Kernspinresonantie of Nucleair Magnetic Resonance (NMR) zoals toegepast in MRI, maakt gebruik van het feit dat de kernen van bepaalde isotopen, zoals waterstof, een spin-magnetisch moment hebben.

Bij afwezigheid van een extern magnetisch veld zijn deze spins willekeurig georiënteerd. Wanneer echter een sterk magnetisch veld wordt aangelegd zullen sommige spins (ca. 0,001 %) zich uitlijnen met het veld (lage energietoestand) maar vele niet. De thermische agitatie maakt de uitlijning immers minder dan perfect, en vele spins zullen daardoor nog steeds in de hogere energietoestand zijn.

De uitlijning langs het aangelegde magnetisch veld is de longitudinale magnetisatie. Gebruikelijk noteert men die in de z richting. De longitudinale magnetisatie is dus het resultaat van de optelling van al de magnetische momenten in de z-richting. In feite echter richt slechts een heel klein deel (ongeveer 0,001%) van de nucleaire magnetische momenten zich in de z-richting. De overgrote meerderheid heeft geen stabiele oriëntatie vanwege thermische agitatie.

Niettemin is dit kleine deel van de spins die ‘uitlijnen’ toch voldoende om te worden gedetecteerd. Daarom mogen we de rest van de magnetische momenten van de resterende 99,999%, die elkaar statistisch gezien compenseren, verwaarlozen. De magnetische momenten draaien met een snelle precessiebeweging rond de as van het magnetische veld. Deze beweging wordt Larmor-precessie genoemd.

Deze precessiefrequentie is evenredig met de grootte van het magnetische veld B_o, die bij huidige MRI-apparaten enkele tesla’s bedraagt. Voor een waterstof-1 bedraagt deze frequentie 52,58 MHz/T.

Nadat het evenwicht bereikt is, worden in NMR en MRI elektromagnetische pulsen met Larmor-frequentie op deze atomen gestuurd. Om een merkbaar effect te hebben op de spins, moet de frequentie van de elektromagnetische golven worden aangepast aan de precessiebeweging van deze spins (resonantieverschijnsel).

Waterstof ¹His niet de enige isotoop, die in MRI kan bekeken worden. Ook met o.a. ¹³C, ²³Na of ³¹P  kunnen goede beelden bekomen worden. In een zelfde veld B₀  zijn de Larmor-frequenties van die isotopen verschillend.

Wanneer een radiofrequente (RF) puls in MRI wordt toegepast en energie wordt geabsorbeerd, kan dit de uitlijning van de spins omdraaien. Wanneer de RF-puls wordt uitgeschakeld, keren de spins geleidelijk terug naar hun evenwichtsuitlijning met het externe magnetische veld via een proces, dat longitudinale relaxatie wordt genoemd. Dit relaxatieproces wordt beïnvloed door thermische agitatie, aangezien de energie, die tijdens de excitatie door de spins wordt geabsorbeerd, wordt teruggevoerd naar de omgeving.

Longitudinale of T1 relaxatie (spinroosterrelaxatie) is de overdracht van energie van de aangeslagen spins naar de omgeving (rooster). Het is een maat voor hoe snel de spins weer in evenwicht komen in de richting van het aangelegde magnetische veld (longitudinale richting).

Naarmate de magnetische momenten na die bestralingen terugkeren naar de richting van het statische veld B₀ neemt het oscillerende signaal exponentieel af totdat het verdwijnt en stijgt de longitudinale magnetisatie De karakteristieke tijd, die nodig is om de kernmagnetische momenten hun longitudinale uitlijning terug krijgen, wordt de longitudinale relaxatietijd genoemd en duidt men aan met T₁ . De tijd T₁  is dus de tijd nadat 63% van de longitudinale magnetisatie er terug is. Deze T1-relaxatietijd hangt wel af van de moleculaire agitatie in het weefsel.

Die moleculaire agitatie draagt ook bij aan een ander fenomeen. De verschillende magnetische momenten zullen de neiging hebben om uit fase te raken. Dit resulteert in een afname van de transversale magnetisatie. De magnetische momenten bevinden zich ook niet allemaal in dezelfde omgeving en daarom zal hun Larmor-frequentie ook niet perfect gelijk zijn. Het exponentieel verdwijnen van de transversale magnetisatie loodrecht op B₀ zal gekenmerkt worden door de zogenaamde transversale relaxatietijd T₂ :

T relaxatie (spin-spin-relaxatie) is de overdracht van energie tussen de geëxciteerde spins zelf, zonder een netto verlies van energie naar de omgeving. Het is een maat voor hoe snel de spins hun coherentie (uitlijning) verliezen in het vlak loodrecht op het aangelegde magnetische veld (transversale richting).

Meting van T1 en T2 levert signalen van verschillende frequentie en dus verschillende beelden op..