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Implicit Single-Exposure Retrieval of X-ray Phase, Absorption, and Directional Dark-Field - 18/09/26

Doi : 10.1016/j.irbm.2026.100962 
Samy Kefs a, b, Christopher Ninham a, Clara Magnin a, Pierre Lhuissier b, Emmanuel Brun a,
a Univ. Grenoble Alpes, UA7 Inserm, Strobe, Grenoble, France 
b Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, SIMaP Laboratory, Grenoble, France 

Corresponding author.
Sous presse. Manuscrit accepté. Disponible en ligne depuis le Friday 18 September 2026

Abstract

Background

Multi-contrast X-ray imaging simultaneously provides absorption, phase, and dark-field information, enabling improved visualisation of weakly absorbing tissues and unresolved microstructures. Conventional quantitative retrieval methods generally require multiple acquisitions, increasing delivered dose, acquisition time, and sensitivity to motion artefacts, thereby limiting their applicability in clinical and dynamic imaging settings.

Objective

We introduce an implicit single-exposure retrieval framework for the simultaneous quantitative recovery of transmission, phase-related displacement, and both isotropic and directional dark-field contrasts from a single reference–sample image pair.

Methods

The method locally exploits spatial redundancies of the structured illumination pattern within a sliding analysis window, reformulating the single-shot inverse problem as an overdetermined least-squares system. The sample image is expressed as a linear combination of the reference image and its spatial derivatives, allowing all contrast channels to be estimated from local intensity variations. A second-order diffusion tensor formulation extends the model to anisotropic dark-field retrieval and enables extraction of dominant scattering orientations.

Results

Validation on a beryllium lens showed excellent agreement with the conventional ten-pair LCS reference, with SSIM values of 0.979 for the horizontal displacement, 0.987 for the vertical displacement, and 0.984 for the integrated phase. On carbon fibre tubes, the method simultaneously recovered transmission, displacement, isotropic dark-field, and directional dark-field contrasts. The directional tensor analysis preserved the fibre orientation in all six tube regions, with angular deviations remaining below   with respect to the multi-exposure reference.

Conclusions

The proposed framework reduces the number of required acquisitions compared with conventional directional dark-field methods while preserving quantitative accuracy across scalar and tensorial contrast channels. By combining compact instrumentation, local least-squares inversion, and directional tensor analysis, it provides a promising route towards low-dose, fast, and motion-robust multi-contrast X-ray imaging for biomedical and materials science applications.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical abstract




Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Highlights

Single-exposure X-ray imaging reduces dose and motion sensitivity.
Absorption, phase, and dark-field contrasts are jointly recovered.
Directional dark-field reveals anisotropic microstructural information.
Local least-squares inversion avoids multi-exposure acquisition schemes.
The method supports fast multi-contrast imaging for biomedical applications.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : dark-field imaging, multi-contrast X-ray imaging, single-exposure imaging, small-angle X-ray scattering, speckle-based imaging, modulation-based imaging


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