Methodological development and implementation of fast quantitative hard X-ray fluorescence multi-length-scale tomography for next-generation X-ray imaging at the NANOSCOPIUM beamline of SOLEIL synchrotron and its application to study physico-chemical processes involved in the pathologic calcifications - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Methodological development and implementation of fast quantitative hard X-ray fluorescence multi-length-scale tomography for next-generation X-ray imaging at the NANOSCOPIUM beamline of SOLEIL synchrotron and its application to study physico-chemical processes involved in the pathologic calcifications

Tomographie quantitative et multi-échelle par fluorescence X sur la ligne NANOSCOPIUM du synchrotron SOLEIL : développements méthodologiques et mise en application pour l'étude des processus physico-chimiques impliqués dans les calcifications pathologiques

Ruiqiao Guo
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1365079
  • IdRef : 276034198

Résumé

The NANOSCOPIUM beamline at the SOLEIL synchrotron is dedicated to high-energy X-ray (5-20 keV) multi-modal and multi-scale nano-imaging using fast and high spatial resolution scanning techniques. Since its opening in September 2018, the beamline has welcomed a large number of users from various fields, including medicine, biology, earth and environmental science, and materials science. One of the key features of this beamline is its capability for non-invasive 2D imaging, which provides high analytical sensitivity and enables the depth probing of samples. Moreover, the beamline offers fast multi-technique scanning imaging, allowing for the simultaneous acquisition of X-ray fluorescence, absorption-, phase-, and dark-field contrast images. These images can be obtained with spatial resolutions ranging from 50 nm to 1 μm. Recently, the beamline has integrated rapid full-field micro-tomography, offering 3D morphological information with resolutions of about 1 μm³. To further extend its 3D quantitative imaging capabilities for complex systems, a major aspect of this thesis is to develop a new technique for scanning X-ray fluorescence tomography. This non-invasive method will enable quantitative information on 3D elemental distribution in samples of a few hundred microns in thickness with high spatial resolution down to a few hundred nanometers. As an application of the developed method, we focus on the study of urolithiasis in the framework of the collaboration between NANOSCOPIUM, APHP (Assistance publique-Hôpitaux de Paris), and the ICP (Institut de Chimie Physique). The urolithiasis is an increasing pathology affecting almost 10 % of the population. A great proportion of these stones develop on a specific calcification made of calcium phosphate which grows in renal papillae, named Randall’s plaques (RP). Little is known about the mechanisms involved in RP formation but recent observations support the idea that several mechanisms may be involved in the pathogenesis of these plaques. Recent studies in the mesoscale have shown the possible relationship between trace elements such the Zinc and the formation of this mineral suggesting that calcified deposits are a pathological process involving a tissue reaction. In order to clarify the role of Zn and go further in the understanding of this mechanism, a few-hundred-nanometer resolution 3D study of the Zn concentration variation is crucial in the function of chemical composition variation from the early stage of the calcification of the RP. The developed fast quantitative XRF tomography is a unique non-invasive technique, which, for the first time, will permit the investigation of a statistically significant number of samples and provide a deeper understanding of the physico-chemical processes-pathology relationships.
La ligne de lumière NANOSCOPIUM au synchrotron SOLEIL est dédiée à l'imagerie X-dur (5-20 keV) multi-modale et multi-échelle par balayage rapide et à haute résolution spatiale. Depuis son ouverture en septembre 2018, la ligne a accueilli un grand nombre d'utilisateurs dans des domaines variés tels que la médecine, la biologie, la science de la terre et de l'environnement, ainsi que la science des matériaux. L'imagerie non invasive en 2D est régulièrement proposée aux utilisateurs, offrant une grande sensibilité analytique et la possibilité de sonder en profondeur les échantillons. L'imagerie multi-technique par balayage rapide permet d'obtenir des informations simultanées de fluorescence X, de contraste d'absorption, de phase et de diffusé à une résolution spatiale allant de 50 nm à 1 μm. La micro-tomographie X plein champ rapide a également été intégrée pour fournir des informations morphologiques en 3D avec une résolution d'environ 1 μm³. Pour aller plus loin dans l'imagerie 3D quantitative de systèmes complexes, un aspect majeur de cette thèse est de développer une nouvelle modalité basée sur la tomographie par fluorescence X par balayage. Cette technique permettra d'obtenir de manière non-invasive des informations quantitatives sur la distribution élémentaire 3D dans des objets de quelques centaines de micromètres d'épaisseur avec une haute résolution spatiale. Ces développements méthodologiques sont appliqués à l'étude de l'urolithiase dans le cadre de la collaboration entre NANOSCOPIUM, l'APHP (Assistance publique-Hôpitaux de Paris) et l’ICP (Institut de Chimie Physique). L'urolithiase est une pathologie croissante affectant près de 10 % de la population. Une grande proportion de ces calculs se développe sur une calcification spécifique composée de phosphate de calcium qui se forme dans les papilles rénales, appelées Randall’s plaque (RP). On sait peu de choses sur les mécanismes impliqués dans la formation des RP, mais des observations récentes suggèrent que plusieurs mécanismes pourraient être impliqués dans la pathogenèse de ces plaques. Des études récentes à l'échelle mésoscopique ont montré le possible lien entre des éléments traces tels que le zinc et la formation de ce minéral, suggérant que les dépôts calcifiés sont un processus pathologique impliquant une réaction tissulaire. Afin de clarifier le rôle du zinc et d'approfondir notre compréhension de ce mécanisme, une étude en 3D avec une résolution de quelques centaines de nanomètres sur la variation de la concentration en zinc est cruciale pour comprendre les variations de la composition chimique dès les premiers stades de la calcification des RP. La tomographie XRF quantitative rapide développée est une technique non invasive unique qui permettra, pour la première fois, d'investiguer un nombre statistiquement significatif d'échantillons et d'approfondir notre compréhension des relations entre les processus physico-chimiques et la pathologie.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04510721 , version 1 (19-03-2024)

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  • HAL Id : tel-04510721 , version 1

Citer

Ruiqiao Guo. Methodological development and implementation of fast quantitative hard X-ray fluorescence multi-length-scale tomography for next-generation X-ray imaging at the NANOSCOPIUM beamline of SOLEIL synchrotron and its application to study physico-chemical processes involved in the pathologic calcifications. Medical Physics [physics.med-ph]. Université Paris-Saclay, 2023. English. ⟨NNT : 2023UPASP167⟩. ⟨tel-04510721⟩
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