चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग

चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग भौतिकी का एक महत्वपूर्ण अनुप्रयोग है, जो चिकित्सा विज्ञान में रोगों की पहचान और अध्ययन के लिए प्रयोग किया जाता है। यह तकनीक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र और रेडियो तरंगों की सहायता से शरीर के आंतरिक अंगों की स्पष्ट एवं विस्तृत छवि प्रदान करती है।

विगत वर्षों में पूछे गए प्रश्न

वर्ष	प्रश्न	अंक
2023	एम आर आई (MRI) के सिद्धान्त एवं कार्यप्रणाली की संक्षिप्त विवेचना कीजिए। इसे एक्स-रेटोमोग्राफी की तुलना में अधिक सुरक्षित क्यों माना जाता है?	10M

चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (MRI)

MRI (Magnetic Resonance Imaging) एक ग़ैर-आक्रामक चिकित्सा इमेजिंग तकनीक है जो शरीर की आंतरिक संरचनाओं की विस्तृत छवियाँ उत्पन्न करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र और रेडियो तरंगों का उपयोग करती है।

• MRI में प्रोटॉन NMR का उपयोग किया जाता है, जिससे प्रोटॉन की सघनता के आधार पर इमेजिंग संभव होती है। कोमल ऊतकों जैसे मस्तिष्क और आँखों की इमेजिंग के लिए यह तकनीक आदर्श है। उच्च प्रोटॉन घनत्व वाले ऊतक छवियों में अधिक चमकीले दिखाई देते हैं, जबकि कम प्रोटॉन घनत्व वाले ऊतक, जैसे कि हड्डी, गहरे रंग के दिखाई देते हैं।

MRI में NMR की तुलना में सुधार

• स्थानिक स्थानीयकरण :
  • NMR छोटे नमूनों के आणविक डेटा प्रदान करता है, जबकि MRI में ग्रेडिएंट चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग किया जाता है, जिससे संकेतों का स्थानिक निर्धारण संभव होता है और इमेज तैयार की जाती है।
• इमेज निर्माण:
  • एमआरआई न केवल संकेतों का पता लगाता है, बल्कि ऊतकों की अनुप्रस्थ-काट या 3डी छवियों का पुनर्निर्माण भी करता है, जिससे आंतरिक संरचनाओं का विस्तृत दृश्य प्राप्त होता है।
• चिकित्सा उपयोगिता:
  • MRI कोमल ऊतकों की विस्तृत इमेजिंग प्रदान करता है, जो रोगों, चोटों और विकारों के निदान के लिए महत्वपूर्ण है।

MRI के मूल सिद्धांत

• नाभिकीय स्पिन्स:
  • शरीर में हाइड्रोजन नाभिक (जो अधिकतर जल और वसा में पाए जाते हैं) में अपने आंतरिक घूर्णन के कारण चुंबकीय आघूर्ण होता है।
  • बाह्य चुंबकीय क्षेत्र (B0B0​) में, ये हाइड्रोजन नाभिक क्षेत्र के समानांतर या प्रतिसमानांतर संरेखित होते हैं, जिससे ऊर्जा अवस्थाएं निर्मित होती हैं।
  • इन अवस्थाओं के बीच ऊर्जा का अंतर छोटा होता है, और चुंबकीय क्षेत्र के के प्रभाव से स्पिन अपने धुरी के चारों ओर घूर्णन करते हैं।
• लार्मोर आवृत्ति (Larmor Frequency):
  • MRI में हाइड्रोजन नाभिक उसी आवृत्ति पर घूमते हैं, जिसे लार्मोर आवृत्ति कहते हैं, जो चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता के समानुपाती होती है।
  • लार्मोर आवृत्ति निम्नलिखित समीकरण से दी जाती है:

• γ हाइड्रोजन के लिए गाइरोमैग्नेटिक अनुपात है, [एक स्थिरांक], और B₀​ चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता है।

MRI प्रणाली के प्रमुख घटक

A.चुंबकीय क्षेत्र:

• MRI मशीन का मुख्य घटक एक सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट होता है, जो शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है।
• सामान्य MRI स्कैनर 1.5 टेस्ला (T) से 3 टेस्ला (T) चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करते हैं, लेकिन शोध मशीनें 7 टेस्ला या उससे अधिक तक जा सकती हैं।
• कार्य: चुंबकीय क्षेत्र मानव शरीर में हाइड्रोजन नाभिक (प्रोटॉन) को संरेखित करता है, विशेष रूप से पानी और वसा अणुओं में।

B. रेडियो-आवृत्ति (RF) पल्स:

• उद्देश्य: RF पल्स का उपयोग संरेखित हाइड्रोजन नाभिक को उत्तेजित करने के लिए किया जाता है, जिससे वे ऊर्जा अवशोषित करते हैं और उच्च ऊर्जा अवस्था में पहुंच जाते हैं।
• क्रियाविधि:
  • चुंबकीय क्षेत्र हाइड्रोजन प्रोटॉन को चुंबकीय क्षेत्र के समानांतर या प्रतिसमानांतर संरेखित करता है।
  • प्रोटॉन को संरेखण से बाहर करने के लिए एक विशिष्ट आवृत्ति पर एक छोटा RF पल्स लगाया जाता है।
  • जब RF पल्स बंद हो जाता है, तो प्रोटॉन अपने मूल संरेखण में वापस आ जाते हैं, आरएफ संकेतों के रूप में ऊर्जा उत्सर्जित करते हैं।

C. ग्रेडिएंट कॉइल्स:

• MRI में तीन दिशाओं में चुंबकीय क्षेत्र ग्रेडिएंट लागू किए जाते हैं – X-अक्ष, Y-अक्ष और Z-अक्ष।
• कार्य: ये ग्रेडिएंट शरीर के विभिन्न क्षेत्रों में चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता को बदलते हैं, जिससे MRI विभिन्न भागों से प्राप्त संकेतों की सटीक स्थिति  निर्धारित कर सकती है। 
• उद्देश्य: 2D और 3D इमेज निर्माण के लिए स्थान संबंधी जानकारी को एन्कोड करना।

D. रिसीवर कॉइल:रिलेक्सेसन / Relaxation:

• RF पल्स बंद होने के बाद, हाइड्रोजन नाभिक  अपनी संतुलन अवस्था [निम्न ऊर्जा अवस्था] में लौटते हैं ऊर्जा मुक्त करके, जिसे NMR सिग्नल के रूप में पहचाना जाता है।  संतुलन में लौटने की इस प्रक्रिया को relaxation के रूप में जाना जाता है।
• Function: रिसीवर कॉइल relaxation के दौरान हाइड्रोजन प्रोटॉन द्वारा उत्सर्जित इन RF संकेतों का पता लगाता है।

E.  इमेज पुनर्निर्माण:

• एकत्रित संकेतों को कंप्यूटर पर भेजा जाता है जो डेटा को संसाधित करता है और छवि का पुनर्निर्माण करता है। 
• यह फूरियर ट्रांसफॉर्म नामक एक प्रक्रिया के माध्यम से किया जाता है, जो आवृत्ति और चरण डेटा को स्थानिक जानकारी (छवि बनाने) में परिवर्तित करता है।

MRI कैसे कार्य करता है?

1. चुंबक → मजबूत चुंबकीय क्षेत्र शरीर में हाइड्रोजन प्रोटॉन को संरेखित करता है।
2. RF कॉइल → RF पल्स प्रोटॉन को संरेखण से बाहर कर देता है। 
3. ग्रेडिएंट कॉइल → ‘परिवर्तनीय चुंबकीय क्षेत्र हाइड्रोजन प्रोटॉनों की स्थिति को मैप करता है।
4. रिसीवर कॉइल → जब प्रोटॉन Relax करते हैं, तो वे RF संकेत उत्सर्जित करते हैं, जिन्हें रिसीवर कॉइल पकड़ता है।
5. कंप्यूटर → प्राप्त संकेतों को प्रोसेस कर विस्तृत छवियाँ बनाई जाती हैं।

MRI स्कैन के प्रकार

• T1-वेटेड इमेजिंग:
  • शारीरिक इमेजिंग के लिए उपयोगी, जहाँ वसा और अन्य ठोस ऊतक चमकीले दिखाई देते हैं। 
  • मुख्य रूप से संरचनात्मक इमेजिंग के लिए उपयोग किया जाता है, जैसे कि मस्तिष्क स्कैन और जोड़ पपरीक्षाएँ।
• T2-वेटेड इमेजिंग:
  • एडिमा या सूजन, ट्यूमर, और संक्रमण जैसे उच्च जल सामग्री वाले क्षेत्रों की इमेजिंग के लिए उत्कृष्ट।
  • तरल पदार्थ से भरी जगहों (Fluid-Filled Spaces) को उजागर करता है।
• कार्यात्मक MRI (fMRI):
  • रक्त ऑक्सीजन स्तर (BOLD – Blood Oxygen Level Dependent Contrast) में परिवर्तन का पता लगाकर मस्तिष्क गतिविधि को मापता है।
  • मस्तिष्क कार्यों की मैपिंग (Brain Mapping) और विभिन्न उत्तेजनाओं (Stimuli) के प्रति न्यूरल गतिविधि का अध्ययन करता है।
• प्रसरण-वेटेड इमेजिंग ( (DWI):
  • ऊतकों में जल अणुओं की गति को मापता है, जिसका उपयोग आमतौर पर स्ट्रोक या ट्यूमर का पता लगाने के लिए किया जाता है।

MRI के अनुप्रयोग

1. चिकित्सा निदान :

• मस्तिष्क इमेजिंग: मस्तिष्क ट्यूमर, स्ट्रोक, और न्यूरोलॉजिकल विकारों जैसे मल्टीपल स्क्लेरोसिस के निदान में सहायक।
• मस्कुलोस्केलेटल इमेजिंग: MRI मांसपेशियों, स्नायुबंधन, टेंडन और जोड़ों (जैसे, एसीएल टूटना, फ्रैक्चर, गठिया) की चोटों के मूल्यांकन के लिए महत्वपूर्ण है।
• हृदय इमेजिंग: कार्डियक MRI का उपयोग हृदय की स्थितियों, जैसे हृदय की विफलता, जन्मजात हृदय दोष और मायोकार्डियल इंफार्क्शन का आकलन करने के लिए किया जाता है।
• रीढ़ की हड्डी इमेजिंग: रीढ़ की हड्डी की चोटों) और विकारों जैसे हर्नियेटेड डिस्क (Herniated Discs), रीढ़ की हड्डी के ट्यूमर, और डिजेनेरेटिव बीमारियों के निदान के लिए।
• ऑन्कोलॉजी (कैंसर निदान):  MRI सॉफ़्ट टिशू कैंसर (Soft Tissue Cancers) का पता लगाने, ट्यूमर की स्थिति और आकार का मूल्यांकन करने में सहायक है।
• उदर इमेजिंग [Abdominal Imaging]: एमआरआई यकृत, गुर्दे, अग्न्याशय और आंतों जैसे आंतरिक अंगों को देखने में मदद करता है, अक्सर ट्यूमर, सिस्ट या संक्रमण का पता लगाने के लिए।

2. कार्यात्मक MRI :

• मस्तिष्क गतिविधि मैपिंग :
  • fMRI रक्त ऑक्सीजन के स्तर में परिवर्तन का पता लगाकर मस्तिष्क की गतिविधि को मापता है। विशिष्ट कार्यों (जैसे मोटर मूवमेंट, भाषण, दृष्टि) से संबंधित मस्तिष्क क्षेत्रों की मैपिंग करता है।
  • यह न्यूरोप्लास्टिसिटी और मस्तिष्क के कार्य को समझने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, विशेष रूप से मस्तिष्क ट्यूमर या मिर्गी के लिए प्री-सर्जिकल प्लानिंग में।

MRI के लाभ

• गैर-आक्रामक: आंतरिक अंगों और ऊतकों को देखने के लिए सर्जरी की आवश्यकता नहीं होती।
• गैर-विकिरणीय : X-ray या CT स्कैन के विपरीत, MRI आयनकारी विकिरण (Ionizing Radiation) का उपयोग नहीं करता, जिससे बार-बार स्कैन कराना सुरक्षित होता है, विशेष रूप से बच्चों के लिए।
• उच्च कोमल टिशू कंट्रास्ट: मस्तिष्क, रीढ़ की हड्डी, मांसपेशियों, और आंतरिक अंगों की इमेजिंग में उत्कृष्टता। X-ray या CT स्कैन की तुलना में बेहतर सॉफ़्ट टिशू कंट्रास्ट प्रदान करता है।
• बहु-उपयोगी: MRI को विभिन्न विशेष तकनीकों (जैसे, कंट्रास्ट-एन्हांस्ड MRI, फंक्शनल MRI, डिफ्यूजन टेंसर इमेजिंग) का उपयोग करके विभिन्न प्रकार के ऊतकों और स्थितियों का चित्रण करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।
• कुछ मामलों में कंट्रास्ट की आवश्यकता नहीं: एमआरआई स्कैन कुछ मामलों में कंट्रास्ट एजेंटों की आवश्यकता के बिना कोमल ऊतकों की उच्च गुणवत्ता वाली छवियां प्रदान करने में सक्षम हैं (उदाहरण के लिए, मस्तिष्क इमेजिंग में)।

MRI की सीमाएँ

• लागत और उपलब्धता :
  • MRI मशीनें महंगी होती हैं, जिनकी खरीद, रखरखाव और संचालन की लागत अधिक होती है। कम संसाधन वाले क्षेत्रों में MRI की उपलब्धता सीमित होती है।
• अधिक समय:
  • MRI स्कैन में अधिक समय लगता है (आमतौर पर 15 मिनट से 1 घंटे तक), जबकि CT स्कैन अधिक तेज़ होता है।
• कुछ रोगियों के लिए अनुपयुक्त:
  • तीव्र चुम्बकीय बल प्रयुक्त होने के कारण ऐसे व्यक्तियों का स्केन नहीं किया जा सकता जिनके शरीर में धातु का बना कोई उपकरण प्रत्यारोपित किया गया हो पेसमेकर, हड्डी जोड़ने हेतु धातु की छड़ बोल्ट आदि।
• गतिशीलता के प्रति संवेदनशील:
  • स्कैन के दौरान रोगी को पूरी तरह स्थिर रहना पड़ता है।
  • हल्की-सी हरकत भी इमेज को धुंधला (Blurred) बना सकती है, जिससे सटीक परिणाम प्रभावित होते हैं।
• हड्डियों की इमेजिंग में सीमित:
  • MRI हड्डियों की चोटों (Bone Fractures) और विकारों के लिए CT स्कैन जितना प्रभावी नहीं होता। MRI मुख्य रूप से सॉफ़्ट टिशू की इमेजिंग के लिए बेहतर होता है।
• क्लॉस्ट्रोफोबिया:
  • कुछ मरीज MRI मशीन की संकरी जगह में असहज या घबराहट महसूस कर सकते हैं, जिससे स्कैन के दौरान स्थिर रहना मुश्किल हो जाता है।

MRI सुरक्षा

• चुंबकीय क्षेत्र: MRI मशीन के शक्तिशाली चुंबक धातु वस्तुओं और चिकित्सा उपकरणों को प्रभावित कर सकते हैं। MRI से पहले मरीजों की पूरी तरह से स्क्रीनिंग की जाती है ताकि कोई सुरक्षा जोखिम न हो।
• कॉंट्रास्ट एजेंट (Contrast Agents): कुछ MRI स्कैन में गेडोलिनियम-आधारित कॉंट्रास्ट एजेंट की आवश्यकता होती है। हालांकि यह आमतौर पर सुरक्षित होता है, लेकिन दुर्लभ मामलों में एलर्जी प्रतिक्रिया हो सकती है।

NMR और MRI के बीच अंतर

पहलू	NMR (नाभिकीय चुंबकीय अनुनाद)	MRI (चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग)
उद्देश्य	आणविक और परमाणु संरचना का अध्ययन।	ग़ैर-आक्रामक चिकित्सा इमेजिंग द्वारा ऊतकों और अंगों की जाँच।
नमूना प्रकार	छोटे रासायनिक नमूने (तरल या ठोस)।	मानव शरीर या पशु ऊतक।
सिग्नल का पता लगाना	रासायनिक विचलन और आणविक अंतःक्रियाएँ।	प्रोटॉन सघनता और विश्राम समय (Relaxation Times – T₁, T₂)।
रिज़ॉल्यूशन	मौलिक विश्लेषण के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रा प्रदान करता है।	आंतरिक अंगों की उच्च-रिज़ॉल्यूशन 2D या 3D इमेजिंग प्रदान करता है।
मुख्य अनुप्रयोग	रसायन विज्ञान, जैव रसायन, पदार्थ विज्ञान।	चिकित्सा और नैदानिक इमेजिंग

FAQ (Previous year questions)