CETTE THESE A UN DOUBLE OBJECTIF: D'UNE PART IL S'AGIT DE L'APPLICATION DE L'IMAGERIE X PAR CONTRASTE DE PHASE (AVEC CRISTAL ANALYSEUR) POUR L'ETUDE DES CARTILAGES, OS ET IMPLANTS A L'AIDE DU RAYONNEMENT SYNCHROTRON ET D'AUTRE PART CE TRAVAIL CONTRIBUE AU DEVELOPPEMENT, THEORIQUE ET EXPERIMENTAL, DES TECHNIQUES D'IMAGERIE PAR CONTRASTE DE PHASE.<br />PLUSIEURS ECHANTILLONS HUMAINS POST MORTEM ONT ETE IMAGES PAR UNE TECHNIQUE DE CONTRASTE DE PHASE UTILISANT UN CRISTAL ANALYSEUR (ABI). L'ETUDE COMPREND L'IMAGERIE PAR PROJECTION ET TOMOGRAPHIQUE D'ARTICULATIONS DE HANCHE, ORTEIL ET CHEVILLE. LES IMAGES PAR ABI ONT ETE CONFRONTEES A CELLES OBTENUES PAR DES TECHNIQUES CONVENTIONNELLES : RADIOGRAPHIE, TOMODENSITOMETRIE, ECHOGRAPHIE, IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE ET A DE L'HISTOLOGIE, QUI SERT DE REFERENCE. LES RESULTATS MONTRENT QUE SEULE L'IMAGERIE PAR ABI PERMET DE VISUALISER OU ESTIMER CORRECTEMENT LE STATUT PATHOLOGIQUE PRECOCE DU CARTILAGE. LA CROISSANCE DE L'OS APRES IMPLANTS A AUSSI ETE ETUDIEE SUR LES ECHANTILLONS POST MORTEM DE MOUTON : LA TECHNIQUE D'IMAGERIE PAR ABI PERMET DE FAIRE LA DIFFERENCE ENTRE UNE BONNE GUERISON ET UN RECUPERATION INCOMPLETE DE L'OS. DES EXPERIENCES PIONNIERES, IN VIVO, REALISEES AVEC DES COCHONS DE GUINEE ONT EGALEMENT ETE MENEES AVEC SUCCES, CONFIRMANT AINSI L'UTILISATION POSSIBLE DE LA TECHNIQUE POUR LE SUIVI DES MALADIES AFFECTANT LES ARTICULATIONS, L'ASSIMILATION DES IMPLANTS OU ENCORE L'ETUDE DE L'EFFICACITE DE MEDICAMENTS.<br />EN CE QUI CONCERNE LE DEVELOPPEMENT DES TECHNIQUES PAR CONTRASTE DE PHASE, DEUX OBJECTIFS ONT ETE ATTEINTS. POUR LA PREMIERE FOIS, IL A ETE DEMONTRE EXPERIMENTALEMENT QUE LES TECHNIQUES D'IMAGERIE UTILISANT LE CONTRASTE DE PHASE PAR ABI ET PAR PROPAGATION (PPI) PEUVENT ETRE COMBINEES POUR CREER DES IMAGES AYANT DES CARACTERISTIQUES PROPRES (IMAGERIE HYBRIDE HI). DEUXIEMEMENT, UNE NOUVELLE CONFIGURATION EXPERIMENTALE SIMPLIFIEE, POUR L'ACQUISITION D'IMAGES PROCHES DE CELLES OBTENUES PAR ABI OU HI, EST PROPOSEE ET TESTEE. <br />ENFIN, LES DEUX TECHNIQUES D'IMAGERIE PAR ABI OU HI ONT ETE ETUDIEES D'UN POINT DE VUE THEORIQUE AVEC UN CODE DE SIMULATION ORIGINAL QUI EST CAPABLE DE REPRODUIRE LES RESULTATS EXPERIMENTAUX.

L’histologie virtuelle est un domaine qui suscite un intérêt de recherche croissant. Nous nous intéressons à une de ces techniques en particulier via l’imagerie de contraste de phase par rayonnement synchrotron. Cette imagerie nous permet d’observer des cerveaux de souris intacts avec une résolution spatiale de 8µm isotropique, soit une résolution similaire à celle d’une histologie optique classique mais sans endommager les tissus par des colorations ou des marquages spécifiques. Ces travaux de thèse sont organisés autour de trois grands axes. Un premier axe présente l’instrumentation photonique qui permet l’obtention du contraste de phase et le paramétrage original qui est proposé pour l’acquisition d’échantillons biologiques de composition hétérogène. Un second axe présente différents traitements d’images développés pour des tâches informationnelles précises telles que l’optimisation de la visualisation, la détection d’agrégats cellulaires et la tractographie de structures fibreuses. Enfin, une application biomédicale de ces traitements est proposée via la détection et la quantification de nanoparticules d’oxyde de fer dans un modèle expérimental d’accident vasculaire cérébral. / Virtual histology is a field of investigation with growing interest in the commmunity of bioimage analysis. We focus on one of these techniques with the phase contrast tomography using synchrotron radiation. This technique allows us to visualize mice brains with no impact and with a spatial resolution of 8µm isotropically, which is a resolution similar to the one obtained with classic optical histology but without damaging samples with specific dyeing. This thesis is organized along three main axes. The first one presents photonic instrumentation which gives us access to the phase information and the original setting of a reconstruction parameter for the acquisition of biological heterogeneous samples. A second axis shows several image processing developed in order to address different informational tasks such as visual optimization, cellular aggregates detection or fiber tractography. Eventually, a biomedical application of these process is proposed by adressing detection and quantification of iron oxide nanoparticles in an experimental model of stroke.

L’imagerie par contraste de phase suscite un intérêt croissant dans le domaine biomédical, puisqu’il offre un contraste amélioré par rapport à l’imagerie d’atténuation conventionnelle. En effet, le décalage en phase induit par les tissus mous, dans la gamme d’énergie utilisée en imagerie, est environ mille fois plus important que leur atténuation. Le contraste de phase peut être obtenu, entre autres, en laissant un faisceau de rayons X cohérent se propager librement après avoir traversé un échantillon. Dans ce cas, les signaux obtenus peuvent être modélisés par la diffraction de Fresnel. Le défi de l’imagerie de phase quantitative est de retrouver l’atténuation et l’information de phase de l’objet observé, à partir des motifs diffractés enregistrés à une ou plusieurs distances. Ces deux quantités d’atténuation et de phase, sont entremêlées de manière non-linéaire dans le signal acquis. Dans ces travaux, nous considérons les développements et les applications de la micro- et nanotomographie de phase. D’abord, nous nous sommes intéressés à la reconstruction quantitative de biomatériaux à partir d’une acquisition multi-distance. L’estimation de la phase a été effectuée via une approche mixte, basée sur la linéarisation du modèle de contraste. Elle a été suivie d’une étape de reconstruction tomographique. Nous avons automatisé le processus de reconstruction de phase, permettant ainsi l’analyse d’un grand nombre d’échantillons. Cette méthode a été utilisée pour étudier l’influence de différentes cellules osseuses sur la croissance de l’os. Ensuite, des échantillons d’os humains ont été observés en nanotomographie de phase. Nous avons montré le potentiel d’une telle technique sur l’observation et l’analyse du réseau lacuno-canaliculaire de l’os. Nous avons appliqué des outils existants pour caractériser de manière plus approfondie la minéralisation et les l’orientation des fibres de collagènes de certains échantillons. L’estimation de phase, est, néanmoins, un problème inverse mal posé. Il n’existe pas de méthode de reconstruction générale. Les méthodes existantes sont soit sensibles au bruit basse fréquence, soit exigent des conditions strictes sur l’objet observé. Ainsi, nous considérons le problème inverse joint, qui combine l’estimation de phase et la reconstruction tomographique en une seule étape. Nous avons proposé des algorithmes itératifs innovants qui couplent ces deux étapes dans une seule boucle régularisée. Nous avons considéré un modèle de contraste linéarisé, couplé à un algorithme algébrique de reconstruction tomographique. Ces algorithmes sont testés sur des données simulées. / Phase contrast imaging has been of growing interest in the biomedical field, since it provides an enhanced contrast compared to attenuation-based imaging. Actually, the phase shift of the incoming X-ray beam induced by an object can be up to three orders of magnitude higher than its attenuation, particularly for soft tissues in the imaging energy range. Phase contrast can be, among others existing techniques, achieved by letting a coherent X-ray beam freely propagate after the sample. In this case, the obtained and recorded signals can be modeled as Fresnel diffraction patterns. The challenge of quantitative phase imaging is to retrieve, from these diffraction patterns, both the attenuation and the phase information of the imaged object, quantities that are non-linearly entangled in the recorded signal. In this work we consider developments and applications of X-ray phase micro and nano-CT. First, we investigated the reconstruction of seeded bone scaffolds using sed multiple distance phase acquisitions. Phase retrieval is here performed using the mixed approach, based on a linearization of the contrast model, and followed by filtered-back projection. We implemented an automatic version of the phase reconstruction process, to allow for the reconstruction of large sets of samples. The method was applied to bone scaffold data in order to study the influence of different bone cells cultures on bone formation. Then, human bone samples were imaged using phase nano-CT, and the potential of phase nano-imaging to analyze the morphology of the lacuno-canalicular network is shown. We applied existing tools to further characterize the mineralization and the collagen orientation of these samples. Phase retrieval, however, is an ill-posed inverse problem. A general reconstruction method does not exist. Existing methods are either sensitive to low frequency noise, or put stringent requirements on the imaged object. Therefore, we considered the joint inverse problem of combining both phase retrieval and tomographic reconstruction. We proposed an innovative algorithm for this problem, which combines phase retrieval and tomographic reconstruction into a single iterative regularized loop, where a linear phase contrast model is coupled with an algebraic tomographic reconstruction algorithm. This algorithm is applied to numerical simulated data.