Advanced

MRI-Based Quantification of Intra-Myocellular Fat Content

Peterson, Pernilla (2009)
Medical Physics Programme
Abstract
"Introduction
Cardiac steatosis, or overstorage of fat in the cardiac muscle cells, is a possible side effect from drugs treating diabetes mellitus. Therefore, a non-invasive means of fat quantification is needed during drug development. The aim of this master thesis is to develop a method to quantify the fraction intra-myocellular fat in the cardiac muscle of rats using magnetic resonance imaging (MRI). Simulations, in vitro experiments on phantoms and in vivo experiments on rats were conducted during development and the quantification accuracy of the method was compared to that of magnetic resonance spectroscopy (MRS).

Theory
Multi-echo imaging is based on the Dixon technique which is a method for fat/water separation. The method... (More)
"Introduction
Cardiac steatosis, or overstorage of fat in the cardiac muscle cells, is a possible side effect from drugs treating diabetes mellitus. Therefore, a non-invasive means of fat quantification is needed during drug development. The aim of this master thesis is to develop a method to quantify the fraction intra-myocellular fat in the cardiac muscle of rats using magnetic resonance imaging (MRI). Simulations, in vitro experiments on phantoms and in vivo experiments on rats were conducted during development and the quantification accuracy of the method was compared to that of magnetic resonance spectroscopy (MRS).

Theory
Multi-echo imaging is based on the Dixon technique which is a method for fat/water separation. The method uses the chemical shift between water and fat to separate the species from a number of acquired gradient echoes with different TEs. The reconstruction includes built-in corrections for T2*-relaxation, off-resonance effects and the multi-resonance signal of fat. To obtain a quantitative measure of the volume fat fraction, corrections for bias from differences in relaxation times and proton density are included.

Material and methods
Initially, simulations were performed in Matlab to learn more about the method and its properties. Intralipid phantoms were created with volume fat fractions ranging from 0 % to 21.7 % and measured with multi-echo imaging and spectroscopy at 1.5 T and 3 T Siemens scanners. The method was also tested in vivo by animal experiments on rats fed with a steatosis-inducing drug using a 4.7 T Bruker system.

Results
Simulations showed that the use of a lower magnetic field strength and a fewer number of echoes is less sensitive to inaccuracies in the modelled fat spectrum. In vitro, the method successfully quantified fat fractions as low as 0.2 % with quantification accuracy similar to that of spectroscopy. In vivo, however, no correlation could be detected between spectroscopy and imaging results.

Conclusion
Although the method is still to be successfully tested in vivo, it does show potential to be applicable also in living tissue. This potential may be greater in organs were the fat content is higher and the movements less problematic than in the heart." (Less)
Abstract (Swedish)
Jag har i detta arbete tagit fram en metod för att mäta mängden fett i muskelceller som vare sig kräver vävnadsprover eller nålstick. Metoden ger också en bild av fettfördelningen i vävnaden. Detta kan vara mycket användbart vid utveckling av läkemedel, men också vid diabetes- och fetmaforskning. Muskelceller innehåller ett bränsleförråd i form av en droppe fett. För diabetespatienter och som en biverkning av diabetesmedicin kan denna fettlagring överdrivas. Om detta sker i
hjärtmuskeln kan detta ha negativa effekter på hjärtats funktion. För att övervaka fettinlagring vid utveckling av nya läkemedel behövs en metod för att bestämma mängden fett i muskelceller. Metoden som utvecklats här använder sig av magnetresonans med vars hjälp... (More)
Jag har i detta arbete tagit fram en metod för att mäta mängden fett i muskelceller som vare sig kräver vävnadsprover eller nålstick. Metoden ger också en bild av fettfördelningen i vävnaden. Detta kan vara mycket användbart vid utveckling av läkemedel, men också vid diabetes- och fetmaforskning. Muskelceller innehåller ett bränsleförråd i form av en droppe fett. För diabetespatienter och som en biverkning av diabetesmedicin kan denna fettlagring överdrivas. Om detta sker i
hjärtmuskeln kan detta ha negativa effekter på hjärtats funktion. För att övervaka fettinlagring vid utveckling av nya läkemedel behövs en metod för att bestämma mängden fett i muskelceller. Metoden som utvecklats här använder sig av magnetresonans med vars hjälp fettmängden kan mätas utifrån kroppen. Under djurförsöken som krävs vid utvecklandet av
diabetesläkemedel skulle denna metod innebära att färre djur kan följas under en längre tid då djur inte skulle behöva offras vid varje mätning. En magnetresonans-kamera består av en mycket stark magnet. Med hjälp av en spole som placeras runt det område av kroppen som ska undersökas, sänds radiovågor in i kroppen. Väte i kroppens vävnader reagerar annorlunda på dessa radiovågor i magnetfältet beroende på vilken vävnad de tillhör och skickar tillbaka olika starka signaler som kan användas för att skapa skiktbilder av kroppen. På samma sätt beter sig vätet i vatten- och fettmolekyler på olika sätt vilket kan användas för att beräkna mängden fett jämfört med mängden vatten i muskelceller tack vare deras skilda och speciella signaler. Det finns dock en mängd svårigheter med detta. Exempelvis varierar magnetfältets styrka i kroppen vilket stör de signaler som ska mätas. Signalen från fett består dessutom av en mängd olika delar som måste tolkas på rätt sätt. Förutom detta är mängden fett i musklerna väldigt liten vilket gör metoden
känslig för variationer och problem i mätningarna.

Under detta projekt har jag arbetat med att pröva anfallsvinklar som undviker och minskar dessa problem. Genom mätningar på blandningar av fett och vatten i provrör har jag kunnat visa att min metod fungerar; även för mycket små mängder fett. På grund av de stora svårigheter som följer under mätningar av hjärtat har detta goda resultat än så länge inte kunnat upprepas i levande vävnad. Metoden ger mycket goda resultat vid mätningar på provrör, men det återstår att testa den på djur och människor. Trots de små mängderna fett, är jag övertygad om att magnetresonanskameran och denna metod kan vara viktiga hjälpmedel vid läkemedelsutveckling, men också vid diabetes- och fetmaforskning. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Peterson, Pernilla
supervisor
organization
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
MRI
language
English
id
2157094
date added to LUP
2011-09-13 11:23:06
date last changed
2012-02-13 13:50:05
@misc{2157094,
  abstract     = {"Introduction
Cardiac steatosis, or overstorage of fat in the cardiac muscle cells, is a possible side effect from drugs treating diabetes mellitus. Therefore, a non-invasive means of fat quantification is needed during drug development. The aim of this master thesis is to develop a method to quantify the fraction intra-myocellular fat in the cardiac muscle of rats using magnetic resonance imaging (MRI). Simulations, in vitro experiments on phantoms and in vivo experiments on rats were conducted during development and the quantification accuracy of the method was compared to that of magnetic resonance spectroscopy (MRS).

Theory
Multi-echo imaging is based on the Dixon technique which is a method for fat/water separation. The method uses the chemical shift between water and fat to separate the species from a number of acquired gradient echoes with different TEs. The reconstruction includes built-in corrections for T2*-relaxation, off-resonance effects and the multi-resonance signal of fat. To obtain a quantitative measure of the volume fat fraction, corrections for bias from differences in relaxation times and proton density are included.

Material and methods
Initially, simulations were performed in Matlab to learn more about the method and its properties. Intralipid phantoms were created with volume fat fractions ranging from 0 % to 21.7 % and measured with multi-echo imaging and spectroscopy at 1.5 T and 3 T Siemens scanners. The method was also tested in vivo by animal experiments on rats fed with a steatosis-inducing drug using a 4.7 T Bruker system.

Results
Simulations showed that the use of a lower magnetic field strength and a fewer number of echoes is less sensitive to inaccuracies in the modelled fat spectrum. In vitro, the method successfully quantified fat fractions as low as 0.2 % with quantification accuracy similar to that of spectroscopy. In vivo, however, no correlation could be detected between spectroscopy and imaging results.

Conclusion
Although the method is still to be successfully tested in vivo, it does show potential to be applicable also in living tissue. This potential may be greater in organs were the fat content is higher and the movements less problematic than in the heart."},
  author       = {Peterson, Pernilla},
  keyword      = {MRI},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {MRI-Based Quantification of Intra-Myocellular Fat Content},
  year         = {2009},
}