精準打擊——放射治療中的物理

癌症,近年來已經躍升為台灣人死因首位。對這個難纏的敵人,人們嘗試用各種方法對抗它。其中一種治療方式:放射性治療,目前已被廣泛的採用在癌症治療中。放射性治療到底是用什麼摧毀癌細胞?所謂的「伽馬刀」、「光子刀」說的又是什麼?在這篇文章中我們從放射治療裡涉及到的物理,帶大家認識它。

圖片來源:Pixabay

撰文/劉詠鯤

●放射線是什麼?

在了解放射線治療之前,首先我們要知道放射線指的是什麼。所謂的放射線其實是個統稱。在日常生活中,組成大部分物質的原子都十分穩定,若沒有受到外在能量擾動,基本上就會維持原本的狀態。但也存在一些不穩定的元素,它們會自然而然的轉變為其它原子,並在這過程中釋放出能量,因此被稱為放射性元素。順帶一提,放射性元素並非都是人工製造的,在大自然中也存在著不少放射性元素,例如地核可以維持熔融態,其中一部分能量就是由這些放射性元素衰變的能量所提供。

放射線其實就是指放射性元素在衰變的過程中,能量可能釋放的形式:包含(阿法),  (貝塔)和  (伽馬)三種射線。其中是高速的帶電粒子(分別為氦原子核及電子),則是高能量的電磁波。電磁波的家族非常龐大(如圖一),X光、紫外光、可見光、微波、無線電波其實都是電磁波,在本質上和非常相近,只是由於頻率差異甚大,因此展現出了非常不同的特性。頻率較高的電磁波由於波長較短,展現出來的性質更像是具有高穿透力的粒子,因此又會被稱為「光子」。現在我們就可以理解,在醫療領域中出現的「伽馬刀」、「X光刀」、「光子刀」…等,其實原理上就是利用伽馬射線、X光等高能量的電磁波來進行治療。了解放射線是什麼之後,那在放射治療中,這些放射線都是透過什麼來產生的呢?

 

圖一、電磁波光譜。從極具穿透性的射線、X光,一直到日常生活中常見的微波、無線電波,其實都和可見光一樣屬於電磁波。它們雖然展現出迥然不同的性質,但差異只在於頻率(波長),射線頻率非常高,無線電波則較低。

●放射線如何產生?

在放射線治療中,最有名的可能是「鈷60治療」。鈷-60是一種不穩定的人造鈷同位素,它在衰變的過程中,會放出高速的電子以及高能量的。所謂的鈷60治療,其實就是利用產生的去照射、破壞腫瘤細胞。除了鈷60之外,這種透過不穩定放射性物質作為放射線來源的治療方式還包括利用鐳錠226、銫137…等許多種方式。有趣的是,鈷60治療又被稱為「電療」,據說是由於在經過多次治療後,體表皮膚由於照射緣故,會有如被電灼傷的疼痛感[1]。但其實在鈷60的治療中,完全沒有使用到電擊去摧毀癌細胞。

在進行放射線治療時,如何避免正常細胞接受到過多的輻射劑量,是非常重要的考量。由於光與物質間的交互作用會和光子能量有關,藉由調整光子的能量,我們可以盡可能的使體表細胞減少接受到輻射劑量(減少和光子作用)。使用不穩定同位素來做為放射線源,由於輻射源持續存在,醫護人員可能會接受過多輻射劑量;此外,由於元素衰變所產生的光子能量是固定的,較難根據腫瘤所在深度去彈性的調整正常組織與腫瘤的輻射劑量。因此在較新型的放療中,會使用「加速器」來當作輻射源,除了可以在需要進行治療時才產生光子;其光子能量也可以進行調整,以達到盡可能將輻射劑量集中在腫瘤,避免其他正常組織受到破壞的目標。

透過加速器可以產生高能量的光子,但是實際上加速器「加速」的並不是光子,而是帶電的粒子。帶電的粒子會受到電力與磁力的作用,其中電力會改變帶電粒子的速度,磁力則只會改變前進方向。因此,透過設計合適的電場,帶電粒子便可以在加速器中逐漸被加速。加速器可以根據電子運動的軌跡,被分類為「直線加速器」與「迴旋加速器」。顧名思義,直線加速器便是電子如同百米衝刺一般,在一條直線的路徑上被不斷加速;迴旋加速器,則像是5000米比賽選手,在環狀的賽道上,邊繞圈邊加速。由於體積小的優點,目前醫療用的加速器大多是直線加速器(圖二);迴旋加速器由於可以將粒子加速到更高的能量,則較常見於前沿的科學研究機構,如在瑞士近郊,圓周27公里的大型強子對撞機。

 

圖二、醫療用加速器示意圖。加速器具有一個旋轉臂,可以使X光以不同角度照射患者。電子束經由電子槍產生後,透過加速腔體被加速至高能量,再經由磁鐵偏轉軌跡,轟擊在X光靶材上。如此產生的X光被準確引導至患者待治療的部位進行放射線治療。

有了加速器產生的高速帶電粒子(如電子)後,透過將高速電子轟擊X光靶材,便能將能量以X光的形式釋放出來。從以上原理我們可以知道,醫用加速器除了可以產生高能量光子,也可以產生高速的電子束。和X光相比,電子由於和人體組織較容易互相作用,因此較難穿透進人體深處。目前在放射性治療中,主要被拿來治療體表腫瘤。

隨著我們對於放射線的了解逐漸深入,人們有能力控制放射線的產生,並準確的將高能量集中在腫瘤細胞上進行治療。放射線逐漸從一種無序、狂暴的能量,轉變為精準、可控的「手術刀」。儘管到目前為止,放射線治療距離完美的癌症治療方案還有很長一段路要走,但它的確為人類與癌症之間的漫長對抗,照入了一道曙光。

 

註:有關疾病的治療方案,務必諮詢專業醫師進行判斷、診療。

 

參考資料:
[1] 放射線治療Q&A
[2]從光子談放射線與放射線治療

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