Magnetic Resonance Imaging או "הדמיית תהודה מגנטית" מתבססת על מדידת פליטה של אנרגיה בצורת תדר רדיו המייצג את מצבם המגנטי
של הפרוטונים שבאטומי המימן במולקולות מים שנמצאות ברקמה כלשהי.
כאשר פרוטון מימן מצוי בשדה
מגנטי, חלות 2 תופעות חשובות: האחת, היא הסתדרות שלו במרחב עם כיוון השדה המגנטי (מצב אלפא) או כנגד כיוון השדה (מצב ביתא). תופעה שניה היא תנועה מעגלית של הפרוטון ("ספין") סביב הנקודה אליה הוא מצביע, בדומה לאופן שבו סביבון נע כאשר הוא מתחיל לאבד שיווי משקל. לספין הזה יש תדר אשר נקרא "תדר לרמור", והוא מושפע מעצמת השדה המגנטי המופעל עליו.
פרט חשוב הנוגע לתופעה הראשונה הוא שמצב אלפא, בו הוא פונה עם כיוון השדה, עדיף מבחינה אנרגטית על מצב ביתא, ולכן תמיד יהיו יותר פרוטונים שייפנו לכיוון השדה, ואת ההפרש הזה ניתן למדוד כפי שיוסבר בהמשך.
כאשר משדרים במצב זה פולס רדיו בתדר המתאים לפרוטונים, קורים שני דברים: הם יקלטו את האנרגיה הזו ויעברו באופן חלקי או מלא (תלוי בעצמת הפולס ומישכו) ממצב אלפא למצב ביתא. בנוסף, מתרחשת כניסה של הספינים לפאזה (נקרא גם קוהרנטיות או רזוננס): אם לפני מתן פולס הרדיו היינו דוגמים נקודת זמן, היינו רואים כי כל פרוטון אשר "קפא בזמן" מצביע לכיוון כלשהו באופן אקראי ולאו דווקא באותו כיוון עם פרוטון סמוך אחר. לעומת זאת, כאשר הם בפאזה, הם מסתובבים בצורה מסונכרנת ובנקודת זמן כלשהי הם יצביעו יחדיו לאותו כיוון. ניתן לדמות זאת לילדים המתנדנדים בשורה על מספר נדנדות, אמנם באותו הקצב, אך כאשר אחד למעלה - השני למטה וכאשר הם בפאזה - כולם נעים בתיאום מדויק ובאותו קו, למעלה ולמטה. למה זה חשוב ? סיגנל הרדיו המתקבל במכשיר ה-MRI מיצג וקטור (סכימת הכיוונים). ספינים שיצביעו לכיוונים שונים יתנו וקטור קטן ולכן גם סיגנל חלש בעוד שספינים שמצביעים לאותו כיוון בדיוק יתנו את הוקטור המקסימלי לאותו כיוון והסיגנל יהיה חזק.
כעת, לאחר מתן הפולס ובעקבותיו מעבר (חלקי או מלא) של פרוטונים למצב ביתא וכמו כן כניסה לפאזה, מתחילה חזרה הדרגתית של המערכת למצבה המקורי ושחרור האנרגיה שהצטברה בה בזמן מתן הפולס בתהליך שנקרא רלקסציה. מאחר שפולס הרדיו גרם ל-2 תהליכים, גם הרלקסציה נחלקת ל-2 סוגים: מצד אחד, חזרה של הפרוטונים ממצב ביתא למצב אלפא, תוך שחרור פולס רדיו בתדר הספין בתהליך שנקרא רלקסציה אורכית (T1) ומצד שני, יציאה מהסינכרון (קוהרנטיות) שלהם, תוך דעיכת הסיגנל בתהליך שנקרא רלקסציה רוחבית. וכאן מגיע הפאנץ'' שמאפשר לנו הבדלה בין רקמות שונות (במוח או באיברים אחרים): הזמן שלוקח לפרוטונים לעבור רלקסציה אורכית ורלקסציה רוחבית מושפע מתכונות הרקמה, ולכן משתנה מרקמה לרקמה. למשל, בתווך מימי (כמו למשל בחדרי המוח המלאים בנוזל ה-CSF), הזמן שייקח לפרוטונים לעבור רלקסציה יהיה ארוך יותר מהזמן שייקח לפרוטונים לעבור רלקסציה בתווך שומני (כמו למשל ה-White Matter, האיזורים הלבנים בחלקו הפנימי של המוח, אשר עשירים בחומר שומני הנקרא מיאלין), ולכן אם נמדוד את עוצמת הסיגנל המתקבל מ-2 הרקמות האלה בנקודת זמן מסויימת, נראה הבדלים בין רקמה לרקמה המייצגים את מצב הרלקסציה באותה נקודת זמן, שכאמור מושפעת מתכונות הרקמה בה היא מתרחשת.
ניתן להציג ב-MRI תמונות המתבססות על ההבדלים בזמני הרלקסציה האורכית (T1), הרלקסציה הרוחבית (T2) וגם הרלקסציה הרוחבית בתוספת השפעות אי אחידות השדה המגנטי, המקצר את זמני הרלקסציה הרוחבית ברקמות (*T2). המדידה האחרונה היא גם זו שמאפשרת את השימוש ב-MRI לא רק כמכשיר הנותן תמונות אנטומיות אלא גם תפקודיות (Functional MRI) וזאת ע"י שימוש בנטייתו של ההמוגלובין שבדם במצבו המחוזר ליצור הפרעה בשדה המגנטי אשר ניתנת למדידה, והעובדה שפעילות נוירונלית במוח מביאה לתגובה המודינמית, דהיינו שינויים באספקת הדם לאיזור הפעיל. הפרש המתקבל מתמונה שבה התקבל סיגנל חזק באיזור מסויים במוח בזמן מתן גירוי כלשהו לעומת תמונה שבה התקבל סיגנל חלש (או כלל לא) כאשר הגירוי לא ניתן, מצביע על קשר אפשרי בין אותו גירוי לאיזור הנבדק במוח.