Development of K-edge in vivo tomography with the hybrid pixel camera XPAD3
Développement de la tomographie intra-vitale au K-edge avec la caméra à pixels hybrides XPAD3
Résumé
The hybrid pixel camera XPAD3 integrated in the micro-CT PIXSCAN IIis a new device
developed by the imXgam team at CPPM for which photon counting replaces charge integration
used in standard X-ray CT. This novel approach involves advantages, in particular
the absence of dark noise and the ability to set an energy threshold on each pixel of the
detected photons. This features has been exploited during this thesis work for standard
small animal preclinical imaging and permitted to establish the faisability of ex vivo, and
then in vivo labelling of marcrophages.
On another hand, the ability of this camera is of uppermost importance for the development
of K-edge imaging approaches, which exploit spectral information on the counted
photons. K-edge imaging permits to identify contrast agent compartiments with regards
to bones in classical radiography. K-edge imaging is obtained by selecting, for each pixel
calibration, those pixel that are set at one of the three different thresholds around the
K-shell’s binding energy of the selected contrast agents and then, to proceed with a subtraction
analysis to the images obtained above and below the K-edge energy.
We develop a new way of calibrating the XPAD3 detector that permits to provide the
proof of concept of a patent owned by the imXgam team, and to obtain the first results on
living mice by dividing the acquisition time by three with a compromise on the resolution.
This novel approach can be implemented in "two colours" in order to separate clearly two
different contrast agents. This brings a new way to visualize biological information and to
provide possible future approaches for the study of the inter-dependance of vascularisation
and inflammation during the tumor development.
La caméra à pixels hybrides XPAD3 intégrée dans le micro-tomodensitomètre PIXSCAN
II est un nouveau dispositif développé par l’équipe imXgam au CPPM dans lequel
le comptage de photons remplace l’intégration de charges utilisée dans les systèmes de
radiographie standard. La caméra XPAD3 apporte des avantages, en particulier l’absence
de bruit de courant noir et la possibilité d’imposer un seuil de discrimination sur chaque
pixel. Ces particularités ont pu être exploitées au cours de ce travail de thèse en imagerie
préclinique classique sur petit animal et ont permis de faire la preuve de faisabilité d’un
marquage ex-vivo puis intra-vital des macrophages.
D’autre part les capacités de cette caméra sont intéressantes pour le développement d’une
nouvelle méthode d’imagerie spectrale dite au K-edge. L’imagerie au K-edge permet de
différencier des compartiments contenant un agent de contraste par rapport à l’os dans des
radiographies classiques. Elle est obtenue via l’étalonnage de trois différents seuils autour
de l’énergie de liaison de la couche K de l’agent de contraste considéré. Le développement
d’un nouvel d’étalonnage avec l’utilisation de pixels composites a permis d’établir la preuve
de concept d’un brevet déposé par l’équipe imXgam et d’obtenir les premiers résultats
sur souris vivantes en divisant le temps d’acquisition par trois avec un compromis sur la
résolution spatiale.
Cette nouvelle approche peut être implémentée en « deux couleurs » pour séparer deux
différents types d’agents de contraste. Ceci offre une nouvelle manière de visualiser des
informations biologiques pertinentes dans un contexte applicatif visant à étudier de manière
dynamique (longitudinale) l’interdépendance de la vascularisation et de la réponse
immunitaire au cours du développement tumoral.