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원자핵은 평소에는 자유자재로 각 방향을 축으로 회전운동을 하고 있다. 그러나 일단 강한 자기장에 놓이면 그 자기장의 방향과 평행하게 회전축이 정렬되는데 완전히 일치하지는 않고 약간의 경사각을 갖는 세차운동(precession)이 일어난다. 이 세차운동의 속도는 자기장의 세기와 밀접한 관계가 있어 자기장이 셀수록 빠르게 된다.

또한 같은 세기의 자기장에서 세차운동의 속도(주파수)는 원자핵에 따라 고유 수치를 가지게 된다. 이렇게 자화(磁化)되어 있는 원자핵에 고주파를 가하면 그 에너지를 흡수해 고에너지 상태가 되었다가, 다시 고주파를 끊으면 흡수했던 에너지를 방출하면서 원래의 상태로 돌아가게 된다. 이때 방출되는 에너지는 가했던 고주파와 똑같은 형태의 고주파를 방출하는 공명현상이 일어난다. 이렇게 원자핵이 고유하게 방출하는 고주파를 예민한 안테나로 모아서 컴퓨터로 영상화한 것이 MRI이다(→ 자기공명).

이러한 핵자기공명 현상은 원자번호가 홀수인 원자에서만 일어나는데 현재 임상적으로 쓰이는 MRI는 인체에서 가장 많은 홀수번호 원소인 수소(H：원자번호 1)를 이용한 것이다. 또한 나트륨·인·요오드·질소를 이용한 MRI도 가능하며 실제로 연구가 활발하게 진행되고 있으나 아직 실험단계이다. MRI의 영상을 나타내는 용어는 다음과 같다.

T₁강조영상(T1 weighted image)이란 조직간의 T₁이 서로 다른 데 따른 신호강도의 차이를 강조한 영상이다. T₁이란 종축이완시간(longitudinal relaxation time)으로서 고주파를 가한 후 원래의 축으로 돌아가는 데 걸리는 시간을 의미하며, 고주파를 반복해서 가하는 시간 사이의 간격인 반복시간(repetition time/RT)이 짧을수록 강조되어 나타난다. T₂강조영상이란 T₂에 의한 조직간의 서로 다른 신호강도의 차이를 강조한 영상이다. T₂란 횡축이완시간(transverse relaxation time)으로서 고주파를 가한 후 수소 원자들이 서로 부딪치면서 원래의 축과는 다른 방향으로 돌아가는 데 걸리는 시간을 말하며, 반복시간이 길수록 강조되어 나타난다. T₁강조영상에서는 물은 검정색(신호강도가 낮음)으로 보이고, 지방이나 단백질 등은 농도의 차이에 따라 다르지만 회색 또는 흰색(신호강도가 높음)으로 보인다. T₂강조영상에서는 물이 반대로 흰색으로 보이고 지방이나 단백질은 그보다 어두운 색으로 보인다.