磁共振（Nuclear Magnetic Resonance），但当时正处于美苏冷战时期，很多人谈“核（nuclear）”色变，因此美国放射学会推荐把NMR成像技术改为MRI成像技术。NMR比MRI更能很好的解释磁共振，因为磁共振产生的条件就是核、磁、共振，下面我们就来介绍一下MRI的产生条件。射频（RF）是射频电流，是一种高频交流变化电磁波的简称，它可以在空气中传播，具有远距离传输的能力，我们把这种具有远距离传输能力的高频电磁波所产生的电场称为射频场，提供射频场的就是核磁机器。虽然我们看到CT和MRI图像时都是黑白不同灰度的图像，但它们的成像基础是不同的。CT成像的基础为密度，根据不同组织间密度的差异进行成像，而MRI成像的基础是频率，根据不同组织间频率的差异进行成像。下面我们通过两个公式来了解一下：第一个公式就是拉莫（Lamor）定律，其中W为频率，γ为原子核的磁旋比，是一个固定的常数，B为原子核所处的磁场（包括主磁场和质子所处的微观环境）。那么影响机体内原子核频率的就是原子核所处的磁场（B），不同组织B不同，所以W不同，所以成像不同。
举个例子：在同样的主磁场中（如0.35 T、0.5 T、1.5 T等），由于水和脂肪所处的微环境（B）不同，因此水和脂肪的进动频率也不同，因此我们可以在图像上区分出水和脂肪的信号。（下期会解释为什么不同的组织B不同）
再比如：现在常用的核磁机器有0.35 T、0.5 T和1.5 T，高场强能增大质子的频率差异，从而提高分辨率，可以明显增加物质区分能力。但并不意味着追求高的外磁场可以获得更好的核磁图像。（之后内容会分析优缺点）
第二个公式代表共振，Wrf为射频频率（机器提供），W0为体内原子核的进动频率（Lamor）。只有当射频频率与体内原子进动频率一致时才能发生共振。因此，对于磁共振产生的条件总结为一句话就是：“有核有磁有共振，射频拉莫两相等”。问：知道了磁共振产生的条件后，我们可以思考一个问题，磁共振有辐射吗？
答：根据前面所提到的条件，磁共振的原理就是一个人为制造的磁场，然后经过射频脉冲（RF）激发、采集、转换信号，最终得到图像。
所以在进行核磁检查的时候，机体原子核受射频激发共振，这种射频是有辐射的，但这种辐射相当于手机的辐射。因此核磁共振有辐射，只不过这种辐射是一种非电离辐射，这类辐射造成的损伤可以忽略不计。而X线片和CT检查都是使用X射线进行成像，当X射线穿透机体时，与体内物质作用产生"次级粒子"，使物质电离，产生电离辐射。过量的X线照射可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。
首先我们要知道并不是所有的元素（原子核）都能发生共振，只有磁性原子核能够发生共振。原子核由质子、中子及电子组成，磁性原子核就是核内质子数和中子数为奇数，这样才能自施旋产生磁场。如下图 机体内磁性原子核的元素众多，我们选择的标准为，体内浓度高、分布广、磁化率高（原子核与磁场间的相互影响）。通过下表可以看出，1H在机体内摩尔浓度最高，且机体内60%以上都是H2O，体内分布广泛，相对磁化率高。
因此MRI信号主要通过1H原子共振产生，由于它的中子数为0，质子数为1，所以也称为氢质子。在体内氢质子含量最多的组织就是水（H2O）和脂肪（-CH3），故水和脂肪是体内主要的信号来源。
如何区分水和脂肪？上期我们在讲解Lamor定律时简单提到主要是因为水和脂肪所处的微环境不同，水周围都是水，而脂肪周围都是脂肪，W=γB中的B不同，因此水和脂肪的W（进动频率）也不同。水和脂肪之间的差异为3.5 ppm，这里的ppm并不是一个单位，它代表为百万分之3.5，磁共振机器也是通过测量水和脂肪之间微小的差异来进行成像。
不含氢质子的组织不会产生信号，我们在图像上就会看到呈无信号的黑色，如额窦内的气体，及氢质子含量极低的骨皮质在图像上呈低信号黑色。
2 1H的物理行为
有了“核”，我们来了解一下氢质子的物理行为。上文提到氢质子只有一个质子，带有1个单位的正电荷，带电荷的氢质子自旋产生类似环形电流，可以想象为地球的自转。根据右手螺旋原则，顺着旋转方向拇指会指向氢质子小磁场的方向，我们称单个氢质子所产生的的磁场强度为微观磁化矢量，矢量的长度表示磁场的大小，方向表示磁场的方向，如下示意图。 体内氢质子的数量庞大，自由状态下氢质子在体内随机分布。每一个氢质子自旋都产生一个微观磁化矢量，为了更好的理解，可以简单的看作有多少向上的矢量就有多少向下的矢量，有多少左自旋的矢量就有多少右自旋的矢量。宏观来看，这些随机分布的磁场互相抵消，总磁化矢量为0。
3 思考题
答：我们无法测量每个氢质子的磁化矢量，但如果让这些杂乱无章的氢质子的微观磁化矢量朝向一个方向，大小叠加就可以进行测量。 怎么才能实现？我们日常中都用过指南针，在地磁的作用下指向N极和S极，如果给这些氢质子一个磁场是不是也可以使体内所有氢质子的磁化矢量朝向一个方向。所以，下面我们将通过介绍磁共振成像条件中的“磁”，解释磁化矢量的测量。测量磁场的单位是高斯（G）和特斯拉（T），其中标准国际单位是特斯拉。地磁的磁场强度约为5x10-5 T，指南针的磁化率远远高于体内氢质子的磁化率，因此地磁并不能影响体内的氢质子。那么我们需要一个比地磁场强更强的磁场，也就是磁共振机器的主磁体，常用的主磁体强度有0.35 T、0.5 T、1T、1.5 T、3 T，为地表磁场强度的几万倍。体内随机分布的氢质子在主磁场中会发生两件事情，即氢质子磁场方向改变，并使这些氢质子发生进动。在主磁场的作用下，体内氢质子的小磁场就会受外加磁场的影响。体内氢质子的自旋有的沿顺时针，有的沿逆时针方向运动，因此每个氢质子产生的微观磁化矢量与主磁场（B0）方向一致或相反。能量低（低能级）的氢质子与主磁场（B0）方向一致，能量高（高能级）的氢质子与主磁场方向相反，且低能级的氢质子数量要比高能级的氢质子数量多，而我们所得到的信号就是由这部分多出来的氢质子形成的，称为净磁化矢量（M0）。这一现象可以想象为一根弹簧在正常状态下处于平衡状态，处于外磁场时就像用力拉开弹簧，使弹簧产生势能，且方向与主磁场（B0）方向平行。这些低能级的氢质子比高能级的氢质子多多少呢？在9.4 T的外磁场下，低能级氢质子仅比高能级氢质子多0.031%，且随着外加磁场强度的增加，能量差越大，因此场强越高核磁共振信噪比越高（即信号与噪声的比例）。
氢质子在主磁场的影响下，除了自旋外还会围绕外磁场的方向进行旋转，类似于陀螺运动的方式，我们将这种运动方式称为进动。就像地球围绕太阳进行自转和公转一样，氢质子围绕主磁场进行自转和公转，公转的频率称为进动频率，自转的频率称为自旋频率，进动频率＜自旋频率。
这又要用到Lamor方程，氢质子进动频率W0=γ x B0，W0为进动频率，γ为氢质子的磁旋比，B0为主磁场强度，当主磁场强度为1 T时，氢质子的进动频率为42.57 MHz，即4257 万转/s，故进动频率又称为Lamor频率。前文提到高能级的氢质子磁场方向与主磁场方向相反，低能级氢质子磁场方向与主磁场方向一致，且低能级氢质子稍多于高能级氢质子，机体会产生一个平行于主磁场方向（z轴）的宏观纵磁化矢量（M0），而垂直与主磁场的平面（x、y轴），由于氢质子进动的相位不同不产生宏观磁化矢量，该坐标称为笛卡尔坐标。
- 质子密度：质子密度越高，与主磁场同向的质子总数增加（磁化率不变）
- 铁磁性：磁化率高，置于磁场时，内部场强远大于外部场强，如铁、镍、钴、磁铁及动物身上如芯片、外科植入物、子弹、起搏器等。
- 顺磁性：指含有一些离子的物质，且这些离子带有不成对的电子。如Fe、Mg、Gd等金属离子，磁化率远小于铁磁性物质，但可被MRI仪器识别。
- 超顺磁性：由散在的单个元素构成的物质，具有铁磁性物质的特性，磁化率介于铁磁性和顺磁性物质之间，其中一些可作为MRI中的造影剂，如超顺磁性铁颗粒。
- 抗磁性：带有成对电子的物质，但置于强外磁场时，会略微排斥磁场，导致负磁化率，如水和多数生物组织。
我们通过主磁场使机体内氢质子的磁化矢量大小叠加、方向与主磁场方向平行，但相比于主磁场的大小，机体内氢质子的宏观纵向磁化矢量非常微弱，无法直接测量。我们需要改变宏观磁化矢量的方向，与主磁场不同后才能探测宏观磁化矢量。如何改变宏观磁化矢量的方向？下面我们将介绍磁共振成像条件中的“共振”。共振的定义是指两个振动频率相同的物体，当一个发生振动时，会引起另一个物体振动的现象。例如，两个频率相同的音叉靠近，其中一个振动发声时，另一个也会发声。还记得我们第一期介绍磁共振产生的第二个条件：射频拉莫两相等，说的就是同一个道理。用与氢质子进动频率（Larmor）相同频率的射频脉冲激发进动中的氢质子，就产生了核磁共振现象。
射频脉冲在磁共振成像过程中发挥着非常重要的作用，其本质是一定频率的电磁波。在磁共振现象中具有两个作用：一是低能级的氢质子吸收射频脉冲的能量跃迁到高能级；二是射频脉冲射频磁场的磁化作用，能够将进动的氢质子方向与射频磁场的方向逐渐趋向一致，变为同步、同速运动，即“同相位”运动。
当射频频率等于Larmor频率后，质子吸收能量发生共振，此时质子会发生什么物理变化？
微观角度来讲：给处于主磁场中的组织一个射频脉冲（RF），射频脉冲的频率与质子的进动频率相同，其能量将传递给低能级的质子，低能级的质子获得能量后将跃迁到高能级，向上的低能级质子过度到向下的高能级质子，直至上下相等，这种现象就是磁共振现象。停止施加射频脉冲后，这些处于高能级的质子将释放出所吸收的能量，通过接收线圈采集释放出的这部分能量就是磁共振的信号。
宏观角度来讲：由于低能级的质子较高能级的质子多，因此低能级质子能够形成一个与主磁场（B0）方向相同的宏观纵磁化矢量，射频脉冲可使宏观纵磁化矢量方向发生偏转，射频脉冲的能量越大，持续时间越长，偏转角度（即与主磁场B0的角度）越大。我们常见的快速自旋回波序列（TSE）采用的是90°射频脉冲，梯度回波序列（GRE）采用的是小角度射频脉冲（＜90°），而T1 FLAIR、T2 FLAIR、STIR序列则采用的是180°反转脉冲，这些序列在后续我们会进行详细介绍。 施加射频脉冲后，宏观纵磁化矢量偏离B0方向，氢质子同相位运动，在XY平面上的投影呈现会聚状态，产生了宏观横向磁化矢量（Mxy），而宏观纵磁化矢量（Mz）减少，甚至=0。原来与B0方向一致的宏观纵磁化矢量会慢慢进行转动，这个运动以笛卡尔坐标系来讲叫做章动。
章动：施加射频脉冲期间，磁化矢量M0沿球体表面旋转，逐渐偏离B0，一定时间后，宏观纵磁化矢量M0在球体平面即横切面上完全偏移：为90°脉冲；如果保持射频脉冲不变，磁化矢量M0继续沿半球运动，直到达到与B0相反的方向：为180°脉冲。通过这几期的介绍我们了解到，外加磁场（B0）可以让杂乱无章的质子产生与主磁场方向一致的宏观纵磁化矢量，由于宏观纵磁化矢量大小较B0相比非常微弱无法探测，故采用射频脉冲使质子发生共振，即宏观纵磁化矢量从Z轴翻转到XY平面方向产生宏观横向磁化矢量，此时低能级质子吸收射频脉冲能量跃迁到高能级。我们将上文的过程比喻为弹簧，给予射频脉冲后吸收能量，弹簧被拉开；当射频脉冲撤销后，跃迁到高能级的质子会慢慢恢复到低能级，宏观横向磁化矢量也逐渐恢复到Z轴方向，就像松开弹簧后弹簧弹开慢慢恢复到静止状态，通过采集释放出的能量也就是磁共振信号。思考：撤销射频脉冲后跃迁到高能级的质子通过向外释放能量而恢复低能级状态的过程中会发生怎样运动？在MRI的成像中又有什么样的作用？我们又要引入新的术语描述这件事情，期待下期“弛豫”。
