Computed Tomography: Physical Principles and Recent Technical Advances

Abstract 

This Directed Reading article describes the physical principles and instrumentation of computed tomography (CT) and outlines several recent advances in CT technology. First, the history of CT is presented with emphasis on the contributions of two pioneers who earned the Nobel Prize for the development of the first clinically useful CT scanner. Second, the essential physical principles—most notably radiation attenuation, Lambert-Beer's Law—and the calculation of CT numbers using attenuation data are described. The third major topic will focus on CT technology, including a description of the major system components, the evolution of CT data acquisition systems, image reconstruction fundamentals and common digital image postprocessing operations such as windowing and three-dimensional (3D) techniques. The next section of this article addresses the elements of spiral/helical CT principles and technology. The limitations of conventional CT are first presented and provide a motivation for the development of volume CT scanners. Data acquisition, including detector technology and slip-ring technology, is reviewed, followed by a description of image reconstruction basics for multislice CT (MSCT) scanning. In particular, MSCT detector technology, pitch and various advantages are outlined, followed by a discussion of the advantages of MSCT scanning. The final section of this reading reviews the elements of MSCT applications, such as 3D imaging, virtual reality imaging and the basics of cardiac CT imaging. The article concludes with an introduction of the use of CT in other areas, such as radiation therapy and nuclear medicine.

Résumé 

Cette lecture dirigée décrit les principes physiques et l'instrumentation de la tomodensitométrie TDM) et présente plusieurs avancées récentes en TDM. Dans un premier temps, l'histoire de la tomodensitométrie est présentée, avec un accent particulier sur la contribution de deux pionniers ayant obtenu le prix Nobel pour le développement du premier scanner CT utilisable en mode clinique. Vient ensuite une description des principes physiques essentiels, notamment l'atténuation du rayonnement, la loi de Lambert-Beer et le calcul des nombres de tomodensitométrie, à l'aide des données d'atténuation. Enfin, l'auteur aborde la technologie de la tomodensitométrie, avec une description des principales composantes du systèmes, de l'évolution des systèmes d'acquisition de données, des fondements de la reconstruction de l'image et des opérations courantes de posttraitement des images numériques, comme le fenêtrage et les techniques tridimensionnelles. La section suivante de la lecture dirigée traite des éléments relevant des principes et de la technologie de tomodensitométrie hélicoïdale ou spiralée. Les limitations de la tomodensitométrie classique sont présentées et justifient le développement des scanners volumétriques. L'acquisition des données, incluant la technologie des détecteurs et des bagues collectrices est ensuite examinée et suivie d'une description des fondements de la reconstruction des images pour la tomodensitométrie en tranches multiples (MSCT). L'auteur examine en particulier la technologie des détecteurs MSCT et présente ses différents avantages, qui font ensuite l'objet d'une discussion. La section finale de l'article examine les applications de la MSCT, comme l'imagerie 3-D, la fluoroscopie et l'angiographie par tomodensitométrie, l'imagerie virtuelle (l'endoscopie par tomodensitométrie, par exemple) et les fondements de la tomodensitométrie cardiaque. L'article conclut sur une introduction à l'utilisation de la tomodensitométrie dans d'autres secteurs, comme la radiothérapie et la medicine nucléaire.