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.

L'objectif du projet, dont le travail présenté dans cette thèse est une partie, était de développer une caméra à rayons X ultra-rapide utilisant des pixels hybrides pour l'imagerie biomédicale et la science des matériaux. La technologie à pixels hybrides permet de répondre aux besoins des ces deux champs de recherche, en particulier en apportant la possibilité de sélectionner l'énergie des rayons X détectés et de les imager à faible dose. Dans cette thèse, nous présentons une caméra ultra-rapide basée sur l'utilisation de circuits intégrés XPAD3-S développés pour le comptage de rayons X. En collaboration avec l'ESRF et SOLEIL, le CPPM a construit trois caméras XPAD3. Deux d'entre elles sont utilisée sur les lignes de faisceau des synchrotrons SOLEIL et ESRF, et le troisième est installé dans le dispositif d'irradiation PIXSCAN II du CPPM. La caméra XPAD3 est un détecteur de rayons X de grande surface composé de huit modules de détection comprenant chacun sept circuits XPAD3-S équipés d'un système d'acquisition de données ultrarapide. Le système de lecture de la caméra est basé sur l'interface PCI Express et sur l'utilisation de circuits programmables FPGA. La caméra permet d'obtenir jusqu'à 240 images/s, le nombre maximum d'images étant limité par la taille de la mémoire RAM du PC d'acquisition. Les performances de ce dispositif ont été caractérisées grâce à plusieurs expériences à haut d'ebit de lecture réalisées dans le système d'irradiation PIXSCAN II. Celles-ci sont décrites dans le dernier chapitre de cette thèse.

L’imagerie biomédicale est aujourd’hui un outil essentiel pour établir un diagnostic grâce à l’observation des tissus et des fluides biologiques. L’usage d’instruments à imagerie combinée avec des produits de contraste est la clé pour réussir à distinguer précisément un tissu ciblé via l’accumulation de produit de contraste dans le tissu. Les deux principaux appareils à imagerie utilisés sont le scanner à rayons X et l’imagerie à résonance magnétique (IRM). Ils sont fréquemment employés en complément de l’un et l’autre. Typiquement, de petites molécules iodées hydrophiles sont utilisées comme produit de contraste pour la radiographie à rayons X tandis que l’IRM implique des matériaux magnétiques tels que des nanoparticules d’oxyde de fer. Dans le cadre de ce projet doctoral, nous avons donc proposé deux nouveaux produits de contraste dont le premier visait à constituer une alternative aux produits iodés dont la rapide élimination et la toxicité rénale forment deux problèmes récurrents et un second produit, cette fois-ci bimodale, afin de faciliter les procédures d’imagerie bimodale. Pour le premier point, des nanoparticules de polymères iodés pour l’imagerie à rayons X ont été formulées et ce, par une technique de nanoprécipitation. Les paramètres de formulation ont été élucidés de telle sorte que les nanoparticules possédaient une distribution de taille adaptée pour l’administration par voie intraveineuse et une teneur en iode suffisante en iode pour contraster sous rayons X. Une étude in vivo a révélé le potentiel du produit de contraste à visualiser distinctement le foie et la rate et ce, tout en ne présentant pas les principaux problèmes des produits iodés commerciaux. La seconde étude a eu pour but de formuler des nano-véhicules lipidiques capables de générer un contraste pour l’imagerie à rayons X et l’IRM de par l’incorporation d’huile iodée et de nanoparticules d’oxyde de fer dans le coeur de nano-émulsions. Ceci avait pour objectif de fournir une plateforme nanoparticulaire bimodale pour réaliser efficacement et rapidement des procédures d’imagerie multimodale. Nous avons réussi à produire un efficace agent de contraste bimodal permettant d’observer distinctement le foie et les reins par IRM et le foie et la rate par imagerie à rayons X. La pharmacocinétique de la substance administrée a ainsi pu être mise en avant grâce à la bimodalité de l’agent. Employer l’IRM a permis de montrer qu’une fraction de la dose injectée était éliminée par voie rénale tandis que l’imagerie à rayons X a confirmé que les deux tissus, foie et rate,étaient passivement ciblés par l’agent de contraste. Ces deux études ont donc fournies de potentielles solutions pour répondre aux besoins en produits pour l’imagerie à rayons X et en formulations facilitant l’imagerie bimodale des tissus mous. / Biomedical imaging is nowadays an essential tool to establish a diagnosis by means of observation of tissues and biological fluids. Combination of imaging instrument with contrast enhancers is a key to obtain clear delineation of a desired tissue by accumulation of a contrast agent into this specific target. The two main imagers are the X-ray scanner and the magnetic resonance imaging (MRI).These imagers are frequently used in conjuncture. Typically, small hydrosoluble iodinated molecules are used as contrasting material for radiography whereas MRI involves magnetic materials like iron oxide nanoparticles. In this work, we proposed two novel contrast agents, the first one was aiming to form an alternative to iodinated contrast agents suffering from fast excretion and causing renal toxicity whereas the second one was aiming at providing bimodal contrasting ability to facilitate access to bimodal imaging procedure in clinics. In the first case, iodinated polymeric nanoparticles, serving for preclinical X-ray imaging were formulated by nanoprecipitation technique. Parameters of formulation were elucidated to provide nanoparticles with size distribution suitable for in vivo administration and high iodine content for contrast enhancement. In vivo study revealed the efficacy of our nanoparticles to clearly visualize liver and spleen and limiting current issues associated with marketed radiopaque contrast agents. The second work achieved was aiming at formulating bimodal lipids-based nanocarriers capable of yielding contrast enhancement for X-ray imaging and MRI by combining iodinated oil and iron oxide nanoparticles within a nano-emulsion core. This would provide bimodal nanoparticulate platform to carry out fast and efficient dual modal imaging procedures. In this context we succeeded to generate efficient dual modal contrast agent yielding clear visualization of liver and kidney by MRI and liver and spleen by X-ray imaging. Pharmacokinetic profile was so determined thanks to bimodal imaging. Using MRI allowed to show that kidneys eliminated a fraction of the dose whereas X-ray imaging confirmed that both tissues, liver and spleen, were passively targeted. These two studies proposed solutions limiting current issues of radiopaque contrast agents and novel formulations to facilitate bimodal imaging for soft tissues imaging.

Les matériaux composites à renfort carbone dans une matrice époxy présentent des propriétés remarquables au regard de leur poids. Cependant, ces matériaux peuvent présenter des défauts qui peuvent significativement altérer leurs propriétés. Il est donc nécessaire de disposer d'un moyen de contrôle non destructif performant, afin de vérifier la structure interne de ces matériaux. Dans ce document, la tomographie X est utilisée. La distinction des défauts dans ces matériaux est cependant compliquée à cause de la proximité chimique entre le carbone et la résine. Dans le but d'améliorer la détection de ces défauts, ce document propose l'étude des différents phénomènes physiques entrant en jeu lors du procédé de tomographie X dont l'étude des paramètres d'acquisition et les phénomènes physiques dégradant la qualité de l'image. Afin d'aider à la compréhension des différents phénomènes physiques, l'outil de la simulation est utilisé, celle-ci permettant d'étudier de manière indépendante tous ces phénomènes. Après avoir présenté dans la première section les matériaux composites et la tomographie X, la deuxième section décrit les caractéristiques du système d'acquisition tomographique utilisé. Ensuite, les caractéristiques de la simulation du système d'acquisition sont également présentées. La troisième section propose une étude des différents phénomènes physiques contribuant à l'image. En effet, la comparaison des résultats entre la simulation et l'expérimental a permis de mettre en évidence qu'un phénomène de rétrodiffusion se produit à l'intérieur du détecteur. Un protocole est présenté afin de le déterminer expérimentalement et de l'ajouter aux projections simulées. De plus, la simulation ne prenant pas en compte le bruit sur les projections, un protocole est présenté afin de le déterminer expérimentalement. La quatrième section présente l'étude de l'optimisation de la qualité de l'image par simulation. Le choix de la tension accélératrice est étudié, ainsi que l'influence du rayonnement diffusé objet. La cinquième section propose une validation expérimentale des résultats, notamment en appliquant la correction du rayonnement rétrodiffusé aux pièces composites d'intérêt. / The carbon-fiber-reinforced-polymer (CFRP) materials display excellent properties considering their weight. However, they also can display defects that can significantly decrease their properties. In order to verify the internal structure of the composite materials, non destructive control is required. In this document, the X-ray computed tomography is used. Nevertheless, the distinction of the defects is difficult because of the chemical proximity between the carbon and the resin. In order to improve the detection of the defects, this document proposes to study the different physical phenomena happening during the tomography process such as the study of the acquisition parameters and the phenomena that decrease the image quality. In order to help to understand the different phenomena, the simulation tool is used. It allows to study the different phenomena independently to the others. After the presentation of the composite materials and the x-ray computed tomography in the first part, the features of the used acquisition system are presented in the second part. The features of the simulation of the acquisition system are also presented. The third part propose a study of the different phenomena contributing to the image. The comparison of the results between the simulation and the experimental allows to highlight a backscattering phenomenon happening inside the detector. A protocol allowing to determine these phenomena experimentally and to add it on the computed projections is presented. Furthermore, the simulation does not take the noise on the projection into account. Another protocol is presented, allowing to determine it experimentally. The fourth part displays the study of the optimization of the image quality using the simulation. The choice of the accelerating voltage is studied as well as the influence of the object scatter radiation. The fifth part proposes an experimental validation of the results. Especially, a correction of the backscattering is presented and applied to the composites objects.

L’objectif du projet, dont le travail présenté dans cette thèse est une partie, était de développer une caméra à rayons X ultra-rapide utilisant des pixels hybrides pour l’imagerie biomédicale et la science des matériaux. La technologie à pixels hybrides permet de répondre aux besoins des ces deux champs de recherche, en particulier en apportant la possibilité de sélectionner l’énergie des rayons X détectés et de les imager à faible dose. Dans cette thèse, nous présentons une caméra ultra-rapide basée sur l’utilisation de circuits intégrés XPAD3-S développés pour le comptage de rayons X. En collaboration avec l’ESRF et SOLEIL, le CPPM a construit trois caméras XPAD3. Deux d’entre elles sont utilisée sur les lignes de faisceau des synchrotrons SOLEIL et ESRF, et le troisième est installé dans le dispositif d’irradiation PIXSCAN II du CPPM. La caméra XPAD3 est un détecteur de rayons X de grande surface composé de huit modules de détection comprenant chacun sept circuits XPAD3-S équipés d’un système d’acquisition de données ultra-rapide. Le système de lecture de la caméra est basé sur l’interface PCI Express et sur l’utilisation de circuits programmables FPGA. La caméra permet d’obtenir jusqu’à 240 images/s, le nombre maximum d’images étant limité par la taille de la mémoire RAM du PC d’acquisition. Les performances de ce dispositif ont été caractérisées grâce à plusieurs expériences à haut débit de lecture réalisées dans le système d’irradiation PIXSCAN II. Celles-ci sont décrites dans le dernier chapitre de cette thèse. / The aim of the project, of which the work described in this thesis is part, was to design a high-speed X-ray camera using hybrid pixels applied to biomedical imaging and for material science. As a matter of fact the hybrid pixel technology meets the requirements of these two research fields, particularly by providing energy selection and low dose imaging capabilities. In this thesis, high frame rate X-ray imaging based on the XPAD3-S photons counting chip is presented. Within a collaboration between CPPM, ESRF and SOLEIL, three XPAD3 cameras were built. Two of them are being operated at the beamline of the ESRF and SOLEIL synchrotron facilities and the third one is embedded in the PIXSCAN II irradiation setup of CPPM. The XPAD3 camera is a large surface X-ray detector composed of eight detection modules of seven XPAD3-S chips each with a high-speed data acquisition system. The readout architecture of the camera is based on the PCI Express interface and on programmable FPGA chips. The camera achieves a readout speed of 240 images/s, with maximum number of images limited by the RAM memory of the acquisition PC. The performance of the device was characterize by carrying out several high speed imaging experiments using the PIXSCAN II irradiation setup described in the last chapter of this thesis.

L'objectif de cette thèse était de quantifier le réseau lacuno-canaliculaire du tissu osseux à partir d’images 3D acquises en nano CT synchrotron de phase. Ceci a nécessité d’optimiser les processus d’acquisition et de reconstruction de phase, ainsi que de développer des méthodes efficaces de traitement d'images pour la segmentation et l’analyse 3D. Dans un premier temps, nous avons étudié et évalué différents algorithmes de reconstruction de phase. Nous avons étendu la méthode de Paganin pour plusieurs distances de propagation et l’avons évaluée et comparée à d’autres méthodes, théoriquement puis sur nos données expérimentales Nous avons développé une chaine d’analyse, incluant la segmentation des images et prenant en compte les gros volumes de données à traiter. Pour la segmentation des lacunes, nous avons choisi des méthodes telles que le filtre médian, le seuillage par hystérésis et l'analyse par composantes connexes. La segmentation des canalicules repose sur une méthode de croissance de région après rehaussement des structures tubulaires. Nous avons calculé des paramètres de porosité, des descripteurs morphologiques des lacunes ainsi que des nombres de canalicules par lacune. Par ailleurs, nous avons introduit des notions de paramètres locaux calculés dans le voisinage des lacunes. Nous avons obtenu des résultats sur des images acquises à différentes tailles de voxel (120nm, 50nm, 30nm) et avons également pu étudier l’impact de la taille de voxel sur les résultats. Finalement ces méthodes ont été utilisées pour analyser un ensemble de 27 échantillons acquis à 100 nm dans le cadre du projet ANR MULTIPS. Nous avons pu réaliser une analyse statistique pour étudier les différences liées au sexe et à l'âge. Nos travaux apportent de nouvelles données quantitatives sur le tissu osseux qui devraient contribuer à la recherche sur les mécanismes de fragilité osseuse en relation avec des maladies comme l’ostéoporose. / Osteoporosis is a bone fragility disease resulting in abnormalities in bone mass and density. In order to prevent osteoporotic fractures, it is important to have a better understanding of the processes involved in fracture at various scales. As the most abundant bone cells, osteocytes may act as orchestrators of bone remodeling which regulate the activities of both osteoclasts and osteoblasts. The osteocyte system is deeply embedded inside the bone matrix and also called lacuno-canalicular network (LCN). Although several imaging techniques have recently been proposed, the 3D observation and analysis of the LCN at high spatial resolution is still challenging. The aim of this work was to investigate and analyze the LCN in human cortical bone in three dimensions with an isotropic spatial resolution using magnified X-ray phase nano-CT. We performed image acquisition at different voxel sizes of 120 nm, 100 nm, 50 nm and 30 nm in the beamlines ID16A and ID16B of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF - European Synchrotron Radiation Facility - Grenoble). Our first study concerned phase retrieval, which is the first step of data processing and consists in solving a non-linear inverse problem. We proposed an extension of Paganin’s method suited to multi-distance acquisitions, which has been used to retrieve phase maps in our experiments. The method was compared theoretically and experimentally to the contrast transfer function (CTF) approach for homogeneous object. The analysis of the 3D reconstructed images requires first to segment the LCN, including both the segmentation of lacunae and of canaliculi. We developed a workflow based on median filter, hysteresis thresholding and morphology filters to segment lacunae. Concerning the segmentation of canaliculi, we made use of the vesselness enhancement to improve the visibility of line structures, the variational region growing to extract canaliculi and connected components analysis to remove residual noise. For the quantitative assessment of the LCN, we calculated morphological descriptors based on an automatic and efficient 3D analysis method developed in our group. For the lacunae, we calculated some parameters like the number of lacunae, the bone volume, the total volume of all lacunae, the lacunar volume density, the average lacunae volume, the average lacunae surface, the average length, width and depth of lacunae. For the canaliculi, we first computed the total volume of all the canaliculi and canalicular volume density. Moreover, we counted the number of canaliculi at different distances from the surface of each lacuna by an automatic method, which could be used to evaluate the ramification of canaliculi. We reported the statistical results obtained on the different groups and at different spatial resolutions, providing unique information about the organization of the LCN in human bone in three dimensions.

Le développement de sources cohérentes de rayons X offre de nouvelles possibilités pour visualiser les structures biologiques à différentes échelles en exploitant la réfraction des rayons X. La cohérence des sources synchrotron de troisième génération permettent des implémentations efficaces des techniques de contraste de phase. Une des premières mesures des variations d'intensité dues au contraste de phase a été réalisée en 1995 à l'Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron (ESRF). L'imagerie de phase couplée à l'acquisition tomographique permet une imagerie tridimensionnelle avec une sensibilité accrue par rapport à la tomographie standard basée sur absorption. Cette technique est particulièrement adaptée pour les échantillons faiblement absorbante ou bien présentent des faibles différences d'absorption. Le contraste de phase a ainsi une large gamme d'applications, allant de la science des matériaux, à la paléontologie, en passant par la médecine et par la biologie. Plusieurs techniques de contraste de phase aux rayons X ont été proposées au cours des dernières années. Dans la méthode de contraste de phase basée sur le phénomène de propagation l'intensité est mesurée pour différentes distances de propagation obtenues en déplaçant le détecteur. Bien que l'intensité diffractée puisse être acquise et enregistrée, les informations de phase du signal doivent être "récupérées" à partir seulement du module des données mesurées. L'estimation de la phase est donc un problème inverse non linéaire mal posé et une connaissance a priori est nécessaire pour obtenir des solutions stables. Si la plupart de méthodes d'estimation de phase reposent sur une linéarisation du problème inverse, les traitements non linéaires ont été très peu étudiés. Le but de ce travail était de proposer et d'évaluer des nouveaux algorithmes, prenant en particulier en compte la non linéarité du problème direct. Dans la première partie de ce travail, nous présentons un schéma de type Landweber non linéaire itératif pour résoudre le problème de la récupération de phase. Cette approche utilise l'expression analytique de la dérivée de Fréchet de la relation phase-intensité et de son adjoint. Nous étudions aussi l'effet des opérateurs de projection sur les propriétés de convergence de la méthode. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étudions la résolution du problème inverse linéaire avec un algorithme en coordonnées ondelettes basé sur un seuillage itératif. Par la suite, les deux algorithmes sont combinés et comparés avec une autre approche non linéaire basée sur une régularisation parcimonieuse et un algorithme de point fixe. Les performances des algorithmes sont évaluées sur des données simulées pour différents niveaux de bruit. Enfin, les algorithmes ont été adaptés pour traiter des données réelles acquises en tomographie de phase à l'ESRF à Grenoble.

Nous étudions l'effet thermo-électrique et les phénomènes qui en résultent, forces et les courants thermoélectriques (TEC) sous l'action d'un champ magnétique externe imposé lors de la solidification d'alliages métalliques. Nous avons utilisé des simulations numériques, des observations directes et des examens de laboratoire. L'interaction entre les courants thermo-électriques et le champ magnétique externe lors de la solidification se produit des forces électromagnétiques et donc un écoulement du métal liquide. Le résultat est nommé effet magnétique thermoélectrique (TEME). Les formulations de TEC, les forces et les équations gouvernant les écoulements TEM sont donnés. Afin de mieux prouver l'existence de la TEME, des expériences par méthode d'imagerie à rayons X menées au synchrtron ont été utilisées pour observer in-situ et en temps réel l'action directe des forces et les mouvements TEM pendant la solidification directionnelle des alliages Al-Cu. Nous avons montré la cohérence raisonnable entre les calculs analytiques et des simulations numériques qui ont exécuté avec les mêmes conditions de traitement. En outre, la capacité des écoulements thermo-électriques à influer sur la microstructure lors de la solidification directionnelle sont expérimentalement évaluées dans les autres cas en réalité. La solidification directionnelle d'une seule phase de formation des alliages Al-Cu sous divers champs magnétiques montre que les écoulements TEM sont capables de modifier la forme de l'interface liquide-solide conduisant à des morphologies différentes. L'effet le plus intense se produit dans différents champs magnétiques pour différentes morphologies, en effet, le champ magnétique élevé est nécessaire pour la morphologie a une plus petite longueur typique. Ceci est en accord avec le comportement des vitesses de TEM qui varient avec les champs magnétiques imposés ainsi que les différentes échelles de longueur typique. Cette variation est confirmée par des simulations numériques 3D. Nous montrons que les dendrites primaires et à l'avant de la phase eutectique, peuvent être modifiés par les mouvements TEM et les forces de TEM dans le solide pour améliorer la croissance de la phase de Al2Cu facettes primaire pendant la solidification des Al-40wt%Cu hypereutectiques. Le mécanisme de renforcement de la croissance de la phase facettes Al2Cu est confirmé par la transmission électronique observation au microscope, et la raison de la formation de la structure de croissance de couple de Al-26wt% Cu alliages est vérifiée par le test de l'analyse thermique différentielle. Ainsi, nous pouvons affirmer que le champ magnétique élevé facilite la formation de la structure de la croissance de couple pour hypoeutectiques alliages Al-Cu, et favorise la croissance de la phase Al2Cu primaire pour hypereutectiques Al-Cu alliages.

L’imagerie basée sur la diffraction des rayons X est une technique non-invasive puissante pour l’identification et caractérisation de matériaux différents. Comparée aux techniques traditionnelles utilisant la transmission des rayons X, elle permet d’extraire des informations beaucoup plus caractéristiques pour le matériau inspecté, comme les positions des pics de Bragg pour des matériaux cristallins et le facteur de forme moléculaire pour les matériaux amorphes. Le potentiel de cette méthode a été reconnu par de nombreuses équipes de recherche et de nombreuses applications comme l’inspection de bagage, le contrôle non-destructif, la détection de drogue et la caractérisation de tissus biologiques ont été proposées. La méthode par dispersion d’énergie (EDXRD) est particulièrement adaptée à ce type d’application car elle permet l’utilisation d’un tube à rayons X conventionnel, l’acquisition du spectre entier en une fois et des architectures parallélisées pour l’inspection d’un objet entier en un temps raisonnable. L’objectif de ce travail est d’optimiser toute la chaîne de caractérisation. L’optimisation comprend deux aspects : l’optimisation du système d’acquisition et du traitement des données. La dernière concerne particulièrement la correction des spectres de diffraction dégradés par le processus d’acquisition. Des méthodes de reconstruction sont proposées et validées sur des spectres simulés et expérimentaux. L’optimisation du système est réalisée en utilisant des facteurs de mérite comme l’efficacité quantique de détection (DQE), le rapport contraste sur bruit (CNR) et les courbes de caractéristiques opérationnelles de réception (ROC).La première application choisie, c’est l’imagerie du sein basée sur la diffraction qui a pour but de distinguer des tissus cancéreux des tissus sains. Deux configurations de collimation sans multiplexage combinant EDXRD et ADXRD sont proposées suite au processus d’optimisation. Une étude de simulation du système entier et d’un fantôme de sein a été réalisée afin de déterminer la dose requise pour la détection d’un petit carcinome de 4 mm. La deuxième application concerne la détection de matériaux illicites pendant le contrôle de sécurité. L’intérêt possible d’un système de collimation multiplexé a été étudié. / X-ray diffraction imaging is a powerful noninvasive technique to identify or characterize different materials. Compared to traditional techniques using X-ray transmission, it allows to extract more material characteristic information, such as the Bragg peak positions for crystalline materials as well as the molecular form factor for amorphous materials. The potential of this technique has been recognized by many researchers and numerous applications such as luggage inspection, nondestructive testing, drug detection and biological tissue characterization have been proposed.The method of energy dispersive X-ray diffraction (EDXRD) is particularly suited for this type of applications as it allows the use of a conventional X-ray tube, the acquisition of the whole spectrum at the same time and parallelized architectures to inspect an entire object in a reasonable time. The purpose of the present work is to optimize the whole material characterization chain. Optimization comprises two aspects: optimization of the acquisition system and of data processing. The last one concerns especially the correction of diffraction pattern degraded by acquisition process. Reconstruction methods are proposed and validated on simulated and experimental spectra. System optimization is realized using figures of merit such as detective quantum efficiency (DQE), contrast to noise ratio (CNR) and receiver operating characteristic (ROC) curves.The first chosen application is XRD based breast imaging which aims to distinguish cancerous tissues from healthy tissues. Two non-multiplexed collimation configurations combining EDXRD and ADXRD are proposed after optimization procedure. A simulation study of the whole system and a breast phantom was realized to determine the required dose to detect a 4 mm carcinoma nodule. The second application concerns detection of illicit materials during security check. The possible benefit of a multiplexed collimation system was examined.

L’imagerie à rayons X couplée aux détecteurs résolus en énergie permet de différencier les matériaux présents et d’estimer leurs contributions respectives. Cependant, ces techniques nécessitent des images très précises. La présence du rayonnement diffusé conduit à une perte du contraste spatial et un biais dans l’imagerie radiographique ainsi que des artefacts dans la tomodensitométrie (TDM). L’objectif principal de cette thèse était de développer une approche de correction du rayonnement diffusé adaptée à l’imagerie multi-énergies. Pour réaliser cette tâche, un objectif secondaire a été défini : la conception et la validation d’un outil de simulation capable de fournir des images du diffusé résolu en énergie dans un temps raisonnable. Une fois validé, cet outil a permis d’étudier le comportement du diffusé dans le domaine spatial et énergétique. Sur la base de cette analyse du diffusé, une approche originale dite « Partial Attenuation Spectral Scatter Separation Approach » (PASSSA) adaptée à l’imagerie multi-énergies a été développée. L’évaluation de PASSSA en mode radiographique par des simulations numériques et des mesures expérimentales a révélé des résultats remarquables en termes d’amélioration du contraste d’image et de la réduction du biais induit par la présence du diffusé. De plus, des études de simulation ont permis d’évaluer la performance de l’approche développée dans la TDM, où PASSSA s’est révélée d’être très efficace pour corriger les distorsions in-duites par le rayonnement diffusé. D’autre part, l’amélioration de la performance dans le contexte de la décomposition des matériaux de base en radiographie après avoir appliqué la méthode développée a également été analysée : l’application de PASSSA se traduit par une amélioration substantielle de l’estimation des épaisseurs des matériaux de base. Finalement, sur la base des différents résultats de validation obtenus, une analyse des développements potentiels a été menée. / X-ray imaging coupled with recently emerged energy-resolved photon counting detectors provides the ability to differentiate material components and to estimate their respective thicknesses. However, such techniques require highly accurate images. The presence of scattered radiation leads to a loss of spatial contrast and, more importantly, a bias in radiographic material imaging and computed tomography (CT). Additionally, artifacts are also introduced in the case of the latter. The main aim of the present thesis was to develop a scatter correction approach adapted for multi-energy imaging. In order to achieve this task, a secondary objective was also set. Namely, the conception and validation of a simulation tool capable of providing energy-resolved scatter simulations in a reasonable time. Once validated through simulations and experimentally, this tool gave the ability to study the behavior of scattered radiation both in spatial and energy domains. Based on the conducted scatter analysis, a Partial Attenuation Spectral Scatter Separation Approach (PASSSA) adapted for multi-energy imaging was developed. The evaluation of PASSSA in radiographic mode through simulations and experiments revealed noteworthy results both in terms of image contrast improvement and scatter induced bias reduction. Additionally, simulation studies examined the performance of the developed approach in CT, where PASSSA also proved to be quite effective at correcting scatter induced distortions. Moreover, the performance improvement in the context of basis material decomposition in radiography after applying the designed method was also analyzed. It was concluded that the application of PASSSA results in a substantial improvement in basis material thickness estimation. Finally, based on the obtained simulated and experimental method evaluation results an analysis of perspective developments was also conducted.