A Concept of LNA with Low Input Impedance Using Common Base BJT for Low-Field MRI

कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़भाड़ वाले स्टेडियम में फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। मेडिकल इमेजिंग की दुनिया में, वह फुसफुसाहट आपके शरीर के भीतर मौजूद परमाणुओं द्वारा भेजी गई एक बहुत ही सूक्ष्म रेडियो सिग्नल है, जब उन्हें एक विशाल चुंबक के भीतर रखा जाता है। यही मैग्नेटिक रेजोनेंस इमेजिंग (MRI) का जादू है। आमतौर पर, ये मशीनें विशाल, महंगी और भारी मात्रा में बिजली की खपत करने वाली होती हैं, जिससे ऐसा लगता है कि वे केवल उच्च-तकनीकी अस्पतालों के लिए बनी हैं। लेकिन वैज्ञानिक अब "पोर्टेबल" एमआरआई स्कैनर बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो छोटे, सस्ते और कम बिजली वाले स्थानों पर काम कर सकें—जैसे कि किसी दूरदराज के गाँव में स्थित एक छोटा क्लिनिक।

उस फुसफुसाहट को स्पष्ट रूप से सुनने के लिए, आपको एक विशेष प्रकार के माइक्रोफ़ोन की आवश्यकता होती है जिसे लो-नॉइज़ एम्पलीफायर (LNA) कहा जाता है। इस एम्पलीफायर को एक अत्यंत संवेदनशील कान के रूप में समझें जो बिना अपना शोर या सरसराहट जोड़े, उस सूक्ष्म सिग्नल को बढ़ाता है। एक आधुनिक एमआरआई में, आप केवल एक कान का उपयोग नहीं करते हैं; आप कई का एक समूह (array) उपयोग करते हैं, जैसे कि एक साथ काम करने वाले माइक्रोफ़ोन का एक समूह। पेचीदा हिस्सा यह है कि यदि ये माइक्रोफ़ोन एक-दूसरे के बहुत करीब हैं, तो वे अदृश्य चुंबकीय कनेक्शनों के माध्यम से एक-दूसरे से "बात" करने लगते हैं, जिससे एक फीडबैक लूप बन जाता है जो तस्वीर को खराब कर देता है। इसे रोकने के लिए, इंजीनियर "प्रीएम्पलीफायर डिकपलिंग" नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग करते हैं। यह प्रत्येक माइक्रोफ़ोन को ग्राउंड (earth) तक एक विशेष, अत्यंत कम-प्रतिरोध वाला रास्ता देने जैसा है ताकि वह अपने पड़ोसियों की आवाज़ न सुन सके। हालांकि यह तकनीक बड़े, शक्तिशाली एमआरआई मशीनों के लिए बहुत अच्छा काम करती है, लेकिन छोटे, कम-शक्ति वाले एमआरआई के लिए इसे करना बहुत कठिन रहा है क्योंकि मौजूदा उपकरण या तो बहुत महंगे हैं या उन कम आवृत्तियों (frequencies) पर काम नहीं करते जिनकी पोर्टेबल मशीनों को आवश्यकता होती है।

यहीं से एक नए, चतुर सर्किट की कहानी शुरू होती है। शोधकर्ताओं की एक टीम ने विशेष रूप से इन पोर्टेबल, लो-फील्ड एमआरआई मशीनों के लिए एक कम लागत वाला, उच्च-प्रदर्शन वाला एम्पलीफायर बनाने का लक्ष्य रखा। सामान्य, महंगे और कभी-कभी मुश्किल से मिलने वाले पुर्जों का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने कुछ अलग करने का निर्णय लिया: एक ऐसा सर्किट जो सामान्य, सस्ते ट्रांजिस्टर से बना हो जो आपको एक मानक इलेक्ट्रॉनिक्स स्टोर में मिल सकते हैं। उन्होंने इन ट्रांजिस्टरों को एक विशिष्ट तरीके से व्यवस्थित किया जिसे "कॉमन-बेस" (common-base) कॉन्फ़िगरेशन कहा जाता है। आप इस व्यवस्था को एक विशेष गेटकीपर (द्वारपाल) के रूप में देख सकते हैं। आमतौर पर, ट्रांजिस्टर को एक मानक एम्पलीफायर की तरह काम करने के लिए सेट किया जाता है, लेकिन इस "कॉमन-बेस" सेटअप में, ट्रांजिस्टर एक बहुत ही कम-प्रतिरोध वाले दरवाजे की तरह कार्य करता है। यह कम प्रतिरोध बिल्कुल वही है जिसकी आवश्यकता माइक्रोफ़ोन को एक-दूसरे से बात करने से रोकने के लिए है, प्रभावी रूप से उनके बीच के शोर को शांत करने के लिए।

शोधकर्ताओं ने केवल इसकी कल्पना ही नहीं की; उन्होंने इसे बनाया, परीक्षण किया और यहाँ तक कि इसे एक वास्तविक एमआरआई स्कैनर में भी काम पर लगाया। उन्होंने पहले कंप्यूटर पर डिज़ाइन का सिमुलेशन किया, फिर वास्तविक सर्किट को छोटी बोर्डों पर सोल्डर किया। उन्होंने इन नए एम्पलाइडर्स का दो अलग-अलग आवृत्तियों पर परीक्षण किया: एक बहुत कम (3 MHz), जो एक बहुत कमजोर चुंबकीय क्षेत्र के अनुरूप है, और एक उच्च आवृत्ति (21.2 MHz), जो अभी भी "लो-फील्ड" मानी जाती है लेकिन थोड़ी अधिक मजबूत है। परिणाम आश्चर्यजनक रूप से अच्छे थे। नए एम्पलीफायरों ने इनपुट रेजिस्टेंस (प्रतिरोध) को अविश्वसनीय रूप से कम रखने में सफलता प्राप्त की—लगभग 3 ओहम (Ohms), जो बिजली के जमीन (ground) की ओर निकलने के लिए एक सुपर-हाईवे की तरह है। साथ ही, उन्होंने बहुत कम शोर जोड़ा, जिसका "नॉइज़ फिगर" 1.3 डेसिबल से कम था, जिसका अर्थ है कि सिग्नल बहुत साफ रहा। उन्होंने सिग्नल की ताकत को 30 डेसिबल से अधिक बढ़ाया, जिससे फुसफुसाहट इतनी तेज हो गई कि उसे स्पष्ट रूप से सुना जा सके।

यह साबित करने के लिए कि यह वास्तव में काम करता है, टीम ने अपने नए एम्पलीफायर को एक 0.5 टेस्ला एमआरआई स्कैनर (एक मध्यम शक्ति का चुंबक) में लिया और एक वॉटर फैंटम (पानी का एक कंटेनर जो एक परीक्षण विषय के रूप में कार्य करता है) को स्कैन किया। उन्होंने अपने नए, सस्ते एम्पलीफायर की तुलना मशीन में लगे मानक, महंगे एम्पलीफायर से की। परिणाम क्या रहे? उनके घरेलू निर्मित एम्पलीफायर ने वास्तव में बेहतर प्रदर्शन किया, बिना किसी एम्पलीफायर के सिग्नल की गुणवत्ता की तुलना में 55 गुना अधिक वृद्धि की, और यहाँ तक कि मानक व्यावसायिक यूनिट से भी बेहतर प्रदर्शन किया। उन्होंने इसे एक कस्टम स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके 3 MHz की बहुत कम आवृत्ति पर भी परीक्षण किया, जिससे पुष्टि हुई कि यह डिज़ाइन कम-शक्ति वाले व्यापक रेंज में काम करता है।

पेपर इस निष्कर्ष के साथ समाप्त होता है कि यह दृष्टिकोण एमआरआई तकनीक को सुलभ बनाने के लिए एक गेम-चेंजर है। आसानी से उपलब्ध, सस्ते ट्रांजिस्टरों और एक स्मार्ट सर्किट डिज़ाइन का उपयोग करके, उन्होंने एक ऐसा समाधान तैयार किया है जो न केवल प्रभावी है बल्कि किफायती भी है। इसका अर्थ यह है कि भविष्य में, पोर्टेबल एमआरआई स्कैनर को अधिक आसानी से और सस्ते में बनाया जा सकता है, जिससे उच्च-गुणवत्ता वाली मेडिकल इमेजिंग उन स्थानों तक पहुँच सकती है जहाँ वर्तमान में यह पहुँच से बाहर है। टीम ने अपने ब्लूप्रिंट ऑनलाइन साझा किए, दूसरों को अपने काम पर आगे बढ़ने के लिए आमंत्रित किया, यह सिद्ध करते हुए कि कभी-कभी सबसे अच्छे समाधान बुनियादी चीजों को सरल, चतुर उपकरणों के साथ फिर से सोचने से आते हैं।