એમઆરઆઈ ટેકનોલોજી: ચુંબકીય ક્ષેત્ર અને રેડિયો તરંગો વડે માનવ શરીરની આંતરિક રચનાનું ઈમેપિંગ

મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ ઈમેજિંગ (Magnetic Resonance Imaging - MRI) એ રેડિયોલોજી ક્ષેત્રે વપરાતી એક અત્યાધુનિક તબીબી ઈમેજિંગ ટેકનિક છે, જે શરીરના આંતરિક અંગો અને શારીરિક પ્રક્રિયાઓની અત્યંત સ્પષ્ટ છબીઓ ઉત્પન્ન કરે છે. આ સિસ્ટમ શક્તિશાળી ચુંબકીય ક્ષેત્ર (magnetic field), મેગ્નેટિક ફીલ્ડ ગ્રેડિએન્ટ અને રેડિયો તરંગોનો ઉપયોગ કરીને માનવ શરીરના અંગોના ચિત્રો તૈયાર કરે છે.

એમઆરઆઈની સૌથી મોટી ખાસિયત એ છે કે તેમાં એક્સ-રે કે હાનિકારક આયનાઇઝિંગ વિકિરણો (ionizing radiation) નો બિલકુલ ઉપયોગ થતો નથી. આ બાબત તેને કમ્પ્યુટેડ ટોમોગ્રાફી (Computed Tomography - CT) અને પોઝિટ્રોન એમિશન ટોમોગ્રાફી (Positron Emission Tomography - PET) સ્કેનથી સંપૂર્ણપણે અલગ પાડે છે. મૂળભૂત રીતે એમઆરઆઈ એ ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ (Nuclear Magnetic Resonance - NMR) નું એક તબીબી એપ્લિકેશન છે.

૧૯૭૦ના દાયકાની શરૂઆતમાં આર. દમાડિયન, સી.એફ. હેઝલવુડ અને ડી.સી. ચાંગ નામના વિજ્ઞાનીઓએ સાબિત કર્યું કે એનએમઆર રિલેક્સેશન ટાઇમનો ઉપયોગ કરીને શરીરમાં કેન્સરની હાજરી શોધી શકાય છે. તે પછી ટૂંક સમયમાં પી.સી. લૌટરબરે ૨D સમતલમાં ઈમેજ બનાવવા માટે મેગ્નેટિક ફીલ્ડ ગ્રેડિએન્ટ વાપરવાનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો હતો.

શરૂઆતમાં આ ટેકનોલોજીને ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ ઈમેજિંગ (NMRI) કહેવામાં આવતી હતી. પરંતુ 'ન્યુક્લિયર' શબ્દથી સામાન્ય લોકોમાં પરમાણુ બોમ્બ કે વિકિરણનો ડર ન ફેલાય તે માટે પાછળથી તે શબ્દ હટાવીને માત્ર 'એમઆરઆઈ' નામ રાખવામાં આવ્યું હતું. આજના સમયે વિશ્વભરની હોસ્પિટલોમાં આશરે ૫૦,૦૦૦ જેટલા એમઆરઆઈ સ્કેનર વપરાશમાં છે.

એમઆરઆઈનું મૂળ સિદ્ધાંત માનવ શરીરમાં રહેલા પાણી અને ચરબીના અણુઓ પર આધારિત છે. માનવ શરીરમાં હાઇડ્રોજન પરમાણુઓ વિપુલ પ્રમાણમાં હોય છે, જેમાં માત્ર એક પ્રોટોન (proton) હોય છે. આ પ્રોટોન એક નાના ચુંબકની જેમ વર્તે છે. જ્યારે દર્દીને એમઆરઆઈ સ્કેનરમાં મૂકવામાં આવે છે, ત્યારે સ્કેનરનું મુખ્ય ચુંબક એક મજબૂત અને એકસમાન ચુંબકીય ક્ષેત્ર (B0) બનાવે છે, જેનાથી પ્રોટોન ચુંબકીય રેખા સાથે એકસરખી દિશામાં ગોઠવાય છે.

ત્યારબાદ, યોગ્ય રેઝોનન્સ ફ્રીક્વન્સી પર રેડિયો ફ્રીક્વન્સી (Radio Frequency - RF) પલ્સ આપતી વખતે આ પ્રોટોન ઊર્જા શોષી લે છે અને તેમની ચુંબકીય દિશા ૯૦ ડિગ્રી જેટલી નમી જાય છે. આરએફ પલ્સ બંધ થતાં જ પ્રોટોન પોતાની મૂળ સંતુલન સ્થિતિમાં પાછા ફરવા લાગે છે અને આ પ્રક્રિયા દરમિયાન તેઓ રેડિયો તરંગોના સ્વરૂપમાં ઊર્જા ઉત્સર્જિત કરે છે. નજીકમાં મૂકેલા એન્ટેના અથવા રિસીવિંગ કોઇલ્સ દ્વારા આ સિગ્નલો ઝીલી લેવામાં આવે છે.

આરએફ પલ્સ બંધ થયા પછી પ્રોટોન પોતાની સંતુલન સ્થિતિમાં પાછા ફરે તેને રિલેક્સેશન (relaxation) કહેવાય છે. આ રિલેક્સેશન બે સ્વતંત્ર પ્રક્રિયાઓ દ્વારા થાય છે: ટી૧ (T1 - સ્પિન-લેટિસ) અને ટી૨ (T2 - સ્પિન-સ્પિન). ટી૧ એ લોન્જિટ્યુડિનલ દિશામાં સ્થિરતા મેળવવાનો સમય છે, જ્યારે ટી૨ એ ટ્રાન્સવર્સ સમતલમાં સિગ્નલ શૂન્ય થવાનો સમય છે. આ બંને દરને R1 = 1/T1 અને R2 = 1/T2 તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે અને તેમનું વર્તન બ્લોચ સમીકરણો (Bloch equations) દ્વારા નક્કી થાય છે.

જુદી જુદી પેશીઓ (tissues) માં હાઇડ્રોજનના રાસાયણિક વાતાવરણ મુજબ T1 અને T2 સમય અલગ-અલગ હોય છે. ઉદાહરણ તરીકે, મગજનો કોર્ટેક્સ કે ચરબીયુક્ત ભાગ T1-વેઇટેડ ઈમેજમાં સ્પષ્ટ દેખાય છે, જ્યારે સોજો, બળતરા કે પ્રવાહી T2-વેઇટેડ ઈમેજમાં વધુ સચોટ દેખાય છે. સ્કેનરના સમય માપદંડો (TR અને TE) માં ફેરફાર કરીને ડોક્ટરો જરૂરિયાત મુજબના ઈમેજ કોન્ટ્રાસ્ટ મેળવે છે.

એમઆરઆઈ સ્કેનરના મુખ્ય ભાગોમાં મુખ્ય ચુંબક (Main magnet), શિમ કોઇલ્સ (Shim coils), ગ્રેડિએન્ટ સિસ્ટમ (Gradient coils) અને આરએફ સિસ્ટમનો સમાવેશ થાય છે. ગ્રેડિએન્ટ કોઇલ્સ ત્રણેય પરિમાણોમાં સ્થાન નક્કી કરવાનું કામ કરે છે. સ્કેનિંગ દરમિયાન આ કોઇલ્સ અત્યંત ઝડપથી ચાલુ-બંધ થાય છે, જેના લીધે મેગ્નેટોસ્ટ્રિક્શન (magnetostriction) ના કારણે એમઆરઆઈ મશીનમાંથી મોટો વિશિષ્ટ અવાજ ઉત્પન્ન થાય છે.

ચુંબકની ક્ષમતા ટેસ્લા (Tesla - T) એકમમાં માપવામાં આવે છે. મોટાભાગના ક્લિનિકલ સ્કેનર ૧.૫T ક્ષમતા ધરાવે છે, પરંતુ વધુ સ્પષ્ટ ઈમેજ માટે ૩T સિસ્ટમ શ્રેષ્ઠ માનવામાં આવે છે. સંશોધન ક્ષેત્રે ૯.૪T, ૧૦.૫T અને ૧૧.૭T સુધીના મશીનો વપરાય છે, જ્યારે ૧૪T ની યોજનાઓ ડિઝાઇન હેઠળ છે. મોટાભાગના ચુંબકો સુપરકન્ડક્ટિંગ મેગ્નેટ હોય છે જેને અતિ નીચા તાપમાને ઠંડા રાખવા માટે પ્રવાહી હિલિયમ (liquid helium) નો ઉપયોગ થાય છે.

જે દર્દીઓને બંધ જગ્યાનો ભય (claustrophobia) હોય તેમના માટે પરમનન્ટ મેગ્નેટ ધરાવતા "ઓપન" એમઆરઆઈ ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યા છે. આ ઉપરાંત, ૨૦૨૦ માં એફડીએ (FDA) દ્વારા પોર્ટેબલ એમઆરઆઈ સ્કેનરને પણ મંજૂરી આપવામાં આવી છે. તાજેતરમાં માઇક્રોટેસ્લાથી મિલિટેસ્લા રેન્જના અતિ-ઓછા ક્ષેત્રમાં SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરીને પણ એમઆરઆઈ શક્ય બન્યું છે.

સીટી સ્કેનની સરખામણીમાં એમઆરઆઈ મગજ અને કરોડરજ્જુ જેવા નરમ પેશીઓ (soft tissues) ના ઉત્કૃષ્ટ ચિત્રો આપે છે. ન્યુરોલોજીમાં મલ્ટિપલ સ્ક્લેરોસિસ, મેનિન્જાઇટિસ, અલ્ઝાઇમર, મગજના ટ્યુમર અને મિરગી (epilepsy) ના નિદાન માટે એમઆરઆઈ પ્રથમ પસંદગી છે. રેક્ટલ અને પ્રોસ્ટેટ કેન્સરના સ્ટેજિંગ માટે પણ તે અત્યંત ઉપયોગી છે.

મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ એન્જિયોગ્રાફી (Magnetic Resonance Angiography - MRA) નો ઉપયોગ કરીને શરીર અને મગજની રક્તવાહિનીઓનો અભ્યાસ થાય છે, જ્યારે ફંક્શનલ એમઆરઆઈ (fMRI) દ્વારા મગજની લોહીના પરિભ્રમણ આધારિત સક્રિયતા જાણી શકાય છે. મમી જેવા નિર્જીવ પદાર્થોના સ્કેનિંગ માટે પણ આ ટેકનોલોજી વપરાય છે.

આધુનિક સમયમાં આર્ટિફિશિયલ ઇન્ટેલિજન્સ (AI) અને ડીપ લર્નિંગના કારણે એમઆરઆઈની ઝડપમાં મોટો સુધારો થયો છે. ૨૦૧૮ માં Meta AI Research (FAIR) અને NYU Langone Health વચ્ચે શરૂ થયેલા fastMRI પ્રોજેક્ટે દર્શાવ્યું છે કે એઆઈ-આધારિત ઈમેજ રિકન્સ્ટ્રક્શનની મદદથી ઘૂંટણ અને મગજના સ્કેનિંગ સમયમાં ૪ ગણી ઝડપ મેળવી શકાય છે.