Development of phase contrast imaging methods on X-ray laboratory source

L'imagerie par rayons X est fortement développée dans notre société et notamment dans les domaines industriels, médicaux ou sécuritaires. L'utilisation de cette méthode d'imagerie des structures internes (pour la détection d'irrégularité, de contrôle non destructif de pièces ou de menaces) est quotidienne. En radiographie, le contraste produit sur les images est relié à la variation de l'atténuation du flux de rayons X, qui est fonction de la densité, de l'épaisseur du matériau étudié ainsi que de la longueur d'onde utilisée. Ainsi par exemple, des gaines métalliques, des os ou des armes amènent du contraste sur l'image. Mais en plus de leur atténuation, les rayons X vont subir un déphasage qui est d'autant plus important que le matériau est peu atténuant. Ce phénomène va amener du contraste, dit de phase, permettant d'imager des matériaux peu denses tels que des plastiques, composites, tissus mous ou explosifs. Ce travail de thèse présente le développement et l'adaptation, dans le domaine des rayons X, de méthodes d'imagerie par contraste de phase sur des équipements de laboratoire. Le but est de compléter, d'une manière plus accessible et quotidienne, les demandes d'évaluation non destructives. Ce manuscrit se découpe suivant deux axes portant sur la simulation d'une part et sur le développement instrumental d'autre part. Un outil de simulation a été développé portant sur une description hybride alliant optique géométrique et optique ondulatoire. Les limites du modèle et des validations sont présentées. La partie instrumentale se focalise sur l'étude de deux techniques d'imagerie différentielle de phase. La première technique est de l'interférométrie à décalage multilatéral, dont l'adaptation sur tube à rayons X est réalisée pour la première fois. Une exploitation intéressante de la redondance de la mesure que produit la technique sera notamment introduite. La deuxième approche est une technique d'interférométrie de suivi de tavelure, dont nous présenterons une nouvelle exploitation.X-ray imaging is widely used in non-destructive testing dedicated to industry, medical or security domain. In most of the radiographic techniques, the image contrast depends on the attenuation of the X-ray beam by the sample. This attenuation is function of the density and thickness of the object and of the wavelength. Therefore, objects like metal covers, bones or weapons bring contrast on the image. In addition to attenuation, phase shifting happens, in particular for low-attenuating material. This phenomenon brings contrast, called phase contrast, and allows a X-ray image of low-attenuating material as plastics, composites, soft tissues or explosives. This work presents development and adaptation, in the X-ray domain, of phase contrast imaging techniques on laboratory equipment. The goal is to bring phase contrast imaging in daily use. This manuscript is split in two parts, simulation and instrumentation. A simulation tool has been developed, mixing geometrical optic and wave optic. Limits of the model and validation are presented. For the instrumental part, two interferometric techniques have been considered. The first one is multi-lateral interferometry where adaptation on X-ray tube is presented for the first time. Interesting use of the measurement recurrence will be introduced. The second one is speckle tracking interferometry, recently adapted on X-ray tube, for which we present new advancements

Développement de méthodes d'imagerie par contraste de phase sur source X de laboratoire

X-ray imaging is widely used in non-destructive testing dedicated to industry, medical or security domain. In most of the radiographic techniques, the image contrast depends on the attenuation of the X-ray beam by the sample. This attenuation is function of the density and thickness of the object and of the wavelength. Therefore, objects like metal covers, bones or weapons bring contrast on the image. In addition to attenuation, phase shifting happens, in particular for low-attenuating material. This phenomenon brings contrast, called phase contrast, and allows a X-ray image of low-attenuating material as plastics, composites, soft tissues or explosives. This work presents development and adaptation, in the X-ray domain, of phase contrast imaging techniques on laboratory equipment. The goal is to bring phase contrast imaging in daily use. This manuscript is split in two parts, simulation and instrumentation. A simulation tool has been developed, mixing geometrical optic and wave optic. Limits of the model and validation are presented. For the instrumental part, two interferometric techniques have been considered. The first one is multi-lateral interferometry where adaptation on X-ray tube is presented for the first time. Interesting use of the measurement recurrence will be introduced. The second one is speckle tracking interferometry, recently adapted on X-ray tube, for which we present new advancements.L'imagerie par rayons X est fortement développée dans notre société et notamment dans les domaines industriels, médicaux ou sécuritaires. L'utilisation de cette méthode d'imagerie des structures internes (pour la détection d'irrégularité, de contrôle non destructif de pièces ou de menaces) est quotidienne. En radiographie, le contraste produit sur les images est relié à la variation de l'atténuation du flux de rayons X, qui est fonction de la densité, de l'épaisseur du matériau étudié ainsi que de la longueur d'onde utilisée. Ainsi par exemple, des gaines métalliques, des os ou des armes amènent du contraste sur l'image. Mais en plus de leur atténuation, les rayons X vont subir un déphasage qui est d'autant plus important que le matériau est peu atténuant. Ce phénomène va amener du contraste, dit de phase, permettant d'imager des matériaux peu denses tels que des plastiques, composites, tissus mous ou explosifs. Ce travail de thèse présente le développement et l'adaptation, dans le domaine des rayons X, de méthodes d'imagerie par contraste de phase sur des équipements de laboratoire. Le but est de compléter, d'une manière plus accessible et quotidienne, les demandes d'évaluation non destructives. Ce manuscrit se découpe suivant deux axes portant sur la simulation d'une part et sur le développement instrumental d'autre part. Un outil de simulation a été développé portant sur une description hybride alliant optique géométrique et optique ondulatoire. Les limites du modèle et des validations sont présentées. La partie instrumentale se focalise sur l'étude de deux techniques d'imagerie différentielle de phase. La première technique est de l'interférométrie à décalage multilatéral, dont l'adaptation sur tube à rayons X est réalisée pour la première fois. Une exploitation intéressante de la redondance de la mesure que produit la technique sera notamment introduite. La deuxième approche est une technique d'interférométrie de suivi de tavelure, dont nous présenterons une nouvelle exploitation

High resolution X-ray phase contrast imaging for non-destructive testing of composite materials

X-ray imaging is widely used in non-destructive testing dedicated to industry, medical or security domain. In aircraft production, the aerospace industry increasingly integrates carbon fibre reinforced polymers (CFRP), which may develop defects from operational wear, like lightning strikes. To robustly characterize density changes resulting from induced lightning damage in CFRP, multilateral shearing interferometry (MLSI) – a phase imaging technique – have been incorporated on a X-ray laboratory bench. Indeed, such method provides higher contrasts than X-ray attenuation imaging for composite materials and brings complementary information of the imaged sample. However, extracting the phase signal requires conditions of the imaging system and algorithmic strategies, which can lead to the emergence of artifacts in phase images. This thesis work involved the characterisation of these artifacts in the context of MLSI applied to X-ray phase imaging, as well as the development of tracking methods and corrective strategies

X-ray phase contrast imaging model: application on tomography with a single 2D phase grating

International audienceIn this paper, we propose a model dedicated to X-ray phase contrast imaging, which is well adapted to the characterization or inspection of low attenuating samples. We introduce a hybrid approach that combines a ray-tracing step with a wave propagation computation. The mathematical basis of our model is described and we present a comparison of the model to experimental results, for the case of an optical fiber sample, in the framework of a free-propagation phase technique. The extension to the 3D imaging is proposed on simulated data using a grating based technique or more precisely, a multilateral shearing interferometry. This technique uses a single 2D phase grating, which has the advantage of a simpler experimental setup and can be coupled with a standard micro-focus X-ray tube and a high-resolution detector. Our phase model was implemented on the CIVA CT simulation platform and used to generate easily different sets of projection data for any type of sample. While the method for 3D reconstruction has the same basis as the classical CT, we focus mainly on the intermediate processing steps, which are required for the phase retrieval and present the results for a phantom composed of spherical objects in different materials

Technique d'imagerie par rayons X en contraste de phase pour du contrôle de matériaux composite

International audienceLe contraste de phase en imagerie par rayons X permet de voir des détails de structures dans les matériaux peu absorbants. Plusieurs techniques existent mais l'interférométrie à décalage multilatérale (IDML) permet une mesure simultanée des gradients de phase selon plusieurs directions par un post-traitement dans le domaine de Fourier. Dans cet article nous présentons des résultats de cette méthode sur deux types de matériaux, des polymères issus de fabrication additive biosourcée et des composites carbonés utilisés dans l'aéronautique. Des outils d'analyse d'image sont mis en oeuvre sur les images obtenues

Two phase contrast methods to study CFRP stricken by lightning

International audienc

Réduction des artefacts dans les images de phase à haute acutance pour l'interférométrie à réseau en rayons X

International audienceX-ray grating-based techniques often lead to artifacts in the phase retrieval process of phase objects presenting very fast spatial transitions or sudden jumps, especially in the field of non-destructive testing and evaluation. In this paper, we present a method that prevents the emergence of artifacts by building an interferogram corrected from any variations of the object intensity and given as input in the phase retrieval process. For illustration, this method is applied to a carbon fiber specimen imaged by a microfocus X-ray tube and a single 2D grating. A significant reduction of artifacts has been obtained, by a factor higher than 10. This evaluation has been performed experimentally thanks to the Confidence Map tool, a recently developed method that estimates the error distribution from the phase gradient information.Les méthodes à réseaux de diffraction en rayons X mènent souvent à des artefacts dans le processus d'extraction de phase d'objets à transitions spatiales abruptes ou présentant des sauts soudains, notamment dans le domaine des essais et évaluations non destructifs. Dans cet article, nous présentons une méthode qui prévient l'apparition d'artefacts en construisant un interférogramme corrigé de toute variation d'intensité de l'objet, donné en entrée du processus d'extraction de phase. À titre d'illustration, cette méthode est appliquée à un échantillon composé de fibres de carbone, imagé par un tube à rayons X microfocus et par un simple réseau 2D. Une réduction significative des artefacts a été obtenue, d'un facteur supérieur à 10. Cette évaluation a été réalisée expérimentalement grâce à l'outil Carte de Confiance, une méthode récemment développée qui estime la distribution des erreurs à partir des informations sur les gradients de phase

Neural fields for sparse-view 3D X-ray imaging: preliminary work

International audienceX-ray Computed Tomography has been increasingly used in many industrial domains for its unique capability of controlling both the integrity and dimensional conformity of parts. Still, it fails to be adopted as a standard technique for on-line monitoring due to its excessive cost in terms of acquitision time. In this work we develop a hybrid methodology, which combines state of the art techniques to perform CT reconstruction from few views using deep learning on 3D cone-beam data.La tomographie par rayons X est de plus en plus utilisée dans de nombreux domaines industriels pour sa capacitéunique a contrôler l’intégrité et la conformité dimensionnelle des pieces. Pourtant, elle ne parvient pas à être adoptée comme technique standard de contrôle en ligne en raison de son cout excessif en temps d’acquisition. Dans ce travail, nous developpons une méthodologie hybride, qui combine differentes techniques d’apprentissage profond pour effectuer une reconstruction tomographique a partir de peu de vues sur des donnees 3D à faisceau conique

Detailed characterization of a CFRP lightning impacted specimen by complementary phase imaging techniques on synchrotron and in the laboratory

International audienceToday, we use more and more carbon fiber reinforced polymers (CFRP) in the aerospace industry. When they are damaged by lightning, defects can be formed in their structures. To understand these defects, an approach is to couple laboratory controlled induced lighting with non-destructive evaluation (NDE). Many NDE methods are used to study CFRP [1], among which X-ray imaging allows volume inspection with high spatial resolution. However, low attenuation carbon materials bring low contrast on the image. To improve it, the contribution of the phase signal of the X-ray wave front modified by the sample is considered in addition to the attenuation signal