正子斷層攝影 追蹤癌細胞

文/簡麗賢 |2022.07.07
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圖/樹下繪本
葡萄糖 壞胚子癌細胞吸收去氧葡萄糖。(上圖) 發光,蹤跡被檢測出來了。(下圖) 圖/樹下繪本
圖/樹下繪本
電子與一個正子相遇。(上圖) 變成光子。(下圖) 圖/樹下繪本

文/簡麗賢

課堂上談到夸克和電子是組成物質的基本粒子,我補充有些基本粒子還有失散多年的孿生兄弟「反粒子」,例如有一種質量與電子相同,卻帶有相同電荷量、電性相反的反電子(anti-electron),我們稱它是「正電子」或「正子」(positron)。學生立即提問:「老師,醫院裡的正子斷層攝影(Positron Emission Tomography)與老師提到的正子有關嗎?」

運用正子 醫療曙光



是的,正子斷層攝影的正子是正電子。基本原理是先給予病患注入正子追蹤劑,追蹤劑會集中跑到代謝功能異常的特定細胞內,再由正子掃描儀造影得到影像。

討論醫院的核子醫學檢驗用的正子斷層攝影(簡稱為PET)之前,先聊聊電子。19世紀末,英國物理學家

湯姆森

(Joseph John Thomson)發現電子的身世,確定自陰極射出的射線,是一種帶負電的電子(electron),得到電子的電荷量和質量的比值為一定值。之後,美國物理學家密立坎(Robert Andrews Millikan)透過油滴實驗,得到一個電子的電量,也就是基本電荷(elementary charge)。密立坎測出電子電量後,再依據湯姆森的陰極射線管實驗的荷質比結果,進一步推得電子的質量。

正負相遇 能量大增



電子無所不在。1928年物理學家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)提出反粒子的概念,說明宇宙存在一種質量與電子相同但電性相反的反電子(正電子)。1932年,安德森(David Anderson)在宇宙射線中發現反電子,證實狄拉克的論點。

生活中極少見到反粒子組成的反物質,因為物質與反物質一旦相遇,兩者將玉石俱焚,幻化成光子,形成能量,但這項特性可應用在醫療診斷。

我們的身體依靠飲食吸收營養和能量維持生理機能運作,但有些異常增生的壞胚子細胞,卻可能掠奪身體吸收的能量,侵門踏戶傷害正常細胞,這是大家耳熟能詳的癌細胞。如果醫師能透過儀器及早發現癌細胞,可先超前部署剷除癌細胞,造福病患。正子斷層攝影就是針對檢驗癌細胞的核子醫學儀器,利用正子準確偵測和標定癌細胞,讓癌細胞無所遁形,可說是基礎科學研究應用在醫學檢驗的範例。

衰變放電 測癌細胞



由於癌細胞異常增生需要吸收大量葡萄糖,醫學研究以氟取代葡萄糖分子中的氧,形成氟代脫氧葡萄糖,注射入受檢患者體內,等待身體吸收。對壞胚子細胞而言,氟代脫氧葡萄糖與正常的葡萄糖分子並無二致,因此癌細胞吸收具有放射性的同位素氟18,亦即原子序9,質量數18的氟,此同位素氟18會衰變為原子序8的氧18,半衰期約兩小時,衰變時會伴隨放射出一個正電子(正子),射出的正子會遇到電子,交互作用後產生光子訊號而被儀器偵測到,如此檢驗師或醫師就能標定大量吸收葡萄糖異常增生的癌細胞。這是醫學檢驗儀器正子斷層攝影或掃描的物理原理。

如何產生正子?這需要迴旋加速器產生正電子,迴旋加速器所費不貲,造價高啊!加上放射性元素不易取得,因此正子斷層攝影費用不低。

既然有放射性和半衰期問題,正子斷層攝影檢查是否有輻射風險?正子斷層攝影確實涉及放射性元素衰變,輻射劑量大約7毫西弗,劑量很小,但仍暴露於輻射風險,因此是否用正子斷層攝影追蹤癌細胞,需要醫師專業評估。

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