人體組織的案例
MIMICS軟件在人體骨組織重建方面的應用
本文鑒于大家在mimics進行建模方面的問題，介紹了一個建模過程。
人體頭骨+軟組織系統爆破損傷仿真分析
項目背景：
頜面部是人體的暴露部位，戰時防護薄弱，平時是暴力、自傷的重點部位，在全身各部位的火器傷中，頜面部火器傷占有較大比例。無論平戰時，頜面部火器傷創傷彈道學研究都是全身創傷彈道學研究中的重點問題之一。由于動物模型無法直觀動態地觀察到模型內部的致傷過程，加上頜面部解剖結構精細、組織器官生物力學性質相差大，無法采用人工材料進行模擬，所以頜面部火器傷的研究中，尚無可以用于致傷過程中生物力學機制研究的模型，這也是目前相關研究的瓶頸之一。
工況簡介：
咬肌外側施加爆破載荷，采用采用流固耦合的分析方法，下頜骨、外側咬肌和面部軟組織施加單元失效，空氣域施加無反射邊界。
結果動畫：
展開 利用全息3D打印技術，「Prellis」想讓“打印器官”在5年內可用
近日，總部位于舊金山的3D組織打印公司Prellis Biologics宣布，它們的打印技術在速度和分辨率上取得了突破性進展，可以打印出功能性毛細血管來構建人體組織，并預計在未來5年內可以將打印人體替代器官產品推向市場。
Prellis 全息3D打印（圖片來源：Prellis官網）
毛細血管的重要作用是讓血液與組織之間進行氣體和物質交換，是構建人體組織必不可少的關鍵部分。而如何構建可用的毛細血管，已經成為目前人體組織工程學的核心難題。
就3D打印方法來說，具體難點包括打印速度、打印精度兩塊。
打印速度。細胞在沒有血液供應的情況下存活時間非常。除非通過毛細血管立即提供氧氣和營養物質，否則由細胞密集填塞的組織將在不到30分鐘內死亡。
打印精度。毛細管的直徑在5微米到10微米之間（人的頭發為75微米到100微米），需要極高的打印精度。
目前，打印毛細血管構建人體組織單元需要幾周或更長時間。Prellis的方法是使用基于激光的全息打印技術，其分辨率可以達到0.5微米，速度比傳統方式快1000倍。
Prellis的聯合創始人兼首席執行官Matheu博士表示：“我們所能達到的速度僅受光學系統配置的限制。我們正在探索定制光學系統的開發，這將大大提高我們的能力。我們的最終目標是在12小時或更短時間內打印腎臟的整個血管系統。”
Prellis估計，由于需要人體組織和器官替代替代品，以及用于藥物發現和毒理學測試的人體組織，全球組織工程市場到2024年將達到940億美元，高于2015年的230億美元。
3D 打印在生物醫療方面的應用已不鮮見。
展開 制造器官？強生3D生物打印解決方案
導讀：FluidForm位于波士頓地區，是研究、修復和更換功能性人體組織的領先者。依靠FRESH3D打印技術（先進的生物制造平臺），與公司包括開發和臨床前項目的產品線，FluidForm正在解決人類健康方面的需求。這些項目包括生物假體植入式醫療設備，以及用于測試藥物功效和心臟毒性的新一代結構和復雜成分組織模型，還側重于組織和器官置換。
△FRESH? technology
南極熊獲悉，人體組織研究、修復和更換領域領導者FluidForm在2021年6月17日宣布，與強生醫療器械公司成員Ethicon, Inc. 簽署協議，使用FluidForm的FRESH技術發展3D生物打印。此次合作利用FRESH? 3D生物打印平臺實現傳統技術無法制造的特定組織。
△使用膠原蛋白打印的三葉瓣心臟瓣膜
FluidForm的首席執行官Mike Graffeo表示，Ethicon是外科領域的全球領導者，他們的3D打印中心在醫學應用方面處于行業領先地位。公司對FRESH技術產生的影響感到興奮，并很高興與Ethicon合作以實現更多目標。
△一種體外人體模型，可在臨床前發現過程的早期檢測復雜的心律失常，使藥物開發人員能夠確定最佳候選藥物以進行人體試驗并最終用于患者。
FRESH技術
為了構建人體組織，通常需要整合結構和功能：通過控制不同細胞類型、蛋白質和生長因子，以重建真實組織中復雜生理學。FRESH（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels）通過修改生物打印環境，可高分辨率3D打印人體天然蛋白質和細胞。
展開 
基于斷層掃描圖像的有限元分析
關鍵詞：有限元 CT MRI
引言
目前國內對人體組織進行有限元分析，要解決的問題很多，其中有兩個重要的部分，分別是如何得到組織結構模型，另外一個就是如何對組織賦予材質。由于人體的生物結構復雜，所以很多結構不能用CAD軟件進行三維建模。眾所周知，當前的有限元前處理軟件，在賦材質時，不能有效的針對人體結構賦予不同的材質，賦予的材質不能很好的體現人體的組織的材料屬性。本文接下來會著重論述這兩個問題的解決方案。
基于斷層掃描圖像的FEA模型
對人體組織進行有限元分析，首先要解決的是模型的問題，因為后續的工作都是基于這個模型進行的。CT/MRI技術已經比較成熟，同時應用非常廣泛。因此可以利用斷層掃描圖形進行三維重建，得到需要分析的組織的三維模型。比利時Materialise公司的Mimics軟件提供了強大的三維重建功能，同時對系統的要求不高，可以在一般PC機上運行。并且三維重建的速度快，可以根據需要調節三維重建的精度。為了得到精確的三維模型，對掃描的圖像有一定的要求，圖像的分辨率最好達到512×512，掃描間距小于1mm。圖1為利用斷層掃描圖像得到的三維模型，具體的重建過程，可以參見參考文獻1。
圖表 1
三維模型的面網格優化
不同的有限元分析軟件對網格的質量有不同的要求，衡量網格質量的標準也有很多種。針對基于斷層掃描圖片生成的面網格模型，在Mimics里幾乎提供了所有的衡量標準，用來檢測面模型網格的質量。面網格的單元為三角片，使用這種網格表達三維模型相對簡單，并且針對這樣的網格單元進行操作也很簡單。圖2為對面網格單元質量的檢測，使用的標準是三角形的高比上邊長（H/B）。設定的值為0.3，圖中著色的三角片是質量小于這個值的三角片。
展開 加州大學高通量3D生物打印機加快藥物開發過程
它可以在30分鐘內制作出96孔的活體組織樣本陣列。研究人員表示，這款快速、大批量生產定制生物組織的3D打印機可以加速臨床前藥物篩選和高通量疾病建模，從而使藥物開發更迅捷、更省錢。
△高通量3D生物打印
一家制藥公司開發一種新藥的過程可能需要長達15年，成本高達26億美元。它通常從在試管中篩選數以萬計的候選藥物開始。成功的候選者將接受動物試驗，任何通過這一階段的候選者將進入臨床試驗。如果幸運的話，這些候選藥物中的一個將作為FDA批準的藥物進入市場。
加州大學圣地亞哥分校開發的高通量3D生物打印技術可以加速這一過程的第一步。這將使藥物開發商能夠迅速積累大量的人體組織，他們可以在這些組織上更快地測試和排除候選藥物。
加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院的納米工程教授Shaochen Chen說："通過研究人體組織，你可以獲得更好的數據，真正的人體數據，了解藥物將如何發揮作用。我們的技術能夠以高通量能力、高重現性和高精確度創建這些組織。這確實可以幫助制藥業迅速確定最有前途的藥物，并以它們為目標。"這項工作發表在《Biofabrication》雜志上。
研究人員指出，雖然他們的技術可能也需要經歷動物試驗過程，但它可以將該階段的失敗率降到最低。
此外，Chen實驗室的博士后研究員、該研究的共同第一作者尤尚亭指出："我們在這里開發的是復雜的3D細胞培養系統，它將更緊密地模仿真實的人體組織，并可望提高藥物開發的成功率"。
這種技術不僅在精度方面可以與其他3D生物打印方法相媲美，它還可以打印出具有復雜微觀特征的逼真結構，如含有血管網絡的人類肝癌組織，而且在速度方面也不會減分。
展開 觀點：器官3D打印將成為生物治療的新突破點，干細胞從2D升級為3D
“現有的軟組織修復材料，如動物組織、膠原等，會帶來動物疾病傳播、免疫排異、力學性能弱等問題，而傳統的合成材料，也具有不降解、力學順應性差、組織再生性差等局限。而3D打印在個性化以及微觀仿生方面具有突出的優勢。”他說。
在這個階段，利用3D生物打印技術可以打印出具備良好生物相容性的人體組織，而使用的材料是關鍵難題。根據目標部位的差異，有些材料要求不降解，成為永久植入物，而部分材料則要求可以降解，跟人體組織相互發生作用，促進組織再生。
目前，任博帶領的科研團隊正在研究此類產品。他們正在研究微觀層面上的人體組織纖維結構，搭建有利于細胞爬行、成長的支架。
在前面兩個發展階段的基礎上，任博表示，利用細胞打印出活性器官和組織，才是現代意義上的3D生物打印，能夠真正實現“快速成型”，也將會是應用潛力最大、應用范圍最廣的3D生物打印技術。
圖為腎小管及腎小球3D打印模型
任博認為，從技術層面，還至少需要克服三個挑戰。首先，需要解決打印過程中脆弱的細胞能否存活、能否發育、會否變異甚至腫瘤化的問題；
其次，3D生物打印機必須滿足生物仿生對制造精度及準確性的極高要求；第三，組織及器官是由多材料及多細胞組成的非均質體系，對制造學要求也極高。
在國外，3D生物打印研究重鎮美國韋克福雷斯特大學團隊曾在2006年成功利用細胞擴增技術在體外培植膀胱。去年2月，該大學的研究團隊利用新開發的3D生物打印系統打印出人造耳朵、骨頭和肌肉組織，移植到動物身上后都能保持活性。
雖然如此，專家們也提醒，實驗室成功不等于產業化成功。對醫療產品來說，在應用于人體之前必須符合國家法規，且在安全性、有效性方面符合臨床要求，這需要大量的實驗驗證。
展開 3D器官打印將成為生物治療的新突破點
“現有的軟組織修復材料，如動物組織、膠原等，會帶來動物疾病傳播、免疫排異、力學性能弱等問題，而傳統的合成材料，也具有不降解、力學順應性差、組織再生性差等局限。而3D打印在個性化以及微觀仿生方面具有突出的優勢。”他說。
在這個階段，利用3D生物打印技術可以打印出具備良好生物相容性的人體組織，而使用的材料是關鍵難題。根據目標部位的差異，有些材料要求不降解，成為永久植入物，而部分材料則要求可以降解，跟人體組織相互發生作用，促進組織再生。
目前，任博帶領的科研團隊正在研究此類產品。他們正在研究微觀層面上的人體組織纖維結構，搭建有利于細胞爬行、成長的支架。
在前面兩個發展階段的基礎上，任博表示，利用細胞打印出活性器官和組織，才是現代意義上的3D生物打印，能夠真正實現“快速成型”，也將會是應用潛力最大、應用范圍最廣的3D生物打印技術。
圖為腎小管及腎小球3D打印模型
任博認為，從技術層面，還至少需要克服三個挑戰。首先，需要解決打印過程中脆弱的細胞能否存活、能否發育、會否變異甚至腫瘤化的問題；其次，3D生物打印機必須滿足生物仿生對制造精度及準確性的極高要求；第三，組織及器官是由多材料及多細胞組成的非均質體系，對制造學要求也極高。
在國外，3D生物打印研究重鎮美國韋克福雷斯特大學團隊曾在2006年成功利用細胞擴增技術在體外培植膀胱。去年2月，該大學的研究團隊利用新開發的3D生物打印系統打印出人造耳朵、骨頭和肌肉組織，移植到動物身上后都能保持活性。
雖然如此，專家們也提醒，實驗室成功不等于產業化成功。對醫療產品來說，在應用于人體之前必須符合國家法規，且在安全性、有效性方面符合臨床要求，這需要大量的實驗驗證。
展開 不談長生不死，我們要如何看待思維移植
再生醫學的優勢在于通過改善再生微環境，患者借助自身的再生修復能力引導再生，再生后的組織是人體自身的一部分。就在今年，34歲的卵巢早衰患者方女士在南京鼓樓醫院產下健康的男寶寶。這是全球首例干細胞復合膠原支架治療卵巢早衰臨床研究誕生的嬰兒。
再生醫學的發展讓思維移植有了醫學基礎。將來，隨著再生醫學技術的不斷進步，只要構建合適的微環境，人體組織都有可能進行再生——這也意味著思維移植的人們可以獲得一個健康的大腦。
而人工智能在這個領域上也功不可沒。人體組織如何再生？科學家們總是在不同生物的身體上找切入口。比如渦蟲。渦蟲是一種微小的蟲子，擁有超乎想象的再生能力，當它被攔腰切斷以后，能重新長出完整的身體。這種能力使得它們成為再生醫學的熱門研究對象。
但龐大的數據讓科學家們很是心累。受到進化論的啟發，美國塔夫斯大學的科學家開發了一個AI系統，有助于充分挖掘浩如煙渺的發育生物學實驗數據，并且建立起了一個完備的模型來解釋這種現象。
而在最近，科學家們又開始利用人工智能觀察水螅的行為。水螅是一種與水母和珊瑚有關的微小動物。在過去，研究人員研究了該動物的神經系統，找出了它大腦的哪些部分促使了它的行為，現在，研究人員們利用AI來追蹤所有的這些行為。
該小組使用了AI算法，自動注釋水螅的行為，包括所有的擺動、樞軸、伸展和彎曲。他們了解到，無論環境條件如何，例如光照、溫度或附近食物的數量，這些物種實際上只參與了六種基本的行為。
最后，研究人員發現，即使周圍的環境變化再復雜，水螅仍能像往常一樣繼續工作。而利用這點，如果能發現水螅的神經系統是如何與行為相連接的，我們或許能夠讓被剝離了意識的大腦承受更佳極端的治療環境。包括冷凍技術、電力刺激等等。
思維移植的重重壁壘
不可否認，思維的移植一定會牽涉到倫理問題。
展開 Ansys Speos | 智能手環心率傳感器仿真
通過Ansys Motion模擬智能手環的位移和人體手腕組織的變形，然后將位移和變形數據導入Speos，最后在Ansys Speos中，用模擬智能手環位移和人體組織變形對智能手環心率傳感器采集的光信號的影響。
概述
首先了解仿真流程和關鍵結果，整個流程會分為兩個部分，Motion計算位移和手部變形，Speos計算不同位置和變形前后接收能量。仿真案例請在官網原文下載。
第一步，機械運動中的智能手環動態運動模擬(本文不涉及)
首先，本案例中只分析智能帶移動對光信號的影響。詳細的模擬內部運動將不包括在這個例子中。Ansys Motion是基于柔性多體動力學的先進工程解決方案。它可以在單個求解器內快速準確地分析剛體和柔體。在運動中，模擬了一個人類手臂擺動的場景。在手臂運動的過程中，智能手環會隨之滑動，智能手環與人類手腕之間的相對位移將被輸出到Speos。
第二步，在Speos中建立組織模型并進行模擬
在Speos中使用光學參數構建手腕結構。根據以下文章Ansys Zemax | 如何建模人體皮膚以及光學心率探測器進行建模中描述的模型對組織進行建模，考慮了組織的折射、吸收和散射特性。
第三步，Speos批處理仿真與workbench
從Motion中導出智能手環與人手腕的相對位移。智能手環在X、Y、Z方向上隨時間變化的位移分別保存在三個*. csv表中。利用Workbench建立了 DOE的設計。變量是智能腕帶的位移，輸出是智能腕帶傳感器接收到的輻照度，分析智能帶移動對接收光信號的影響。
第四步，機械運動中的組織變形模擬(本文未涉及)
在這一步中，將模擬智能手環推向人體手腕組織時組織的變形。本文不涉及組織變形的詳細模擬過程。
展開 Ansys Zemax | 如何建模人體皮膚以及光學心率探測器
本文演示了如何在 Zemax OpticStudio 中對人體皮膚建模以進行生理測量，并說明了使用 ZOS-API 對基于 PPG 的心率傳感器進行的時間相關模擬。(聯系我們獲取文章附件)
簡介
PPG 器件由紅外或可見光波長范圍內的發光二極管 (LED) 和光電探測器組成。它們提供了一種簡單的光學技術來檢測組織中的血容量變化，因為血液比周圍的組織對光具有更強烈地吸收和散射效應。因此，血液的脈動將導致檢測器信號發生相反的相位變化。本文介紹如何在 OpticStudio 中模擬人體皮膚組織模型，并演示如何使用 ZOS-API 應用程序模擬 PPG 設備隨時間推移的測量信號。
基礎設計
PPG 傳感器可設計為反射或透射模式。由于光的穿透深度取決于其波長，因此綠色和黃色 LED 光線最適合在淺表血流中進行測量，并且通常以反射模式使用。另一方面，紅外和近紅外波長更適合測量深層組織血流，可用于透射模式。在次案例中，我們展示了一個反射 PPG 設備。
我們的目標是根據相關文獻中發表的數據開發一個逼真的皮膚模型。因此，我們打算應用某種波長，通常設置為對應皮膚和血液的光學參數在文獻中廣泛可見的波長，并且也接近商業設備中最常用的波長。因此，我們建模選擇了 575nm 的波長，并使用 QSMF-C160 LED (Avago Technologies) 作為光源。此 LED 的模型可以直接從 Radiant Source Model 數據庫下載，并且可以通過從 Radiant Source Model 文件生成的光線來創建光源文件。
人體皮膚建模
為了模擬人體組織介質中的光傳輸，我們創建了分層皮膚模型，該模型考慮了表皮、真皮和皮下脂肪的組織結構。
展開 
人類胚胎干細胞也能3D打印了
人類胚胎干細胞在再生醫學領域受到了非常多的關注，這些由早期胚胎發展而來的干細胞擁有著分化成人體各種細胞的能力，如何無損并可控地讓胚胎干細胞形成人們所需的三維結構，一直是業界難題。而這項突破解決了這一問題，讓人們能夠利用人類胚胎干細胞準確構建三維組織和結構，從而大大加速和改善藥物檢測工藝的發展。
近年來，人們在生物制造領域已經取得了許多重要進展，利用人造的固體細胞和結構制造出了大量三維組織和器官，但是，在大多數相關實驗中，人們利用的仍是動物細胞。
該項研究的主要人員，蘇格蘭赫瑞瓦特大學的Will Wenmiao Shu博士說：“就我們所知，這是歷史上首次用人類胚胎干細胞進行‘打印’，由胚胎干細胞制造出的三維結構可以讓我們創造出更準確的人體組織模型，這對于試管藥物研發和毒性檢測都有著重要意義。因為我們制造的大多數藥物都是作用于人的，所以用人體組織去進行測試也是理所應當的。”
從更長遠的角度看，這種新的打印技術同樣可以為人類胚胎干細胞制作人造器官鋪平道路，這將為千千萬萬的患者帶去福音。
考慮到人類胚胎干細胞的敏感性，在本次研究中，赫瑞瓦特大學的研究者們與干細胞科技公司Roslin Cellab合作，使用了一種專門定制的“氣動打印技術”。在實驗過程中，胚胎干細胞和培養液將會被先存放在打印機中的兩個獨立容器里，然后規則地擺放在培養皿上，形成一個個球狀細胞團。根據需要，每個細胞團可由5到140個分離的細胞組成，其直徑在0.25到0.60毫米之間。
本項研究使用的3D打印機。圖片來自Colin Hattersley
在胚胎干細胞被打印出來之后，研究人員就會對其進行一系列的測試，以驗證這種氣動打印技術的有效性。比如說，研究人員會測試打印出的干細胞是否還能存活，是否還保持著分化成各種細胞的能力。他們還會同時測試細胞密度、特性及其分布模式。
展開 醫療健康，仿真能做什么？
周圍組織的介電特性會嚴重影響天線的性能表現，例如：與相同尺寸天線的自由空間性能相比具有更低的共振頻率。不過，人體對天線的影響會因天線在體內位置和患者體型的不同而各異。幾乎所有設計植入設備天線的工程師都會采用人體模型來執行電磁場仿真，而此類模型中的單元能夠匹配各種人體組織（如：皮膚、脂肪、密質骨、松質骨、肌肉與血液）的相對介電常數和導電率。許多此類模型的問題是它們很難為了匹配不同體型而進行修改。因此，工程師通常會根據普通體型來優化天線，這經常會導致相關設備植入非典型體型的患者時出現天線性能問題。
Cambridge Consultants研發了可同時采用磁環輻射器與共址電場輻射器的復合場天線。
2、天線性能與體重變化
Cambridge Consultants公司設計天線時采用ANSYS HFSS電磁場軟件進行性能仿真，該軟件配備的HFSS人體模型可用于表示天線的使用環境。工程師認識到研發一款能夠適應不同體型（體重）的魯棒性天線設計方案非常重要，于是采用ANSYS SpaceClaim Direct Modeler軟件快速修改HFSS人體模型，以表示身體形態的變化。
SpaceClaim允許用戶在無需考慮基礎技術的情況下創建、編輯和修復幾何圖形，從而可以加速分析時間。例如，用戶可以拖動、移動和填充幾何圖形，而且還可以組合模型的特征，以便創建圓形、把特征轉移到其他面部或者修改面部大小。
展開 核磁共振設備工作過程人體溫度監控中應用的光纖溫度傳感器
它采用靜磁場和射頻磁場使人體組織成像，在成像過程中，既不用電子離輻射、也不用造影劑就可獲得高對比度的清晰圖像。它能夠從人體分子內部反映出人體器官失常和早期病變。它在很多地方優于X線CT。雖然X-CT解決了人體影像重疊問題，但由于提供的圖像仍是組織對X射線吸收的空間分布圖像，不能夠提供人體器官的生理狀態信息。當病變組織與周圍正常組織的吸收系數相同時，就無法提供有價值的信息。只有當病變發展到改變了器官形態、位置和自身增大到給人以異常感覺時才能被發現。磁共振成像裝置除了具備X線CT的解剖類型特點即獲得無重疊的質子密度體層圖像之外，還可借助核磁共振原理精確地測出原子核弛豫時間T1和T2，能將人體組織中有關化學結構的信息反映出來。這些信息通過計算機重建的圖像是成分圖像（化學結構像），它有能力將同樣密度的不同組織和同一組織的不同化學結構通過影像顯示表征出來。這就便于區分腦中的灰質與白質，對組織壞死、惡性疾患和退化性疾病的早期診斷效果有極大的優越性，其軟組織的對比度也更為精確。
原子核自旋，有角動量。由于核帶電荷，它們的自旋就產生磁矩。當原子核置于靜磁場中，本來是隨機取向的雙極磁體受磁場力的作用，與磁場作同一取向。以質子即氫的主要同位素為例，它只能有兩種基本狀態：取向“平行”和“反向平行”，他們分別對應于低能和高能狀態。精確分析證明，自旋并不完全與磁場趨向一致，而是傾斜一個角度θ。這樣，雙極磁體開始環繞磁場進動。進動的頻率取決于磁場強度。也與原子核類型有關。它們之間的關系滿足拉莫爾關系：ω0=γB0，即進動角頻率ω0是磁場強度B0與磁旋比γ的積。γ是每種核素的一個基本物理常數。氫的主要同位素，質子，在人體中豐度大，而且它的磁矩便于檢測，因此最適合從它得到核磁共振圖像。
展開 核磁共振檢查過程中的溫度監控的光纖溫度傳感器
將這種技術用于人體內部結構的成像，就產生出一種革命性的醫學診斷工具。快速變化的梯度磁場的應用，大大加快了核磁共振成像的速度，使該技術在臨床診斷、科學研究的應用成為現實，極大地推動了醫學、神經生理學和認知神經科學的迅速發展。
磁共振成像是一種較新的醫學成像技術，國際上從一九八二年才正式用于臨床。它采用靜磁場和射頻磁場使人體組織成像，在成像過程中，既不用電子離輻射、也不用造影劑就可獲得高對比度的清晰圖像。它能夠從人體分子內部反映出人體器官失常和早期病變。它在很多地方優于X線CT。雖然X-CT解決了人體影像重疊問題，但由于提供的圖像仍是組織對X射線吸收的空間分布圖像，不能夠提供人體器官的生理狀態信息。當病變組織與周圍正常組織的吸收系數相同時，就無法提供有價值的信息。只有當病變發展到改變了器官形態、位置和自身增大到給人以異常感覺時才能被發現。磁共振成像裝置除了具備X線CT的解剖類型特點即獲得無重疊的質子密度體層圖像之外，還可借助核磁共振原理精確地測出原子核弛豫時間T1和T2，能將人體組織中有關化學結構的信息反映出來。這些信息通過計算機重建的圖像是成分圖像（化學結構像），它有能力將同樣密度的不同組織和同一組織的不同化學結構通過影像顯示表征出來。這就便于區分腦中的灰質與白質，對組織壞死、惡性疾患和退化性疾病的早期診斷效果有極大的優越性，其軟組織的對比度也更為精確。
原子核自旋，有角動量。由于核帶電荷，它們的自旋就產生磁矩。當原子核置于靜磁場中，本來是隨機取向的雙極磁體受磁場力的作用，與磁場作同一取向。以質子即氫的主要同位素為例，它只能有兩種基本狀態：取向“平行”和“反向平行”，他們分別對應于低能和高能狀態。精確分析證明，自旋并不完全與磁場趨向一致，而是傾斜一個角度θ。這樣，雙極磁體開始環繞磁場進動。進動的頻率取決于磁場強度。也與原子核類型有關。
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