Quantification of Fatty Acid Composition in Short T2* Tissue Using MRI – Comparison of 3 T and 7 T

Abstract

Purpose: To optimize a method and develop an algorithm to quantify Fatty Acid Composition (FAC) in bone marrow adipose tissue. By using different reconstruction models, compare different MRI systems (3 T and 7 T) to find the optimal field strength and reconstruction model for FAC quantification. Also, to develop a reference phantom with bone marrow-like characteristics.

Method: Multi-echo GRE (Gradient Echo) data was acquired from a 3 T Siemens and a 7 T Philips system using phantoms made from different commercial butters. Proton density fat fraction (PDFF), Saturated fatty acids (SFA) and poly-unsaturated fatty acids (PUFA) were estimated using three different reconstruction models: constrained, free and original. Quantification agreement and method robustness was compared between systems and models using linear regression, Bland-Altman analysis, and relative errors.

Results: When comparing the MRI-measurements with the theoretical values from the commercial butters, overall, PDFF is the most robust variable with high quantification agreement. In general, SFA was underestimated across all models for both field strengths, while PUFA in general was slightly overestimated. For both SFA and PUFA, comparing 3 T and 7 T, the 3 T system shows more robustness to errors and changes in the method than the 7 T system. Model-wise, the constrained model showed both more robust results and higher agreement than the free and original models. The algorithm that has been developed works for reconstruction of FAC images for 3 T Philips and 7 T Siemens MRI systems. The constructed reference phantoms may be used to estimate FAC at low T2* and different FAC, however, cannot be used to estimate FAC at different T2*.

Conclusion: Commercial butters has proven to be a reasonable reference phantom to simulate tissue with short T2*. For future studies of FAC in bone marrow adipose tissue, 3 T with a constrained approach is preferred over 7 T.

Keywords: MRI, fatty acid composition, bone marrow adipose tissue, fat quantification, field strength comparison

Popular Abstract (Swedish)

Syftet med denna studie är att jämföra olika metoder att kvantifiera den kemiska fettsammansättningen i benmärg med hjälp av magnetkamerateknik, att jämföra dessa metoder för två olika magnetfältsstyrkor samt att ta fram referensfantom och beräkningsalgoritmer för att uppskatta fettinnehållet.

Magnetresonans, eller MR, är en vanlig diagnostisk teknik inom vården. Magnetkameran använder sig av ett starkt magnetfält för att få en signal från kroppens vatten och fett, och på så sätt skapa en bild. Detta gör att tekniken är ett bra val för att göra undersökningar av kroppens mjukdelar, som till exempel benmärg, utan att behöva göra ett kirurgiskt ingrepp. Hur stark signal som fås, och vilken bildupplösning man kan uppnå, beror bland annat på styrkan på magnetkamerans magnetfält. På ett typiskt sjukhus finns magnetkameror med styrkorna 1,5 T och 3 T, men i Lund finns även Sveriges enda magnetkamera med styrkan 7 T.

Artros är en folksjukdom som drabbar kroppens leder och orsakar smärta och stelhet till exempel genom att brosk bryts ner och försvinner. I dagsläget finns ingen behandling som kan bota eller bromsa artros, och sjukdomen upptäcks först när brosket i leden redan är borta. För patienten återstår då endast smärtlindring eller att byta ut leden. Att hitta en metod för tidig diagnos av artros är därför av stor vikt för att i framtiden kunna utveckla sätt att hindra, eller sakta ner, nedbrytningen av brosk innan det är för sent. Artros drabbar dock inte bara brosket utan också andra vävnader i hela leden. Vi behöver därför även förstå hur dessa andra vävnader, så som benmärg, påverkas av artros.

Benmärgen finns i skelettet och en stor mängd av denna benmärg består av fett. Beroende på sammansättningen kan detta fett beskrivas som mättat fett, enkelomättat fett, eller fleromättat fett. Mängden mättat fett ökar med ålder, samt ökar vid vissa sjukdomar. Fler studier krävs för att avgöra om mängden mättat fett även förändras vid artros. För dessa studier behövs verktyg som låter oss mäta benmärgens fettsammansättning.

Med hjälp av avancerade beräkningar kan vi ta fram en metod för att beräkna halterna mättat, enkelomättat och fleromättat fett i benmärgen från insamlade MR-bilder. För att optimera metoden inför kliniska studier används i detta arbete mätningar i provrör med kända innehåll. På detta sätt har vi ett facit på fettinnehållet, och kan på så sätt jämföra vilken teknik och magnetfältsstyrka som bäst kan uppskatta fettsammansättning i benmärg.

Resultaten påvisar att ett MR-system med en magnetfältsstyrka på 3 T ger stabilare resultat vid mätningar av mättat och fleromättat fett än MR system på 7 T, samt att metoden som tagits fram kan uppskatta mättat och omättat fett till en duglig grad.

• author: Månsson, Felix
• supervisor: Pernilla Peterson
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT01 20211
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 9099067
• date added to LUP: 2022-09-03 14:52:38
• date last changed: 2022-09-03 14:52:38