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आईएसएस के लिए विचाराधीन कॉम्पैक्ट पूरे शरीर एमआरआई स्कैनर

विज्ञान

ब्रायन डोडसन

26 अक्टूबर, 2012

10 तस्वीरें

आईएसएस पर एक एमआरआई इस तरह के पृथ्वी से जुड़े समकक्षों की तुलना में छोटा और हल्का होगा (फोटो: लेवेन कोनुक / शटरस्टॉक)

प्रोफेसर गॉर्डन सार्टी के नेतृत्व में इंजीनियरों का एक बहुपक्षीय समूह स्पेसफाइट ड्यूटी के लिए एक कॉम्पैक्ट चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) स्कैनर विकसित कर रहा है। उद्देश्य अंतरिक्ष चिकित्सा अनुसंधान और अंतरिक्ष यात्री स्वास्थ्य निगरानी का समर्थन करना है जो लंबे और अधिक दूरस्थ अंतरिक्ष मिशन के लिए आवश्यक है। लंबी अवधि के मिशन के दौरान होने वाले शारीरिक परिवर्तनों की निगरानी के लिए कर्तव्य का पहला पद अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (आईएसएस) पर होगा। सार्टी सास्काचेवान विश्वविद्यालय में बायोमेडिकल इंजीनियरिंग के कार्यकारी अध्यक्ष हैं।

अंतरिक्ष चिकित्सा

अंतरिक्ष चिकित्सा का हमारा वर्तमान ज्ञान आईएसएस और पूर्व अंतरिक्ष स्टेशनों के दीर्घकालिक व्यवसाय के साथ 40 वर्षों का अनुभव है। आईएसएस लगातार 14 वर्षों तक कब्जा कर लिया गया है, और तीस लोगों ने एक अंतरिक्ष स्टेशन पर एक वर्ष से अधिक (रिकॉर्ड 2.2 वर्ष) खर्च किया है। इसके बावजूद, अंतरिक्ष यात्रा के दीर्घकालिक चिकित्सा प्रभावों पर अधिकतर डेटा लौटने वाले अंतरिक्ष यात्रियों के पोस्ट-फ्लाइट अध्ययन से आता है। चूंकि आईएसएस पर चिकित्सा उपकरण एक अच्छी तरह से स्टॉक की गई प्राथमिक चिकित्सा किट की तुलना में थोड़ी अधिक क्षमता प्रदान करते हैं, चिकित्सा डेटा एकत्र करने या संसाधित करने के लिए कक्षा की क्षमता बहुत सीमित है।

अंतरिक्ष यात्रा ज्ञात चिकित्सीय समस्याओं का एक बड़ा कारण बनती है, जैसे मांसपेशी द्रव्यमान का 25 प्रतिशत, प्रति माह 1 से 2 प्रतिशत की हड्डी द्रव्यमान का नुकसान, प्रतिरक्षा प्रणाली को कमजोर करना, और अत्यधिक तनाव वाले वातावरण से संबंधित प्रभाव एक अंतरिक्ष वाहन के। निस्संदेह अन्य नकारात्मक प्रभावों का सामना लंबे मिशन में किया जाएगा।

पिछले अंतरिक्ष स्टेशन मिशन के दौरान, पृथ्वी पर चालक दल के सदस्यों के तीन चिकित्सकीय चालित निकासी हुई हैं। अत्यंत स्वस्थ अंतरिक्ष यात्री पूल से जुड़े दीर्घकालिक मिशनों की अनुमानित दर प्रति सौ व्यक्ति-वर्ष के बारे में एक निकासी है। एक बार जब आप कम-पृथ्वी कक्षा छोड़ देते हैं, हालांकि, आपातकालीन निदान और देखभाल के लिए पृथ्वी पर त्वरित वापसी के आधार पर जल्दी ही अव्यवहारिक हो जाता है।

एमआरआई स्कैनर

दीर्घकालिक अंतरिक्ष यात्रा के कमजोर पड़ने वाले प्रभावों के साथ-साथ चालक दल की नैदानिक ​​निगरानी और उपचार प्रदान करने के लिए एक गहरे अंतरिक्ष में बीमारियों को अनुसंधान करने के लिए सुसज्जित किया जाना चाहिए। इन नैदानिक ​​क्षमताओं का एक महत्वपूर्ण हिस्सा एक व्यवहार्य चिकित्सा इमेजिंग सिस्टम है। अंतरिक्ष यात्री की लगातार स्वास्थ्य निगरानी की आवश्यकता एक गैर-आयनकारी विकिरण तकनीक का उपयोग करने के लिए इंगित करती है जैसे कि एमआरआई, गहरे अंतरिक्ष वातावरण के लिए अतिरिक्त विकिरण एक्सपोजर जोड़ने से बचने के लिए। एकमात्र अन्य गंभीर उम्मीदवार अल्ट्रासोनिक इको इमेजिंग है, लेकिन यह इमेजिंग विधि ऊतकों की पहचान नहीं करती है और न ही हड्डी में प्रवेश करती है, और पूरे शरीर को लंबी और कठिन कठोर बनाता है।

एक तीन टेस्ला पारंपरिक एमआरआई स्कैनर, फिलिप्स द्वारा 3 टी अचीवा (फोटो: कसूगा हुआंग)

एक शताब्दी पहले एक्स-किरणों की खोज के बाद से पूरे शरीर में एमआरआई इमेजिंग नैदानिक ​​दवा में सबसे महत्वपूर्ण सुधार है। एमआरआई इमेजिंग को आयनकारी विकिरण के उपयोग की आवश्यकता नहीं है। इसलिए एमआरआई स्कैनर को स्वास्थ्य की निगरानी और चिकित्सा समस्याओं का निदान करने के लिए सोने के मानक माना जाता है। हालांकि, पृथ्वी पर एमआरआई स्कैन की अत्यधिक लागत नियमित स्वास्थ्य रखरखाव के लिए एमआरआई स्कैनर तक सीमित पहुंच की ओर ले जाती है। छोटे, सरल, और कम महंगे स्कैनर पृथ्वी पर खेल मैदान को नाटकीय रूप से बदल सकते हैं।

एमआरआई दो भौतिक प्रभावों को जोड़कर काम करता है जो हमें एक लागू चुंबकीय क्षेत्र में प्रोटॉन (हाइड्रोजन परमाणुओं का नाभिक) की प्रतिक्रिया को मापने और स्कैन किए जाने वाले वॉल्यूम के एक विशेष वोक्सेल (3 डी पिक्सेल) का चयन करने के लिए ढाल तकनीकों का उपयोग करने की अनुमति देता है। परिणामी छवि अनिवार्य रूप से इमेजर की सक्रिय मात्रा में स्थिति के एक समारोह के रूप में हाइड्रोजन परमाणुओं की घनत्व का एक साजिश है। इन प्रक्रियाओं को पूरा करने के लिए, एक एमआरआई स्कैनर के लिए एक बड़ा और अत्यधिक वर्दी चुंबकीय क्षेत्र प्रदान करने की विधि की आवश्यकता होती है (आमतौर पर 1-3 टेस्ला - एक टेस्ला 10, 000 गॉस के बराबर होती है, और पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र की ताकत लगभग आधे होती है एक गॉस), और स्कैनिंग वॉल्यूम के प्रत्येक वोक्सल में प्रोटॉन घनत्व को अलग करने और मापने का एक तरीका है।

अंतरिक्ष में पारंपरिक एमआरआई

पारंपरिक एमआरआई स्कैनर में उपरोक्त कार्यों को पूरा करने के लिए किए गए पथ अंतरिक्ष-आधारित पूरे-शरीर एमआरआई स्कैनर में उपयोग करना मुश्किल और खतरनाक हैं। प्रारंभ करने के लिए, एक पारंपरिक पूरे शरीर के एमआरआई स्कैनर का भौतिक पदचिह्न आम तौर पर सबसे बड़े उपलब्ध लॉन्च वाहनों की क्षमता से अधिक है। इसके अलावा, स्कैनर के लिए चुंबकीय क्षेत्र एक सुपरकंडक्टिंग चुंबक द्वारा प्रदान किया जाता है जो आमतौर पर दस टन से अधिक वजन (कुछ बहुत उच्च चुंबकीय क्षेत्र एमआरआई स्कैनर वजन 250 टन होता है।)

ये चुंबक superconducting चुंबक windings ठंडा करने के लिए तरल हीलियम सिस्टम recirculating का उपयोग करें। यदि चुंबक बुझ जाता है (स्वचालित रूप से इसके प्रतिरोध को वापस प्राप्त करता है), दोनों चुंबक क्षति और हीलियम गैस में बड़ी मात्रा में तरल हीलियम के रूपांतरण के परिणामस्वरूप, क्रायोजेनिक प्रणाली के अचानक और विनाशकारी "disassembly " के परिणामस्वरूप होगा। इस तरह की एक घटना किसी भी उचित आकार के अंतरिक्ष यान के पारिस्थितिकी तंत्र को गंभीरता से बाधित करेगी।

वोक्सेल चयन तेजी से बदलते ढाल चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके किया जाता है जो मुख्य चुंबक के समान चुंबकीय क्षेत्र में जोड़े जाते हैं। ढाल पैटर्न के बीच विभिन्न ढाल कॉइल्स को स्विच करने के लिए, हालांकि, अत्यधिक उच्च वोल्टेज उच्च-वर्तमान दालों की आवश्यकता होती है। यह एमआरआई स्कैन के दौरान आपके द्वारा सुनाई जाने वाली धमाकेदार शोर का स्रोत है - कॉइल्स स्वयं तेजी से बदलते धाराओं पर चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव के साथ घुमा रहे हैं और युद्ध कर रहे हैं। ऐसे दालों की आपूर्ति करने से ढाल कॉइल इलेक्ट्रॉनिक्स की समय-समय पर विफलता भी बढ़ जाती है - तेजी से बड़ी धाराओं को बदलना और उनके संबंधित क्षणिक वोल्टेज स्पाइक से निपटना इलेक्ट्रॉनिक्स पर मुश्किल है, और विशेष रूप से ठोस-राज्य सर्किटरी पर कठिन है।

हलाबैक सिलेंडर

सौभाग्य से, एमआरआई स्कैनर के लिए अन्य डिज़ाइन हैं जो स्पेसफाइट की बाधाओं के लिए अधिक उपयुक्त हैं। बड़े, भारी, और खतरनाक सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट को स्थायी मैग्नेट की व्यवस्था द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है जिसे ए कहा जाता है

Halbach सरणी।

हलाबैक सरणी शुरू में उच्च ऊर्जा त्वरक में कण बीम पर ध्यान केंद्रित करने के लिए विकसित की गई थी। स्थायी मैग्नेट की बेलनाकार व्यवस्था बनाना संभव है जो सिलेंडर बोर के अंदर एक उच्च वर्दी चुंबकीय क्षेत्र का उत्पादन करता है, जबकि चुंबकीय क्षेत्र का केवल एक छोटा सा हिस्सा हैल्बैक सिलेंडर के बाहर मौजूद होता है। अंतरिक्ष-आधारित एमआरआई स्कैनर के लिए एक महत्वपूर्ण विचार। चूंकि आधुनिक चुंबकीय सामग्री एक टेस्ला के खेतों को उत्पन्न करने में सक्षम हैं, ऐसे हेलबैक सिलेंडर एमआरआई स्कैनर में उपयोग के लिए उपयुक्त हैं।

एक रेफ्रिजरेटर चुंबक के योजनाबद्ध, चुंबकीय डोमेन की घुमावदार दिशा और एक तरफा चुंबकीय क्षेत्र जो वहां से उत्पादित होता है दिखा रहा है

हम सब एक संभावित क्षेत्र - रसोईघर में हैल्बैक सरणी से परिचित हैं। एक रेफ्रिजरेटर चुंबक एक आयामी Halbach सरणी है। चुंबक पट्टी में घूर्णन चुंबकीयकरण दिशाओं का उत्पादन करने के लिए इन्हें घूर्णन वाले चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके चुंबकीय बनाया जाता है। नतीजा यह है कि एक तरफ से फील्ड लाइनों को दूसरी तरफ स्थानांतरित कर दिया गया था, जहां बड़ा क्षेत्र रेखा घनत्व एक बड़े चुंबकीय क्षेत्र के बराबर है। इसे कभी-कभी एक तरफा चुंबक कहा जाता है। आप दो रेफ्रिजरेटर मैग्नेट को वापस वापस चिपकाने की कोशिश करके स्वयं का परीक्षण कर सकते हैं - वे मुश्किल से एक-दूसरे को आकर्षित करेंगे। आप यह भी ध्यान दे सकते हैं कि जब दो चुंबक सामने से आगे होते हैं, तो वे एक-दूसरे के ऊपर स्थित होने का विरोध कर सकते हैं, और अपने लंबे धुरी पर ऑफसेट के साथ रहेंगे। ऑफ़सेट दूरी चुंबकीयकरण दिशाओं के पूर्ण घूर्णन की आधा दूरी है।

स्थायी चुंबक के चार जोड़े से बना एक हैल्बैक सिलेंडर के चुंबकीय क्षेत्र का कंप्यूटर सिमुलेशन, प्रत्येक जोड़ी में अन्य जोड़े की तुलना में अलग चुंबकीय उन्मुखीकरण होते हैं (छवि: ज़्यूरिक्स)

जैसा कि ऊपर दिखाया गया है, एक हैल्बैक सिलेंडर पर स्थानीय चुंबकीय क्षेत्र की परिमाण सिलेंडर पर हर जगह स्थिर है। हालांकि, सिलेंडर बोर के अंदर एक प्रबलित, समान चुंबकीय क्षेत्र का उत्पादन करने के लिए अभिविन्यास बदलता है, जबकि केवल छोटे चुंबकीय क्षेत्र सिलेंडर के बाहर दिखाई देते हैं। यह बाद की संपत्ति अंतरिक्ष-आधारित एमआरआई स्कैनर के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि अधिकांश अंतरिक्ष यान डिजाइनों को एक स्वच्छ विद्युत चुम्बकीय वातावरण की आवश्यकता होती है। यद्यपि सिलेंडर बोर में चुंबकीय क्षेत्र उपर्युक्त उदाहरण में पूरी तरह से समान नहीं है, लेकिन समानता क्षेत्र के चारों ओर स्थानांतरित करने के लिए चुंबकीय शिम का उपयोग करके समानता को बढ़ाया जा सकता है।

सार्टी समूह का प्रोटोटाइप हैल्बैक सिलेंडर, मुख्य रूप से सिलेंडर बोर में चुंबकीय क्षेत्र की एकरूपता में सुधार के लिए शीतलन तकनीकों का अध्ययन करने के लिए उपयोग किया जाता है (फोटो: सास्काचेवान विश्वविद्यालय)

प्रयोगशाला परीक्षण के लिए कॉम्पैक्ट एमआरआई परियोजना द्वारा निर्मित हैल्बैक सिलेंडर दुर्लभ-पृथ्वी स्थायी चुंबक से बना है। परंपरागत एमआरआई मैग्नेट के लिए लगभग पांच से दस घन मीटर की मात्रा की तुलना में सिलेंडर की मात्रा 0.75 मीटर 3 है

सिलेंडर बोर फील्ड की ताकत 0.15 टेस्ला है, हालांकि चुंबकीय सिलेंडर की घुमावदार बाहरी सतह के बाहर चुंबकीय क्षेत्र उस मूल्य का केवल 0.2 प्रतिशत (पृथ्वी के क्षेत्र का लगभग 60 प्रतिशत) 7 सेमी (2.75) की दूरी पर है ) सिलेंडर सतह से। बोर में चुंबकीय क्षेत्र चुंबकीय सामग्री के उचित विकल्प और सिलेंडर के भीतर उनकी संरचना के माध्यम से लगभग एक टेस्ला में बढ़ाया जा सकता है। एक अनुकूलित संरचना के साथ, अंतरिक्ष एमआरआई अनुप्रयोगों के लिए एक समान चुंबक 700 किलोग्राम (1540 एलबीएस) से कम वजन का अनुमान लगाया जाता है - पारंपरिक एमआरआई मैग्नेट के 10 या अधिक टन से काफी रोना।

वोक्सेल populi

ट्राई आरएफ चरण ढाल विधि (फोटो: सास्काचेवान विश्वविद्यालय) का उपयोग करके घुटने और कलाई जोड़ों की एमआरआई छवियां

एक एकल वोक्सेल के प्रोटॉन घनत्व को मापने के लिए चुंबकीय क्षेत्र ढाल दृष्टिकोण के लिए एक विकल्प अंतरिक्ष-आधारित एमआरआई स्कैनर के लिए भी बहुत बड़ा लाभ होगा। सार्टी और उनका समूह ट्रान्समिट एरे स्पेटियल एन्कोडिंग (ट्रेस) नामक वोक्सेल मापन के लिए हाल ही में विकसित दृष्टिकोण का उपयोग कर रहे हैं।

ट्रेस विधि ढाल-आधारित एमआरआई इमेजिंग के लिए एक विकल्प प्रदान करता है। इमेजिंग वॉल्यूम में शरीर पर एक ढाल अभी भी लागू होता है, लेकिन यह चुंबकीय क्षेत्र के ढाल के बजाय एक आरएफ चरण ढाल है। रेमेबर, आरएफ वोल्टेज का चरण आपको बताता है कि वोल्टेज प्रत्येक चक्र में अपने चरम पर कब और कब पहुंचता है। ट्रेस विधि में, फ्लिपिंग आरएफ कॉइल को एक आरएफ कॉइल के साथ प्रतिस्थापित किया जाता है जो एक स्थानिक रूप से भिन्न चरण के साथ एक क्षेत्र पैदा करता है। बड़े पैमाने पर स्थानिक ग्रेडियेंट को स्थानांतरित करने के बजाय आरएफ फ़्लिपिंग विकिरण के चरण ढाल को स्थानांतरित करने के लिए बहुत कम बिजली की आवश्यकता होती है।

ट्रेस का मूल विचार यह है कि स्कैनिंग वॉल्यूम आरएफ दालों के अधीन है जिसका चरण समय के साथ बदलता है। ये दालें क्रमशः स्कैनिंग वॉल्यूम के दिए गए वोक्सल को उत्तेजित करती हैं, जबकि वही दालें स्कैनिंग वॉल्यूम में अन्य वोक्सल्स से शून्य सिग्नल उत्पन्न करने के लिए औसत होती हैं। ट्रायोग्राफी का उपयोग करके छोड़े गए ट्रेस में समानांतर संचालन की एक बड़ी डिग्री है, लेकिन अंतिम परिणाम स्कैनिंग वॉल्यूम में प्रत्येक वोक्सेल के लिए प्रोटॉन घनत्व निर्धारित करना है। प्रक्रिया पूरी तरह से दूर है और लागू करने के लिए इतना आसान नहीं है, लेकिन पिछले दशक में कई समूहों द्वारा एमआरआई शोध स्कैनर के लिए ट्रेस का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है।

अंतरिक्ष में एमआरआई?

कनाडाई 2 आईएसएस (फोटो: नासा) के लिए मुख्य बाहरी हेरफेर हाथ है

कनाडा में कनाडा के योगदान के बदले कनाडा में 50 किलो (110 एलबीएस) का आईएसएस आवंटन है। आईएसएस पर हाथ और पैर अध्ययन के लिए एक कॉम्पैक्ट एमआरआई स्थापित करने के लिए इस आवंटन का उपयोग करने के लिए प्रोफेसर सार्टी का लक्ष्य है। यह संयुक्त और हड्डी के अपरिवर्तनीय परिवर्तनों के विस्तृत अध्ययन, शरीर के हिस्सों के बीच द्रव हस्तांतरण, और अन्य अध्ययनों को विस्तृत करेगा जो वर्तमान में शून्य-जी स्पेसफाइट पर्यावरण के संपर्क में नहीं किए जा सकते हैं। उनके प्रयासों का नतीजा अभी तक तय नहीं हुआ है, लेकिन ऐसा लगता है कि आने वाले वर्षों में मानव जाति को लंबी अवधि की स्पेसफाइट के लिए प्रासंगिक अधिक चिकित्सा डेटा की आवश्यकता होगी। अब क्यों शुरू नहीं करें?

स्रोत: अमेरिकन इंस्टीट्यूट ऑफ एयरोनॉटिक्स एंड एस्ट्रोनॉटिक्स

ट्राई आरएफ चरण ढाल विधि (फोटो: सास्काचेवान विश्वविद्यालय) का उपयोग करके घुटने और कलाई जोड़ों की एमआरआई छवियां

सार्टी समूह का प्रोटोटाइप हैल्बैक सिलेंडर, मुख्य रूप से सिलेंडर बोर में चुंबकीय क्षेत्र की एकरूपता में सुधार के लिए शीतलन तकनीकों का अध्ययन करने के लिए उपयोग किया जाता है (फोटो: सास्काचेवान विश्वविद्यालय)

ट्रेस स्पेसियल एन्कोडिंग के कार्यान्वयन के लिए आरएफ चरण ढाल कॉइल्स का एक द्वि-आयामी सेट (फोटो: सास्काचेवान विश्वविद्यालय)

एक रेफ्रिजरेटर चुंबक के योजनाबद्ध, चुंबकीय डोमेन की घुमावदार दिशा और एक तरफा चुंबकीय क्षेत्र जो वहां से उत्पादित होता है दिखा रहा है

स्थायी चुंबक के चार जोड़े से बना एक हैल्बैक सिलेंडर के चुंबकीय क्षेत्र का कंप्यूटर सिमुलेशन, प्रत्येक जोड़ी में अन्य जोड़े की तुलना में अलग चुंबकीय उन्मुखीकरण होते हैं (छवि: ज़्यूरिक्स)

कॉम्पैक्ट एमआरआई की कलाकार की अवधारणा लंबी अवधि की स्पेसफाइट (छवि: सास्काचेवान विश्वविद्यालय) का समर्थन करने के लिए विकसित की जा रही है।

एक तीन टेस्ला पारंपरिक एमआरआई स्कैनर, फिलिप्स द्वारा 3 टी अचीवा (फोटो: कसूगा हुआंग)

एमआरआई इमेजिंग के दौरान कमजोर आरएफ स्पिन-फ्लिप विकिरण की उत्पत्ति (छवि: ब्रायन डोडसन)

कनाडाई 2 आईएसएस (फोटो: नासा) के लिए मुख्य बाहरी हेरफेर हाथ है

आईएसएस पर एक एमआरआई इस तरह के पृथ्वी से जुड़े समकक्षों की तुलना में छोटा और हल्का होगा (फोटो: लेवेन कोनुक / शटरस्टॉक)

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