Basics of Medical Imaging Systems

Ho Kyung Kimhokyung@pusan.ac.kr

Pusan National University

Introduction to Medical Engineering

Outline

• Projection radiography (general radiography, mammography, intra‐oral imaging, cephalography)– Fluoroscopy: angiography

• Computed tomography (CT)

• Nuclear medicine– Scintigraphy– Single photon emission computed tomography (SPECT)– Positron emission tomography (PET)

• Ultrasound imaging (US, echography)• Magnetic resonance imaging (MRI)

2

Projection Radiography

• Routine diagnostic radiography– Chest x rays, fluoroscopy, mammography, motion tomography

• Digital radiography• Angiography

– Universal angiography & angiocardiography for blood arteries & vessels• Neuroradiology

– For skull & cervical spine• Mobile x‐ray systems

– For operating rooms or emergency vehicles

3

4

General projection radiography system Fluoroscopy system(C‐arm system) Mammography system

• Instrumentation– X‐ray tube– Filters/collimators– Grids– Detectors

5

Computed Tomography

Liver

6

Taken from WA Kalender's Text Material (2000)

Pitch

7

Godfrey N. Hounsfield, the English engineer who developed the first CT scanner and received the Nobel Prize in medicine 1979 together with the physicist A. M. Cormack. Taken from WA Kalender's Text Material (2000)

8

• Generations

1st‐generationrotate‐translate type5 min/slice

2nd‐generationmultiple detector elements20 s/slice

3rd‐generationfan‐beam geometry0.5 s/slicemost popular

4th‐generationexpensivedifficult to scatt'd radiation

• Detectors

9

Taken from WA Kalender's Text Material (2000)

• Transmission of x rays thru the body (in projection radiography & CT)– Body tissues selectively attenuate the x‐ray intensities to form an image– Projection measures the attenuated x‐ray beam intensity (the mean energy of the attenuated x‐

ray spectrum)

– CT estimates (or reconstructs) a map of the attenuation coefficients from the measurements of ray‐sum data

10

• Sinogram: collection of projection data as a function of 𝜃

11

0 180

Detector num

ber

𝜃 𝜃

𝜃

𝑢

𝑢

𝑠

𝐼

𝐼 𝑢; 𝜃 𝐼 𝑒 𝐱

𝑝 𝑢; 𝜃 ln𝐼𝐼 𝜇 𝐱 d𝑠

Projection= ray sum= line integral= Radon transform¶= x‐ray transform

¶ Radon transform is an integral over a plane in 3D while the x-ray transform is described as a line integral for any dimension

𝑢 𝑢

𝑢 𝑢

𝜃 𝜃

12

X

Y

Z

X‐ray source

Detector array

Isocenter

Image reconstruction

Sinogram

Reconstructed images

• Inverse problem

– Usually inconsistent, ill‐posed problem• Noise corruption• Huge size of 𝐴• 𝐴 does not exist• Solution is not unique• Solution is unstable

13

[System characteristic]{Image} = {Measurement}

Solving methods

• Iterative solvers (discretization)‒ Series expansion methods (e.g., ART)‒ Statistical methods‒ Optimization (regularization)

• [MLEM, LS, ART] + [priori/penalty]

• Analytic (kernel) solver‒ 𝜇 𝐱 d𝐱 𝑘 𝐱 𝑝 𝐱 𝐱

Nuclear Medicine

• Radiotracers: biochemically active drugs whose molecules are labeled with radionuclides that emit gamma rays– Locally distributed concentration according to the body's natural uptake (the physiological 

behavior)  functional imaging (compared with anatomical or structural imaging)

• Scintigraphy (conventional radionuclide imaging): 140 keV photons• Single‐photon emission computed tomography (SPECT): 140 keV photons• Positron emission tomography (PET): two 511 keV photons

14

Courtesy: William W. Moses, LBNL

15

• Small amount of radioactive‐labeled molecules are administered to selectively measure functional parameters of different organs (e.g., perfusion, metabolism, innervation)

• Single photon emitting atoms– Short half‐life; continuously available parent; ‐ray energy high enough to leave the body but not 

too high to penetrate the crystal– 99mTc (T1/2 = 6 h), 123I (13 h) , 131I (8 d) , 111In (3 d) , 201Tl (3 d) , 67Ga (3 d) 

• Positron emitting tracers– Produced by a cyclotron– 11C (T1/2 = 20 min), 13N (10 min) , 15O (2 min) , 18F (109 min)

Gamma camera & SPECT scanner

• Gamma camera (aka, Anger camera)– Collimator + large NaI(Tl) crystal + PMT array– Front‐end electronics (Anger logic)

• Calculate position coordinates (x, y), energy z, and the detection time t

– Scintigraphy, SPECT

16

Scintillator Crystal(NaI:Tl, 50 cm square x 1 cm thick)

PhotomultiplierTubes

(~50 / head)

Collimator

PET scanner

17

• Large ring (diameter  1 m) of BGO crystals; no detector rotation; table motion– small (about 4 mm  4 mm) scintillation 

crystals + PMTs– detection time is determined with an accuracy 

of about 10 ns (in 10 ns light travels about 3 m), which is very short as compared to the scintillation of BGO (300 ns)

• Randoms: photon pairs that do not originate from the same atom but nevertheless are considered as a coincidence– the probability of a random ~ (radioactivity)2

Schematical representation of a PET detector ring cut in half. (a) When septa are in the field of view, the camera can be regarded as a series of separate 2D systems. Coincidences along oblique projection lines between neighboring rings can be treated as parallel projection lines from an intermediate plane. This doubles the axial sampling, i.e. 15 planes can be reconstructed from 8 rings. (b) Retracting the septa, increases the number of projection lines and hence the sensitivity of the system, but fully 3D reconstruction is required.

(a) (b)

Ultrasound Imaging

• A‐mode imaging (not comprising an image)– Generating 1D waveform & providing very detailed information about rapid or subtle motion (of a 

heart valve, for example)

• B‐mode imaging– Ordinary cross‐sectional anatomical imaging

• M‐mode imaging– Generating a succession of A‐mode signals & not anatomical but important for measuring time‐

varying displacements of a heart valve

• Doppler imaging– Generating images that are color‐coded by moving objects

11‐week‐old embryo

18

• Reflection of ultrasonic waves within the body (in ultrasound imaging)– 1–20 MHz– Firing high‐freq. sound into the body & receiving the echoes returning due to acoustic reflections

to create images

19

Courtesy: Jim Lacefield, RRI

• A‐mode (amplitude) imaging– Based on the pulse‐echo principle– Measurements of the reflected waves as a function of time

• 𝑑 ∆ (time & depth are equivalent in echography ∵ 𝑐 ~1540m/s = const.)

– Detected signal ~MHz range (∴ called RF signal)

• M‐mode (motion) imaging– Repeated A‐mode measurements for a moving object

20

• B‐mode (brightness) imaging– Repeated A‐mode measurements by translating or tilting the transducer

21

• Doppler imaging– If an acoustic source moves relative to an observer, the frequencies of the observed and 

transmitted waves are different  the Doppler effect– To visualize velocities of moving tissues

22

• Ultrasound scanner– Array transducer

• 3D imaging– Rotate or wobble a 2D phased‐array 

transducer– Acquire images sequentially from different 

scan planes (C‐scans)

23

24

Magnetic Resonance Imaging

• Standard MRI• Echo‐planar imaging (EPI)

– Utilizing specialized apparati to generate images in real time• Spectroscopic imaging

– Imaging other nuclei besides the hydrogen atom• Functional MRI (fMRI)

– Using oxygenation‐sensitive pulse sequences to image blood oxygenation in the brain

Knee

25

26

Hydrogen Nuclei (Protons)

Axis of Angular Momentum (Spin), Magnetic Moment

Taken from the Lecture Slides

27

Spins PRECESS at a single frequency (w0), but incoherently − they are not in phase

External Magnetic FieldTaken from the Lecture Slides

28

Irradiating with a (radio frequency) field of frequency f0, causes spins to precess coherently, or in phase

Taken from the Lecture Slides

• Procession of spin systems in a large magnetic field (in magnetic resonance imaging)– 64 MHz typ. for stimulation & Faraday induction of currents for signals– Requiring a combination of a high‐strength magnetic field & radio waves to image properties of 

the proton nucleus of the hydrogen atom

29

The RF pulse creates a net transverse magnetization due to energy absorption and phase coherence. After the RF pulse, two distinct relaxation phenomena ensure that the dynamic (thermal) equilibrium is reached again.

MR signal

𝑠 𝑡 𝜌 𝑥, 𝑦, 𝑧 1 𝑒 / 𝑒 / 𝑒 𝒌·𝒓d𝑥d𝑦d𝑧

3D Fourier transform of an image 𝑓 𝑥, 𝑦, 𝑧

𝑠 𝑡 ℱ 𝑓 𝑥, 𝑦, 𝑧 𝐹 𝑘 , 𝑘 , 𝑘 𝑓 𝑥, 𝑦, 𝑧 𝑒 𝒌·𝒓d𝑥d𝑦d𝑧

• No Spin, no NMR sensitivity

30

Nucleus Spin (MHz/T)

HHCCNNOOPSCa

1/2101/211/205/21/23/27/2

42.576.54

10.713.08‐4.31

‐5.7717.233.27‐2.86

• 3D MR angiography

31

Courtesy: Walter F. Block, Univ. of Wisconsin-Madison

32

Courtesy: Walter F. Block, Univ. of Wisconsin-Madison

T1‐weighted T2‐weightedρ‐weighted

• MRI systems = Magnets; gradient systems; RF systems + computer HW/SW

33

• Gradient system– Linearity for correct phase‐encoding (nonlinearity 1–2% in an FOV with diameter 50 cm) – Higher amplitude (~50 mT/m) & its rise time for fast imaging

• RF system– For higher sensitivity & in‐plane homogeneity of signal detection– Anatomic specific coils to detect the weakest MR signal possible

34

Wrap‐up

• Projection radiography (general radiography, mammography, intra‐oral imaging, cephalography)– Fluoroscopy: angiography

• Computed tomography (CT)

• Nuclear medicine– Scintigraphy– Single photon emission computed tomography (SPECT)– Positron emission tomography (PET)

• Ultrasound imaging (US, echography)• Magnetic resonance imaging (MRI)

35