Quantification of Fat Content and Fatty Acid Composition Using Magnetic Resonance Imaging

Abstract

In obesity and several other disease scenarios, the measurement of fat accumulation in various organs and tissues has become a sought-after technique in clinical diagnostics and research. Especially, quantitative and non-invasive techniques which also provide images of accumulated fat throughout the body would be valuable. In the typical hospital, magnetic resonance imaging (MRI) is the only technique available which has the potential for these types of measurements and out of techniques suggested, Water/Fat Imaging is particularly promising. Water/Fat Imaging is based on the separation of water and fat, the two main contributors to the MRI signal, with the use of the frequency separation between their signals. The field has inspired a wide range of research and is by now well established, especially for investigations of fatty liver. However, in this and several other applications there is a continued need for method development.



The fat concentrations in skeletal muscle are expected to be very low. Thus, for this application, there is an increased demand for measurement precision. The results presented in this thesis indicate that fat concentrations below 1 % are possible to measure using Water/Fat Imaging. In addition, precision may be increased using a higher flip angle if a pure fat reference is used for quantification, without compromising quantification accuracy. (Papers I and II)



Water/Fat Imaging has become an appreciated technique for abdominal applications in which breath-hold is necessary for acceptable image quality. The use of a bipolar acquisition scheme may be used to reduce the total scan time, but is associated with issues which are detrimental to fat quantification. Using a built-in correction approach, it is demonstrated that accurate and noise efficient fat quantification is possible using a bipolar acquisition. (Paper III)



The basic ideas of Water/Fat Imaging may be extended to not only quantify the fat concentration, but also the fatty acid composition. In this thesis, a reconstruction algorithm is suggested and its accuracy is demonstrated in a wide range of fat concentrations and fatty acid compositions. In addition, a number of potential sources of bias are investigated. Out of these, accurate modeling of the individual T2 values of fat and water is especially important in fat/water mixtures, whereas some T1 weighting may be allowed with small impact on quantification accuracy. (Papers IV and V)

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Fetma har blivit ett växande folkhälsoproblem under de senaste decennierna och den epidemiartade utvecklingen har fått stor uppmärksamhet. Faktum är att världshälsoorganisationen WHO uppger att 1.4 miljarder människor är överviktiga och att 65 % av jordens befolkning lever i länder där fler dör av övervikt och fetma än av undervikt. Fetma är nära kopplat till hjärt- och kärlsjukdom och diabetes, men hur stor risken är beror på var i kroppen fettet lagras och hur det är sammansatt. Till exempel anses fettansamling i eller mellan organ mer allvarligt än ett rejält lager underhudsfett, och fettets kemiska sammansättning skulle kunna skvallra om inflammatoriska tillstånd.



Inom forskning och diagnostik av fetma och andra fettrelaterade sjukdomar räcker alltså badrumsvågen inte till. Det räcker inte att veta hur feta vi är – vi måste veta var vi är feta och hur fettet är sammansatt. Det behövs därför detaljerade och noggranna mätningar av mängden fett och av dess kemiska sammansättning. För att kunna undersöka var fettet finns lagrat behövs en bildgivande metod. För att kunna upprepa mätningarna för att följa ett sjukdomsförlopp eller effekten av en behandling, är det dessutom en fördel om mätningarna kan göras utan ingrepp i kroppen och utan röntgenstrålning. Av de diagnostiska verktyg som finns tillgängliga på sjukhus, är fettmätningar med magnetkamera det enda som lever upp till alla dessa önskvärda egenskaper.



En av de viktigaste egenskaperna hos en magnetkamera är dess förmåga att avbilda mjukdelar. Magnetkameran tar bilder av väteatomerna i våra kroppar och framförallt är det vätet i våra vatten- och fettmolekyler som syns. Med metoden vatten/fett-avbildning kan magnetkamerans bilder sorteras så att bilden av vatten och bilden av fett kan ses var för sig. Från dessa separata vatten- och fettbilder kan vi därefter beräkna den procentuella koncentrationen av fett.



Det första fröet till vatten/fett-avbildning såddes 1984 och under åren som följt har metoden genomgått en stor utveckling. Metoden kan nu användas för att göra noggranna mätningar av fettkoncentrationen i exempelvis levern, ett organ som ofta drabbas när underhuden inte längre kan lagra mer fett. Det finns till och med de som spekulerar i om metoden är mer pålitlig än vävnadsprover tack vare möjligheten att titta på hela organet och att göra exakta mätningar. Det kan alltså vara dags att tänja på gränserna och undersöka vad metoden mer kan erbjuda. I det här avhandlingsarbetet har jag gjort just detta. Jag har utvecklat metoden vidare för att kunna mäta riktigt låga fettkoncentrationer. Jag har också undersökt en mer effektiv bildtagningsmetod, samt tagit fram en metod som kan undersöka fettets kemiska sammansättning.



Även mycket låga fettkoncentrationer kan ha stor betydelse i muskler. För att kunna mäta dessa små mängder är det dock viktigt att magnetkamerans bilder inte är alltför brusiga och att vår beräkning är så noggrann och exakt som möjligt. Genom att ta hänsyn till detta har jag kunnat mäta fettkoncentrationer så låga som 0.5 % i provrör, och genomfört noggranna och exakta mätningar i muskler hos friska personer och patienter med lymfödem.



För att bilderna inte ska bli suddiga av patientens andningsrörelser är det vid bildtagning i buken viktigt att bildtagningen är tillräckligt snabb för att patienten ska kunna hålla andan. En effektivare bildinsamling finns tillgänglig med vanlig magnetkamerautrustning, men bilderna har hittills inte kunnat användas för beräkningar av fettinnehållet. Jag har visat att en korrigerad beräkning gör det möjligt att använda även dessa, mer effektivt insamlade, bilder för noggranna fettmätningar.



I detta avhandlingsarbete har jag också tagit fram en metod för att undersökta fettets kemiska sammansättning med samma typ av bilder och teknik som används för vatten/fett-avbildning. Jag har granskat vilka möjliga felkällor av mätningarna som är viktiga att ta hänsyn till och kunnat genomföra noggranna mätningar i provrör och i mänsklig fettvävnad.



Vatten/fett-avbildning är ett flexibelt och noggrant verktyg för att mäta koncentrationen fett och dess kemiska sammansättning i människokroppen. Framförallt är mätning av den kemiska sammansättningen ett spännande fält för fortsatt utvecklingsarbete, medan mätningen av fettkoncentrationen är redo för att användas i diagnostik och forskning om fetma och andra fettrelaterade sjukdomstillstånd.

• author: Peterson, Pernilla
• supervisor: Sven Månsson; Jonas Svensson; Peter Leander; Håkan Brorson; Sören Mattsson
• opponent: Asst. Prof. Hu, Houchun Harry, Radiology & Imaging Services, Children´s Hospital Los Angeles
• organization: Medical Radiation Physics, Malmö (research group)
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
• keywords: MRI, fat quantification, water/fat imaging, chemical shift, skeletal muscle, fat reference, bipolar gradient, fatty acid composition, relaxation
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:150
• pages: 82 pages
• defense location: Lilla aulan, Jan Waldenströms gata 5, Malmö
• defense date: 2013-12-13 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87651-99-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 673855e7-db70-4666-9bc2-0fefc43f860e (old id 4173900)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:01:36
• date last changed: 2023-04-18 20:02:28