Le développement des détecteurs de rayons X en comptage à base de semiconducteurs est en plein essor depuis une dizaine d'années, et des applications aussi bien dans le domaine médical que dans le domaine du contrôle non destructif sont envisagées. Ces détecteurs permettent en effet de réaliser des mesures à des énergies multiples en une seule acquisition, et ce avec une excellente séparation énergétique. Depuis les années 2008-2009, il semble qu'une véritable course se soit lancée pour le développement de détecteur permettant des mesures multi-énergies sur un nombre toujours plus nombreux de bandes d'énergies. Cependant, à ce jour, parmi l'ensemble des travaux qui ont été réalisés, l'intérêt de réaliser des mesures sur un grand nombre d'énergies n'a pas été démontré pour l'identification de matériaux. Dans le cadre d'une étude en sécurité, nous avons évalué l'intérêt lié à l'utilisation de détecteurs de rayons X en comptage permettant la réalisation de mesures sur plusieurs bandes d'énergies. Le domaine applicatif étudié concerne l'identification de matériaux dans les bagages des voyageurs. Nous avons tout d'abord développé une méthode originale d'identification de matériaux homogènes applicable à tout type de détecteur multi-énergies. Dans un premier temps, nous avons étudié, en simulation, l'évolution des performances d'identification de matériaux avec l'augmentation du nombre de bandes d'énergies de comptage. Un processus d'optimisation a été réalisé dans le but de déterminer, pour certaines configurations, une géométrie optimale des bandes d'énergies de comptage. Dans un second temps, les conséquences résultant de la prise en compte de la fonction de réponse du détecteur ont été quantifiées par la simulation de différents effets détecteurs (partage de charge, résolution en énergie). Une validation expérimentale a enfin pu être effectuée en utilisant un détecteur spectrométrique en comptage. À partir des mesures réalisées avec un tel détecteur, un regroupement des données nous a permis d'évaluer les performances d'identification de détecteurs possédant un nombre de bandes d'énergies de comptage différent. Enfin, nous avons mené une étude préliminaire sur la transposition à la tomographie multi-énergies de la méthode d'identification de matériaux homogènes développée initialement en radiographie. Cette modalité d'imagerie permet alors l'identification de matériaux superposés.

Le vieillissement de la population des pays industrialisés s'accentuant, des pathologies liées à l'âge telles que l'ostéoporose, posent des problèmes majeurs de santé publique. Les praticiens et les autorités de santé publique sont à la recherche d'outils de diagnostic et de dépistage du risque fracturaire. La mesure de la densité minérale osseuse (DMO) par DXA fait actuellement référence dans l'évaluation du risque fracturaire de l'extrémité supérieure du fémur, mais cette technique a toutefois des limites: il existe un chevauchement des valeurs de DMO entre les sujets fracturés et les sujets non fracturés. Par ailleurs, plusieurs études cliniques ont montré que des paramètres macro-architecturaux étaient des facteurs déterminants de la solidité osseuse, mais ces mesures étant bidimensionnelles, elles sont dépendantes des biais de projection 2D. L'objectif de notre étude est de mettre au point un outil permettant d'associer mesures DMO et géométrie 3D afin de prédire d'une meilleure manière le risque fracturaire. Pour ce faire, nous nous sommes basés sur un système de stéréoradiographie basse dose (le système EOS

Le développement des détecteurs de rayons X en comptage à base de semiconducteurs est en plein essor depuis une dizaine d’années, et des applications aussi bien dans le domaine médical que dans le domaine du contrôle non destructif sont envisagées. Ces détecteurs permettent en effet de réaliser des mesures à des énergies multiples en une seule acquisition, et ce avec une excellente séparation énergétique. Depuis les années 2008-2009, il semble qu’une véritable course se soit lancée pour le développement de détecteur permettant des mesures multi-énergies sur un nombre toujours plus nombreux de bandes d’énergies. Cependant, à ce jour, parmi l’ensemble des travaux qui ont été réalisés, l’intérêt de réaliser des mesures sur un grand nombre d’énergies n’a pas été démontré pour l’identification de matériaux. Dans le cadre d’une étude en sécurité, nous avons évalué l’intérêt lié à l’utilisation de détecteurs de rayons X en comptage permettant la réalisation de mesures sur plusieurs bandes d’énergies. Le domaine applicatif étudié concerne l’identification de matériaux dans les bagages des voyageurs. Nous avons tout d’abord développé une méthode originale d’identification de matériaux homogènes applicable à tout type de détecteur multi-énergies. Dans un premier temps, nous avons étudié, en simulation, l’évolution des performances d’identification de matériaux avec l’augmentation du nombre de bandes d’énergies de comptage. Un processus d’optimisation a été réalisé dans le but de déterminer, pour certaines configurations, une géométrie optimale des bandes d’énergies de comptage. Dans un second temps, les conséquences résultant de la prise en compte de la fonction de réponse du détecteur ont été quantifiées par la simulation de différents effets détecteurs (partage de charge, résolution en énergie). Une validation expérimentale a enfin pu être effectuée en utilisant un détecteur spectrométrique en comptage. À partir des mesures réalisées avec un tel détecteur, un regroupement des données nous a permis d’évaluer les performances d’identification de détecteurs possédant un nombre de bandes d’énergies de comptage différent. Enfin, nous avons mené une étude préliminaire sur la transposition à la tomographie multi-énergies de la méthode d’identification de matériaux homogènes développée initialement en radiographie. Cette modalité d’imagerie permet alors l’identification de matériaux superposés. / The development of X-ray photon counting detectors based on semiconductors has grown up over the last ten years, and applications in medicine, in security and in nondestructive testing are under study. These detectors make it possible to perform measurements at multiple energies in a single acquisition, with an excellent energetic separation. Since the years 2008-2009, it seems that a real race started for the development of detectors performing multi-energetic measurements on an increasing number of energy bands. However, today, within the works already done, the interest of performing measurements on a large number of energies has not been demonstrated for material identification. As part of a study in homeland security, we assessed the interest of using Xray counting detectors that perform measurements on multiple energy bands. The considered field of interest is material identification in the luggage of travelers. We first developed an original method for identifying single materials. This method is applicable to any type of multi-energy detector. In a first time, we studied in simulation the evolution of the performance for identifying materials with the increasing number of energy bands. An optimization process was carried out to determine, for certain configurations, an optimal geometry of the energy bands.In a second step, the consequences of taking into account the detector response function were quantified by simulating different sensors effects (charge sharing, energy resolution). An experimental validation has been performed by using a counting spectrometric detector. From the measurements experimentally obtained with such a detector, combining the data allowed us to evaluate the identification performance that would have detectors possessing a different number of energy bands. Finally, we conducted a preliminary study on the transposition of the identification method initially developed for radiography to the multi-energy computed tomography. This imaging modality allows to identify superimposed materials.

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.

La tomodensitométrie par rayons-X (CT) est une modalité d’imagerie produisant une carte tridimensionnelle du coefficient d’atténuation des rayons-X d’un objet. En radiothérapie, le CT fournit de l’information anatomique et quantitative sur le patient afin de permettre la planification du traitement et le calcul de la dose de radiation à livrer. Le CT a plusieurs problèmes, notamment (1) une limitation au niveau de l’exactitude des paramètres physiques quantitatifs extraits du patient, et (2) une sensibilité aux biais causés par des artéfacts de durcissement du faisceau. Enfin, (3) dans le cas où le CT est fait en présence d’un agent de contraste pour améliorer la planification du traitement, il est nécessaire d’effectuer un deuxième CT sans agent de contraste à des fins de calcul de dose, ce qui augmente la dose au patient. Ces trois problèmes limitent l’efficacité du CT pour certaines modalités de traitement qui sont plus sensibles aux incertitudes comme la protonthérapie. Le CT spectral regroupe un ensemble de méthodes pour produire plusieurs cartes d’atténuation des rayons-X moyennées sur différentes plages énergétiques. L’information supplémentaire, pondérée en énergie qui est obtenue permet une meilleure caractérisation des matériaux analysés. Le potentiel de l’une de ces modalités spectrales, le CT bi-énergie (DECT), est déjà bien démontré en radiothérapie, alors qu’une approche en plein essor, le CT spectral à comptage de photons (SPCCT), promet davantage d’information spectrale à l’aide de détecteurs discriminateurs en énergie. Par contre, le SPCCT souffre d’un bruit plus important et d’un conditionnement réduit. Cette thèse investigue la question suivante : y a-t-il un bénéfice à utiliser plus d’information résolue en énergie, mais de qualité réduite pour la radiothérapie ? La question est étudiée dans le contexte des trois problèmes ci-haut. Tout d’abord, un estimateur maximum a posteriori (MAP) est introduit au niveau de la caractérisation des tissus post-reconstruction afin de débruiter les données du CT spectral. L’approche est validée expérimentalement sur un DECT. Le niveau de bruit du pouvoir d’arrêt des protons diminue en moyenne d’un facteur 3.2 à l’aide de l’estimateur MAP. Celui-ci permet également de conserver généralement le caractère quantitatif des paramètres physiques estimés, le pouvoir d’arrêt variant en moyenne de 0.9% par rapport à l’approche conventionnelle. Ensuite, l’estimateur MAP est adapté au contexte de l’imagerie avec agent de contraste. Les résultats numériques démontrent un bénéfice clair à utiliser le SPCCT pour l’imagerie virtuellement sans contraste par rapport au DECT, avec une réduction de l’erreur RMS sur le pouvoir d’arrêt des protons de 2.7 à 1.4%. Troisièmement, les outils développés ci-haut sont validés expérimentalement sur un micro-SPCCT de la compagnie MARS Bioimaging, dont le détecteur à comptage de photons est le Medipix 3, qui est utilisé pour le suivi de particules au CERN. De légers bénéfices au niveau de l’estimation des propriétés physiques à l’aide du SPCCT par rapport au DECT sont obtenus pour des matériaux substituts à des tissus humains. Finalement, une nouvelle paramétrisation du coefficient d’atténuation pour l’imagerie pré-reconstruction est proposée, dans le but ultime de corriger les artéfacts de durcissement du faisceau. La paramétrisation proposée élimine les biais au niveau de l’exactitude de la caractérisation des tissus humains par rapport aux paramétrisations existantes. Cependant, aucun avantage n’a été obtenu à l’aide du SPCCT par rapport au DECT, ce qui suggère qu’il est nécessaire d’incorporer l’estimation MAP dans l’imagerie pré-reconstruction via une approche de reconstruction itérative. / X-ray computed tomography (CT) is an imaging modality that produces a tridimensional map of the attenuation of X-rays by the scanned object. In radiation therapy, CT provides anatomical and quantitative information on the patient that is required for treatment planning. However, CT has some issues, notably (1) a limited accuracy in the estimation of quantitative physical parameters of the patient, and (2) a sensitivity to biases caused by beam hardening artifacts. Finally, (3) in the case where contrast-enhanced CT is performed to help treatment planning, a second scan with no contrast agent is required for dose calculation purposes, which increases the overall dose to the patient. Those 3 problems limit the efficiency of CT for some treatment modalities more sensitive to uncertainties, such as proton therapy. Spectral CT regroups a set of methods that allows the production of multiple X-ray attenuation maps evaluated over various energy windows. The additional energy-weighted information that is obtained allows better material characterization. The potential of one spectral CT modality, dual-energy CT (DECT), is already well demonstrated for radiation therapy, while an upcoming method, spectral photon counting CT (SPCCT), promises more spectral information with the help of energy discriminating detectors. Unfortunately, SPCCT suffers from increased noise and poor conditioning. This thesis thus investigates the following question: is there a benefit to using more, but lower quality energy-resolved information for radiotherapy? The question is studied in the context of the three problems discussed earlier. First, a maximum a posteriori (MAP) estimator is introduced for post-reconstruction tissue characterization for denoising purposes in spectral CT. The estimator is validated experimentally using a commercial DECT. The noise level on the proton stopping power is reduced, on average, by a factor of 3.2 with the MAP estimator. The estimator also generally con- serves the quantitative accuracy of estimated physical parameters. For instance, the stopping power varies on average by 0.9% with respect to the conventional approach. Then, the MAP estimation framework is adapted to the context of contrast-enhanced imaging. Numerical results show clear benefits when using SPCCT for virtual non-contrast imaging compared to DECT, with a reduction of the RMS error on the proton stopping power from 2.7 to 1.4%. Third, the developed tools are validated experimentally on a micro-SPCCT from MARS Bioimaging, which uses the Medipix 3 chip as a photon counting detector. Small benefits in the accuracy of physical parameters of tissue substitutes materials are obtained. Finally, a new parametrization of the attenuation coefficient for pre-reconstruction imaging is pro- posed, whose ultimate aim is to correct beam hardening artifacts. In a simulation study, the proposed parametrization eliminates all biases in the estimated physical parameters of human tissues, which is an improvement upon existing parametrizations. However, no ad- vantage has been obtained with SPCCT compared to DECT, which suggests the need to incorporate MAP estimation in the pre-reconstruction framework using an iterative reconstruction approach.