La risonanza magnetica nucleare è un fenomeno tipicamente quantistico associato al comportamento dei nuclei atomici in presenza di particolari campi magnetici.

Il nucleo d'idrogeno dispone di un momento angolare intrinseco (Spin) diverso da 0. La teoria afferma che il momento di dipolo magnetico m è proporzionale allo spin. In assenza di campi magnetici esterni, il vettore momento di dipolo magnetico del nucleo si orienta nello spazio senza preferenze. Se, tuttavia, viene aggiunto al sistema un campo magnetico esterno H0, i vettori momento di dipolo magnetico m tendono a orientarsi lungo la direzione del campo. Se si somma un altro campo magnetico (H1), molto meno intenso del principale, non ci sono molte possibilità di perturbare il sistema, a meno che, per avere qualche effetto significativo sui nuclei atomici, esso (H1) oscilli alla stessa frequenza del momento di dipolo m che rientra normalmente nello spettro delle radiofrequenze. Tale frequenza è inoltre proporzionale all'intensità del campo magnatico principale (w = g H0). In tal caso, infatti, l'effetto può essere tale da allontanare il momento di dipolo dalla direzione privilegiata individuata dal campo H0. Se il campo oscillante a radiofrequenza viene scelto in modo tale da "schiacciare" i momenti di dipolo in un piano opportuno, la componente magnetica su quel piano è rivelabile da una bobina ricevente per mezzo della forza elettromotrice indotta. Alla fine dell'eccitazione il vettore momento magnetico tornerà a orientarsi nella direzione del magnete principale.

Il fenomeno di emissione di un segnale da parte di nuclei atomici, a seguito dell'eccitazione degli stessi utilizzando campi magnetici, prende il nome di Risonanza Magnetica Nucleare. Dovendo ottenere immagini tomografiche, ovvero immagini di strati del corpo del paziente, è necessario imporre che il segnale provenga soltanto da uno strato del paziente stesso. Per eccitare selettivamente uno strato, è sufficiente aggiungere ad H0 un gradiente di campo magnetico ortogonale al piano dello strato, ad esempio lungo l'asse z, indicato con Gz. In questo modo ad ogni z corrisponderà un campo magnetico diverso dato da H = H0 + z Gz Siccome anche la frequenza di Larmor dipenderà da z secondo la relazione w = g H = g (H0 + z Gz), un campo H1 a radiofrequenza di frequenza w fissata sarà in grado di eccitare soltanto lo specifico strato a cui compete la stessa frequenza di Larmor w lasciando inalterato il resto del paziente. Con questo accorgimento tutti i segnali che vengono raccolti dalle bobine riceventi provengono da un unico strato di coordinata z nota a priori.

Per quel che riguarda la rilevazione dei segnali e la ricostruzione dell'immagine, senza entrare nei dettagli, degli algoritmi basati sulla trasformata di Fourier consentono di individuare i contributi di ogni singolo elemento di volume. L'acquisizione è molto rapida, ma il processo richiede una notevole mole di lavoro a carico del sistema di calcolo. Le tecniche di ricostruzione di Fourier del segnale rivelato dalle bobine sono abbinate a particolari metodiche di eccitazione: le specifiche serie di impulsi d'eccitazione a radiofrequenza alternati a gradienti di intensità variabili prendono il nome di "sequenze". Nel prosieguo, si elencano le caratteristiche di alcuni elementi costituenti un tomografo a risonanza magnetica.

Magnete: rappresenta la componente fondamentale del sistema, sia in termini di costo, sia in termini di prestazioni dell'apparecchiatura. Viene caratterizzato principalmente dall'intensità, dall'omogeneità del campo e dal tipo di tecnologia impiegata per la generazione del campo stesso. La tecnologia impiegata nella realizzazione dei magneti dipende strettamente dall'intensità del campo richiesto. I tipi di magnete attualmente impiegati sono permanenti, resistivi o superconduttivi. Magneti permanenti: storicamente tale tecnologia si basava sull'impiego di materiali ferromagnetici preventivamente magnetizzati; attualmente sono usate leghe di metalli di transizione delle terre rare (neodimio, ferro, boro, ecc.). Magneti resistivi: si basano sulla circolazione di corrente in una o più bobine realizzate in materiale conduttore. La dissipazione di potenza per effetto Joule rappresenta il principale limite all'ottenimento di campi di intensità elevata. Magnete superconduttivo: si basa sulla circolazione di corrente in bobine poste in regime di superconduttività. Il fenomeno della superconduttività consiste nell'annullamento della resistività che si manifesta in alcuni materiali conduttori quando si trovano a temperature prossime allo zero assoluto. Realizzando una bobina con materiale in regime superconduttivo è possibile ottenere una circolazione permanente di corrente senza dissipazione per effetto Joule.

Le bobine impiegate vengono solitamente realizzate in fibra di niobio-titanio inclusa in rame e portata alla temperatura di 4.2 °K immergendole in elio liquido. Bobine e generatori di gradienti: la generazione dei gradienti è affidata a tre sistemi di bobine, alimentate separatamente e realizzate in maniera tale da generare campi magnetici orientati lungo gli assi x, y e z. Un sistema elettronico di controllo della corrente circolante nelle bobine consente di generare gradienti diretti lungo qualunque direzione, combinando vettorialmente i tre gradienti principali. Trasmettitore e ricevitore a radiofrequenza: il trasmettitore ha la funzione di generare gli impulsi a radiofrequenza impiegati per l'eccitazione dei nuclei. Il ricevitore ha la funzione di rilevare il segnale generato dai nuclei eccitati e di trasformarlo in un segnale elettrico.

Il trasmettitore deve essere in grado di generare la potenza a radiofrequenza necessaria per l'eccitazione dei nuclei (fino a qualche kW).

Il ricevitore, viceversa, deve avere una elevata sensibilità al fine di potere rivelare il debole segnale generato dai nuclei in precessione (dell'ordine di 1 mW).

Sistema di calcolo: ad esso sono affidate tutte le funzioni di controllo dell'apparecchiatura, di acquisizione, di ricostruzione e di gestione delle immagini.

Consolle: permette di gestire tutte le fasi dell'esame, consentendo un dialogo con il sistema di calcolo. Su monitor televisivi appaiono sia menù gestionali sia le immagini via via ricostruite. Per aumentare l'efficienza operativa sono spesso presenti due consolle: la prima per la gestione dell'esame in corso, la seconda con finalità essenzialmente diagnostiche.

Tavolo portapaziente: è simile, nel suo aspetto e nelle funzioni, ai tavoli impiegati in altre apparecchiature radiologiche. Tuttavia la sua struttura deve essere completamente priva di sostanze ferromagnetiche per non influenzare i campi magnetici.