如果你看美劇《豪斯醫生》，對MRI這個詞一定感到很熟悉，在豪斯的診斷中幾乎是必不可少的環節。那麼什麼是MRI，它又是怎樣工作的呢？
因爲工作的關係，我曾經接觸過MRI一段時間，簡單查閱過一些文獻。在這裏，我想從一個外行的角度，對MRI做一些形象的描述。
MRI的全稱是Magnetic Resonance Imaging，即磁共振成像，它在醫學上的應用有些類似於CT和X光。MRI設備對人體的某些部位（如大腦等），進行掃描，得到氫原子核H在組織中的密度分佈。不同的組織，水的含量也是不同的，病變的組織的水含量又與正常的組織不同，通過對比，來了解組織的狀況，以作爲診斷的重要依據。
那麼MRI設備是怎麼得到人體內部的氫原子的含量呢，當然就像它的名字那樣，通過核磁共振，本來這種成像方式應該成爲核磁共振成像，爲了消除病人的恐懼，去掉了裏面的“核”字。
氫原子覈實際上就是一個帶電的質子，原子核繞其中心旋轉，我們可以認爲在原子核上產生了電流，這個環形的電流就使原子核產生了磁場。可以將H原子核看成類似於地球，具有南北磁極，同時也在不停地繞自身旋轉（自旋）。
將 這個小地球放入一個更強的磁場時，由於自轉方向與磁場力方向不同，原子核在自轉的同時，將繞着磁場方向公轉，這種現象叫進動。磁場強度不同，進動的情況也 不同。 實際上由於組織內部分子的熱運動，只有極少部分的氫原子核能夠發生這種進度，但正是這極少數的原子核纔是磁共振成像成爲可能。當然磁場的強度越高，發生進 度的原子核越多，對成像也越有利。
我 們知道，電磁波也是有能量的，當用電磁波作用於發生進動的原子核時，原子核吸收電磁波的能量，進動的形式會發生變化。不過，由於原子核的量子特性，原子核 的能量並不是平滑變化，而是會在特定的能級間跳躍，所以只有特定頻率的電磁波纔會被原子核吸收，發生能量的躍遷，也就是核磁共振。用來激發核磁共振的電磁 波的頻率很高，屬於射頻範圍。磁場強度不同，氫原子核的進動就不同，吸收的電磁波的頻率也就不同。
處 於較高能級的原子核是不穩定的，在激發電磁波取消後，它會重新回到低能量狀態，同時將能量仍以電磁波的形式釋放出來，發射電磁波的頻率同激發的頻率是一致 的。釋放能量的原子核越多，產生的電磁波的強度也越高。通過檢測設備，我們就可以將這個釋放的電磁波檢測出來，根據這個電磁波的性質，我們就可以判斷出氫 原子核的相對密度。
到這裏我們應該很清楚了，要測出組織內的氫原子核的密度，需要一個很強的磁場，一個射頻發射裝置，一個射頻檢測裝置，當然還要有相應的控制裝置，計算機軟 件處理等。但這還是不夠的，在這種情況下如果將一個組織放入其中掃描，由於磁場是均勻的，組織內每一處的氫原則核都發生進動，在射頻下都共振，檢測出來的 信號也是全體組織的，將整個腦袋放進去也就是一個大亮點而已。
解決的方法是，在主磁場的基礎上，再疊加一個空間上均勻變化的磁場（稱爲梯度場），使組織內不同位置的氫原子核的進動情況都不同，然後用不同頻率的射頻分別激勵，各個位置的原子核依次響應，放射出不同頻率的電磁波，空間上的差異就檢測出來了。
通 常在醫院看到的MRI設備是下面這樣的，一個大圓筒和一個病人躺的工作臺。你肯定能猜到這個大圓筒是幹什麼的了。沒錯，它就是一個超級大磁鐵。可以產生磁 場的方法無外乎兩種，永久性的磁鐵和電磁效應產生磁場。永久性的磁鐵磁場 弱，而且又大又沉，一般用在低端設備上，場強低於0.3特斯拉。而更高場強的設備只能用電來驅動。但較高的場強，不僅需要很大的功率，線圈的散熱也很成問 題。
現在最多的是通過超導體產生的永磁場。比如圖中這臺GE的MRI，場強爲3特斯拉，而地球磁場的強度僅僅爲0.000005特斯拉。
超導需要極低的溫度，因此MRI的勵磁線圈浸泡在液態氦中，溫度爲4.2K，在線圈中通電後，切斷電源，電流就在線圈中永無休止，永不衰減地流動，並且產 生強大的磁場。人們早就發現了在更高溫度下具有超導性的材料，爲什麼還要還用這麼低的溫度呢？原來，大部分超導材料在較強的磁場作用下都會失去超導性，直 到1970年代，人們才發現了可以在強磁場中工作的超導體。
超導線圈要放在液氦中，而盛放液氦的容器與環境總是存在一些熱交換，會導致液氦不斷蒸發。爲了減少液氦的消耗，盛放液氦的容器又放在液氮中，液氮的溫度 77K比液氦高，但比室溫又低多了，液氦與環境的溫度差降低，蒸發量也就下降了。當然，液氮也會不斷蒸發，但它的價格比較便宜。
前面提到，需要一個空間上變化的磁場，來確定成像的位置信息。這個就是梯度磁場，梯度磁場是用普通線圈通過電磁效應產生的，強度要遠小於主磁場。在快速成 像中，梯度磁場實際上是變化的，這引起金屬器件受力變化，產生變形，這是噪聲的主要來源。梯度磁場的線圈位於主磁場的內側，更靠近圓筒內壁的地方。
射頻線圈的形式多種多樣。用於大腦成像的射頻線圈一般是圓筒形，掃描時套在頭部。由於射頻的發射和接受在時間上是分開的，所以可以用一個線圈同時充當發射 線圈和接受線圈，在兩種模式下交替工作。也可以用兩個獨立的線圈。射頻信號被線圈接受後，經過複雜的計算機處理，生產影像。
MRI的主要缺點是，病人被限制在一個狹小的空間裏，掃描的部位要一動不動，病人體驗不夠好。也有一些是開放式的結構，不過一般場強較低，能力有限。
參考資料：關於低溫的概念、技術和應用
黃繼英 樑星原：磁共振成像原理