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我们身体大约65%是由水组成的，而水本身是由微小的粒子：氢原子和氧原子组成的。氢原子的原子核通常由一个带正电荷的质子组成。质子是自旋的。所以，像行星一样，它是永久地绕着自己的轴旋转。移动的电荷会在自身周围产生磁场。因此，核自旋是磁共振成像背后的物理原理。在材料中，氢原子核的旋转轴一般在各个方向上的指向比例相等，并相互抵消了彼此的磁效应。这就是为什么人体和几乎所有的材料一样，是没有磁性的。然而，如果我们的身体靠近一个强磁场，体内的氢原子核就会与这个磁场对齐，就像指南针的指针一样体内氢原子的轴线指向各个方向，相互抵消了彼此的磁场效应，这种现象可以通过磁共振成像在医学上得到很好的应用。 举个例子，当一个病人被移动到磁共振成像扫描仪的孔径中，病人体内的氢原子会与外部磁场对齐。在这种状态下，患者体内的氢原子在磁场中以相同的方式自旋，从而对身体产生恒定的磁化。磁共振成像背后的基本原理，就是故意在自旋平衡中引入扰动。为了做到这一点， MRI扫描仪发送短的射频波，称为RF脉冲，其频率与自旋相同。RF脉冲必须核自旋赋予了氢原子磁性与质子发生共振。换句话说，为了与质子相互作用，无线电波必须以与质子自旋相同的频率发生共振。这就是磁共振成像中的共振的来源。在每次RF脉冲扰动后，自旋相对较快地恢复到原始状态。这个过程在物理学上被称为弛豫，可以使用高灵敏度的接收器线圈来测量，并分配到三维空间中的一个位置。计算机将测量值进行傅里叶转换，并从中生成断层图像或切片图像。这些断层图像将人体内部绘制成薄层，临床医生可以在电脑屏幕上看到二维或三维的图像。
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