Segmental quantification of hepatic lipid content based on volumetric MRI data in patients with suspected iron overload

Abstract

Purpose To investigate the segmental distribution of hepatic fat fraction, determined with MRI (MR proton density fat fraction, short MR-PDFF) in patients suspected of having liver iron overload.

Methods The liver of 44 patients examined with MRI using a 3D multi-echo gradient-echo sequence was segmented semiautomatically and subdivided into nine segments (segment 4 divided in 4a and 4b). Segmental fat content was determined on MR-PDFF maps. Whole-liver steatosis grades were compared to those found in individual segments. Segmental MR-PDFF differences were tested for statistical significance.

Results The most common diseases were thalassemia, various forms of anemia, and hereditary hemochromatosis. No patients suffered from fat metabolism disease. Iron overload was present in 37/44 (84 %) patients. For the whole liver, 22 patients showed a steatosis grade of 0, 21 patients were graded S1, and one patient had a steatosis grade of 2. The grade of steatosis was underestimated in 5 of 21 patients (24 %) in segment 8 and in 8 of 21 patients (38 %) in segment 7. Highly significant segmental MR-PDFF differences were detected with p < 0.00 001, e. g., comparing segment 2 to 5. Segments 1 to 3 had the highest fat content, segments 7 and 8 had the lowest.

Conclusion Our results suggest that the storage of fat in the liver is inhomogeneous, so that segment-wise differing fat concentrations were found. Fat distribution in patients with suspected hepatic iron overload was similar to living liver donors. However, it showed significant differences compared with the values published for NAFLD patients, which were less pronounced in the group with high average hepatic MR-PDFF values than in the group with normal lipid content. In patients suspected of having iron overload, segment 8, which is mainly targeted for biopsy, and segment 7 may underestimate steatosis grade.

Key Points: 

• A volumetric analysis of 3D MRI data of patients with suspected hepatic iron overload yielded a markedly elevated MR proton density fat fraction (MR-PDFF) in hepatic segments 1 to 3.

• This hepatic fat distribution, observed for the whole patient cohort, is similar to healthy living liver donors.

• The subgroup of patients with a high average MR-PDFF ≥ 6.5 % shows this effect with lower segmental deviations.

• In patients without fat metabolic disorders, the steatosis grade may be underestimated when taking biopsies in segment 8 or 7.

Zusammenfassung

Ziel Untersuchung der segmentalen Verteilung des mittels MRT ermittelten hepatischen Fettanteils (MR proton density fat fraction, kurz MR-PDFF) bei Patienten mit Verdacht auf Eisenüberladung der Leber.

Methoden Die Leber von 44 Patienten, die mittels MR mit einer 3D-Multiecho-Gradientenecho-Sequenz untersucht wurden, wurde semiautomatisch segmentiert und in neun Segmente unterteilt (Segment 4 aufgeteilt in 4a und 4b). Der segmentale Fettgehalt wurde anhand von MR-PDFF-Karten bestimmt. Die Steatosegrade der Gesamtleber wurden mit denen der einzelnen Segmente verglichen. Die segmentalen MR-PDFF-Unterschiede wurden auf statistische Signifikanz geprüft.

Ergebnisse Die häufigsten Krankheiten waren Thalassämien, verschiedene Formen von Anämien und hereditäre Hämochromatose. Keiner der Patienten hatte eine Fettstoffwechselstörung. Eine Eisenüberladung lag bei 37/44 (84 %) Patienten vor. Auf die gesamte Leber bezogen hatten 22 Patienten keine Steatose, 21 eine Steatose Grad 1 und ein Patient eine Steatose Grad 2. Der Steatosegrad wurde bei 5 von 21 Patienten (24 %) im Segment 8 und bei 8 von 21 Patienten (38 %) im Segment 7 unterschätzt. Es wurden hochsignifikante segmentale MR-PDFF-Unterschiede festgestellt (p < 0,00001), z. B. beim Vergleich der Segmente 2 und 5. Die Segmente 1 bis 3 hatten den höchsten Fettgehalt, die Segmente 7 und 8 den niedrigsten.

Schlussfolgerungen Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Speicherung von Fett in der Leber inhomogen ist, sodass segmental unterschiedliche Fettkonzentrationen gefunden wurden. Die Fettverteilung bei Patienten mit Verdacht auf hepatische Eisenüberladung war ähnlich wie bei Lebend-Leber-Spendern. Sie wies jedoch im Vergleich zu den bereits für NAFLD-Patienten publizierten Werten deutliche Unterschiede auf, die in der Gruppe mit hohen durchschnittlichen hepatischen MR-PDFF-Werten geringer ausgeprägt waren als in der Gruppe mit normalem Fettgehalt. Bei Patienten mit Verdacht auf Eisenüberladung kann in Segment 8, das hauptsächlich Ziel einer erforderlichen Biopsie ist, sowie in Segment 7 der Steatosegrad unterschätzt werden.

Kernaussagen: 

• Eine volumetrische Analyse von 3D-MRT-Daten von Patienten mit Verdacht auf hepatische Eisenüberladung ergab einen deutlich erhöhten MR-Protonendichte-Fettanteil (MR-PDFF) in den Lebersegmenten 1 bis 3.

• Diese für die gesamte Patientenkohorte beobachtete hepatische Fettverteilung ähnelt der von gesunden lebenden Leberspendern.

• Die Untergruppe der Patienten mit hoher durchschnittlicher MR-PDFF ≥ 6,5 % zeigte diesen Effekt mit geringeren segmentalen Abweichungen.

• Bei Patienten ohne Fettstoffwechselstörungen kann der Steatosegrad unterschätzt werden, wenn Biopsien in den Segmenten 8 oder 7 entnommen werden.

Zitierweise

• Wunderlich AP, Cario H, Kannengießer S et al. Segmental quantification of hepatic lipid content based on volumetric MRI data in patients with suspected iron overload. Fortschr Röntgenstr 2024; 196: 463 – 470

Key words

MR-imaging - hepatic MR-PDFF - NAFLD - liver iron overload - thalassemia

Publication History

Received: 17 July 2023

Accepted: 27 October 2023

Article published online:
11 December 2023

• References

• 1 Zhong X, Nickel MD, Kannengiesser SA. et al. Liver fat quantification using a multi-step adaptive fitting approach with multi-echo GRE imaging. Magn Reson Med 2014; 72: 1353-1365
• 2 Kang BK, Kim M, Song SY. et al. Feasibility of modified Dixon MRI techniques for hepatic fat quantification in hepatic disorders: validation with MRS and histology. Br J Radiol 2018; 91: 20170378
• 3 Hui SCN, So HK, Chan DFY. et al. Validation of water-fat MRI and proton MRS in assessment of hepatic fat and the heterogeneous distribution of hepatic fat and iron in subjects with non-alcoholic fatty liver disease. Eur J Radiol 2018; 107: 7-13
• 4 Choi Y, Lee JM, Yi NJ. et al. Heterogeneous living donor hepatic fat distribution on MRI chemical shift imaging. Ann Surg Treat Res 2015; 89: 37-42
• 5 Bonekamp S, Tang A, Mashhood A. et al. Spatial distribution of MRI-Determined hepatic proton density fat fraction in adults with nonalcoholic fatty liver disease. J Magn Reson Imaging 2014; 39: 1525-1532
• 6 Breuer FA, Blaimer M, Mueller MF. et al. Controlled aliasing in volumetric parallel imaging (2D CAIPIRINHA). Magn Reson Med 2006; 55: 549-556
• 7 Wunderlich AP, Schmidt SA, Mauro V. et al. Liver Iron Content Determination Using a Volumetric Breath-Hold Gradient-Echo Sequence With In-Line R(2) * Calculation. J Magn Reson Imaging 2020; 52: 1550-1556
• 8 Wunderlich AP, Cario H, Kannengießer S. et al. Volumetric Evaluation of 3D Multi-Gradient-Echo MRI Data to Assess Whole Liver Iron Distribution by Segmental R2* Analysis: First Experience. Fortschr Röntgenstr 2023; 195: 224-233
• 9 Szczepaniak LS, Nurenberg P, Leonard D. et al. Magnetic resonance spectroscopy to measure hepatic triglyceride content: prevalence of hepatic steatosis in the general population. Am J Physiol Endocrinol Metab 2005; 288: E462-E468
• 10 Wunderlich AP, Kannengießer S, Grunau V. et al 3D multi-echo GRE MRI of the whole liver: First experiences of a volumetric segmental R2* analysis. ISMRM Annual Meeting; 2022; London
• 11 Dioguardi BurgioM, Imbault M, Ronot M. et al. Ultrasonic Adaptive Sound Speed Estimation for the Diagnosis and Quantification of Hepatic Steatosis: A Pilot Study. Ultraschall in Med 2019; 40: 722-733
• 12 Hua B, Hakkarainen A, Zhou Y. et al. Fat accumulates preferentially in the right rather than the left liver lobe in non-diabetic subjects. Dig Liver Dis 2018; 50: 168-174
• 13 Lee H, Jun DW, Kang BK. et al. Estimating of hepatic fat amount using MRI proton density fat fraction in a real practice setting. Medicine 2017; 96: e7778
• 14 Muñoz M, Villar I, García-Erce JA. An update on iron physiology. World J Gastroenterol 2009; 15: 4617-4626
• 15 Henninger B, Plaikner M, Zoller H. et al. Performance of different Dixon-based methods for MR liver iron assessment in comparison to a biopsy-validated R2* relaxometry method. Eur Radiol 2021; 31: 2252-2262