Muscle and fat quantification in MRI gradient echo images using a partial volume detection method. Application to the characterization of pig belly tissue
Quantification du gras et du muscle dans des images en écho de gradient en utilisant une méthode de détection des volumes partiels. Application à la caractérisation des poitrines de porc
Résumé
Complete dissection is the current reference method to quantify muscle and fat tissue on pig carcasses. Magnetic resonance imaging (MRI) is an appropriate nondestructive alternative method that can provide reliable and quantitative information on pig carcass composition without losing the spatial information. We have developed a method to quantify the amount of fat tissue and muscle in gradient echo MR images. This method is based on the method proposed by Shattuck et al. [12]. It provides segmentation of pure tissue and partial volume voxels, which allows separation of muscle and fat tissue including the fine insertions of intermuscular fat. Partial volume voxel signal is expected to be proportional to the signals of pure tissue constituting them or at least to vary monotonously with the proportion of each tissue. However, it is not always the case with gradient echo sequence due to the chemical shift effect. We studied this effect on a fat tissue/muscle interface model with variable proportion of water in the fat tissue and variable TE. We found that at TE=8 ms, for a 0.2-T MRI system, the requirement of Shattuck's method were filled thanks to the presence of water in fat tissue. Moreover, we extended the segmentation method with a simple correction scheme to compute more accurately the proportions of each tissue in partial volume voxels. We used this method to evaluate the fat tissue and muscle on 24 pig bellies using a gradient echo sequence (TR 700 ms, TE 8 ms, slice thickness 8 mm, number of averages 8, flip angle 90°, FOV 512 mm, matrix 512*512, Rect. FOV 4/8, 19 slices, space between slices 2 mm). The image analysis results were compared with dissection results giving a prediction error of the muscle content (mean=2.7 kg) of 88.9 g and of the fat content (mean=2.7 kg) of 115.8 g without correction of the chemical shift effect in the computation of partial volume fat content. The correction scheme improved these results to, respectively, 81.5 and 107.1 g.
La dissection complète est la méthode de référence courante pour mesurer le muscle et le tissu gras sur des carcasses de porc. L'IRM est une méthode alternative non destructive appropriée qui peut fournir des informations fiables et quantitatives sur la composition des carcasses de porc sans perdre l'information spatiale. Nous avons développé une méthode pour mesurer la quantité de tissu gras et de muscle dans des images d'écho de gradient. Cette méthode est basée sur la méthode proposée par Shattuck [ 12 ]. Elle fournit la segmentation du tissu pur et des voxels de volume partiels , qui permet la séparation du muscle et du gras comprenant les insertions fines de la graisse intermusculaire. Pour cette méthode, le signal d'un voxel de volume partiel est supposé être proportionnel aux signaux du tissu pur les constituant ou au moins varier de façon monotone avec la proportion de chaque tissu. Cependant, ce n'est pas toujours le cas avec l'écho de gradient dû à l'effet chimique de décalage. Nous avons étudié cet effet sur un modèle d'interface de tissu avec une proportion variable de l'eau dans le tissu gras et un TE variable. A TE=8 ms, pour un système IMR à 0.2-T, la condition de la méthode de Shattuck est remplie grâce à la présence de l'eau dans le gras. Nous avons de plus adapté la méthode de segmentation avec une correction pour calculer plus exactement les proportions de chaque tissu dans les voxels en volume partiel. Nous avons utilisé cette méthode pour évaluer le gras et le muscle sur 24 poitrines de porc en utilisant une séquence d'écho de gradient (TR 700, TE 8, épaisseur de coupe 8 millimètres, nombre de moyennes 8, angle 90°, FOV de 512 millimètres, matrice 512*512, Rect. FOV 4/8, 19 coupes, espace entre les coupes 2 millimètres). Les résultats d'analyse d'image ont été comparés aux résultats de dissection donnant une erreur de prévision de la teneur en muscle (moyenne=2.7 kilogramme) de 88,9 g et de la teneur en graisse (moyenne=2.7 kilogramme) de 115,8 g sans correction de l'effet chimique de décalage. La correction a amélioré ces résultats à, respectivement, 81,5 et 107,1 g.