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放射治療之基本原理
放射治療之基本原理 
許文林原著  林群書改版

一、前言:
  放射治療,顧名思義就是使用游離輻射線(以下簡稱放射線)來治療罹患癌症的病人,藉除掉局部惡性腫瘤的細胞而達到控制癌症的目的,約有三分之二的癌症病人需要接受放射治療。
 
  雖然實際治療的應用很重要,但治療前的準備工作與治療後的追蹤檢查工作亦佔同等重要的地位。 

  如同外科治療一樣,放射治療同樣是強調「局部控制」,但它較不受解剖位置的限制,可以輔助外科不能完全切除的不足, 另外它還可保留器官的外觀與功能,如早期喉癌及乳癌等。一般在施行放射治療時,病人不需上麻醉(除了少數小兒科的病人外),所以可以門診方式來院治療,這也是放射治療的另一優點。放射線的作用主要是將原子或分子游離,產生具強烈化學反應性質的游離根,所以放射治療也可看成是「局部的化學治療」,放射治療不直接受血流供應或組織滲透性的影響,所以劑量的給予較化學治療更具準確性,同時因放射治療毒性較小,所以較不受病人身體狀況的影響。但較長的治療期間以及治療後數個月或數年以後才產生可能的遲延性後遺症則是放射治療的缺點。 
  

二、主要內容:

放射物理的基礎 
  放射線與物質作用以後,會將其分子或原子游離或變成激發狀態。這些放射線包括以電磁波形態存在的X光和伽傌射線,以粒子形態存在的電子,質子,中子和阿爾發射線。它們可從自然界的同位素產生(如鐳-226),也可由人工製造的同位素(如鈷-60,銫-137)或加速器所產生,其穿透性以電磁波形態的光子為佳, 而以阿爾發粒子最差,但若與生物作用所產生的生物效應程度則剛好相反。

   目前臨床治療所使用的放射線以鈷-60所產生的伽傌射線及直線加速器所產生的高能量X光和電子射束為主。由於裝備昂貴的關係,僅有少數國家實驗室或醫學中心擁有中子射束或質子射束的治療設備。目前放射線的劑量大小及分佈皆可準確的測量出來,提供正確和安全的臨床治療。1980年,國際放射線單位及測量委員會(I.C.R.U)建議將吸收劑量單位由傳統使用的雷得(Rad)改成葛雷(Gy), 1葛雷等於100雷得,所以1雷得就等於1厘葛雷(cGy),在往後有關放射治療的文獻,所看到的劑量單位就在厘葛雷或葛雷而非雷得了。 
  在測量放射線劑量時,常使用游離性劑量儀來測量,由於人體組織的物理性質與水或壓克力等物質相似,一般都使用水假體或壓克力製的固態假體來代替執行測量的工作。另外也可以利用熱發光劑量儀,置於人的體表或體腔內來直接測量人體某些部位的吸收劑量。癌症病人的能否治癒與所給予的劑量是否得當有很大的關係,而其先決條件就是必須做好非常準確的劑量測量,就好像內科醫師所給予病人的藥物劑量需要非常準確一樣,少則醫不好病,多了可能要病人的命,所以吸收劑量的測量必須由受過專門訓練的放射物理師來擔任。

  病人在放射治療前必須有一經過詳細設計的放射治療計畫,簡單的說,就是利用各種不同的技巧使腫瘤體積達到所要給予的劑量,而盡量減低附近正常組織或器官的劑量,病人治療的成功與否,放射治療計畫佔了一大半。目前在較大型的教學醫院都已使用電腦來協助放射治療計畫的設計工作,節省了非常多的時間與人力。當治療用的伽傌射線和高能量X光與人體作用以後,可產生不同的物理現象,與放射治療較有關係的有三種, 即光電效應,康普吞散射效應,及成對效應等,分述如下: 
  
(一)、光電效應 : 
  所謂光電效應是指光子與原子發生作用而將原子軌道中的電子打出(被打出的電子稱為光電子),光電子將光子的能量全部吸收,而成為光電子的動能,此種效應可發生於K、L、M、N的任何一層電子中。如K層被打出後,留下一個空洞在K層軌道上,使原子發生不穩定狀態,一可由外層電子來填補,由於不同層軌道有不同的束縛能,其外層電子填補內層電子所多出來的能量及以電磁波的方式放出,即所謂的特性X光,此種現象發生的比率與光子能量增加成三次方反比,與作用物質的原子序增加成三次方正比。 
  由於光電效應較容易發生於150KeV以下的光子,為淺部X光及深部X光(50---300KeV)與身體作用的主要現象,所以人體骨骼吸收的劑量遠比軟組織吸收的劑量多,這也就是淺部X光治療機與深部治療機頭頸部癌症治療時,常會造成上下頜骨壞死的原因。
   
(二)、康普吞散射效應: 
  此效應主要發生於光子與自由電子(在原子最外層幾乎無束縛能的電子)之間的作用。電子吸收一部份的能量而以散射角射出,而入射的光子在衰減以後以角散射,由於入射角或散射角有許多變化,所以光子能量的傳遞也有不同的變化。此種效應因作用在外層自由電子,所以與原子序無關。目前在放射治療最常用的鈷六十治療機及直線加速器所產生的伽傌射線及X光與人體的作用即是以此種效應為主,所以骨骼與軟組織所吸收的劑量差不多,這也是百萬伏以上放射線的優點。 
  
(三)、成對效應: 
  當入射光子的能量大於1.02MeV時,光子的能量可經由成對效應的機轉而被吸收。當光子行經原子核附近時,因原子核強大的力場而產生一對正負電子,多於1.02MeV的能量則成為正負電子的動能,等到正電子消耗掉所有的電能而慢下來時,就容易被負電子捕捉而發生互毀反應而產生兩個0.51MeV的光子。成對效應發生的比率隨光子能量的增高而增加。瞭解以上三種光子與物質作用的機轉以後,我們可發現常用的鈷六十治療機以及直線加速器所產生的光子與水作用後所產生的現象以康普吞散射效應為主,這也是目前的放射治療很少有骨骼組織壞死的原因。
  
放射生物的基礎 
  當人體全身接受500厘葛雷的暴露後,一百人當中會有五十人在三十天內死亡,但500厘葛雷僅讓人體體溫升高攝氏千分之一度,所以並非熱量使人致死。放射線對人體主要是作用於細胞染色體,它可直接或間接的引起DNA的化學變化,在直接力面,乃是放射線撞擊DNA分子而引起DNA股斷裂,這種直接命中的機會很少發生,大部份都是間接影響所致。由於細胞中百分之七十是水,放射線與水作用後,可產生具強氧化性質的游離根,此游離根可輕易地將DNA分子的氫抽取出來,而造成DNA股斷裂。超過百分之九十的放射線影響皆是由於間接的影響。放射線所造成的DNA股斷裂有單股,雙股兩種,單股斷裂通常可修復,雙股斷裂則經常造成細胞死亡。

   相同細胞對放射線的敏感性因細胞處於不同的周期而有所變化,比哺乳類動物細胞而言,處於分裂期(mitotic phase)的細胞較敏感,而處於合成期(synthetic phase)的細胞較不敏感。細胞存活曲線與放射線劑量的關係成一乙狀曲線,此與臨床藥物劑量的效果曲線相似,但不同種類細胞的存活曲線有不同的肩部與曲線斜度的變化,換句話說,對放射線的敏感性不同。目前臨床所使用的放射治療皆以分次小劑量的方式進行,總治療期間常為4-6星期,而非單一次大劑量的給予,其理論基礎為四個"R"即再分佈,修復,氧氣再生及再生長,分述如下: 

(一)再分佈 : 
  細胞周期中最敏感的部份被放射線殺死後,其餘處在不敏感周期的存活細胞會重新分佈在各個不同周期的部份而非同步進入下一個細胞周期。所以每次放射治療之後,殘存的細胞會重新再分佈,有的在敏感周期有的則在不敏感周期,這也是採用分次小劑量的原因之一。 

(二)修復: 
  未被殺死而僅是受傷的正常細胞,如DNA單股斷裂,可以因修復的機轉而恢復。經實驗證明,整個修復的機轉約需4-6小時,這也就是可施行一日多次治療的理論基礎。通常癌細胞的修復能力比正常組織的細胞差。 

(三)氧氣再生: 
  傳統放射治療所使用的伽傌射線,X光及電子射束會因細胞含氧的情形而影響其對細胞的殺傷力,在低氧的狀態下,欲殺死細胞的劑量為在有氧狀況下的2.6倍,為了儘量能夠以較小的劑量達到殺死癌細胞的目的,癌細胞的含氧量是非常重要的。由於惡性腫瘤生長迅速,其中心常是壞死區,而在有氧區與壞死區中間即為低氧區的細胞帶,這也就是日後癌病復發的最大原因。分次小劑量的治療法可先殺死離血管較近的有氧細胞而使離血管較遠的含氧低的細胞漸漸靠近血管而成為有氧細胞,此種現象即稱為氧氣再生,這也是分次小劑量的理論基礎。

(四)再生長: 
  細胞本身經有絲分裂而增生的機轉,當時間過得越長,癌細胞就長的越多,對快速增生型的惡性腫瘤,傳統每日一次,治療期間長達6一7星期,或治療中間還分段休息的方式並不合適,因癌細胞可利用每次治療之間的休息時間增生而降低了治療的效果。如果使用一日多次的治療方式,不但減少癌細胞增生的機會,同時也縮短了治療時間。以上四種機轉可使我們瞭解放射治療為何不用單一大劑量而需用分次小劑量的原因。 

結 論 
  放射治療是癌症治療的重要部份之一,在現代腫瘤學的臨床應用上,放射治療常與外科手術治療或化學治療合用以獲得最好的腫瘤控制及最低的正常組織傷害。而欲成為一位優秀的放射腫瘤醫師,瞭解放射治療的原理是必要的。 
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更新時間:2022/8/9 上午 08:52:17

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