1977年7月3日发生的一件大事永远地改变了现代医学的前景。起初，这一事件在医学研究界以外几乎没有激起一点涟漪——这就是核磁共振成像检查（MRI）首次在人类身上使用。
当时它几乎用了五个小时才完成一幅图像。从今天的标准来看，这幅图像相当难看。雷蒙德·达马迪安博士（一名医师，同时也是一位科学家）和同事拉里·明科夫博士以及迈克尔·戈德史密斯博士经过七年的不懈努力，才实现了这个目标。他们将这台机器命名为“不屈不挠号”，以纪念他们在完成很多人声称不可能完成的任务中所体现的精神。
这台机器目前存放在史密森学会里。直到1982年，全美国还只有屈指可数的几台核磁共振成像扫描仪，而如今全美已经有数千台之多。现在只需几秒钟就可以完成从前需要花费数小时的成像工作。
核磁共振成像是一项极为复杂的技术，以致很多人无法很好地理解它。在本文中，您将了解到这台巨大、轰鸣的核磁共振成像机器的工作原理。当身处机器之中时，您的身体会发生什么变化？利用核磁共振成像技术能看到哪些东西，以及为何在检查过程中您要保持静止不动？
磁共振成像基本概念
如果您看过核磁共振成像机器，就会知道它们大多数采用的基本设计是一个巨大的立方体。尽管新型号的体积在逐渐缩小，但典型系统中的立方体可能还是2米高、2米宽、3米长。有一根卧式管道从磁体的前端一直铺设到后端。这根管道就是磁体的膛筒。患者仰卧，然后滑入放在一张特制桌子上面的膛筒中。无论患者采用头部先入还是足部先入，进入磁体的深度都由所执行的检测类型来决定。核磁共振成像扫描仪的尺寸和形状各不相同，新型扫描仪各边都要宽一些，但基本设计是相同的。一旦要接受扫描的身体部位处于磁场的正中心或者等中心，就可以开始扫描了。
在无线电波脉冲能量的帮助下，核磁共振成像扫描仪可以定位患者体内一个非常小的点，然后确定这是何种类型的组织。该点可能是一个边长只有半毫米的立方体。核磁共振成像系统会对患者身体进行逐点扫描，从而构建组织类型的二维或者三维图。之后，它将所有信息整合到一起，创建一个二维图像或者三维模型。
核磁共振图像可提供无与伦比的人体内部视图。不难看出，与任何其他成像技术相比，核磁共振图像的细节水平是极为出色的。核磁共振成像是诊断多种类型的受伤和疾病的最佳选择，因为它根据所要求的特定医学问题来定制检查的能力强得令人难以置信。通过更改检查参数，核磁共振成像系统可以使体内组织呈现出不同的外观。这对放射科医师（负责读取核磁共振成像图信息）确定某个部位是否正常很有帮助。例如，当我们完成“A”时，正常组织看起来会类似于“B”，否则就说明可能存在异常。核磁共振成像系统还可以对身体中几乎任何一个部位流动的血液成像。这使得可显示体内动脉系统而不是动脉周围组织的研究活动成为可能。在很多情况下，核磁共振成像系统无需对比剂注射即可完成这项工作，而血管放射检查则需要。
磁场强度
为了理解核磁共振成像工作原理，我们首先来看看核磁共振成像中的“磁性”。核磁共振成像系统中最大、同时也是最重要的部件就是磁体。核磁共振成像系统中的磁体采用名为特斯拉的单位来衡量。另一种常用的磁体计量单位是高斯（1特斯拉=10,000高斯）。如今核磁共振成像设备中使用的磁体的磁场强度在0.5到2.0特斯拉（或5,000到20,000高斯）之间。尽管更强大的磁体（高达60特斯拉）已经在研究工作中得以运用，但强度超过2特斯拉的磁场尚未获准用于医疗成像。与强度仅为0.5高斯的地球磁场相比，您就可以想像出这些磁体的磁场强度之高了。
这样的数字有助于形成对磁场强度的理性认识，但是日常生活中的例子也有帮助。
如果没有严格采取预防措施，核磁共振成像扫描场所可能会成为一个非常危险的地方。被带入扫描室的金属物品可能会成为非常危险的抛射物。例如，回形针、钢笔、钥匙、剪刀、止血钳、听诊器和任何其他小的金属物品都可能在毫无征兆的情况下从口袋中被吸出，离开人体并直接高速飞向磁体的敞开位置（患者所在位置），因而对房间内的所有人造成威胁。信用卡、银行卡以及任何带有磁性编码的物品都会被大多数核磁共振成像系统消磁。
施加在物体上的磁力会在物体接近磁体时急剧上升。假设您手中拿着一个大的管扳手，站在距磁体5米的位置。您可能会感到有轻微的拉力。向前走两步，您会感受到拉力增强了很多。在与磁体距离不到1米时，扳手很可能会从您的手中被吸走。物体的质量越大就越危险——因为受到的磁体吸引力也越大。拖把桶、真空吸尘器、静脉输液架、氧气罐、患者担架、心脏监护仪和无数其他物品都能被吸入核磁共振成像机器的磁场中。据了解，曾被吸入到磁体中的最大物品是一个装满物品的托盘推车（参见下图）。被吸走的较小的物体通常可以直接用手拿掉，较大的物体则可能要用绞盘来拖走，甚至需要关闭磁场。
磁体
核磁共振成像系统使用的磁体类型分为三种基本类型：
电阻性磁体由围绕圆柱体或者膛筒的很多通电绕组或线圈组成。这样可以产生磁场。如果断电，磁场就会消失。与超导磁体（见下文）相比，这种磁体的成本虽然较低，但需要消耗大量的电能（高达 50 千瓦）才能运转，因为导线中存在固有电阻。若要使这种磁体提供0.3特斯拉以上的磁场强度，成本将非常惊人。
顾名思义，永磁体提供的磁场是永久性的。永磁体的磁场始终存在，并且始终处于满强度状态，因此维持磁场不需要任何成本。永磁体的主要缺点在于质量太大：在提供0.4特斯拉的磁场强度时，永磁体的重量要达到好几吨。强磁场所需的磁体会极为沉重，所以很难建造。永磁体正在变得越来越小，但是仍然仅限于低磁场强度。
超导磁体是目前最常用的磁体。超导磁体与电阻性磁体有些类似——在线圈或者绕组中通电以产生磁场。二者之间的一个重要差别是，超导磁体所使用的导线一直浸在零下269.1℃的液态氦中。是的，如果您身处核磁共振成像机器中，就会被如此冰冷的物质包围！但无需担心，科学家们已经采用类似保温瓶的工作方式，通过真空来实现良好绝缘。这种令人难以想像的低温会导致导线电阻降至零，大大降低了系统的电力需求和运行成本。超导系统仍然非常昂贵，但是它们可以轻松产生0.5到2.0特斯拉的磁场，从而显著改善成像质量。
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梯度磁体
磁体是导致核磁共振成像系统笨重不堪的主要原因，不过每一代磁体的重量都正变得越来越轻。例如，在作者工作的这家机构里，已经准备用一台重量约4,400公斤的新扫描仪代替已经服役八年、重达7,711公斤的旧机器。新磁体将比目前使用的磁体短1.2米（大约1.8米长）。对于有幽闭恐怖症的患者来说，这一点非常重要。目前使用的系统无法容纳体重超过134公斤的患者，而新系统可以容纳超过181公斤的患者。系统的设计正变得对患者越来越友好。
具有高强度和高稳定性的均强磁场或者说均一磁场对高质量成像至关重要。它构成了主磁场。上面描述的磁体可以提供这样的磁场。
每个核磁共振成像系统中都有另一种磁体，称为梯度磁体。核磁共振成像机器中有三个梯度磁体。与主磁场相比，这些磁体的磁场强度非常低，只有180到270高斯，或18到27毫特斯拉（千分之一特斯拉）。梯度磁场的功能将在本文稍后的部分中进行阐述。
主磁体使患者身处一个稳定、高强度的磁场中，而梯度磁体产生的是一个可变磁场。核磁共振成像系统的其余部分包括一个非常强大的计算机系统、一些在患者躺在扫描仪下时将RF（无线电频率）脉冲发射到患者体内的设备以及许多其他的辅助部件。
理解技术：原子
人体由无数个原子组成，原子是构成所有物质的基本粒子。原子的核子在一个轴上旋转，或者说旋进。您可以将原子核想像成一个脱离垂直轴的旋转陀螺。
一个稍微偏离垂直轴的旋转陀螺正在垂直轴附近旋进。
一个氢原子在磁场附近旋进。
设想有数十亿个原子随机旋转或者从各个方向旋进。人体内有多种类型的原子，但是从核磁共振成像的目的来看，我们只关心氢原子。对于核磁共振成像技术而言，这是一种理想的原子，因为氢原子的原子核只有一个质子和一个大的磁距。大磁距意味着当氢原子处于磁场中时，它沿着磁场方向排列的趋势很强。
在扫描仪的膛筒内部，磁场直接通过放置患者的管道的中心。这意味着如果患者在扫描仪中仰卧，其体内的氢原子的质子将沿着脚部或者头部方向排列。这些质子中的绝大部分会彼此抵偿——也就是说，对于每个沿着足部方向排列的质子，都会有另一个质子朝着头部方向排列来抵偿它。每一百万个质子中，只有几个不会相互抵偿。这听起来并不多，但是仅体内的氢原子数目就已经足以描绘出高质量的图像了。
在磁场内部，这些数量庞大的多余质子排列起来并准备移动。接着会怎样呢？
理解技术：无线电频率
核磁共振成像机器采用特定于氢原子的RF（无线电频率）脉冲。系统引导脉冲对准所要检查的身体区域，并导致该区域的质子吸收使它们以不同方向旋转或旋进所需的能量。这是核磁共振成像装置的“共振”部分。无线电频率脉冲迫使它们（指每一百万质子中多余的一对或者两对不匹配的质子）在特定频率下按照特定方向旋转。引发共振的特定频率被称为拉摩尔频率，该值是根据要成像的特定组织以及主磁场的磁场强度计算得出的。
无线电频率脉冲通常利用一个线圈来提供。核磁共振成像机器针对身体的不同部位配有不同种类的线圈：膝部、肩部、腕部、头部、颈部等等。这些线圈通常符合正在接受成像的身体部位的轮廓，或者至少在检查期间与这些部位的距离很近。大约在同一时间，三个梯度磁体开始工作。在以某种特殊方式迅速打开和关闭梯度磁体时，它们在主磁体中的排列组合使其可以在极小的局部范围内改变主磁场。这意味着我们可以精确选择所要成像的区域，在核磁共振成像中称之为“切片”。想像一下每片只有几毫米厚的一块面包——核磁共振成像中的切片也可以达到这样的精度。我们可以从任何方向对身体的任何部位进行“切片”，使核磁共振成像比其他成像技术更具优势。这也意味着无需移动身体来使机器从另一个方向获得图像——机器可以利用梯度磁体完成各种工作。
当关闭无线电频率脉冲时，氢原子的质子运动开始缓慢（相对而言）返回它们在磁场中的自然排列位置，并释放所存储的额外能量。在这个过程中，它们会释放一个信号，然后线圈会捕获该信号并发送到计算机系统。系统接收到的是经过转换的数学数据，该数据通过傅立叶变换形成可以放到胶片上的图形。这就是核磁共振成像系统的“成像”部分。
那么，此图像如何转换为显示所要寻找的特定细节的图形？
核磁共振成像对比剂
对于某些步骤，大多数成像技术使用的上可注射对比剂或者染色剂。核磁共振成像技术也不例外。不同之处在于对比剂的类型和机理，以及使用该对比剂的原因。
在X光和CT扫描中使用的对比剂或者染色材料的工作方式是相同的，二者都使用X射线（致电离辐射）。这些对比剂通过阻挡X光的光子，使之无法穿过对比剂所在的位置并到达X光胶片来发挥作用。这会导致X光／CT胶片上呈现不同的密度水平。这些染色剂对身体组织没有直接的生理影响。而核磁共振成像装置中使用的对比剂则有本质上的不同。
核磁共振成像对比剂通过改变正在接受检查的组织所在的局部磁场来发挥作用。正常和非正常组织对这个小变化的反应是不同的，从而提供不同的信号。这些不同的信号被传送到图像上，使得我们可以对很多不同类型的组织和疾病部位成像，而效果比不使用对比剂要好得多。
现在您已经了解了核磁共振成像工作原理。
