定點爆破——質子治療中的物理

在<精準打擊—放射治療中的物理>一文中,我們介紹了放射治療中使用到的放射線主要是透過「加速器」產生的高能量光子(γ射線、X光)或電子。除了光子與電子,近年來「質子治療」逐漸加入放射治療家族。我們在本篇文章中,會介紹究竟質子治療和傳統的放療差異在哪,用於治療的質子又是如何產生的。

撰文/劉詠鯤

在現行的放療中,主要是利用直線加速器產生的X光來摧毀身體內腫瘤組織。X光的高穿透性,使其可以對身體深層的腫瘤進行治療。但是,不可避免的問題是,在X光抵達腫瘤細胞前,沿途經過的正常細胞也會接受到輻射劑量。若正常細胞累積輻射劑量過高,便可能導致副作用的發生。因此,最理想的放射治療方式,便是希望能量在抵達目標前,都不要和正常細胞發生反應,抵達目的地時才一次釋放出來。質子治療之所以被認為是放療的新希望,便是因為它具有這樣的特性。

●布拉格峰是什麼?

我們可以將損失能量的速度以及穿透深度畫成一張圖(如圖一)以了解X光(高能量光子)與質子束的釋放能量方式差異。從圖中可以看到,光子的曲線相對平滑,這意味著它在身體組織中前進時,會不斷釋放能量;而質子束則不同,質子束在某一個特定深度具有一個明顯的峰值,這個特徵被稱為「布拉格峰」,以紀念於1903年首次發現此效應的英國物理、化學家威廉·亨利·布拉格。明顯的峰值,意味著質子的能量釋放會非常集中在某一個特定深度。而此深度,隨著質子束具有的能量改變:能量愈高,能在愈深處的組織釋放。因此,若我們能很準確的控制產生的質子束能量,便能控制質子要在哪一個位置將能量定點釋放,這個優點使得質子束在放射治療中被寄以很高的期望。

圖一、不同放射線能量消耗隨組織深度示意圖。可看到電子束在較表層就已消耗大多數能量;X光穿透深度次之,但相較質子束來說,會在前進過程中持續釋放出能量。質子束具有在抵達特定深度,才將大部分能量釋放出來的特性。圖片來源:A A Miller / Wiki.

 

儘管質子束治療有如此突出的優點,但目前在腫瘤治療中卻尚未普及,除了對於適應症有限制外,現實考量也是很重要的原因。由於要充分發揮質子治療的優勢,所對應的主要是體內而非表層的腫瘤細胞。為了要具有足夠的穿透力,質子必須要被加速到足夠高的能量。在上篇文章中提到的醫療用加速器,由於空間限制,並不足以將質子加速到足夠高的能量。

●迴旋加速器

讀者們也許會疑惑,電子能被加速到醫用的能量要求,質子為甚麼就不行?電子與質子都屬於帶電粒子,因此可以透過施加外界電場來推動它們,而這個推動力的大小會和電場強度以及粒子帶電量有關。電子和質子的帶電量相同,只是前者帶負電,後者為正電。這意味著,當我們施加相同大小的電場時,電子與質子會受到一樣大的電力。但是質子的質量約是電子的1800倍,若要加速到相同的末速度,質子就需要千倍長的加速距離。因此,若是在醫療用途中,想要依靠直線加速器來加速質子,便會需要非常長的加速軌道,這顯得不太現實。既然無法在一條直線跑道上,讓粒子一次加速到我們想要的能量,那何不像繞操場跑步一般,讓粒子邊環繞邊加速呢?這個想法,就是迴旋加速器的概念。

帶電粒子,會受到電磁力的作用。簡單來說,電力讓粒子加(減)速,而磁力讓粒子轉彎。迴旋加速器,便是巧妙的結合電力磁力,透過精準地控制磁場讓粒子在環狀軌道中不斷迴轉,而旋轉的過程中,經由施加電力,使粒子愈來愈快。加速到具有足夠能量後,經過篩選、調整至病患所需的能量,再引導進診療室進行治療。為了使質子束可以從合適的角度照射腫瘤,儀器必須能精準地控制病人與質子束之間的相對位置、角度。在一般實驗中,這件事相對容易達成,因為我們可以固定質子束方向,去旋轉目標物以配合質子來源;但在醫療用途則無法如此,我們可不能去任意旋轉病患!因此還必須具有調整質子束方向的設備,但如前所說,由於質子的大質量,要使它轉彎,一樣需要非常大的空間。以林口長庚質子治療中心為例,一個旋轉基座約需要20公尺高的空間容納。這種種原因,使得目前台灣具有質子治療設備的醫療中心尚十分罕見;質子治療費用也遠高於一般放射治療。

質子治療由於其精準釋放能量的特性,使得在癌症治療中被眾人矚目、期待著。但由於要產生醫用質子束仍需要造價高昂的設備及龐大的空間,質子治療要成為癌症主要治療方式還有很長的路要走。希望在未來,隨著控制質子的技術更加成熟,質子治療這種具有獨特優點的治療方式,也能普及到所有癌症病患的身上。

警語: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] Sigmund, Peter. Particle Penetration and Radiation Effects. Springer series in solid-state sciences (2006)
[2] https://www1.cgmh.org.tw/intr/intr2/c33e0/zhizizhongxin.html#.YAkzKegzZPY 林口長庚紀念醫院—質子暨放射治療中心

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