Experimental Demonstration of Soft-Tissue Muon Scattering Tomography
यह शोध पत्र जैविक कोमल ऊतकों (बायोलॉजिकल सॉफ्ट टिश्यू) पर लागू मयून स्कैटरिंग टोमोग्राफी के पहले प्रयोगात्मक प्रदर्शन को प्रस्तुत करता है, जिसने CERN में 2 GeV/c मयून बीम का उपयोग करके एक मानवोचित वक्ष फेंटम (एन्थ्रोपोमॉर्फिक थोरैक्स फैंटम) के त्रि-आयामी घनत्व को प्रतिशत-स्तर की सटीकता के साथ सफलतापूर्वक पुनर्गठित किया है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
लगभग एक सदी से, भौतिक विज्ञानी म्यूऑन (muon) से मंत्रमुग्ध हैं, जो एक उपपरमाणु कण है जो अंतरिक्ष से पृथ्वी पर बरसता है। 1930 के दशक में कॉस्मिक किरणों के भीतर खोजा गया म्यूऑन, इलेक्ट्रॉन का एक भारी संबंधी है, जो लगभग दो सौ गुना अधिक द्रव्यमान वाला होता है। यह अतिरिक्त वजन इसे एक अनूठी क्षमता देता है: यह पदार्थ की उन मोटी परतों को भी भेद सकता है जो अन्य कणों को रोक देती हैं। जहाँ इलेक्ट्रॉन जल्दी ऊर्जा खो देते हैं और अवशोषित हो जाते हैं, वहीं म्यूऑन पहाड़ों, ज्वालामुखियों और यहाँ तक कि प्राचीन पिरामिडों के कोर में भी गहराई तक जा सकते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से छिपी हुई संरचनाओं की छवियां बनाने के लिए इसकी भेदन क्षमता का उपयोग करते रहे हैं, जिसे म्यूओग्राफी (muography) नामक तकनीक कहा जाता है। यह मापने के माध्यम से कि कितने म्यूऑन किसी वस्तु द्वारा रोके जाते हैं, शोधकर्ता इसके घनत्व का मानचित्रण कर सकते हैं, जिससे ज्वालामुखी के भीतर खाली स्थान या पिरामिड के भीतर छिपे कक्षों का पता चलता है।
हालाँकि, इन कणों का उपयोग करने का एक दूसरा तरीका भी है, जो इस बात पर निर्भर नहीं करता कि कितने रुकते हैं, बल्कि इस पर कि वे कैसे उछलते (bounce) हैं। जैसे ही एक म्यूऑन पदार्थ के माध्यम से गुजरता है, वह कभी-कभी परमाणु नाभिकों से टकराता है और अपनी दिशा थोड़ी बदल लेता है। यह घटना, जिसे मल्टीपल स्कैटरिंग (multiple scattering) कहा जाता है, घने पदार्थों में अधिक स्पष्ट होती है। दशकों से, वैज्ञानिक इस "उछाल" के प्रभाव का उपयोग छिपे हुए परमाणु पदार्थों की जांच करने के लिए करते आए हैं, जहाँ घने परमाणु महत्वपूर्ण विक्षेपण (deflection) पैदा करते हैं। लेकिन एक नया प्रश्न लंबे समय से बना हुआ था: क्या यही तकनीक कोमल, जैविक ऊतकों (biological tissue) पर काम कर सकती है? परमाणु ईंधन के भारी परमाणुओं या पहाड़ की चट्टान के विपरीत, मानव ऊतक हल्के तत्वों से बने होते हैं जो गुजरते हुए म्यूऑन को मुश्किल से ही विचलित करते हैं। परिणामस्वरूप होने वाले विक्षेपण बहुत सूक्ष्म होते हैं, जिससे यह स्पष्ट नहीं था कि क्या सिग्नल मानव शरीर की स्पष्ट तस्वीर बनाने के लिए कभी पर्याप्त मजबूत हो पाएगा।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक प्रत्यक्ष प्रयोग के साथ इस प्रश्न का उत्तर दिया है। स्विट्जरलैंड में सीर्न (CERN) प्रोटॉन सिनक्रोट्रॉन में काम करते हुए, उन्होंने उच्च-ऊर्जा वाले म्यूऑन की एक बीम का उपयोग करके मानव छाती के एक मॉडल की सफलतापूर्वक इमेजिंग की। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या वे व्यक्तिगत म्यूऑन के पथ में सूक्ष्म परिवर्तनों को ट्रैक करके कोमल ऊतकों का एक त्रि-आयामी (3D) मानचित्र पुनर्गठित कर सकते हैं। उन्होंने मानव वक्ष (thorax) का एक प्लास्टिक मॉडल इस्तेमाल किया, जिसे एक एंथ्रोपोमॉर्फिक फैंटम (anthropomorphic phantom) कहा जाता है, जिसमें ऐसे पदार्थ होते हैं जो मानव मांसपेशी, हड्डी और फेफड़ों के घनत्व की नकल करते हैं। इस मॉडल को 2 GeV/c के संवेग (momentum) पर यात्रा करने वाले म्यूऑन की एक बीम में रखा गया था। डेटा कैप्चर करने के लिए, टीम ने चार संवेदनशील ट्रैकिंग डिटेक्टर लगाए, दो मॉडल से पहले और दो बाद में, ताकि हर गुजरते म्यूऑन के सटीक पथ को रिकॉर्ड किया जा सके।
प्रयोग में मॉडल को सात अलग-अलग कोणों पर घुमाया गया, जिससे म्यूऑन बीम को विभिन्न दिशाओं से मॉडल के माध्यम से गुजरने का अवसर मिला। जैसे ही प्रत्येक म्यूऑन फैंटम के माध्यम से यात्रा करता, डिटेक्टरों ने मापा कि उसके पथ में कितना बदलाव आया। चूंकि ऊतक बहुत कोमल थे, इसलिए ये बदलाव अविश्वसनीय रूप से छोटे थे, जो सांख्यिकीय शोर (statistical noise) के समुद्र में दबे हुए थे। इसे समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले एक मानक गणितीय विधि का उपयोग करके स्कैटरिंग घनत्व का एक मोटा, शोर युक्त 3D मानचित्र बनाया। यह प्रारंभिक मानचित्र अपने आप में उपयोग के लिए बहुत दानेदार (grainy) था। इसे साफ करने के लिए, उन्होंने एक परिष्कृत कंप्यूटर प्रोग्राम लागू किया, जो आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस का एक प्रकार है जिसे न्यूरल नेटवर्क (neural network) कहा जाता है। इस नेटवर्क को विशेष रूप से उसी फैंटम के आभासी संस्करणों से गुजरने वाले लाखों सिम्युलेटेड म्यूऑन ट्रैक्स पर प्रशिक्षित किया गया था। एक सही छवि कैसी दिखनी चाहिए, यह सीखकर, कंप्यूटर वास्तविक प्रयोगात्मक डेटा से शोर को हटाकर अंतर्निहित संरचना को प्रकट कर सका।
परिणाम सफल रहे। पुनर्गठित छवि ने फैंटम के केंद्र में कोमल ऊतक का एक समान क्षेत्र दिखाया, जो ठीक वहीं है जहाँ हृदय और आसपास के अंग स्थित होते हैं। केंद्र में मापा गया घनत्व एक प्रतिशत से भी कम की त्रुटि के साथ कंप्यूटर सिमुलेशन के अपेक्षित मान से मेल खाता था। इस सहमति ने सिद्ध किया कि यह तकनीक कोमल ऊतकों के स्कैटरिंग गुणों को सटीक रूप से माप सकती है, अत्यधिक कमजोर संकेतों के बावजूद। शोधकर्ताओं ने मॉडल के किनारों को भी देखा, जहाँ पसलियाँ और रीढ़ स्थित हैं। हालांकि हड्डियों की इन संरचनाओं को हर कोण से बीम द्वारा पूरी तरह से सैंपल नहीं किया गया था, फिर भी वे छवि में लगभग अपने सही स्थानों पर और वास्तविक हड्डी के घनत्व के करीब दिखाई दीं। इसने प्रदर्शित किया कि यह विधि विभिन्न प्रकार के ऊतकों के बीच अंतर कर सकती है, भले ही डेटा अधूरा हो।
अध्ययन ने मानव शरीर पर इतने शक्तिशाली कण बीम के उपयोग से जुड़ी व्यावहारिक चिंताओं को भी संबोधित किया। शोधकर्ताओं ने गणना की कि एक समान स्कैन के दौरान व्यक्ति को कितनी रेडिएशन प्राप्त होगी। उन्होंने पाया कि म्यूऑन द्वारा जमा की गई ऊर्जा अविश्वसनीय रूप से कम है। उनके प्रयोग के पूर्णतः सैंपल किए गए भाग में, खुराक केवल लगभग 2 माइक्रोसीवर्ट (microsieverts) थी। इसे समझने के लिए, एक मानक चेस्ट एक्स-रे लगभग पचास गुना अधिक खुराक देता है, और एक सामान्य सीटी (CT) स्कैन सैकड़ों गुना अधिक होता है। यह सुझाव देता है कि यदि इस तकनीक को कभी चिकित्सा उपयोग के लिए अनुकूलित किया जाता है, तो यह वर्तमान तरीकों की तुलना में बहुत कम रेडिएशन बोझ के साथ विस्तृत आंतरिक चित्र प्रदान कर सकती है।
हालांकि यह प्रयोग एक मॉडल और एक विशिष्ट कण त्वरक (particle accelerator) का उपयोग करके एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' था, यह चिकित्सा इमेजिंग के लिए एक नया द्वार खोलता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि कोमल ऊतकों का कमजोर स्कैटरिंग इतना धीमा नहीं है कि उसे मापा न जा सके, बशर्ते आपके पास पर्याप्त म्यूऑन और डेटा की व्याख्या करने के लिए सही उपकरण हों। उनका कार्य पुष्टि करता है कि म्यूऑन स्कैटरिंग टोमोग्राफी को भारी सामग्रियों के पारंपरिक उपयोग से आगे बढ़ाकर जीव विज्ञान के क्षेत्र में विस्तारित किया जा सकता है। हालांकि वर्तमान सेटअप के लिए एक बड़े त्वरक और एक विशिष्ट बीम की आवश्यकता होती है, यहाँ प्रदर्शित सिद्धांत भविष्य के विकास के लिए आधार तैयार करते हैं। जैसे-जैसे म्यूऑन के नए, अधिक कॉम्पैक्ट स्रोत विकसित होंगे, यह तकनीक अंततः न्यूनतम रेडिएशन एक्सपोजर के साथ मानव शरीर के भीतर अभूतपूर्व स्पष्टता से देखने का एक तरीका प्रदान कर सकती है।
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