Introduction[Signals & (Imaging) Systems]

Ho Kyung Kimhokyung@pusan.ac.kr

Pusan National University

Medical Physics

Prince & Links 1

Basic Imaging Principles

• See inside the human body:

– Invasive techniques

• Endoscopy (put something), surgery (cut the body), …

– Noninvasive techniques

• Risk‐free

– Magnetic resonance imaging (MRI), ultrasound imaging

• Risk associated with the radiation exposure

– Projection radiography, computed tomography (CT), nuclear medicine (SPECT, PET)

• Even more anatomic imaging:

– Functional MRI (fMRI): organ perfusion or blood flow

– Positron emission tomography (PET): metabolism or receptor binding

• What does the human body look like on the inside?

– It depends on the measured “signal” of interest

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• Medical imaging physics allows us to image “certain parameters (or signals)” of the body’s tissues:

– Reflectivity in ultrasound imaging

– Linear attenuation coefficient in CT

– Hydrogen proton density in MRI

Input signal into an imaging system

• Outputs of medical imaging systems

– The first output: physical measurements with various imaging systems:

• Returning echoes in an ultrasound system

• X‐ray intensities in a CT system

• Radio‐frequency (RF) waves in an MRI system

– The final output: created through image reconstruction

• The process of creating an image from measurements of signals

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• The overall quality of a medical image is determined by "how well the image portrays the true spatial distribution of the physical parameters of interest within the body"

• Medical image = the spatial distribution of the measured physical parameters

– Dependent upon (image quality):

• Resolution

• Noise

• Contrast

• Geometric distortion

• Artifacts

• Clinical utility of medical images involves both the image quality & the medical information contained in the parameters themselves

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• Medical imaging signals

a. Projection radiography: x‐ray transmission thru the body

b. Planar scintigraphy: gamma‐ray emission from w/i the body

c. Ultrasound imaging: ultrasound echoes

d. Magnetic resonance imaging: nuclear magnetic resonance (NMR) induction

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“Projection” image

“Axial” image “Coronal” image “Sagittal” image

Slice (or tomographic) images

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CT MRI PET

Transverse slices, oriented perpendicular to the head & body axis

Why do the images look like differently?

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Anatomical vs. functional imaging

8Taken from the Lecture Slides (Dr. K. Mueller)

History of Medical Imaging

• The first radiograph of the hand of Wilhelm Conrad Roentgen’s wife in Dec. 1895

– The first clinical use of x rays in Feb. 1896

– The first Novel Prize in Physics in 1901

• The first true CT scanner in 1972 at EMI in England by Godfrey Hounsfield

– Image reconstruction was developed a decade earlier by Allan Cormack of US

– The pair shared the Novel Prize in Medicine in 1979

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• Discovery of radioactivity by Antonie Henri Becquerrel in 1896

– Initially used in cancer therapy rather than imaging

• Use of radioactive tracers to study physiology by George de Hevesy (the farther of nuclear medicine) in 1923

• Anger scintillation camera by Hal Anger at UC Berekely in 1952

• Discovered Tc99m by Perrier & Emilio Segre in 1937; its first use in medicine 1961

• Described the interaction of acoustic waves with media by Lord John Rayleigh over 100 year ago 

• Ultrasound imaging from World War II Navy sonar technology

• Modern ultrasound imaging in the 1960s

• Nuclear magnetic resonance by Felix Bloch & Edward Purcell; 1952 Nobel Prize in Physics

• Extension of NMR by Richard Ernst; Novel Prize in Chemistry in 1991

• NMR for medical imaging by Raymond Damadian in 1971 & Paul Lauterbur in 1973; Lauterbur earned Novel Prize in Medicine in 2003 w/ Peter Mansfield

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Physical Signals

• Transmission of x rays thru the body (in projection radiography & CT)

– Body tissues selectively attenuate the x‐ray intensities to form an image

• Emission of gamma rays from radiotracers in the body (in nuclear medicine)

– 140 keV & two 511 keV

– Radioactive compounds or radiotracers, injected into the body, move selectively to different regions or organs, emitting gamma rays with intensity proportional to the compound’s local concentration

• 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 reflectionsto create images

• 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

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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

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Computed Tomography

• Single‐slice CT

• Helical CT

• Multislice CT

Liver

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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)

• Single‐photon emission computed tomography (SPECT)

• Positron emission tomography (PET)

Heart

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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

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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

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Remarks

• Radiologists look for specific patterns, which depend on the patient and the imaging modality, in medical images, and distinguish the differences in the expected signal in health and disease

• Engineers and scientists develop medical imaging systems to produce images that are as accurate and useful as possible; these systems depend on the physics of each modality

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