Brevet FR3082945A1 — publié le 20191227

DD18583 - ICG090263 1 Procédé de caractérisation d'un objet par imagerie spectrale Description DOMAINE TECHNIQUE Le domaine technique de l'invention est la caractérisation d'un objet par irradiation à l'aide d'une source d'irradiation X ou gamma et la formation d'une image spectrale d'un rayonnement transmis par l'objet. ART ANTERIEUR La caractérisation d'objets par irradiation à l'aide d'un rayonnement électromagnétique 10 ionisant, par exemple un rayonnement X ou gamma, permet d'estimer la nature des matériaux composant cet objet. Il est usuel de former une image représentative de l'atténuation du rayonnement par l'objet. Cette image permet d'effectuer une caractérisation bidimensionnelle. Une telle caractérisation peut être réalisée à des fins de diagnostic médical, de contrôle non destructif dans le domaine industriel, ou encore dans la détection de matériaux dangereux ou 15 illicites, par exemple dans des portiques de contrôle d'individus, de type portiques d'aéroport, ou dans le contrôle de bagages. L'émergence de détecteurs spatialement et spectralement résolus a permis d'améliorer sensiblement les performances de ces caractérisations. Ce type de détecteur permet de former une image spectrale de l'atténuation de l'objet analysé. Par image spectrale, on entend une 20 image dans différents canaux d'énergie. Une image spectrale comporte différents pixels. A chaque pixel est associé un spectre du rayonnement détecté par le détecteur. Ce spectre comporte plusieurs canaux, chaque canal étant représentatif d'une bande d'énergie. Un tel spectre peut comporter des dizaines voire des centaines de canaux. La publication Alvarez R "Near optimal energy selective x-ray imaging system performance with 25 simple detectors", Med. Phys. 37 (2), February 2010 décrit une caractérisation d'un objet par formation d'un spectre représentant une atténuation d'un rayonnement ionisant par l'objet. Cette publication décrit une décomposition de l'atténuation, de façon linéaire, dans une base composée de l'atténuation de matériaux connus. Par atténuation d'un objet, il est entendu l'atténuation d'un rayonnement, tel que précédemment défini, par l'objet. Par exemple, 30 lorsqu'on dispose d'un objet 20 à caractériser, la fonction d'atténuation spectrale att20 de l'objet analysé peut être approximée par une combinaison linéaire de fonctions d'atténuation spectrale de matériaux connus mati et mat2 selon l'expression suivante : DD18583 - ICG090263 2 att20 L1p1 + L21(2 (1) où : - att20 est l'atténuation spectrale de l'objet examiné. Le terme "spectrale" désigne le fait qu'il s'agit d'une fonction définie à différentes l'énergies E. L'atténuation est 5 proportionnelle au logarithme du spectre S du rayonnement, atténué par l'objet, et détecté par le détecteur, selon l'expression att20 oc -1n(S) où oc désigne la proportionnalité. - ai et P2 sont respectivement les fonctions spectrales d'atténuation linéique du premier matériau et du deuxième matériau. Par atténuation linéique, on entend une atténuation par unité de longueur. - L1 et Lz sont des épaisseurs, dites épaisseurs équivalentes, du premier matériau mati et du deuxième matériau mat2. -- -z5 signifie "étant approximé par". L'atténuation spectrale de l'objet att20 est obtenue à partir du spectre du rayonnement détecté par le détecteur, att20 -In (s-), 5' étant un spectre du rayonnement détecté par le .s' détecteur en l'absence d'objet disposé entre la source d'irradiation et le détecteur. A partir de la mesure du spectre S, l'objet peut être caractérisé par une estimation des épaisseurs équivalentes L1 et L2 . L'intérêt de disposer d'une information spectrale de l'atténuation d'un objet, selon au moins deux canaux d'énergie, permet de déterminer les épaisseurs équivalentes L1 et L2. Pour cela, l'atténuation att20 de l'objet doit être mesurée selon au moins deux canaux d'énergie. Le document EP3106864 propose une méthode d'estimation des épaisseurs équivalentes L1 et L2 basée sur une approche de type maximum de vraisemblance. En formant une image spectrale de l'objet, c'est un dire une distribution spatiale de spectres du rayonnement atténué par l'objet, on peut obtenir des épaisseurs équivalentes selon différents pixels, chaque pixel correspondant à une partie de l'objet. Les inventeurs ont souhaité apporter un perfectionnement aux méthodes existantes, qui permet une caractérisation d'un objet par une détermination d'épaisseurs équivalentes en nécessitant une moindre irradiation de l'objet examiné. EXPOSE DE L'INVENTION DD18583 - ICG090263 3 Un premier objet de l'invention est un procédé de caractérisation d'un objet comportant les étapes suivantes : a) disposition de l'objet entre une source d'irradiation et un détecteur de rayonnement, la source d'irradiation étant configurée pour émettre un rayonnement électromagnétique 5 ionisant se propageant jusqu'à l'objet ; b) irradiation de l'objet par la source d'irradiation et détection d'un rayonnement transmis par l'objet à l'aide du détecteur de rayonnement, le détecteur de rayonnement comportant plusieurs pixels, chaque pixel étant associé à une partie de l'objet ; c) pour chaque pixel, formation d'un spectre d'énergie du rayonnement détecté, chaque 10 spectre comportant au moins deux bandes d'énergie distinctes ; d) à partir de chaque spectre formé lors de l'étape c), estimation, en chaque pixel, d'au moins deux épaisseurs équivalentes respectivement associées à au moins deux matériaux de base; le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte, suite à l'étape d), les étapes suivantes : 15 e) à partir des épaisseurs équivalentes résultant de l'étape d), calcul d'un paramètre structurel de l'objet en différents pixels; f) lissage spatial du paramètre structurel calculé en plusieurs pixels, de façon à associer, à chaque pixel, un paramètre structurel lissé; g) à partir du paramètre structurel lissé en chaque pixel, et à partir de chaque spectre 20 formé lors de l'étape c), estimation, en chaque pixel, d'épaisseurs équivalentes régularisées respectivement associées à chaque matériau de base ; h) caractérisation de l'objet à partir des épaisseurs équivalentes régularisées estimées lors de l'étape g). A chaque pixel est associée une partie de l'objet, cette dernière étant vue par le pixel, c'est-à- 25 dire disposée dans un angle solide sous lequel le pixel voit l'objet. Par paramètre structurel de l'objet en un pixel, on entend un paramètre structurel de la partie de l'objet associée au pixel. De même, par épaisseur équivalente en un pixel, on entend l'épaisseur équivalente de la partie de l'objet associée au pixel. Selon un mode de réalisation, l'étape d) et/ou l'étape g) comporte, pour chaque pixel, une prise 30 en compte de spectres de calibration, chaque spectre de calibration étant associé à une épaisseur de chaque matériau de base. L'étape d) et/ou l'étape g) peut également comporter également, pour chaque pixel: DD18583 - ICG090263 4 un calcul d'une fonction de vraisemblance à partir du spectre mesuré par le pixel lors de l'étape c) et à partir de spectres de calibration, chaque spectre de calibration étant associé à au moins un matériau de calibration d'une épaisseur connue ; - une détermination d'une épaisseur équivalente de chaque matériau de calibration 5 maximisant la fonction de vraisemblance, chaque matériau de calibration formant un matériau de base. Un spectre de calibration peut être un spectre mesuré ou modélisé en remplaçant l'objet par un objet de calibration, l'objet de calibration étant formé d'une épaisseur d'au moins un matériau de calibration. Le procédé suppose le recours à différents spectres de calibration, correspondant 10 respectivement à des épaisseurs différentes d'au moins deux matériaux de calibration différents. Les matériaux de calibration peuvent correspondre aux matériaux de base. Les étapes d) et g) peuvent comporter une étape de changement de base, entre une base de départ, formé par les matériaux de calibration, et une base d'arrivée, formée par des matériaux de base représentatifs de l'objet, ou considérés comme représentatifs de l'objet, de façon à 15 obtenir une épaisseur équivalente de chaque matériau de la base d'arrivée. Ainsi, à partir d'épaisseurs équivalentes de chaque matériau de calibration, formant la base de départ, on obtient une épaisseur équivalente de chaque matériau formant la base d'arrivée. Les matériaux formant la base d'arrivée peuvent par exemple être des matériaux physiologiques, par exemple un tissu, ou un certain type de tissu, ou os. Le changement de base peut être établi en prenant 20 en compte une matrice de changement de base. L'étape d) peut comporter : - un regroupement de pixels adjacents, pour former un groupe de pixels; - une association, à chaque groupe de pixels, d'un spectre regroupé, combinant les spectres formés pour chaque pixel du groupe de pixels ; 25 de telle sorte que l'étape d) est mise en oeuvre, pour au moins un pixel d'un groupe de pixels, à partir du spectre regroupé associé au groupe de pixels. Lors de l'étape e), pour chaque pixel, le paramètre structurel peut être une épaisseur de la partie de l'objet associée au pixel. Lors de l'étape e), pour chaque pixel, le paramètre structurel peut également représenter une 30 composition de la partie de l'objet associée au pixel. Dans ce cas, le paramètre structurel, déterminé en chaque pixel, peut : - être un numéro atomique effectif, déterminé à partir des épaisseurs équivalentes estimées lors de l'étape d) ; DD18583 - ICG090263 5 ou comporter un ratio entre une épaisseur équivalente d'un matériau de base sur la somme des épaisseurs équivalentes estimées lors de l'étape d). L'étape h) peut comporter une caractérisation de différentes parties de l'objet respectivement associées à différents pixels. La caractérisation peut comporter : 5 - une formation d'une image montrant l'épaisseur équivalente régularisée d'un matériau de base ; - et/ou une détermination d'un numéro atomique effectif à partir des épaisseurs équivalentes régularisées de chaque matériau de base ; - et/ou un ratio entre une épaisseur équivalente régularisée d'un matériau de base sur la 10 somme des épaisseurs équivalentes régularisées de chaque matériau de base. Lors de l'étape b), le détecteur peut être est déplacé par rapport à l'objet ou l'objet peut être déplacé par rapport au détecteur. La source d'irradiation peut être déplacée par rapport à l'objet ou par rapport au détecteur. Un deuxième objet de l'invention est un dispositif de caractérisation d'un objet comportant : 15 une source d'irradiation, configurée pour émettre un rayonnement électromagnétique ionisant ; - un support, destiné à recevoir un objet, de telle sorte que l'objet soit disposé entre la source d'irradiation et le détecteur ; - un détecteur, comportant des pixels, le détecteur étant configuré pour détecter un 20 rayonnement électromagnétique ionisant et à former, en plusieurs pixels, un spectre du rayonnement détecté ; - un processeur, configuré pour recevoir les spectres formés par le détecteur et pour mettre en oeuvre les étapes d) à h) d'un procédé selon le premier objet de l'invention. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre 25 de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés sur les figures listées ci-dessous. FIGURES Les figures lA et 1B représentent deux exemples de dispositif permettant une mise en oeuvre de l'invention. La figure 1C montre un exemple d'objet de calibration pouvant être utilisé pour 30 calibrer le procédé mise en oeuvre dans l'invention. La figure 2 montre les principales étapes d'un procédé selon l'invention. DD18583 - ICG090263 6 Les figures 3A à 3H sont des images simulées d'un fantôme, qui illustrent le déroulement du procédé décrit en lien avec la figure 2. La figure 3A est une radiographie du fantôme utilisé. La figure 3B montre une simulation du nombre de photons incidents aux pixels du détecteur au cours de l'essai. Les figures 3C et 3D montrent respectivement les distributions spatiales de 5 l'épaisseur équivalente d'os et de l'épaisseur équivalente de tissu correspondant au fantôme représenté sur la figure 3A. La figure 3E représente une distribution spatiale d'un paramètre structurel obtenu à partir des épaisseurs équivalentes d'os et de tissu respectivement illustrées sur les figures 3C et 3D. Dans l'exemple représenté sur la figure 3E, le paramètre considéré est l'épaisseur de l'objet. La figure 3F montre un lissage spatial du paramètre évoqué en lien avec la 10 figure 3E. Les figures 3G et 3H montrent respectivement les distributions spatiales de l'épaisseur équivalente d'os et de l'épaisseur équivalente de tissu du fantôme, ces épaisseurs équivalentes ayant été calculées en prenant en compte le paramètre lissé représenté sur la figure 3E. Les figures 31 et 3J montrent respectivement les distributions spatiales de l'épaisseur équivalente d'os et de l'épaisseur équivalente de tissu du fantôme, ces épaisseurs équivalentes 15 ayant été calculées selon un procédé de l'art antérieur. Les figures 4A et 4B montrent une distribution spatiale du numéro atomique effectif du fantôme. Les figures 4A et 4B ont été obtenues respectivement en mettant en oeuvre et sans mettre en oeuvre l'invention. Les figures SA, 513 et SC montrent une distribution spatiale d'un numéro atomique effectif du 20 fantôme. Les figures SA et SC ont été obtenues sans mettre en oeuvre l'invention, le nombre de photons incidents par pixel étant respectivement 106 et 105. La figure SB a été obtenue en mettant en oeuvre l'invention, le nombre de photons incidents par pixel étant de 105. EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS On a représenté, sur les figures 1A et 1B, des dispositifs 1 de caractérisation d'un objet 20 25 permettant une mise en oeuvre de l'invention. Sur chacune de ces figures, le dispositif 1 comporte une source d'irradiation 10 et un détecteur 30.11comporte également un support 20s, configuré pour recevoir un objet, de telle sorte que lorsque l'objet 20 est disposé sur le support 20s, il est interposé entre la source d'irradiation 10 et le détecteur 30. La source d'irradiation 10 est configurée pour émettre un rayonnement électromagnétique 30 ionisant 12, dit rayonnement incident, vers l'objet 20, ce dernier étant interposé entre la source d'irradiation 10 et le détecteur 30. Le détecteur 30 peut comporter des détecteurs élémentaires 30t prenant la forme de pixels 30t agencés selon un plan, dit plan de détection P. L'indice i DD18583 - ICG090263 7 désigne les coordonnées de chaque pixel dans le plan de détection. Les pixels peuvent s'étendre selon une ligne mais en général, ils s'étendent selon une matrice régulière bidimensionnelle. L'objet 20 peut être un tissu biologique vivant, par exemple une partie du corps d'un animal ou d'un être humain. Le dispositif 1 est alors un dispositif d'imagerie médicale ou un portique de 5 contrôle d'aéroport. L'objet peut également être une pièce industrielle ou un bagage, le dispositif étant alors utilisé à des fins de contrôle non destructif. Dans l'exemple qui suit, le dispositif 1 est un portique de contrôle d'aéroport, destiné à détecter une présence de substances illicites. Le terme rayonnement électromagnétique ionisant désigne un rayonnement 10 électromagnétique constitué de photons d'énergie supérieure à 1 keV, et de préférence inférieure à 5 MeV. La plage d'énergie du rayonnement ionisant peut être comprise entre 1 keV et 2 MeV, mais elle s'étend le plus souvent entre 1 keV et 150 keV ou 300 keV. Le rayonnement ionisant peut être un rayonnement X ou y. De préférence, la source d'irradiation 10 est polyénergétique, le rayonnement incident étant émis selon une plage d'énergie s'étendant 15 généralement selon plusieurs dizaines voire centaines de keV. Il s'agit notamment d'un tube émetteur de rayons X. L'objet 20 irradié par la source 10 transmet au détecteur 30 un rayonnement 14, dit rayonnement transmis, ou rayonnement atténué, ce dernier atteignant les pixels 30i. Chaque pixel 30i est un détecteur spectrométrique élémentaire comportant : 20 - un matériau détecteur, apte à interagir avec les photons du rayonnement 14 transmis par l'objet, ce matériau étant de type scintillateur ou, de préférence, un matériau semiconducteur compatible avec une utilisation à la température ambiante, de type CdTe, CdZnTe ; - un circuit électronique, apte à générer un signal dont l'amplitude dépend, et est de 25 préférence proportionnelle, à l'énergie déposée par chaque photon interagissant dans le matériau détecteur ; - un circuit de spectrométrie, apte à établir un spectre en énergie, noté Si, des signaux détectés pendant une période temporelle, dite période d'acquisition. Le dispositif de caractérisation 1 comporte également une unité de traitement 40 permettant la 30 mise en oeuvre des opérations de traitement décrites ci-après. L'unité de traitement 40 peut comprendre un microprocesseur et/ou des microcontrôleurs électroniques. DD18583 - ICG090263 8 Sous l'effet de l'irradiation par le rayonnement incident 12, l'objet 20 transmet un rayonnement 14, dit rayonnement transmis, vers le détecteur 30. Chaque pixel 30i forme un spectre en énergie Si du rayonnement transmis 14. Le terme spectre en énergie Si correspond à un histogramme de l'amplitude des signaux 5 détectés au cours de la période d'acquisition du spectre. Une relation entre l'amplitude A et l'énergie E peut être obtenue par une fonction d'étalonnage en énergie g telle que E = selon des principes connus de l'homme du métier. Un spectre d'énergie Si est donc un vecteur, dont chaque terme Si(k) représente une quantité de rayonnement détecté par le pixel 30i dE dans une plage d'énergie Ek ±-' avec dE étant la largeur spectrale de chaque canal k. k 2 10 désigne le rang du canal, avec 1 REVENDICATIONS1. Procédé de caractérisation d'un objet (20) comportant les étapes suivantes : a) disposition de l'objet entre une source d'irradiation (10) et un détecteur de rayonnement (30), la source d'irradiation étant configurée pour émettre un rayonnement électromagnétique ionisant(12) se propageant jusqu'à l'objet ; b) irradiation de l'objet par la source d'irradiation (10) et détection d'un rayonnement transmis par l'objet (14) à l'aide du détecteur de rayonnement, le détecteur de rayonnement comportant plusieurs pixels (30i), chaque pixel (30i) étant associé à une partie (20i.) de l'objet ; c) pour chaque pixel (30i), formation d'un spectre d'énergie (Si) du rayonnement détecté, chaque spectre comportant au moins deux bandes d'énergie distinctes ; d) à partir de chaque spectre formé lors de l'étape c), estimation, en chaque pixel, d'au moins deux épaisseurs équivalentes (Lu ... L&AI, ... im) respectivement associées à au moins deux matériaux de base (mati ... matm, mat'i ...mat iw); le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte, suite à l'étape d), les étapes suivantes : e) à partir des épaisseurs équivalentes résultant de l'étape d), calcul d'un paramètre structurel de l'objet (Pi) en différents pixels (30i); f) lissage spatial du paramètre structurel calculé en plusieurs pixels, de façon à associer, à chaque pixel, un paramètre structurel lissé (Pr); g) à partir du paramètre structurel lissé en chaque pixel, et à partir de chaque spectre formé lors de l'étape c), estimation, en chaque pixel, d'épaisseurs équivalentes régularisées (L1.,,,_11/11...tiirulPi* i,m_mIPT) respectivement associées à chaque matériau de base ; h) caractérisation de l'objet (20) à partir des épaisseurs équivalentes régularisées estimées lors de l'étape g). 2. Procédé selon la revendication 1, dans l'étape d) et/ou l'étape g) comporte, pour chaque pixel (30i), une prise en compte de spectres de calibration (Stai(Li, L2)), chaque spectre de 30 calibration étant associé à une épaisseur de chaque matériau de base. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape d) et/ou l'étape g) comporte également, pour chaque pixel (30i): DD18583 - ICG090263 20 un calcul d'une fonction de vraisemblance (Vi(Si, L2)) à partir du spectre (Si) formé par le pixel lors de l'étape c) et à partir des spectres de calibration (Scat (Li, L2)); chaque spectre de calibration étant associé à au moins un matériau de calibration (mati ... matm ...matm) d'une épaisseur connue ; 5 - une détermination d'une épaisseur équivalente de chaque matériau de calibration maximisant la fonction de vraisemblance, chaque matériau de calibration formant un matériau de base. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape d) et/ou l'étape g) comporte un changement de base, entre une base de départ, formé par les matériaux de calibration 10 (mati ... mat,'... mat m) , et une base d'arrivée (mat'i ... mat' '... mat' m), formée par des matériaux de base représentatifs de l'objet, de façon à obtenir une épaisseur équivalente pi,m) de chaque matériau de la base d'arrivée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d) comporte : 15 - un regroupement de pixels adjacents, pour former un groupe de pixels (Gi); - une association, à chaque groupe de pixels, d'un spectre regroupé (Si), combinant les spectres formés pour chaque pixel du groupe de pixels ; de telle sorte que l'étape d) est mise en oeuvre, pour au moins un pixel d'un groupe de pixels, à partir du spectre regroupé associé au groupe de pixels. 20 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel pour chaque pixel (30i), lors de l'étape e), le paramètre structurel (Pi) est une épaisseur (1,1) de la partie (20e) de l'objet associée au pixel. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications là 5, dans lequel pour chaque pixel (30(), lors de l'étape e), le paramètre structurel (Pi) représente une composition de la partie (20,) de 25 l'objet associée au pixel. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le paramètre structurel, déterminé en chaque pixel : - est un numéro atomique effectif (Zef! j), déterminé à partir des épaisseurs équivalentes estimées lors de l'étape d) ; - ou comporte un ratio entre une épaisseur équivalente d'un matériau de base sur la somme des épaisseurs équivalentes estimées lors de l'étape d). DD18583 - ICG090263 21 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape h) comporte une caractérisation des différentes parties (20i) de l'objet respectivement associées à différents pixels. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la caractérisation comporte : 5 - une formation d'une image montrant l'épaisseur équivalente régularisée d'un matériau de base ; - et/ou une détermination d'un numéro atomique effectif (Zefri) à partir des épaisseurs équivalentes régularisées de chaque matériau de base ; - et/ou un ratio entre une épaisseur équivalente régularisée d'un matériau de base sur la 10 somme des épaisseurs équivalentes régularisées de chaque matériau de base. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel lors de l'étape b), le détecteur est déplacé par rapport à l'objet ou l'objet est déplacé par rapport au détecteur. 12. Dispositif de caractérisation d'un objet (20) comportant : - une source d'irradiation (10), configurée pour émettre un rayonnement 15 électromagnétique ionisant ; - un support (20s), destiné à recevoir l'objet, de telle sorte que l'objet soit disposé entre la source d'irradiation et le détecteur ; - un détecteur (30), comportant des pixels, le détecteur étant configuré pour détecter un rayonnement électromagnétique ionisant et à former, en plusieurs pixels (30i), un 20 spectre (Se) du rayonnement détecté ; - un processeur (40), configuré pour recevoir les spectres formés par le détecteur et pour mettre en oeuvre les étapes d) à h) d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.