Medical Signals

Ho Kyung Kimhokyung@pusan.ac.kr

Pusan National University

Introduction to Medical Engineering

Outline

• ultrasound waves → reflectivity → echoes• RF pulse under B‐field → precession of H spins →MR‐induced RF waves• x‐ray → attenuation → transmitted x‐ray intensity• radioisotope → attenuation → transmitted 𝛾‐ray intensity

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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:– FunctionalMRI (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 signalsa. Projection radiography: x‐ray transmission thru the bodyb. Planar scintigraphy: gamma‐ray emission from w/i the 

bodyc. Ultrasound imaging: ultrasound echoesd. 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

9Taken 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 Berkeley 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 reflections

to create images

• Precession 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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Wrap‐up

• ultrasound waves → reflectivity → echoes• RF pulse under B‐field → precession of H spins →MR‐induced RF waves• x‐ray → attenuation → transmitted x‐ray intensity• radioisotope → attenuation → transmitted 𝛾‐ray intensity

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