Magneettikuvauksen fysiikka
Ydinmagnetismi > Resonanssi ja relaksaatio

Yksittäisen protonin käyttäytymisen tarkka mallintaminen edellyttää kvanttimekaniikkaa. Klassista mekaniikkaa voidaan kuitenkin käyttää protonien kokonaisuuden käyttäytymisen kuvaamiseen asianmukaisesti. Kuten muidenkin spin  1/2 -hiukkasten kohdalla, aina kun yksittäisen protonin spin mitataan, se voi saada vain yhden kahdesta tuloksesta, joita kutsutaan yleisesti rinnakkaisiksi ja vastakkaisiksi. Kun puhumme protonin tai protonien tilasta, viittaamme kyseisen protonin aaltofunktioon, joka on lineaarinen yhdistelmä rinnakkaisesta ja antiparalleellisesta tilasta.
Magneettikentän, B0, läsnä ollessa protonit näyttävät presessoivan Larmor-taajuudella, joka määräytyy hiukkasen gyromagneettisen suhteen ja kentän voimakkuuden mukaan. Magneettikuvauksessa yleisimmin käytetyt staattiset kentät aiheuttavat prekessiota, joka vastaa radiotaajuista (RF) fotonia.
Termodynaamisessa tasapainossa oleva pitkittäinen nettomagnetoituminen johtuu pienestä ylimäärästä alemman energiatilan protoneja. Tämä antaa nettopolarisaation, joka on ulkoisen kentän suuntainen. RF-pulssin antaminen voi kallistaa tätä nettopolarisaatiovektoria sivusuunnassa (ns. 90°-pulssilla) tai jopa kääntää sen päinvastaiseksi (ns. 180°-pulssilla). Protonit tulevat vaiheeseen RF-pulssin ja siten toistensa kanssa.
Pitkittäismagnetisaation palautumista kutsutaan pitkittäis- tai T1-relaksaatioksi, ja se tapahtuu eksponentiaalisesti aikavakion T1 avulla. Vaiheen koherenssin häviämistä poikittaistasossa kutsutaan poikittais- tai T2-relaksaatioksi. T1 liittyy siis spinjärjestelmän entalpiaan eli niiden ydinten lukumäärään, joilla on samansuuntainen ja vastakkainen spin. T2 taas liittyy systeemin entropiaan eli faasissa olevien ydinten lukumäärään.
Kun radiotaajuuspulssi sammutetaan, transversaalinen vektorikomponentti tuottaa värähtelevän magneettikentän, joka indusoi pienen virran vastaanottokäämiin. Tätä signaalia kutsutaan vapaan induktion hajoamiseksi (FID). Idealisoidussa ydinmagneettiresonanssikokeessa FID hajoaa suunnilleen eksponentiaalisesti aikavakion T2 avulla. Käytännön magneettikuvauksessa staattisessa magneettikentässä on kuitenkin pieniä eroja eri paikoissa ("inhomogeenisuudet"), jotka aiheuttavat Larmor-taajuuden vaihtelun eri puolilla kehoa. Tämä aiheuttaa destruktiivista interferenssiä, joka lyhentää FID-aikaa. FID:n havaitun hajoamisen aikavakio on nimeltään T*2 relaksaatioajaksi, ja se on aina lyhyempi kuin T2. Samaan aikaan pitkittäinen magnetoituminen alkaa palautua eksponentiaalisesti aikavakion T1 ollessa paljon suurempi kuin T2 (ks. jäljempänä).
Magneettikuvauksessa staattista magneettikenttää lisätään kenttägradienttikäämin avulla siten, että se vaihtelee koko skannattavalla alueella, jolloin eri paikkoihin liittyy eri prekessiotaajuudet. Vain niillä alueilla, joilla kenttä on sellainen, että prekessiotaajuudet vastaavat RF-taajuutta, tapahtuu heräte. Yleensä kenttägradientit moduloidaan pyyhkäisemään skannattavan alueen poikki, ja juuri RF- ja gradienttipulssisekvenssien lähes ääretön kirjo antaa magneettikuvauksen monipuolisuuden. Kenttägradientin muutos levittää vasteena olevaa FID-signaalia taajuusalueella, mutta tämä voidaan palauttaa ja mitata uudelleen fokusoivalla gradientilla (niin sanotun gradienttikaikaisen signaalin luomiseksi) tai radiotaajuuspulsseilla (niin sanotun spin-kaikaisen signaalin luomiseksi) tai levinneen signaalin digitaalisessa jälkikäsittelyssä. Koko prosessi voidaan toistaa, kun T1-relaksaatio on tapahtunut ja spinien terminen tasapaino on enemmän tai vähemmän palautunut. Toistoaika (TR) on aika, joka kuluu saman viipaleen kahden peräkkäisen herätteen välillä.
Tyypillisesti pehmytkudoksissa T1 on noin yksi sekunti, kun taas T2 ja T*2 ovat muutamia kymmeniä millisekunteja. Nämä arvot voivat kuitenkin vaihdella suuresti eri kudosten välillä sekä eri ulkoisten magneettikenttien välillä. Tämä käyttäytyminen on yksi tekijä, joka antaa magneettiresonanssikuvaukselle sen valtavan pehmytkudoskontrastin.
MRI-kontrastiaineet, kuten gadoliniumia (III) sisältävät aineet, toimivat muuttamalla (lyhentämällä) relaksaatioparametreja, erityisesti T1:tä.