Multislice CTPrinciples and Perspectives

Mindy M. Horrow, MD, FACR

Director of Body Imaging

Albert Einstein Medical Center

All photos retain the copyrights of their original owners

© Mindy Horrow, MD

Before  CT

Entire areas of body inaccessible toradiography (brain, retroperitoneum,etc.)

Some useful diagnostic procedureswere either potentially harmful orconsiderably uncomfortable(exploratory laparotomy,pneumoencephalography)

Principles of CT

Radiographic tube emits x-rays whilerotating axially around patient

Array of detectors on opposite side ofpatient detects x-rays transmittedthrough patient

Computer algorithms use digitized datafrom detectors to create axialtomographic images of body.

CT =  tomography + algorithms + highspeed digital computers

Tomography- CT actually eliminatesunwanted material, outside of scan planeinstead of just blurring it (1921-conventional tomography)

Reconstruction algorithms- Fast FourierTransformation: allows mapping offunction of space into a function offrequency using the theorem that anyfunction can be decoded into a sum ofsine and cosine functions (described byFourier in 1811)

Principles of CT

Development of Workable CTScanner

1963- Cormack in S. Africa developsalgorithm for accurate reconstruction ofimages from radiographic projections

1971- Hounsfield, a computer engineer inEngland produces first working CTscanner used clinically on patients.Produced 70 head CTs in 6 mos, at 4 minper slice, recorded on magnetic tape withtwo days reconstruction time per case.

Cormack and Hounsfield awarded NobelPrize in medicine and physiology in 1979

Sir Godfrey Hounsfield with aprototype CT scanner in 1974

Head CT circa 1975 with 128 x 128 matrix

Radiology: Volume 119, 1976

Davis, Taveras, New, et al. Diagnosis of EpidermoidTumor by Computed Tomography

Hahn, et al The Normal Range and position of the PinealGland on Computed Tomography

Huckman, Ramsey, et al. Computed Tomography in theDiagnosis of Pseudotumor Cerebri

Messina, Potts, et al. Computed Tomography: Evaluationof the Posterior Third Ventricle

O’Connor, et al. Computed Tomography in a CommunityHospital

Sagel, Stanley, Evens. Early Clinical Experience withMotionless Whole Body Computed Tomography

Sagel, Stanley, Levitt, et al.Computed Tomography of theKidney Radiology 124:359-370, 1977

“Computed tomography is an extremelyaccurate method of obtaining more definitivediagnostic information about a renal massdiscovered on a urogram.  Benign renal cystsare readily distinguished from solid renalneoplasms, and CT is often valuable incharacterizing possible juxtarenal masses.The cause of a nonfunctioning kidney(s) on aurogram can often be discerned, andhydronephrosis is easily detected.”

Proliferation of CT

By 1976, 3 years after Hounsfield’spublications, 22 companies weremanufacturing CT scanners

By 1979 1000 scanners were operating in50 countries

Competition produced rapidtechnological sophistication

Introduction of fan beam-scanningdecreased scan time from 300 sec to 2sec per slice in 4 years

Conventional CT scanners

Employ fan of x-ray beams and a largedetector array

3 types of gantries: translate-rotate,rotate-rotate, rotate-stationary

Involves alternating patient translationand x-ray exposure

Each rotation of x-ray tube generates datafrom which a corresponding axial imageis reconstructed

Helical (spiral) CT

Simultaneous patient translation and x-rayscanning generates volume of data

X-ray beam traces a helix of raw data fromwhich axial images must be generated

Each rotation generates data specific to anangled plane of section

To create true axial image, data points aboveand below desired section must beinterpolated to estimate value in axial plane

Thus, interval between reconstructedtranssexual images can be chosenretrospectively

Technological considerations ofhelical CT

Slip-ring technology (no electrical cablesconnecting gantry to ground) allowssource detector assembly to rotatecontinuously.  Previously, frequent,abrupt changes between scans werenecessary to permit winding andunwinding of cables

More robust x-ray tubes and generatorswere developed to allow high tube currentfor prolonged duration.  Also needed tobe lightweight enough to be mounted inslip ring gantry

Comparison of single slice andmulti-slice CT

Detector configuration

Reconstructions

Detector design

Definition of pitch

Pitch and image quality

Spatial resolution

Configuration of detectors

SS- long, narrow array with lengthof single detector aligned in z axis

MS- detector array segmented in zaxis, a mosaic

–Allows for simultaneous acquisition ofmultiple images in scan plane withONE rotation

Mosaic Detector

•16 cells in Z direction

--each cell 1.25 mm (in Z)

•16 cells (Z) x 912 cells (transverse) = 14592 total cells

•Signal collected from 4 channels/2 flex connectors

DiodeDiode

FET Switching ArrayFET Switching Array

Reconstructions

SS- reconstruct images of SAMEthickness with different image indexing(table increment intervals)

MS- acquire 3D raw data that arecontiguous in space.  Therefore canreconstruct images at variousthicknesses AND at different intervals

–If image index < image thickness, results inoverlapping slices

–Must have raw data available for any type ofreconstruction

Multi-slice detector design(GE 4 slice scanner)

16 equal elements in z axis, 20mmmaximum collimator width *

Can acquire 1, 2, or 4 images per rotation

For example: with collimator at 10mm canmake 4 images @ 2.5mm, 2 images @5mm or 1 image @ 10mm

Thinnest slice thickness that can bereconstructed depends entirely oncombination of slice thickness and tablespeed

* A single 1.25 detector is made of two .63 detectors

Axial Configurations4 x 2.5 mm

DiodeDiode

FET Switching ArrayFET Switching Array

4 signals collected from eight 1.25 mm detectors with 2 detectors contributing to each signal

2.5 mm is the minimum slice thickness because two 1.25 mm detectors are combined per signal

Cells can be combined to form 4 slices @ 2.5 mm each or 2 slices @ 5 mm each or 1 slice @ 10 mm

1

2

3

4

1

2

1

4i mode = each set of

2 cells becomes a slice

@ 2.5 mm each

1i  mode = 4 sets

(of 2 cells each) are

combined to form

1 slice @ 10 mm

2i mode = 2 sets

(of 2 cells each) are

combined to form

2 slices @ 5 mm each

Pitch

   SS = table travel per rotation

               image thickness

If table travel > slice thickness, pitch > 1

 

   MS = table travel per rotation

           total active detector width*

* = x-ray beam collimation

Table travel/ rotation =7.5mm

Image thickness = 5mm

Pitch = 7.5 = 1.5

             5.0

 

Table travel/ rotation =7.5mm

 Four Images with

thickness = 2.5mm

Pitch = 7.5 = .75

          (4 x 2.5)

SS                      MS

GE Definition of Pitch

Table travel per rotation  =      7.5 =  3single image slice thickness   2.5

      (High quality mode)

i.e.. When 4 images are acquired per tuberotation, associated table travel is 3times image width

GE Definition of Pitch

Table travel per rotation  =      15 =  6single image slice thickness   2.5

      (High speed mode)

i.e.. When 4 images are acquired per tuberotation, associated table travel is 6times image width

Pitch and Image Quality

SS-  Image quality decreases aspitch increases

MS- GE scanners have uniqueproperty of forming images withparticularly good quality at 2specific pitch values, HQ and HS

Pitch and Noise

To reconstruct image, projections must becollected over 180 gantry rotation and fan angle ofx-ray beam (45  ), about 2/3 of spiral

Since reconstruction algorithms need fixednumber of projections to make image and sincepitch only affects how these projections aredistributed in spiral, not the number of projections,pitch does not affect noise

No difference between SS and MS

Image Quality: ContrastResolution

Ability of imaging system to detect asingle structure that varies only slightlyfrom its surroundings

Related to noise AND pitch

–Less noise, fewer distractions, increasedability to perceive low density object

–Contrast resolution  in x-y plane as pitch for SSCT but does NOT change for MSCT

Contrast Resolution

SS-  pitch causes broadening of slice-sensitivity profile.  Scanner needs to haveenough projections to reconstruct sliceand is forced to seek them outside ofspecific z axis.   Some projections maynot pass through object in question andresults in “under-sampling” which blursobject

Contrast Resolution

MS-  pitch does not broaden SSPbecause at least one of multiple rows ofdetectors passes into x-y planecontaining object in question.  Becauseof multiple detectors, highly unlikely thatprojections distant from imaging planewill be needed.

    Z axis resolution         Dose

SS- increasedpitch decreases zaxis resolution

MS- increasedpitch has littleeffect  on z axisresolution

SS- increasedpitch decreasesradiation dose

MS increasedpitch, machinecompensates withincreased mA anddose does notchange

Dose-Pitch Relationship

For SS, if pitch>1, dose decreases

                    pitch<1, dose increases

For MS, if pitch>1, dose similar

                     pitch<1, dose similar

When pitch is<1 in MSCT, images areinterleaved,  with reconstructed slicesusing information from surrounding slices,allowing a decrease in technical factors

Reconstruction Algorithms

SS and MS are similar

First step done by machine, z axisinterpolator works on raw data to weightprojections nearest the slice locationmost heavily

Second step selected by user: for softtissue images, want to suppress noiseand increase low contrast sensitivity. Forbone want higher contrast.

Protocols for MSCT

Image thickness, detector configuration,collimation, table speed, interval,reconstruction algorithms

IV contrast parameters

Length of acquisition

Technique: kV, mA, sec

Reconstruction algorithm

FOV- for scan, for display

Problems/Pitfalls inProtocol Design

Timing of bolus and data acquisition

Preset filming

“Pseudo-enhancement”

Venous artifacts

Increasing numbers of tiny lesions

Timing

Routine chest protocol with 20 cmcoverage, table speed 11.25mm/rotation, takes 14 sec for entirescan at 0.8 sec/slice

Using 40 sec prep delay

–If injection rate is 2cc/sec, use 108 cc

–If injection rate is 2.5, use 128 cc

Filming

   Because of high levels of vascularenhancement, classic soft tissuewindows will not be appropriatefor all organs.  Lesions may beobscured in organs that enhancebrightly such as kidney andarteries (pulmonary emboli,dissection flaps)

Other issues

“Pseudo-enhancement” of renal cystssurrounded by parenchyma becomes agreater problem because of higher levelsof renal enhancement

Increasing numbers of tiny lesions inlung, liver, etc. Are these metastases?

Venous artifacts, which simulatethrombus become more obvious andfrequent

Can I reconstruct thinner slicesthan those printed on image?

PE protocol  2.50mm/7.50 1.5:1

–Image 2.5mm thickness

–Table speed = 7.5 mm/rotation

–Pitch = 1.5:1  (HS mode)

7.5  1.5 = 5mm collimation

With 4 slices per rotation, detector size mustbe 1.25mm and therefore this is thinnest slicethickness that one can reconstruct

16 slice scanner

Routinely 360º rotation in 0.5 sec (798 data points)

Can go to 0.4 sec rotation for cardiac scanning

For larger patients, increase rotation time

Using the “large-large” FOV, each pixel is 1mm inx-y plane.  Thus each vowel is 1 x1 x1mm =ISOTROPIC SCANNING

Can also achieve isotropic scanning with smallFOV (head, neck, extremity) in which each voxel is0.5mm

16 slice scanner

Helical pitch = table distance perrotation / slice thickness

–15mm / 1mm = 15

Beam pitch = helical pitch / imagethickness

–15 / 16 = 0.938

16 slice scanner

Prospective Gating: 0.4 sec gantry speed.Machine counts 5 cycles, calculates R-Rinterval, takes 0.25 sec scan, ending priorto beginning of next R wave.  Requiresheart rate < 80 bpm.  Table moves duringnext R-R interval.  Each scan covers 4images @ 3mm thickness.

Retrospective gating =  gatedreconstruction.  Helical acquisition withECG over raw data.  When ECG is at a givenpoint, take data at that time to make image.

MSCT

Examples of UniqueProtocols

Lung

“Abnormal CXR”- survey exam with 5mmsections, but choose detector set of 4 1.25mmso that retrospective thin slices through asmall nodule can be obtained without re-imaging

Airway disease- single breath hold with 1 or1.25mm collimation.  Evaluate trachea withoverlapping 3-5mm sections, use 1mmsections to assess small airways.  Combineinspiratory & expiratory views for physiologicevaluation, air trapping

PE- 1.25- 2.5mm, HS mode scan averagethorax in 10-12 sec.  Use bolus tracking.Helpful to view as reconstructions.

Abdomen

Porta hepatis- because of complicatedanatomy & oblique orientation, 3mmsections recon w 50% overlap  curvedor coronal reformats

Liver and pancreas- multiple phases insingle breath holds

Kidneys- 3D reconstructions similar toIVU and angiography

Musculoskeletal System

0.5mm slice thickness can result inisotropic data set such that x-, y- and z-axes are equal in size (Will be standardon 8 and 16 slice scanners)

Trauma- if scanning chest, abdomen,pelvis can change FOV, recon to thinnerslices, change to bone algorithm and do2D and 3D recons to review spine,without re-imaging as spine protocol

Head and Neck

Elimination of direct coronal imaging

Reformats can avoid artifacts from teeth

3D displays for trauma and congenitalanomalies

3D reformats can provide endoscopicviews of larynx, hypopharynx and tocalculate tumor volumes

Angiographic and perfusion studies

Post Processing Applications

Huge numbers of images can be generatedfrom original data set and reformatted indifferent planes, surface displays,angiographic techniques, virtual endoscopy

Issues of how to view and store images

QUIZ

1. For SSCT with image thicknessof 2.5 mm and table speed of 4.0mm/rotation, the pitch =__________

2. For MSCT with tech requesting 4slices with 3.75 mm thickness andtable speed of 11.25 mm/rotation,pitch = ________________

a.    SSCTb.    MSCTc.    bothd.    neither

3. Re-indexing, or creating overlapping slices ispossible on

4. Reconstruction images to different slicethicknesses is possible on

5. X-Y axis resolution (image quality) does notchange significantly with higher pitch on

a.     SSCTb.    MSCTc.    bothd.    neither

6. Noise increases with increasing pitch on

7. As pitch increases, > 1, the radiation dose tothe patient decreases on

8. The reconstruction algorithm involves 2steps, the z axis interpolator and application ofspecific algorithms such as smooth, standard,bone, etc on

1. For SSCT with image thickness of 2.5mm and table speed of 4.0 mm/rotation,the pitch = 1.6

2. For MSCT with tech requesting 4slices with 3.75 mm thickness and tablespeed of 11.25 mm/rotation, pitch = 0.75

          a.     SSCTb.    MSCTc.    bothd.    neither

3. Re-indexing, or creating overlapping slices ispossible on c

4. Reconstruction images to different slicethicknesses is possible on b

5. X-Y axis resolution (image quality) does notchange significantly with higher pitch on  b

a.     SSCTb.    MSCTc.   bothd.    neither

6. Noise increases with increasing pitch on  d

7. As pitch increases, > 1, the radiation dose tothe patient decreases on  a

8. The reconstruction algorithm involves 2steps, the z axis interpolator and application ofspecific algorithms such as smooth, standard,bone, etc on  c

References

Brink JA, Heiken JP, et al. Helical CT:Principles and TechnicalConsiderations. Radiographics 1994;14:887-893

Friedland GW and Thurber BD. The Birthof CT. AJR; 167: 1365-1370

Silverman PM. multi-slice ComputedTomography- A Practical Approach toClinical Protocols. Lippincott Williams &Wilkins, 2002; Chapter 1: 1-29

Thanks to GE for providing images

The End