Application of Fat/Water SeparatedImaging in the Heart
Water
Fat
U.S. Department of
Health and Human
Sevices
National Institutesof Health
National Heart, Lung,and Blood Institute
Peter Kellman, Ph.D.
Disclosures
I have no financial relationships to disclose.
                 - and -
I will discuss the following off label use in my presentation:
          Use of contrast agent for late enhancement imaging
Peter Kellman, Ph.D., NHLBI/NIH
Motivation:Tissue characterization
Intramyocardial fat
Fibro-fatty infiltration
Epicardial, Pericardial, & Visceral Fat
Tumors/masses (lipomas)
Motivation:Artifact mitigation
Bright fat signal elimination
Chemical shift
Out-of-phase cancellation (partial volume)
Short T1 apparent “late enhancement”
Fat in and around the heart:
WATER
intraatrialseptum
epicardial
fat
mediastinal
fat
parietal
pericardium
FAT
interventricularseptum
coronary
lumen
AV groove
coronary lumen
(bright blood)
(dark blood)
Sequence variations:
Cine
Bright blood
Dark blood prep
PSIR-GRE
late enhancement
Single-shot
Sequence:multi-echo GRE (single phase)
Typical parameters:
acquisition: ECG triggered (1 R-R), segmented
matrix size:256x144
readout flip angle:12 degrees
number of echoes:4  (monopolar readout)
bandwidth:977 Hz/pixel
TE (TR):1.6, 4.2, 6.7, 9.2 ms  (11.2 ms)
views-per-segment:19  (8 heartbeats + 1 discarded)
1  2  3           M
      
N-echoes per PE line
Optional IR or DB prep
Tissue Characterization:
Fibro-fatty infiltration1:Potential arrhythmogenic substrate
1Burke AP, et al. Arrhythmogenic RV Cardiomyopathy and Fatty Replacement of the RightVentricular Myocardium: Are They Different Diseases? Circulation. 1998 Apr 28;97:1571-80.
2Bluemke DA, et al. MR Imaging of Arrhythmogenic Right Ventricular Cardiomyopathy:Morphologic Findings and Interobserver Reliability. Cardiology. 2003;99:153-62.
Water
Fat
suppressed
Water
Fat
Current limitation:
Subjective interpretation2
Patient with myocardial lipodystrophy
water
fat
combined
water + fat
Fat-water separation
Positive contrast
Improved sensitivity
Independent of shim
Objective interpretation
Extensive fatty infiltration in themyocardium
WATER
FAT
Pre-contrast
Late enhancement
WATER
FAT
37-year-old male who presented with exertional ventricular tachycardia and a familyhistory of unexplained sudden death in his mother in her 30’s
The overall clinical presentation and findings are consistent with the diagnosis ofarrhythmogenic right ventricular dysplasia
Water
Fat
SSFP cine still frame
thin finger-like projections of fatinto the right ventricular free wall
Fat in moderator band
Fat in septum
Chronic MI Patient:Fibro-fatty infiltration
Fatty
   infiltration
MI
TSE FAT sat
TSE
Water
Fat
conventional
chemical shift
fat-saturation
multi-echo
water-fat
separation
Patient with chonic MI
water
fat
water + fat
SSFP cine
conventional late enhancement
cancellation of fat & water in
partial volume
Intramyocardial Fat:may lead to false late enhancement
WATER
FAT
conventional PSIR
late enhancement
multi-echo PSIR
fat/water separated
late enhancement
apparent lateenhancement
inversion time(TI)
magnetization
normal
MI
fat
Patient with nonischemiccardiomyopathy
WATER
FAT
WATER
FAT
Pre-contrast
Late enhancement
Patient with nonischemiccardiomyopathy
Patient with nonischemic cardiomyopathy
sub-epicardial late enhancement
Conventional PSIR
PSIR Water
PSIR Fat
Water + Fat
Patient with fat infiltrating trabeculae
Duchenne Muscular Dystrophy:Dilated Cardiomyopathy with fibro-fatty infiltration
WATER
FAT
Pre-contrast
Late
Enhancement
CINE
*Dog Model (UNC GRMD colony)
Improved visualization andmeasurement of parietal pericardium
Water
Fat
Fat (red) fused with water
Water (red) fused with fat
Improved visualization andmeasurement of parietal pericardium
Water
Fat
Water (red) fused with fat
Patient with constrictive pericarditis
conventional
PSIR LGE
Water
  + Fat
Water
Fat
free-breathing cine
Fat
Patient with constrictive pericarditis
Conventional
PSIR LGE
PSIR Water
PSIR Fat
Water + Fat
Water + Fat
A 48-year-old female underwentpreoperative stress nuclear imaginga fixed anteroseptal defect was revealed which wasreported as consistent with myocardial infarction
CMR demonstrated an intramyocardial lipomawithin the anteroseptumcorresponding to the fixed defect seen by nuclear techniques
Conventional
chemical shift
fat-saturation
method
TSE FAT sat
TSE
Water
Fat
Multi-echo Dixon
water-fat separation
Intramyocardial lipomaFat water separated cine
SSFP cine(still frame)
Water
Fat
Patient with interpericardial lipoma
Water
Fat
Echo
Patient with suspected intracardiac mass by echo
found to have prominent epicardial fat with lobulation adjacent to rightatrioventricular groove.
Patient referred by Echo to characterize mass
significant mass of fat attached to RV free wall
Patient with aortic dissection and prior omentoplasty
Significant fat within the left hemithorax
Single shot acquisition
accelerated
single shotacquisition
respiratorymotioncorrection
averaging
Rapid, multi-slice acquisition
Arrhythmia insensitive
Free-breathing acquisition
conventional
segmented with
poor breath-hold
single-shot
free breathing
Sequence:single shot, multi-echo GRE
Typical parameters:
acquisition: ECG triggered (1 R-R)
matrix size:192x108   (36 PE lines acquired)
readout flip angle:20 degrees
number of echoes:2  (monopolar readout)
bandwidth:965 Hz/pixel
TE (TR):2.38, 4.76 ms  (5.9 ms)
# repetitions:8
1  2  3           M
      
N-echoes per PE line
Single shot, Rate = 3 parallel imaging
           (multiple repetitions)         
Late enhancement sequence:single shot, multi-echo PSIR GRE
Typical parameters:
acquisition: ECG triggered (2 R-R), single shot
matrix size:192x108  (36 PE lines acquired)
readout flip angle:25 degrees
number of echoes:2  (monopolar readout)
bandwidth:965 Hz/pixel
TE (TR):2.38, 4.76 ms  (5.9 ms)
# repetitions:8  (16 heartbeats)
1  2  3           M
      
N-echoes per PE line
IR data
(25° flip angle)
reference data
(5° flip angle)
Motion correction
apply
motioncorrection
averaging
fat-water
separated
image recon
non-rigid
image
registration
apply
motioncorrection
+
averaging
water
fat
motion field
Chronic MI with Fibro-fatty infiltration:Pre-contrast Fat/Water separation
WATER
FAT
Raw images
(8 repetitions)
Motion corrected
Motion corrected average
Chronic MI with Fibro-fatty infiltration:PSIR Late Enhancement with Fat/Water separation
WATER
FAT
Raw images
(8 repetitions)
Motion corrected
Motion corrected average
RV appearance had severeinvagination of right AV groove“pinching” the tricuspid annulus
“caved-in” chest wall deformity
resulting in a leftward shift of herheart and vascular structuresfrom midline
Axial localizer
SSFP cines
Patient with pectus excavatum
Required 3D volumetric acquisition in order to orient eachventricle in isolation and measure true annular diameters
Required water fat suppression to assess possibility of fattyreplacement of RV myocardium
Volumetric 3D GRE Fat-Water acquisition:
Assessment of RV
Navigated 3D (6.5 min acquisition)
1.5 mm^3  true (non-interpolated) isotropic resolution (160x160x144)
Axial slab,  2D acceleration, rate 4x2 = 8
GRE 3 echoes
Benefits of water-fat separation
fat has positive contrast
more objective
positive correlation of fatty infiltration &fibrosis using fat-water late enhancement
robust in the presence of backgroundfield variation
uniform fat suppression (water image)
water and fat images acquired in a singlebreath-hold
decreased fat related artifacts