Ayi = ((11+12) - (13+14)) / ((Il +12+13 +14))
Quelle que soit la position de la surface S, déterminée suivant les équations précédentes, la quantité 1= Il +12+13 +14 est utilisée pour déterminée l’absorption locale de l’objet, à l’échelle d’un groupe de détecteurs élémentaires. si Io est l’intensité mesurée au niveau d’un groupe de détecteurs élémentaires en l’absence d’objet, le coefficient d’absorption est déterminé par :
Cabs = I/Io
De manière préférentielle, comme expliqué précédemment, la géométrie d’un élément opaque du masque sera choisie comme étant similaire à la géométrie d’un détecteur élémentaire, au grandissement près. En effet, cette proportion correspond à un bon compromis entre sensibilité et dynamique de mesure de position. Par ailleurs, cette géométrie permet, en ajustant la position du masque selon une ou plusieurs positions particulières, d’accéder à au moins un autre contraste d’imagerie, comme par exemple une imagerie dite en champ sombre, telle que décrite plus loin.
En effectuant le calcul décrit en relation avec la FIG. 4D sur l’ensemble de la surface du premier masque 220 projeté sur le détecteur, une carte des positions selon les 2 dimensions est obtenue, les positions étant directement proportionnelles aux gradients locaux de la phase du rayonnement incident sur le masque.
Une image de phase peut ensuite être reconstruite par diverses méthodes d’intégration connue, comme par exemple une méthode de reconstruction zonale, telle que décrite dans W.H Southwell et al. [Réf. 5], basée sur un processus itératif d’intégration locale.
La configuration décrite sur la FIG. 3 A permet, lorsque la distance d est précisément connue comme cela peut être réalisé par une calibration, d’obtenir une mesure quantitative de la phase produite par un objet, puisque les déviations mesurées correspondent exactement aux grandeurs tanGx.d et tanGy.d.
Dans la configuration décrite sur la FIG. 3B, l’objet est situé entre le premier masque et le détecteur ; or il n’est en général pas possible de connaître avec précision la distance de l’objet au détecteur. Ainsi, dans cette configuration, on ne peut pas déduire la phase locale induite par l’objet de manière quantitative puisque les déviations mesurées ne correspondent pas aux grandeurs tanGx.d et tanGy.d, mais uniquement une variation de phase relativement à une mesure de référence. Par exemple, il est possible d’obtenir une représentation des variations locales de phase, c’est-à-dire une image de contraste de phase, en soustrayant les déviations mesurées avec et sans objet, et en normalisant la carte de déviation obtenue : on obtiendra ainsi par exemple une image dont les valeurs seront variables entre 0 (pas de variation de phase locale) et 1 (variation de phase maximale mesurée). Par exemple, pour une mise en œuvre expérimentale d’un système selon la présente description pour un usage en mammographie, on pourra utiliser les paramètres suivants : détecteur 230 de type plaque de détection dotée de détecteurs élémentaires carrés de 50 pm de côté, premier masque 220, par exemple du type de celui illustré sur la FIG. 2B, agencé dans un plan positionné à une distance finie de la plaque de détection. Par exemple, un premier masque positionné à 50 cm du détecteur permet une sensibilité de détection d’un déphasage locale de l’ordre du microradian. De plus, pour une géométrie de mise en œuvre similaire à celle illustrée sur les FIGS 2A, 2B, et une source de rayonnement X positionnée à 50 cm du premier masque, il existe un grandissement géométrique entre le masque et le détecteur d’une valeur 2 dans le cas de l’exemple ici décrit. Ainsi, la dimension du côté des éléments opaques du masque sera choisie comme étant la moitié de celle des pixels du détecteur, c’est-à-dire 25pm dans l’exemple ici décrit, de manière à obtenir un dimensionnement optimal tel que présenté précédemment et illustré par les figures. Enfin, la taille de la zone émettrice de la source de rayonnement X sera avantageusement choisie comme étant la plus petite possible. Typiquement, les sources de type microfocus présentent des zones émettrices dont les surfaces varient de 5 pm2 à 50 pm2 en fonction des paramètres de pilotage de ces sources (exemple : tension appliquée).
Le choix d’une source dont la zone émettrice est réduite permet de minimiser l’effet de lissage du signal induit par celle-ci, puisque selon les lois de propagation des ondes, le signal correspondant à l’ombre projetée d’un élément opaque du masque 220 est constitué de la projection dudit élément opaque, éventuellement localement déviée par un déphasage local lié à l’objet, projection à laquelle s’ajoute une convolution par le motif d’intensité en sortie de la source, motif directement lié à la taille de la zone émettrice.
Les FIGS 5A, 5B décrivent une mise en œuvre avantageuse permettant de minimiser la dose de rayonnement incident sur l’objet, plus particulièrement permettant de ne pas envoyer de rayonnement sur les zones de l’objet ne participant pas à la création de signal utile au niveau du détecteur. Pour cela un deuxième masque 620 comprenant un agencement bidimensionnel d’éléments opaques 624, est positionné en amont du premier masque 220, à savoir entre la source 210 de rayonnement et le premier masque 220. En fonctionnement, l’objet d’intérêt 10 est positionné entre les deux masques. Comme pour les FIGS. 2A, 3A, 3B, les FIGS 5A et 5B sont des représentations schématiques en coupe mais le premier masque 220, le deuxième masque 620 et le détecteur 230 doivent être compris comme des agencements bidimensionnels respectivement d’éléments opaques et de détecteurs élémentaires.
De manière avantageuse, le deuxième masque comprend, de manière similaire au premier masque, un arrangement bidimensionnel de deuxièmes éléments opaques aux rayons X, agencés sur un substrat transparent auxdits rayons, par exemple un substrat de caractéristiques similaires au substrat du premier masque. De manière avantageuse, l’agencement des deuxièmes éléments opaques reproduit l’agencement des premiers éléments opaques du premier masque (exception faite de la taille des éléments opaques du deuxième masque), en tenant compte du grandissement lié à la position relative des 2 masques. Par exemple, d2 étant la distance entre la source et le deuxième masque, et D la distance entre la source et le premier masque, les éléments opaques 222 et 622 respectivement sur les masques 220 et 620 sont agencés de façon périodique selon deux directions et la périodicité des deuxièmes éléments opaques du deuxième masque est égale à la périodicité des premiers éléments opaques du premier masque multipliée par un facteur de grandissement d?/D Le deuxième masque est avantageusement positionné par rapport au premier masque de manière à ce que l’ombre projetée 624 de chaque deuxième élément opaque 622 sur le premier masque soit centrée sur un premier élément opaque 222 du premier masque en l’absence d’objet. La taille des deuxièmes éléments opaques du deuxième masque est avantageusement ajustée de manière à ce que l’ombre projetée d’un deuxième élément opaque sur le premier masque soit telle qu’il existe toujours un recouvrement complet de cette ombre projetée sur un premier élément opaque du premier masque, y compris dans le cas d’un objet inhomogène susceptible d’induire des variations de phase locale (voir FIG. 5B).
Par exemple, en définissant une déviation angulaire locale maximale induit par l’objet d’intérêt, noté 0max, pour un objet positionné au plus près du deuxième masque 620, ce qui correspond à la géométrie la plus défavorable du point de vue des déviations des ombres projetées des deuxièmes éléments opaques du deuxième masque liés à l’objet, la taille des deuxièmes éléments opaques, en faisant l’hypothèse d’éléments opaques de forme carrée, sera choisie suivant l’équation suivante :
Figure imgf000022_0001
Cette dernière équation correspond à une approximation pour de petits angles d’incidence des rayons X sur les éléments opaques du premier masque et du deuxième masque, c’est-à-dire pour des distances d2 grandes vis-à-vis de la taille du masque.
Les FIGS 5 A, 5B illustrent l’effet de cet arrangement multi masques vis-à-vis de la dose de rayonnements X reçue par l’objet. Le deuxième masque positionné en amont de l’objet définit sur celui-ci un ensemble d’ombres projetées pour lesquelles aucun rayonnement X n’atteint l’objet, minimisant ainsi la quantité de rayonnement non utile déposé sur l’objet. Par exemple, pour un premier masque comprenant des éléments opaques représentant 25% de la surface du masque, une distance d2 de 40cm, une distance D de 50 cm et une déviation angulaire maximale 0max de 0,05mrad, il est possible de réduire la dose reçue par l’objet de 10% environ.
Selon une mise en œuvre particulière, il est possible d’accéder à une image supplémentaire liée à l’objet lors de l’imagerie d’objets diffusants, à savoir une image dit « en champ sombre ». Par image « en champ sombre », on comprend qu’on ne détecte que les rayons X diffusés par l’échantillon.
Les FIGS 6A - 6D illustrent un exemple de mise œuvre permettant d’accéder à cette image.
Comme précédemment, les FIGS 6A et 6C sont des représentations schématiques en coupe du premier masque 220 et du détecteur 230 formés respectivement d’agencements bidimensionnels respectivement d’éléments opaques 222 et de détecteurs élémentaires 232.
Pour permettre l’obtention d’une image en champ sombre, la position relative du premier masque 220 d’éléments opaques et du détecteur 230 est modifiée de telle sorte que chaque ombre projetée 224 de chaque élément opaque 222 du premier masque corresponde à un détecteur élémentaire, que ce soit vis-à-vis de sa taille ou de sa position, ceci en l’absence d’un objet.
Cette configuration peut être obtenue par exemple lorsque les éléments opaques du premier masque ont des caractéristiques de taille, de géométrie et de périodicité proportionnelles à celles du détecteur. L’obtention de cette position particulière du premier masque peut être acquise par une translation du premier masque 220 ou du détecteur 230 selon un axe perpendiculaire à l’axe optique défini par la source et l’axe perpendiculaire au détecteur. La FIG. 6B illustre le signal obtenu au niveau du détecteur - selon une seule dimension à fins de simplification de la représentation - à savoir une succession de signaux non nuis et de signaux nuis alternés, les signaux non nuis étant égaux dans le cas d’une source homogène en éclairement. De manière pratique, cette position particulière du masque peut être prédéterminée en l’absence d’objet, et sauvegardée de manière à pouvoir être simplement retrouvée si nécessaire, par exemple à l’aide d’une motorisation du masque et/ou du détecteur appropriée.
La majorité des objets biologiques, mais aussi la plupart des matériaux faisant l’objet d’imagerie par rayons X, présentent des propriétés de diffusion à ces longueurs d’ondes dues à la présence de diffuseurs de très faible taille. Ce phénomène de diffusion est habituellement nommé S AXS pour « Small-Angle X-ray Scattering » . Lorsqu’un objet diffusant est imagé par le présent système dans la position particulière du premier masque et du détecteur précédemment décrite, le cône de distribution angulaire des rayons traversant l’objet au niveau d’une zone non opaque du masque est élargi par le phénomène de diffusion, ce qui correspond à un élargissement de la surface recevant du signal au niveau du détecteur, comme illustré sur la Figure 6C.
Dans ce cas, les détecteurs élémentaires directement adjacents aux détecteurs élémentaires qui reçoivent des signaux non nuis dans la position particulière du premier masque décrite sur les FIGS 6A, 6B, reçoivent un signal de diffusion, comme illustré sur la FIG. 6D.
Ce signal de diffusion calculé sur l’ensemble du détecteur permet d’obtenir une image de contraste de diffusion ou image en champ sombre. Ce type de contraste s’avère complémentaire du contraste de phase, par exemple dans le cas de l’imagerie d’objets biologiques à des fins médicales, comme décrit dans l’article de revue de A. B ravin ét al. [Réf. 1]
Bien entendu, l’exemple de mise en œuvre illustré sur les FIGS 6A - 6D peut être obtenu avec un dispositif tel que celui représenté sur les FIGS 5A, 5B, dans lequel deux masques sont prévus. Dans ce cas, les premier et deuxième masques resteront solidaires lors du changement de la position relative entre le premier masque et le détecteur pour passer d’une première position adaptée à l’imagerie de contraste de phase à une deuxième position adaptée à l’imagerie en champ sombre.
Bien que décrite à travers un certain nombre d’exemples de réalisation, le procédé d’imagerie par contraste de phase et le dispositif pour la mise en œuvre dudit procédé comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l’homme de l’art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l’invention telle que définie par les revendications qui suivent.
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
1. A. Bravin et al. « X-Ray phase-contrast imaging: from pre-clinical applications towards clinics », Physics in Medicine and Biology, 58 (2013) R1-R35
2. F. Pfeiffer et al. « Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources », Nature Physics, vol. 2, 2006
3. W02008029107 (“Phase Contrast Imaging")
4. US2014233699 (“Phase Imaging’)
5. W.H Southwell et al. « Wave-front estimation from wave-front slope measurements”, JO SA, 70, 8, 998-1006 (1980)

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d’imagerie de contraste de phase d’un objet comprenant les étapes suivantes :
l’émission au moyen d’une source (210) de rayons X d’un faisceau d’illumination ;
l’envoi dudit faisceau d’illumination vers un détecteur (230) desdits rayons X, ledit détecteur comprenant un agencement bidimensionnel de détecteurs élémentaires (232) identiques, lesdits détecteurs élémentaires formant une pluralité de groupes (234) de détecteurs élémentaires juxtaposés, chaque groupe comprenant quatre détecteurs élémentaires agencés en carré; le positionnement d’au moins un premier masque (220) entre ladite source et le détecteur, à une distance donnée (d) du détecteur, le premier masque comprenant un arrangement bidimensionnel de premiers éléments (222) opaques dans une bande spectrale utile desdits rayons X, de formes et de dimensions données telles que l’ombre projetée (224) de chaque premier élément opaque éclairé par ledit faisceau d’illumination recouvre partiellement chacun des quatre détecteurs élémentaires d’un groupe de détecteurs élémentaires;
la formation d’une image de contraste de phase d’un objet d’intérêt agencé à proximité dudit premier masque, la formation de ladite image comprenant l’acquisition d’une pluralité d’éléments d’image associés chacun à un groupe de ladite pluralité de groupes de détecteurs élémentaires, l’acquisition d’un élément d’image comprenant la mesure du déplacement de l’ombre projetée d’un premier élément opaque sur ledit groupe de détecteurs élémentaires.
2. Procédé d’imagerie de contraste de phase selon la revendication 1, dans lequel, en l’absence d’un objet d’intérêt, l’ombre projetée de chaque premier élément opaque éclairé par ledit faisceau d’illumination est centrée sur l’intersection entre lesdits quatre détecteurs élémentaires.
3. Procédé d’imagerie de contraste de phase selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, en l’absence d’un objet d’intérêt, l’ombre projetée de chaque premier élément opaque éclairé par ledit faisceau d’illumination est de forme et de dimensions sensiblement identiques à celle d’un détecteur élémentaire.
4. Procédé d’imagerie de contraste de phase selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la mesure du déplacement de l’ombre projetée d’un premier élément opaque sur ledit groupe de détecteurs élémentaires comprend une mesure de l’intensité du rayonnement X au niveau de chacun des quatre détecteurs élémentaires dudit groupe de détecteurs élémentaires.
5. Procédé d’imagerie de contraste de phase selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre : l’acquisition d’une image en absorption, comprenant le calcul du ratio entre la somme des intensités du rayonnement X mesurées par chacun des quatre détecteurs élémentaires dudit groupe de détecteurs élémentaires en présence dudit objet d’intérêt et en l’absence dudit objet d’intérêt.
6. Procédé d’imagerie de contraste de phase selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit premier masque est positionné entre l’objet d’intérêt et le détecteur.
7. Procédé d’imagerie de contraste de phase selon la revendication 6, comprenant en outre : le positionnement d’un deuxième masque (620) en amont du premier masque, l’objet d’intérêt étant positionné lors de la formation d’une image de phase entre le premier masque et le deuxième masque le deuxième masque comprenant un ensemble de deuxièmes éléments (622) opaques dans ladite bande spectrale utile, agencés de telle sorte que l’ombre projetée (624) d’un deuxième élément opaque (622) sur le premier masque soit incluse dans un premier élément opaque (222) du premier masque.
8. Procédé d’imagerie de contraste de phase selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre : le déplacement relatif dudit premier masque et dudit détecteur de telle sorte que l’ombre projetée de chaque premier élément opaque éclairé par ledit faisceau d’illumination coïncide avec un détecteur élémentaire ; acquisition d’une image en champ sombre de l’objet par mesure d’un signal sur chacun des détecteurs élémentaires coïncidant avec l’ombre projetée de chacun desdits premiers éléments opaques.
9. Dispositif (200) d’imagerie de contraste de phase d’un objet comprenant : une source (210) de rayons X pour l’émission d’un faisceau d’illumination ;
un détecteur (230) desdits rayons X agencé pour recevoir ledit faisceau d’illumination, ledit détecteur comprenant un agencement bidimensionnel de détecteurs élémentaires (232) identiques, lesdits détecteurs élémentaires formant une pluralité de groupes (234) de détecteurs élémentaires juxtaposés, chaque groupe comprenant quatre détecteurs élémentaires agencés en carré; au moins un premier masque (220) positionné entre ladite source et le détecteur, à une distance donnée (d) du détecteur, le premier masque comprenant un arrangement bidimensionnel de premiers éléments (222) opaques dans une bande spectrale utile desdits rayons X, de formes et de dimensions données telles que l’ombre projetée (224) de chaque premier élément opaque éclairé par ledit faisceau d’illumination recouvre partiellement chacun des quatre détecteurs élémentaires d’un groupe de détecteurs élémentaires;
une unité de traitement configurée pour former une image de contraste de phase d’un objet d’intérêt (10) agencé à proximité dudit premier masque, ladite image comprenant une pluralité d’éléments d’image associés chacun à un groupe de ladite pluralité de groupes de détecteurs élémentaires, chaque élément d’image étant déterminé à partir de la mesure du déplacement de l’ombre projetée d’un premier élément opaque sur ledit groupe de détecteurs élémentaires.
10. Dispositif d’imagerie de contraste de phase selon la revendication 9, dans lequel, en l’absence d’un objet d’intérêt, lorsque le premier masque est éclairé par ledit faisceau d’illumination, l’ombre projetée de chaque premier élément opaque est centrée sur l’intersection entre lesdits quatre détecteurs élémentaires.
11. Dispositif d’imagerie de contraste de phase selon l’une quelconque des revendications 9 ou 10, dans lequel les détecteurs élémentaires et les premiers éléments opaques sont de forme carrée ou rectangulaire.
12. Dispositif d’imagerie de contraste de phase selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel les détecteurs élémentaires et les premiers éléments opaques sont agencés de façon périodique selon chaque dimension de l’agencement bidimensionnel.
13. Dispositif d’imagerie de contraste de phase selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, comprenant en outre un deuxième masque (620) positionné en amont du premier masque, le deuxième masque comprenant un ensemble de deuxièmes éléments (622) opaques dans ladite bande spectrale utile, agencés de telle sorte que lorsque le deuxième masque est éclairé par ledit faisceau d’illumination, l’ombre projetée (624) d’un deuxième élément opaque (622) sur le premier masque soit incluse dans un premier élément opaque du premier masque.
14. Dispositif d’imagerie de contraste de phase selon l’une quelconque des revendications 9 à 13, comprenant en outre des moyens de déplacement relatif dudit premier masque et dudit détecteur.
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