Reducing the Risk of Gradient Induced EEG Hardware Heating During Simultaneous EEG-fMRI

मानव मस्तिष्क की सूक्ष्म विद्युत फुसफुसाहटों को सुनने का प्रयास करते हुए, साथ ही साथ उसके आंतरिक कामकाज की एक विस्तृत तस्वीर लेने की कल्पना करें। यह इलेक्ट्रोएन्सेफलोग्राफी (EEG) को फंक्शनल मैग्नेटिक रेजोनेंस इमेजिंग (fMRI) के साथ जोड़ने का लक्ष्य है। EEG, स्कैल्प पर रखे गए सेंसरों की एक टोपी के माध्यम से मस्तिष्क की विद्युत गतिविधि को रिकॉर्ड करता है, जबकि fMRI रक्त के प्रवाह की छवियां बनाने के लिए शक्तिशाली चुंबकों का उपयोग करता है, जिससे यह पता चलता है कि मस्तिष्क के कौन से हिस्से सक्रिय हैं। इन दोनों को एक साथ करने के लिए, EEG उपकरण को MRI मशीन के अंदर स्थित होना चाहिए। हालाँकि, MRI वातावरण इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए प्रतिकूल होता है। मशीन एक विशाल, अपरिवर्तनीय चुंबकीय क्षेत्र के साथ-साथ, तेजी से बदलते चुंबकीय क्षेत्रों और उच्च-आवृत्ति वाली रेडियो तरंगों को उत्पन्न करती है। ये बल किसी भी पास की धातु में विद्युत धारा प्रेरित कर सकते हैं, जिससे उपकरण अत्यधिक गर्म होने का खतरा हो सकता है। यदि तार या सेंसर बहुत गर्म हो जाते हैं, तो वे पहनने वाले व्यक्ति को जला सकते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने इस समस्या को प्रबंधित करने के लिए मस्तिष्क के संकेतों को संसाधित करने वाले भारी इलेक्ट्रॉनिक एम्पलीफायरों को MRI कमरे के बाहर रखा, जो लंबे केबलों के माध्यम से सिर के सेंसरों से जुड़े होते थे। लेकिन ये लंबे केबल एंटीना की तरह कार्य करते हैं, जो रेडियो तरंगों को पकड़ लेते हैं और उस बिंदु पर गर्म हो जाते हैं जहाँ वे त्वचा को छूते हैं, जिससे एक अलग प्रकार का खतरा पैदा होता है।

इस एंटीना समस्या को हल करने के लिए, निर्माताओं ने यह सुझाव देना शुरू किया कि एम्पलीफायरों को बहुत छोटे केबलों का उपयोग करके, मशीन के अंदर सिर के करीब रखा जाए। यह रेडियो तरंगों को सेंसरों पर खतरनाक गर्मी जमा करने से रोकता है। फिर भी, इस समाधान ने एक नया, कम समझ में आया जोखिम पेश किया। मशीन के अंदर, एम्पलाइडर अब छवियों को बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले तेजी से बदलते चुंबकीय क्षेत्रों के संपर्क में आते हैं। वैज्ञानिक सोचने लगे कि क्या ये चुंबकीय स्विच एम्पलीफायरों को स्वयं गर्म कर सकते हैं, जिससे संभावित रूप से उपकरण को नुकसान पहुँच सकता है या प्रतिभागी के लिए सुरक्षा जोखिम पैदा हो सकता है। शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस विशिष्ट खतरे का परीक्षण करने के लिए हाथ मिलाया। उन्होंने इन परीक्षणों के लिए मानव स्वयंसेवकों का उपयोग नहीं किया; इसके बजाय, उन्होंने कंडक्टिव जेल और पानी से बने मानव सिर के यथार्थवादी मॉडल का उपयोग किया, जिन्हें दो अलग-अलग क्षेत्र शक्ति वाले—एक मानक 3-टेस्ला मशीन और एक बहुत अधिक शक्तिशाली 7-टेस्ला मशीन—के भीतर MRI स्कैनर में रखा गया था। उन्होंने इन मॉडलों पर EEG कैप लगाए और एम्पलीफायरों को विभिन्न स्थितियों में रखा, और यह देखने के लिए विभिन्न प्रकार के ब्रेन इमेजिंग स्कैन चलाए कि उपकरण कितना गर्म हुआ।

परिणामों ने एक स्पष्ट और महत्वपूर्ण खतरे का खुलासा किया। जब एम्पलीफायरों को मशीन के केंद्र के करीब रखा गया था, जैसा कि वर्तमान दिशा-निर्देश सुझाव देते हैं, तो स्कैन के दौरान वे तेजी से गर्म हो गए। 7-टेस्ला साइट पर, शोधकर्ताओं ने पाया कि एक मानक इमेजिंग अनुक्रम का उपयोग करने से एम्पलीफायर केवल पांच मिनट में दो डिग्री सेल्सियस से अधिक गर्म हो गया। यदि इस ताप दर के साथ एक सामान्य चालीस मिनट का सत्र जारी रहता, तो तापमान वृद्धि उपकरण के प्लास्टिक आवरण को पिघलाने और इलेक्ट्रॉनिक्स को नष्ट करने के लिए पर्याप्त होगी। 3-टेस्ला साइट पर भी यही समस्या हुई। जब एम्पलीफायरों को छोटे केबलों का उपयोग करके सिर के करीब रखा गया, तो उपकरण का तापमान एक संक्षिप्त स्कैन में लगभग तीन डिग्री बढ़ गया। शोधकर्ताओं ने गणना की कि चालीस मिनट के सत्र के दौरान, तापमान साठ डिग्री सेल्सियस से अधिक बढ़ सकता है, जो हार्डवेयर को निश्चित रूप से नुकसान पहुँचाने वाला स्तर है। अध्ययन ने दिखाया कि यह हीटिंग रेडियो तरंगों के कारण नहीं थी, बल्कि विशेष रूप से उन चुंबकीय ग्रेडिएंट्स की गति के कारण थी जिनके माध्यम से छवियां बनाने के लिए चुंबकीय स्विच चालू और बंद होते हैं। स्विच जितना तेज़ होता, उतनी ही अधिक गर्मी उत्पन्न होती।

शोधकर्ताओं ने फिर यह परीक्षण किया कि क्या उपकरण को स्थानांतरित करने से समस्या हल हो सकती है। उन्होंने पाया कि मशीन के भीतर हीटिंग समान नहीं थी; यह केंद्र के पास एक विशिष्ट क्षेत्र में सबसे अधिक थी। एम्पलीफायरों को मशीन के केंद्र से दूर ले जाने के लिए केबलों को खींचकर, हीटिंग में काफी कमी आई। जब उन्होंने पंद्रह सेंटीमीटर की दूरी बढ़ाई, तो तापमान वृद्धि आधे से अधिक कम हो गई। जब उन्होंने लंबे केबलों का उपयोग करके एम्पलीफायरों को और भी दूर, लगभग सैंतीस सेंटीमीटर तक पहुँचा दिया, तो हीटिंग नगण्य हो गई। इन परीक्षणों में, बीस मिनट के उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्कैन के बाद भी, उपकरण दो डिग्री से कम गर्म हुआ, और सिर पर लगे सेंसर ठंडे रहे। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि चुंबकीय स्विचों की गति को धीमा करने से हीटिंग कम हो गई, हालांकि इसके लिए इमेजिंग सेटिंग्स को बदलना आवश्यक था।

निष्कर्ष बताते हैं कि रेडियो-फ्रीक्वेंसी बर्न से बचने के लिए एम्पलीफायरों को सिर के करीब रखने की वर्तमान प्रथा अनजाने में उपकरण को चुंबकीय ग्रेडिएंट्स से खतरनाक स्तर की गर्मी के संपर्क में ला सकती है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि सुरक्षा एक संतुलन खोजने पर निर्भर है। एम्पलीफायरों को बहुत दूर ले जाने से रेडियो-फ्रीक्वेंसी हीटिंग का मूल जोखिम बढ़ जाता है, लेकिन उन्हें बहुत करीब रखने से एम्पलीफायरों के पिघलने का खतरा होता है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि आधुनिक स्कैनर जो बहुत तेज़ इमेजिंग करने में सक्षम हैं, उनके लिए सबसे सुरक्षित दृष्टिकोण एम्पलीफायरों को मशीन के केंद्र से उतनी दूर रखना है जितनी केबल की लंबाई अनुमति देती है, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि वे सबसे तीव्र चुंबकीय स्विचिंग वाले क्षेत्र से बाहर हैं। यह सरल समायोजन, प्रत्येक विशिष्ट सेटअप के लिए सावधानीपूर्वक परीक्षण के साथ मिलकर, यह सुनिश्चित करता है कि उपकरण सुरक्षित और कार्यात्मक बना रहे, जिससे वैज्ञानिक अपने उपकरणों या अपने विषयों को जलाने के जोखिम के बिना मानव मस्तिष्क की खोज करना जारी रख सकें।