لا تُنتج أجهزة التصوير المقطعي صورًا جاهزة مباشرة. مبدأ عملها هو جمع العديد من "الظلال"، أي إسقاطات البنية الداخلية، من زوايا مختلفة أو باستخدام إشارات فيزيائية متنوعة. ثم تقوم الخوارزميات الرياضية بإعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد من هذه الإسقاطات. والمثير للدهشة أن الفكرة الأساسية جاءت من مجال مختلف تمامًا: جوزيف فورييه طوّر أداته الرياضية لتحليل تدفقات الحرارة، واليوم هي أساس كل التصوير المقطعي الطبي. وبهذا، يرى الأطباء الأورام بفضل معادلات كانت تصف في الأصل كيف يبرد معدن مُسخَّن.
تجمع الأنواع المختلفة من أجهزة التصوير المقطعي "ظلالًا" مختلفة باستخدام ظواهر فيزيائية متنوعة. في التصوير المقطعي المحوسب (CT)، يُقاس توهين الأشعة السينية عند مرورها عبر الأنسجة — وهذا مشابه لـتحديد كثافة جسم من الظل الذي يلقيه. أما التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) فيلتقط إشارات راديوية من ذرات الهيدروجين الموجودة في جزيئات الماء داخل الجسم — ويمكن تشبيه ذلك بـ"التنصت" على استجابة الأنسجة للتنبيه بحقل مغناطيسي قوي. ويتتبع التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) والتصوير المقطعي المحوسب بانبعاث الفوتون الواحد (SPECT) توزيع العلامات المشعة التي تُعطى للمريض. رغم الاختلافات الجوهرية في فيزياء الحصول على الإشارة، تصف جميع هذه الطرق بـنموذج رياضي موحّد وتُحل بتقنيات حسابية متشابهة — وهي مهمة إعادة بناء البنية الداخلية من مجموعة من الإسقاطات.
الخوارزميات الحاسوبية الحديثة والمعالجات الرسومية القوية تسمح بجمع ومعالجة هذه "الظلال" في ثوانٍ معدودة. هذا لا يقلل من زمن الإجراء فحسب، بل يتيح أيضًا خفض جرعة الإشعاع (في حالة التصوير المقطعي المحوسب) أو كمية المستحضرات الصيدلانية المشعة المُعطاة. إن دمج إنجازات الفيزياء والرياضيات وهندسة الحاسوب يحوّل التصوير التشخيصي إلى روتين طبي دقيق وسريع وآمن.
في عام 1971، استغرق أول ماسح مقطعي محوسب ما يقرب من ساعة لمسح الرأس؛ أما اليوم، فتقوم أجهزة التصوير المقطعي بذلك في أجزاء من الثانية وبجرعة إشعاع أقل.
الماسح الطبي ثلاثي الأبعاد من "ستار تريك" ليس خيالًا علميًا بعيد المنال — فهو على الأرجح يحل مسائل عكسية أيضًا، بجمع إسقاطات لجسم الإنسان.