Slug-Mapper: Magnetic Scanner for Ultra Low-Field MRI Scanners

मेडिकल इमेजिंग लंबे समय से विशाल, स्थिर मशीनों पर निर्भर रही है जिनके लिए मरीजों को विशेष कमरों में ले जाने की आवश्यकता होती है। ये उपकरण, जिन्हें मैग्नेटिक रेजोनेंस इमेजिंग स्कैनर कहा जाता है, मानव शरीर के भीतर के कोमल ऊतकों (सॉफ्ट टिश्यू) की विस्तृत तस्वीरें बनाने के लिए शक्तिशाली चुंबकों का उपयोग करते हैं। इसका मूल सिद्धांत शरीर के भीतर पानी के अणुओं के सूक्ष्म चुंबकीय स्पिन को संरेखित करने और फिर उनके अपनी विश्राम अवस्था में लौटने पर निकलने वाले मंद संकेतों को सुनने पर आधारित है। हालांकि यह तकनीक अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली है, लेकिन पारंपरिक मशीनें महंगी, स्थानांतरित करने में कठिन होती हैं, और अक्सर जीवन-रक्षक उपकरणों के साथ असंगत होती हैं, जिससे वे कई गंभीर रूप से बीमार रोगियों या दूरदराज के क्षेत्रों के लोगों के लिए अप्राप्य हो जाती हैं। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक अल्ट्रा-लो फील्ड स्कैनर विकसित कर रहे हैं जो बहुत कमजोर चुंबकों के साथ काम करते हैं। ये नई प्रणालियाँ इतनी छोटी हैं कि इन्हें मरीज के बिस्तर तक पहियों के सहारे ले जाया जा सकता है, लेकिन इसके बदले में कमजोर चुंबकीय क्षेत्र बहुत अधिक शोर वाले और कम स्पष्ट चित्र उत्पन्न करते हैं, जिसके लिए सही ढंग से काम करने के लिए चुंबकीय वातावरण की बहुत सटीक समझ की आवश्यकता होती है।

हाल ही में एक शोध पत्र में, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता क्रूज़ के एक स्नातक शोधकर्ता, जोनाथन मॉरिस ने इन पोर्टेबल प्रणालियों के लिए अंशांकन (कैलिब्रेशन) की महत्वपूर्ण आवश्यकता को संबोधित किया है। उन्होंने 'स्लग-मैपर' (Slug-Mapper) नामक एक उपकरण पेश किया है, जो एक कम लागत वाला, ओपन-सोर्स टूल है जिसे अल्ट्रा-लो फील्ड स्कैनर के भीतर चुंबकीय क्षेत्र को अत्यधिक सटीकता के साथ मैप करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह उपकरण स्कैनर के खाली स्थान, या बोर (bore) के माध्यम से एक सेंसर को घुमाकर काम करता है, जो तीन-आयामी ग्रिड में प्रत्येक बिंदु पर चुंबकीय शक्ति को मापता है। यह प्रक्रिया एक विस्तृत मानचित्र बनाती है जो प्रकट करती है कि चुंबकीय क्षेत्र कहाँ असमान है, जिससे इंजीनियर इन खामियों को ठीक कर सकते हैं। एक पुन: उपयोग किए गए 3D प्रिंटर, एक छोटे कंप्यूटर और बाजार में उपलब्ध इलेक्ट्रॉनिक पुर्जों का उपयोग करके, मॉरिस ने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जो चुंबकीय वातावरण को 'वोक्सेल' (voxel) दर वोक्सेल (एक शब्द जिसका उपयोग अंतिम छवि बनाने वाले छोटे 3D पिक्सल का वर्णन करने के लिए किया जाता है) के रूप में चित्रित कर सकता है। यह उपकरण एक प्रोटोटाइप बनाने और चिकित्सा उपयोग के लिए आवश्यक उच्च-गुणवत्ता वाले अंशांकन प्राप्त करने के बीच के अंतर को पाटता है, जिससे पोर्टेबल MRI तकनीक का विकास अधिक सुलभ और किफायती हो जाता है।

इन पोर्टेबल स्कैनरों के साथ चुनौती चुंबकीय क्षेत्र की प्रकृति में निहित है। एक स्पष्ट छवि के लिए, स्कैनर के भीतर चुंबकीय क्षेत्र का पूरी तरह से एकसमान होना आवश्यक है। यदि क्षेत्र असमान है, तो शरीर के विभिन्न हिस्सों से मिलने वाले संकेत विकृत हो जाते हैं, जिससे धुंधली या अनुपयोगी छवियां बनती हैं। पारंपरिक, उच्च-शक्ति वाली मशीनों में, इस एकरूपता को विशाल सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है जिन्हें ठंडा रखने के लिए महंगे लिक्विड हीलियम की आवश्यकता होती है। अल्ट्रा-लो फील्ड स्कैनर एक विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित स्थायी चुंबकों का उपयोग करके इस जटिलता से बचते हैं, जिसे अक्सर 'हैलबैक ऐरे' (Halbach array) कहा जाता है, जो चुंबकीय क्षेत्र को स्कैनर के केंद्र में केंद्रित करता है और बाहर की ओर इसे रद्द कर देता है। हालांकि, इन चतुर व्यवस्थाओं के साथ भी, क्षेत्र शायद ही कभी पूर्ण होता है। इन खामियों को ठीक करने के लिए, इंजीनियर 'शिमिंग' (shimming) नामक एक प्रक्रिया का उपयोग करते हैं, जिसमें छोटे चुंबक जोड़ना या विद्युत चुम्बकीय कॉइल को समायोजित करना शामिल है ताकि क्षेत्र को सुचारू बनाया जा सके। हालांकि, इससे पहले कि वे क्षेत्र को ठीक कर सकें, उन्हें यह जानना होगा कि समस्याएँ वास्तव में कहाँ हैं, और यहीं पर स्लग-मैपर काम आता है।

मॉरिस ने स्लग-मैपर के निर्माण के लिए आधार के रूप में एक प्रुसा i3 (Prusa i3) 3D प्रिंटर की मैकेनिक्स का उपयोग किया है। प्रिंटर की मौजूदा मैकेनिक्स दो दिशाओं में सेंसर को सुचारू रूप से चलाने के लिए पर्याप्त सटीक थी, लेकिन स्कैनर के पूरे आयतन को मैप करने के लिए, तीसरे आयाम की आवश्यकता थी। मॉरिस ने सेंसर को ऊपर और नीचे ले जाने के लिए एक स्टेपर मोटर द्वारा संचालित 'रैक एंड पिनियन' तंत्र जोड़ा। इस पूरे सिस्टम को एक रास्पबेरी पाई ज़ीरो (Raspberry Pi Zero), जो एक छोटा और किफायती कंप्यूटर है, द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जो मोटर की गतिविधियों को प्रबंधित करने और 3-एक्सिस मैग्नेटोमीटर से डेटा पढ़ने के लिए एक अरुइनो (Arduino) माइक्रोकंट्रोलर के साथ संचार करता है। यह सेंसर, जो चुंबकीय क्षेत्रों की शक्ति और दिशा का पता लगाता है, प्रिंटर के चलते हुए भाग पर लगा होता है। जैसे ही उपकरण स्कैनर के बोर के माध्यम से चलता है, यह हर दिशा में ठीक एक मिलीमीटर के अंतराल पर माप लेता है, जिससे चुंबकीय परिदृश्य की एक पूर्ण तीन-आयामी तस्वीर तैयार होती है।

उपकरण का संचालन सीधा है लेकिन इसके लिए सावधानीपूर्वक सेटअप की आवश्यकता होती है। उपयोगकर्ता स्कैनर के बोर के भीतर एक विशिष्ट शुरुआती बिंदु पर 3D प्रिंटर हेड को रखकर और मशीन को समतल सुनिश्चित करके शुरुआत करता है। एक बार जब स्कैन किए जाने वाले क्षेत्र के आयाम सॉफ्टवेयर में सेट कर दिए जाते हैं, तो डिवाइस एक स्क्रिप्ट चलाता है जो डेटा संग्रह से मैग्नेटोमीटर के मूवमेंट और प्रिंटर के समन्वय को नियंत्रित करती है। सिस्टम बिंदु दर बिंदु चलता है, प्रत्येक स्थान पर चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति को रिकॉर्ड करता है। इस डेटा को फिर एक 3D मेश (mesh) में संकलित किया जाता है जो चुंबकीय क्षेत्र के विविधताओं को दर्शाता है। इस मानचित्र के साथ, इंजीनियर पहचान सकते हैं कि क्षेत्र कहाँ बहुत मजबूत या बहुत कमजोर है और 'पैसिव शिमिंग' (passive shimming) का उपयोग करके सुधार लागू कर सकते हैं, जिसमें स्थिर चुंबक रखना शामिल है, या 'एक्टिव शिमिंग' (active shimming) का उपयोग कर सकते हैं, जो वास्तविक समय में क्षेत्र को फाइन-ट्यून करने के लिए समायोज्य विद्युत चुम्बकीय कॉइल का उपयोग करता है।

इस कार्य का महत्व केवल उपकरण तक ही सीमित नहीं है। आसानी से उपलब्ध और सस्ते घटकों का उपयोग करके चुंबकीय क्षेत्र को मैप करने की विधि प्रदान करके, मॉरिस ने पोर्टेबल MRI तकनीक विकसित करने के लिए बाधाओं को कम कर दिया है। शोध पत्र बताता है कि कैसे कंप्यूटर पर ऑपरेटिंग सिस्टम फ्लैश करने से लेकर सेंसरों को वायर करने और मैकेनिकल भागों को माउंट करने तक, सिस्टम को कैसे असेंबल किया गया। यह एक स्कैन चलाने की मानक प्रक्रिया को भी रेखांकित करता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि परिणाम सटीक और पुनरुत्पादनीय (reproducible) हों। लेखक का कहना है कि हालांकि यह उपकरण अल्ट्रा-लो फील्ड सिस्टम के लिए बनाया गया था, लेकिन इसके सिद्धांत किसी भी मैग्नेटिक रेजोनेंस इमेजिंग सेटअप पर लागू होते हैं जिसे सटीक क्षेत्र लक्षण वर्णन की आवश्यकता होती है। आंतरिक चुंबकीय वातावरण को विज़ुअलाइज़ करने और मापने की क्षमता एक रफ प्रोटोटाइप से एक विश्वसनीय चिकित्सा उपकरण की ओर बढ़ने के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है।

अंततः, स्लग-मैपर एक जटिल इंजीनियरिंग समस्या के व्यावहारिक समाधान का प्रतिनिधित्व करता है। यह शोधकर्ताओं को उन अदृश्य चुंबकीय बलों को देखने की अनुमति देता है जो एक MRI छवि की गुणवत्ता को नियंत्रित करते हैं और उन्हें ठीक करने के लिए आवश्यक डेटा प्रदान करता है। जैसे-जैसे अल्ट्रा-लो फील्ड स्कैनर विकसित होते रहेंगे, इस तरह के उपकरण उच्च गुणवत्ता वाली मेडिकल इमेजिंग को अधिक किफायती और पोर्टेबल बनाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएंगे। शोध पत्र यह सुझाव देते हुए समाप्त होता है कि भविष्य के कार्यों में इमेज रिकंस्ट्रक्शन में सुधार के लिए मशीन लर्निंग मॉडल को एकीकृत करना और वास्तविक समय के विज़ुअलाइज़ेशन का समर्थन करने के लिए डिवाइस का विस्तार करना शामिल हो सकता है। फिलहाल, यह उपकरण इस बात का प्रमाण है कि कैसे ओपन-सोर्स हार्डवेयर और रचनात्मक इंजीनियरिंग उन्नत चिकित्सा तकनीक को उन लोगों तक पहुँचाने की चुनौतियों को हल करने में मदद कर सकती है जिन्हें इसकी सबसे अधिक आवश्यकता है।