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अनआयनकारी इमेजिंग

अल्ट्रासाउंड, एंडोस्कोप और MRI से डॉक्टर बिना X-किरण या गामा किरण के शरीर के अंदर देखते हैं, इसलिए आयनन से नुक़सान नहीं होता। अल्ट्रासाउंड में पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रोब 1–15 MHz की छोटी पल्स भेजता है; सीमाओं से गूँज लौटती है। गहराई = c t ÷ 2 और परावर्तित भाग ध्वनिक प्रतिबाधा Z = ρc पर निर्भर है: R = (Z₂ − Z₁)² ÷ (Z₂ + Z₁)²। जेल हवा हटाता है जो लगभग सब कुछ लौटा देती। एंडोस्कोप में प्रकाशीय तंतु हैं: प्रकाश पूर्ण आंतरिक परावर्तन से कोर में रहता है। अव्यवस्थित गुच्छा रोशनी अंदर ले जाता है; व्यवस्थित गुच्छा चित्र बाहर लाता है। MRI में तेज़ चुंबकीय क्षेत्र हाइड्रोजन नाभिकों को सीध में लाता है, वे लार्मर आवृत्ति पर पुरस्सरण करते हैं; रेडियो पल्स उन्हें झुकाती है और लौटते समय वे जो रेडियो संकेत देते हैं उससे कोमल ऊतकों का बारीक चित्र बनता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. प्रोब अल्ट्रासाउंड की छोटी बीप भेजता है। हर सीमा से कुछ ध्वनि लौटती है।
  2. गूँज का समय नापो। गहराई = चाल × समय ÷ 2, क्योंकि ध्वनि जाती है और लौटती है।
  3. काँच के तंतु में प्रकाश दीवार से बड़े कोण पर टकराकर हर बार लौटता है। कुछ बाहर नहीं निकलता।
  4. एंडोस्कोप में दो गुच्छे: एक रोशनी अंदर ले जाता है, एक चित्र वापस लाता है।
  5. MRI चुंबक में प्रोटॉन लट्टू की तरह घूमते हैं। रेडियो पल्स उन्हें झुकाती है; वे संकेत लौटाते हैं।
  6. अब तुम: सीमा और गहराई चुनो। पढ़ो कितना लौटा और कब।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

हर सीमा परावर्तित करती है तो इतनी परतें कैसे दिखती हैं?

कोमल ऊतकों की सीमाएँ केवल लगभग 1% लौटाती हैं, बाक़ी पल्स आगे जाकर गहरी परतों से भी गूँज देती है।

समय को 2 से क्यों भाग देते हैं?

नापा गया समय पल्स के सीमा तक जाने और लौटने का है। नीचे की दूरी कुल रास्ते की आधी है।

मुड़े तंतु से प्रकाश बाहर क्यों नहीं निकलता?

जब तक दीवार पर कोण क्रांतिक कोण से बड़ा है, प्रकाश पूरा लौटता है। बहुत तीखा मोड़ प्रकाश को बाहर निकाल सकता है।

रोशनी और चित्र के लिए एक ही गुच्छा क्यों नहीं?

चित्र वाले तंतु सावधानी से क्रम में होने चाहिए; रोशनी सस्ते अव्यवस्थित तंतुओं से जा सकती है। अलग रखने से चित्र में चौंध भी नहीं आती।

क्या MRI चुंबक ख़तरनाक है?

क्षेत्र ऊतकों के लिए हानिरहित है, पर लोहे की चीज़ों को ज़ोर से खींचता है और कुछ इम्प्लांट पर असर डालता है, इसलिए पहले धातु जाँची जाती है।

जेल इतना ज़रूरी क्यों?

हवा और त्वचा के Z में बहुत बड़ा अंतर है, तो हवा की परत पर लगभग 100% अल्ट्रासाउंड लौट जाता। आख़िरी चरण में जेल → हवा चुनकर देखो।

अल्ट्रासाउंड इमेजिंग

अल्ट्रासाउंड 20 kHz से ऊपर की ध्वनि है। चिकित्सा में लगभग 1–15 MHz। ऊँची आवृत्ति से बारीक विवरण मिलता है (छोटी तरंगदैर्ध्य), पर वह जल्दी अवशोषित होती है, इसलिए गहराई कम।

पीज़ोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर

पीज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल पर वोल्टता लगाने से उसका आकार बदलता है, और दबाने पर वह वोल्टता बनाता है। छोटी वोल्टता पल्स से वह कंपन कर अल्ट्रासाउंड पल्स भेजता है। पल्सों के बीच वही क्रिस्टल रिसीवर बनकर लौटी गूँज को वोल्टता में बदलता है। पीछे लगा ब्लॉक कंपन जल्दी रोकता है ताकि पल्स छोटी रहे।

ध्वनिक प्रतिबाधा और परावर्तन

ध्वनिक प्रतिबाधा Z = ρc (घनत्व × ध्वनि की चाल), इकाई kg m⁻² s⁻¹। सीमा पर परावर्तित तीव्रता का भाग:

R = I_r ÷ I₀ = (Z₂ − Z₁)² ÷ (Z₂ + Z₁)²

Z में बड़ा अंतर = तेज़ परावर्तन। कोमल ऊतक से कोमल ऊतक पर केवल लगभग 1% लौटता है, इसलिए ज़्यादातर ध्वनि आगे जाकर गहरी परतें दिखाती है। हवा लगभग 100% लौटा देती है — इसीलिए त्वचा पर जेल (Z त्वचा के क़रीब) लगाते हैं। हड्डी बहुत परावर्तित और अवशोषित करती है, उसके पीछे देखना कठिन है।

A-स्कैन और B-स्कैन

लाभ: आयनकारी विकिरण नहीं, सस्ता, ले जाने योग्य, तुरंत (real-time)। सीमाएँ: हवा (फेफड़े, आँत की गैस) और हड्डी के पार ठीक नहीं; विवरण तरंगदैर्ध्य से सीमित।

प्रकाशीय तंतु और एंडोस्कोपी

प्रकाशीय तंतु (optical fibre) में ऊँचे अपवर्तनांक का काँच का कोर और उसके चारों ओर कम अपवर्तनांक का आवरण (cladding) होता है। कोर-आवरण सीमा पर क्रांतिक कोण c से बड़े कोण पर टकराया प्रकाश पूरा लौटता है: पूर्ण आंतरिक परावर्तन (TIR)। sin c = n₂ ÷ n₁। आवरण कोर की सतह बचाता है और प्रकाश को छूते तंतु में जाने से रोकता है।

एंडोस्कोप शरीर में डाली जाने वाली पतली लचीली नली है। इसमें:

चुंबकीय अनुनाद (MR) स्कैनर

शरीर ज़्यादातर पानी है, जिसमें बहुत से हाइड्रोजन नाभिक (प्रोटॉन) हैं। हर प्रोटॉन घूमता है और छोटे चुंबक जैसा है।

  1. अतिचालक चुंबक तेज़, एकसमान क्षेत्र (लगभग 1.5–3 T) बनाता है। प्रोटॉन उसकी दिशा में या उल्टे सीध में आते हैं और लार्मर आवृत्ति पर पुरस्सरण (precession, क्षेत्र के चारों ओर डगमगाना) करते हैं — लगभग 42.6 MHz प्रति टेस्ला (1.5 T पर 64 MHz)।
  2. ठीक उसी आवृत्ति की रेडियो तरंग की पल्स भेजी जाती है। प्रोटॉन उसे सोखते हैं (अनुनाद) और झुक जाते हैं।
  3. पल्स रुकने पर प्रोटॉन शिथिल (relax) होकर लौटते हैं और रेडियो तरंगें देते हैं, जिन्हें कुंडलियाँ पकड़ती हैं। अलग ऊतक अलग गति से लौटते हैं, इसलिए अलग दिखते हैं।
  4. ग्रेडिएंट कुंडलियाँ हर बिंदु पर क्षेत्र थोड़ा अलग करती हैं, तो आवृत्ति से पता चलता है संकेत कहाँ से आया। कंप्यूटर स्लाइस और 3D चित्र बनाता है।

लाभ: आयनकारी विकिरण नहीं; कोमल ऊतक (दिमाग़, मेरुरज्जु, जोड़) का शानदार विवरण; किसी भी कोण की स्लाइस। सीमाएँ: महँगा, धीमा, शोर वाला, रोगी स्थिर रहे; कुछ धातु इम्प्लांट या पेसमेकर वालों के लिए नहीं।

खुद करो: गूँज का समय नापो

किसी ऊँची दीवार से लगभग 50 m दूर खड़े होकर ताली बजाओ। एक दोस्त स्टॉपवॉच से ताली से गूँज तक का समय नापे। v = 340 m s⁻¹ लेकर d = v t ÷ 2 से दूरी निकालो और क़दम गिनकर जाँचो। यही हाथों वाला A-स्कैन है! तंतु के लिए: पानी भरी पारदर्शी बोतल में नीचे छेद करो और पीछे से टॉर्च डालो; गिरती धार के अंदर प्रकाश TIR से बँधा रहता है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. पल्स के 65 µs बाद गूँज लौटती है। c = 1540 m s⁻¹। सीमा कितनी गहरी है?

d = 1540 × 65 × 10⁻⁶ ÷ 2 = 0.050 m = 5.0 cm।

2. मांसपेशी: ρ = 1075 kg m⁻³, c = 1590 m s⁻¹। Z निकालो।

Z = 1075 × 1590 = 1.71 × 10⁶ kg m⁻² s⁻¹।

3. वसा (Z = 1.38 × 10⁶) से मांसपेशी (Z = 1.70 × 10⁶) सीमा पर परावर्तित भाग?

R = (0.32)² ÷ (3.08)² = 0.1024 ÷ 9.49 = 0.011, लगभग 1.1%।

4. जेल क्यों चाहिए? हवा Z = 430, त्वचा Z = 1.7 × 10⁶।

R ≈ 0.999। लगभग पूरी ध्वनि त्वचा से लौट जाती। जेल का Z त्वचा के क़रीब है, तो कम लौटता है।

5. तंतु का कोर n = 1.52, आवरण n = 1.40। क्रांतिक कोण?

sin c = 1.40 ÷ 1.52 = 0.921, c = 67°।

6. 3.0 T स्कैनर में प्रोटॉन की लार्मर आवृत्ति?

f = 42.6 MHz × 3.0 = 128 MHz (रेडियो तरंग)।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. चिकित्सा अल्ट्रासाउंड की सामान्य आवृत्ति:
2. जेल इसलिए लगाते हैं क्योंकि:
3. एंडोस्कोप में चित्र कौन लाता है?
4. MRI संकेत मुख्यतः किससे आते हैं?
5. B-स्कैन गूँज को दिखाता है:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

अनआयनकारी इमेजिंग क्या है?

ऐसी इमेजिंग जो X-किरण या गामा किरण की जगह ध्वनि, दृश्य प्रकाश या रेडियो तरंगें और चुंबकीय क्षेत्र उपयोग करती है, इसलिए शरीर के परमाणुओं का आयनन नहीं करती।

गर्भावस्था में अल्ट्रासाउंड सुरक्षित क्यों है?

यह कम तीव्रता की यांत्रिक तरंग है, आयनकारी विकिरण नहीं, इसलिए DNA को नुक़सान नहीं पहुँचाती।

A-स्कैन और B-स्कैन में क्या अंतर है?

A-स्कैन एक रेखा में गूँज की तीव्रता बनाम समय दिखाकर गहराई नापता है। B-स्कैन गूँज को चमकीले बिंदु बनाकर 2D चित्र बनाता है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

इंग्लैंडYear 133.10 Medical physics

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