由於科技的進展，現在醫生為病人進行檢查時，只要透過一部機器，在人體外加磁場，記錄磁場對體內氫原子造成的影響，就能診斷病人，這就是磁共振造影（MRI）的基礎概念。由於人體的組成元素中，總數最多的是氫原子，包括脂肪、蛋白質以及在人體內佔了70%的水都含有氫原子，因此，如果把體內原子想像成駐守在身體各處的情報員，那麼氫原子提供的信號，例如氫的分佈密度等，絕對多過碳、磷、鈉等原子。磁共振造影儀便是一種專門用來激發、偵測單一種原子核訊號的儀器，醫療應用時都是偵測氫原子，原因就在於人體內氫原子數量多，提供的訊號強，雜訊干擾相對較少，以致得到的影像比較清晰，具參考價值。
磁共振造影儀以超導體無電阻線圈環繞成的迴路，產生大小約地球磁場三萬倍的超導主磁場，再透過各種不同作用的線圈產生磁場與電流，偵測氫原子的運動情形與分佈。（電腦繪圖：姚裕評；影像來源：徐英豪）
MRI如何激發、偵測氫原子呢？氫原子核是單一質子，它會自旋，即如同自轉般的運動。由於質子帶正電，它的自旋會產生磁場（電磁效應），使得每個質子都像個小磁鐵一樣（見下圖左）。小磁鐵的旋轉方向與速度會受到附近的強大磁場影響，而磁共振造影儀就是利用了這項特性。
質子立正站好！
台灣大學電機系教授鍾孝文指出，磁共振造影首先要讓人體帶有微弱的磁性，再來是讓質子運動，並接收質子運動所產生的訊號，在此同時也需要將訊號產生的空間位置做編碼，來形成影像。
進行磁共振造影時，受測者會被送進中間中空的MRI裡，接著人體會被磁化成帶微量磁性的個體。MRI可看做一個巨大的磁鐵，裡頭有以超導體無電阻線圈環繞而成的迴路，產生大小約地球磁場三萬倍的超強「主磁場」，使受測者體內排列不規則的氫原子核將磁軸轉向與主磁場呈近似水平的方向排列，有的與主磁場同向，有的反向（見下圖右）。鍾孝文表示，根據統計力學的研究，同向排列會比反向排列多，但每100萬個氫原子中，同向只比反向多5~6個，因此人體不會因為質子規則排列而變成強大磁鐵。
人體內氫原子的原子核（質子）會自旋而產生磁場，磁場排列不規則的氫原子核（圖左），若受到外加主磁場B 影響，會使得氫原子核的磁軸轉向與主磁場近似水平的方向排列（圖右）。（電腦繪圖：姚裕評）
質子運動洩天機
接下來就要利用19世紀物理學家法拉第觀測到的「磁生電」現象偵測氫原子。法拉第發現，當磁鐵通過一個封閉金屬線圈時，線圈上會產生感應電流，如果MRI讓氫原子核這個小磁鐵運動，外界的封閉線圈就會產生感應電流，進而偵測到氫原子的訊號。
MRI內有一射頻發射器（radiofrequency, RF），負責提供磁力讓質子運動。射頻發射器是以交流電製造出旋轉磁場，磁力方向不斷改變，但始終與主磁場垂直，經由激發質子，會出現旋進運動，即質子自轉軸又繞著另一軸旋轉。掌握質子的運動軌跡後，只要在外界置放感應線圈，就可以由感應電流偵測到氫原子。
經過射頻發射器激發之後，每個氫原子的旋轉頻率都與主磁場成正比，主磁場強度固定，因此可加一個和主磁場方向平行但磁場大小隨位置改變的梯度磁場，就可讓每一個氫原子核所造成的感應電流隨位置改變，並偵測出是哪個位置的氫原子所造成的感應電流。一般而言，通常是將人體分成許多切面，接收該切面的訊號後，再運用電腦做空間位置的解碼計算，就可繪出切面上的氫原子分佈圖。MRI的三維圖像，便是由很多張切面圖像所構成，當二維影像看不清楚時，如檢測較細微的血管，就可以使用三維影像來呈現。
