Quantification of Fatty Acid Composition Using MRI: Comparison of Accuracy at 1.5, 3 and 7 T

Abstract

The increasing prevalence of obesity and obesity related diseases in this modern world has resulted in a lot of research in the area of water-fat separation with magnetic resonance imaging (MRI). Since the introduction of the two-point Dixon technique, this area of research has expanded and relationships have been discovered between fat content and fatty acid (FA) composition, and diseases such as diabetes and non-alcoholic fatty liver disease.

In this work, an image-based method to quantify fat content and FA composition using MRI has been investigated at three different field strengths (1.5, 3 and 7 T). The aim was to explore the potential advantages associated with increased spectral resolution gained at higher field strengths, such as more accurate estimations of FA composition. The method is based on a concept of describing the FA composition in terms of chain length (cl), number of double bonds (ndb) and number of methylene interrupted double bonds (nmidb), originally published for use in magnetic resonance spectroscopy (MRS).

Both phantom and in vivo experiments were performed. In both studies, MRS measurements were carried out for validation of the method. In addition, values of the FA composition obtained from the Swedish National Food Administration were also used as reference in the phantom study. The in vivo experiment was carried out on subcutaneous adipose tissue in the calf of a volunteer.

Comparing the estimated parameters at all field strength with values obtained from MRS or the values from the Swedish National Food Administration, the accuracy of the estimations seem to increase at higher field strengths. The main drawback of the study was that the acquired images of the phantom at 7 T were not evaluable due to large field inhomogeneity. When comparing the estimations of the FA composition in vivo to the values obtained using MRS, the estimation at 1.5 T was the least accurate and the estimations at 7 T somewhat more accurate than the ones obtained at 3 T. Even though the results indicate better accuracy, additional research is needed to investigate the benefits in using higher field strengths.

Abstract (Swedish)

På grund av den ökande förekomsten av fetma och fetmarelaterade sjukdomar, såsom diabetes och förfettning av levern, har intresset för olika diagnostiseringsmetoder av dessa sjukdomar också ökat de senaste åren. Då man dessutom har upptäckt att det finns en relation mellan sjukdom och fettsammansättningen (mättat, enkelomättat och fleromättat fett) i exempelvis levern, har intresset för att kunna kvantifiera fett blivit större.

Det är framförallt triglycerider som ansamlas i levern vid exempelvis leverförfettning vilket gör det passande att mäta dem för diagnostisering eller prognostisering. Triglycerider är fett som består av en glycerolmolekyl och tre fettsyramolekyler, och med hjälp av tre parametrar (kedjelängd, antal dubbelbindningar och antal dubbel-dubbelbindningar) kan man beskriva triglyceridens egenskaper, d.v.s. om den är mättad, enkelomättad eller fleromättad.
Det finns olika tillvägagångssätt för att bestämma fetthalten och fettsammansättningen i t.ex. lever. Ett vanligt sätt är att ta ett vävnadsprov (biopsi) som sedan analyseras. Denna metod kräver att man gör ett fysiskt ingrepp och ger endast information om hur fettsammansättningen ser ut i en begränsad volym (d.v.s. volymen på vävnadsprovet) och behöver inte nödvändigtvis reflektera hela organets fettsammansättning.

För att undvika fysiska ingrepp kan magnetisk resonansspektroskopi (MRS) eller magnetisk resonanstomografi (MR) användas då ingen av dessa metoder kräver några fysiska ingrepp. Istället tas snittbilder med hjälp av en MR-kamera och genom MRS kan fetthalten och fettsammansättningen bestämmas på en eller några utvalda volymer i levern. Problemet med att endast få information om fettfördelningen i små begränsade volymer kvarstår dock då det tar mycket lång tid att utföra MRS på hela levern. Genom att istället använda bildgivande MR kan detta problem undgås genom att man istället använder snittbilderna för att estimera fetthalten och fettsammansättningen. Med en MR-metod kan alltså fetthalts- och fettsammansättningsuppskattningar utföras utan att behöva göra ett fysiskt ingrepp samtidigt som man får information om hela levern.

Det är huvudsakligen MR-metoden som studerats i detta arbete. Framförallt har fettuppskattningarnas beroende av magnetfältstyrkan undersökts, d.v.s., om en ökning av magnetfältstyrka ger bättre en fettuppskattning. Detta har gjorts genom att först mäta fetthalten och fettsammansättningen hos olika oljor samt i en frivillig persons fettvävnad vid tre fältstyrkor (1.5, 3 och 7T), och sedan jämföra resultaten med standardvärden samt MRS-mätningar som utförts i samband med MR-mätningarna. Resultaten indikerar att det finns en positiv trend, d.v.s., genom att öka fältstyrkan kan en något bättre uppskattning av fettsammansättning fås.

• author: Trinh, Lena
• supervisor: Sven Månsson; Pernilla Peterson
• organization: Medical Physics Programme
• year: 2013
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 4057614
• date added to LUP: 2013-09-21 17:54:20
• date last changed: 2013-09-21 17:54:20