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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8707 (2023) Citer cet article

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L'imagerie par contraste de phase des rayons X par suivi de faisceau est une approche de type « Shack-Hartmann » qui utilise un masque de pré-échantillonnage pour diviser les rayons X en « faisceaux » qui sont interrogés par un détecteur avec une résolution suffisante. La résolution spatiale ultime est déterminée par la taille des ouvertures du masque, mais pour atteindre ce niveau de résolution, il faut « faire avancer » l'échantillon ou le masque par incréments égaux à la taille de l'ouverture (« tramage »). Si un ensemble d'ouvertures circulaires est utilisé (qui fournit également une sensibilité de phase bidimensionnelle) au lieu de longues fentes parallèles, cette étape doit être effectuée dans deux directions, ce qui allonge considérablement les temps de balayage. Nous présentons une conception de masque obtenue en décalant des rangées d’ouvertures circulaires, permettant une sensibilité bidimensionnelle et une résolution isotrope tout en nécessitant un pas de l’échantillon ou du masque dans une seule direction. Nous présentons des images de fantômes et de spécimens biologiques fabriqués sur mesure, démontrant que la récupération de phase quantitative et des résolutions spatiales proches de l'ouverture limitée sont obtenues dans deux directions orthogonales.

Le contraste des images radiologiques conventionnelles dépend de l'atténuation des rayons X traversant la matière ; La tomodensitométrie (TDM) conventionnelle aux rayons X fournit des informations sur la structure interne des matériaux en trois dimensions sur la base du signal d'atténuation1. Les rayons X planaires (radiographie) et la tomodensitométrie sont couramment utilisés dans diverses applications, notamment en médecine et en science des matériaux. Cependant, ils souffrent d'un faible contraste dans les cas où l'échantillon est faiblement atténué (par exemple, un tissu biologique) et/ou est constitué de plusieurs matériaux ayant une atténuation similaire.

Surmonter les limites de l’imagerie par rayons X basée sur l’atténuation a fait l’objet de recherches approfondies au cours des dernières décennies. Une approche consiste à utiliser, dans la formation de l’image, le déphasage que subissent les rayons X lors de leur passage à travers la matière, ce qui donne lieu à des effets de réfraction (l’angle de réfraction est proportionnel à la dérivée première du déphasage2,3). L'imagerie par contraste de phase aux rayons X (XPCI) et la tomographie (XPC-CT) sont des techniques puissantes qui présentent de nombreux avantages par rapport aux méthodes basées sur l'atténuation ; en particulier, ils permettent un contraste nettement plus élevé4. Cela se traduit par une augmentation du rapport contraste/bruit (CNR) pour les mêmes statistiques de rayons X détectées, ce qui permet finalement de détecter des détails invisibles pour l'imagerie à rayons X conventionnelle et de distinguer plus facilement différents matériaux. De plus, le contraste basé sur la phase peut être maintenu à des énergies de rayons X élevées, ce qui réduit la quantité de dose déposée dans l'échantillon3,5, un avantage particulièrement utile en imagerie biomédicale.

Les techniques d'imagerie qui exploitent la phase des rayons X dans la formation d'images comprennent les méthodes d'imagerie basées sur la propagation6, les méthodes d'imagerie basées sur un analyseur7, les méthodes d'imagerie basées sur les taches8, les méthodes interférométriques basées sur les cristaux9, les méthodes interférométriques basées sur un réseau10 et les méthodes non interférométriques basées sur un réseau11. . Ces méthodes utilisent différents dispositifs expérimentaux pour générer une sensibilité de phase, et par conséquent leurs exigences en termes de cohérence spatiale et temporelle du faisceau de rayons X. Certaines tentatives de comparaison quantitative de différentes méthodes XPCI ont été faites dans le passé12,13,14.

Le sujet de cet article est une méthode d’imagerie non interférométrique basée sur un réseau. Cette catégorie de méthodes utilise des modulateurs, généralement des masques avec des septa alternés d'absorption et de transmission, en amont de l'échantillon, qui structurent le faisceau de rayons X en un réseau de faisceaux avec un chevauchement mutuel négligeable. L'atténuation et la réfraction de l'échantillon conduisent alors respectivement à une réduction d'intensité et à un déplacement latéral des faisceaux. La sensibilité à ce dernier est obtenue en utilisant soit un deuxième masque au niveau du détecteur (éclairage de bord11), soit un détecteur avec une taille de pixel suffisamment petite pour résoudre individuellement les faisceaux (suivi de faisceau15). Bien que l'exigence de détecteurs de petite taille de pixel limite son champ de vision, le suivi du faisceau présente l'avantage significatif que les signaux d'atténuation et de réfraction sont récupérés à partir d'une seule image. Il convient de noter ici que les deux mécanismes de détection, l'éclairage des bords et le suivi du faisceau, permettent également la récupération du signal de champ sombre (diffusion aux petits angles) ; cependant, cela a été considéré comme dépassant le cadre de ce travail, qui se concentre sur le balayage unidirectionnel permis par une nouvelle conception de masque. Nous avons d’abord testé le suivi de faisceau XPCI avec un rayonnement synchrotron16, puis l’avons traduit en laboratoire15 ; dans les deux cas, la sensibilité de phase unidimensionnelle a été obtenue à l’aide d’un masque doté de longues fentes parallèles. Cette technique a été développée davantage pour CT17,18, pour la sensibilité de phase bidimensionnelle en utilisant un masque à ouvertures rondes19,20, et en combinant ces deux avancées avec le rayonnement synchrotron21 et dans une configuration de laboratoire compacte22. Il convient de noter que la résolution directe d’un réseau de faisceaux avec un détecteur ayant une résolution suffisante partage des similitudes avec le capteur de front d’onde de Shack-Hartman (qui utilise cependant des lentilles), et d’ailleurs d’autres groupes ont développé des concepts similaires, même plus tôt23,24.