反物質為甚麼能用來進行癌症診斷？| 物理探秘 科技前沿

大家好 歡迎回到我們的頻道 今天我們將深入探討醫學科學的奇妙世界 以及如何使用反物質來幫助醫生檢測癌症 是的 你沒聽錯 反物質 這可能聽起來像是科幻小說 但它是非常真實的 所以 披上你的實驗服 因爲我們將探討正電子發射斷層掃描拍掃描背後的 令人難以置信的技術 以及它如何徹底改變了癌症的診斷和治療 想象一下聽到你患有癌症這句話 這是一個人可能聽到的最可怕的陳述之一 但在今天的現代社會 我們擁有了一系列卓越的工具來對抗這種疾病 其中許多工具源於原子和亞原子物理學的研究 然後還有一種似乎太未來主義 以至於讓人難以置信的技術 它使用了反物質 那就是PET掃描 首先 讓我們基本瞭解一下PET掃描是什麼 PET即正電子發射斷層掃描 是一種用於臨牀檢查的和醫學成像技術 與捕捉解剖結構的傳統成像方法不同 PET對於我們提供了癌細胞功能性和代謝性圖像 而無需侵入性的操作 就能窺視人體內部複雜的3D圖像 但反物質究竟是什麼 看過我以前介紹反物質最新研究的影片的朋友 一定已經瞭解了 反物質就像是與普通物質相比 帶有相反電荷的鏡像物質 以電子爲例 它們帶有負電荷 但其反物質則是帶有正電荷的電子 稱爲正電子 它們具有相同的質量 但電荷相反 反物質聽起來可能像是科幻電影中的東西 比如星際飛船企業號的動力源 或者丹布朗的天使與魔鬼中的武器 但它是真實存在的 於1928年被保羅迪拉克預測 並在4年後被發現 然而 需要注意的是 反物質非常危險 當一顆物質和一顆反物質相互碰撞時 它們會相互淹滅 所有的質量都會按照質能方程轉換成能量 以加碼輻射的方式釋放出來 相當於廣導和長期和爆炸的能量總和 那麼一個如此具有潛在破壞性的東西 如何作爲有價值的診斷工具 用於診斷癌症這種致命疾病呢 又如何存在於人體內 更不用說安全的使用了呢 好吧 讓我們深入探討PET掃描的工作原理 在PET掃描中 反物質被間接使用 其中一個關鍵是正電子發射 這是一種罕見的放射性形式 當原子核內的質子衰變時 會轉化爲中子 正電子和中微子 這種衰變在自然界幾乎不會見到 但可以在少數人造同位素中人爲製造 這些同位素是通過將粒子數射向常見元素而製造的 這會導致它們轉化爲不穩定的同位素 這些放射正電子的同位素壽命非常短 通常只有幾十分鐘 在醫學中使用的最長壽命同位素之一是-18 其半衰期約爲110分鐘 爲了理解這些同位素如何幫助檢測癌症 讓我們以一個例子來說明 PET掃描中常用的一種物質是福帶脫氧葡萄糖 5-18SBG其中含有-18同位素 現今在覈醫學中用到的-18都是人工製造的水溶液 方法是利用迴旋加速器或直線加速器 將高能量約18MV的質子烘積濃縮的重氧水又稱氧18水 可製出含有-18因離子的氫氟酸水溶液 溶液立即與脫氧葡萄糖進行化學反應 合成出所需的放射性藥物 放射性藥物不能通過將藥品與氧18結合來製造 因爲烘積氧18時所用到的高能量質子屬 會同時破壞掉藥品的化學結構 因此製造含有-18的放射性藥物時 只能先生產-18再合成含-服藥物 在實際掃描之前 患者會接受一劑這種放射性式蹤跡 等待一段時間通常約爲一小時 使蹤跡會集中在目標器官中 -18S一支是葡萄糖的類似物 被身體組織吸收 但不能被細胞代謝 因此會在細胞內積累 這是由於在其發生衰變之前 它的代謝分解會因爲其 分子之中二分位上的-服而受到抑制 不過在其發生放射性衰變之後 其中的-服將轉變爲氧18 而且在從環境當中獲取一個氫離子之後 衰變產物就變成了葡萄糖6磷酸 這樣該衰變產物通常就可以按照 普通葡萄糖的方式進行代謝 正是由於癌細胞相比於正常細胞 所以醫生可以通過下面的方式識別出來 有趣的部分來了 當-服18同位素衰變時 它會發出一個正電子 但請記住正電子是反物質 它們不會走得很遠 當正電子遇到電子時 它們會相互煙滅 將它們的質量轉化爲 具有非常特定能量的兩條伽馬射線 這些伽馬射線以相反的方向傳播 當這些光子擊中探測器中的閃爍晶體時 它們會產生閃爍的光 然後由光敏感的光電倍增管 或雪崩光電二極管檢測到 複雜的計算機使用這些伽馬射線的軌跡 來精確地確定正電子的發射位置 這些事件被重建成稱爲正弦圖的投影圖像 當從多個角度和方向組合這些正弦圖時 就創建了被檢查區域的三維圖像 單次PET掃描生成的數據可以達到數百萬個事件 遠遠超過了CT掃描生成的數據 使PET成爲一種功能強大的成像工具 並揭示出體內潛在的癌症組 這種令人難以置信的精度 幫助醫生準確定位疾病的位置和程度 有助於診斷和治療計劃 雖然PET掃描在與癌症組鬥爭中 是一種強大的工具 但它們也有一些侷限性 由於製造放射性同位素所需的專用設備 不是所有醫院都能提供PET掃描 而且由於福士8的衰變的半衰期僅約爲110分鐘 已經合成要迅速運送到檢測地點 意味着它們必須在使用地點附近製造 有時需要在現場使用粒子加速器 關於其安全問題 PET掃描涉及輻射暴露 但它是相對較小的 平均而言 PET掃描的輻射劑量約爲7毫西弗 爲了讓大家有個概念 一次CT掃描會受到2到15毫西弗的輻射 英國的平均年度環境輻射暴露量爲2.2毫西弗 因此PET掃描相對安全 最後值得注意的是 與磁共振成像或CT掃描等方法相比 PET掃描在定位癌症方面不夠精確 所以在臨牀實踐中 PET通常與CT結合使用 以充分利用PET軟組織成像能力和CT的成熟技術 總之 醫學科學的世界不斷發展 PET掃描中利用反物質的應用 只是我們取得進展的一個令人難以置信的例子 從事蹤跡注射到正電子和光子的複雜相互作用 PET掃描爲我們提供了窺視人體內部運作的窗口 這項技術源於我們對原子和亞原子物理學的理解 正在幫助醫生以前所未有的精度檢測和治療癌症 儘管PET掃描存在一些侷限性 但它們代表了腫瘤學家工具包中的重要工具 爲我們提供了有關癌症在體內行爲的寶貴信息 誰知道在醫學科學領域還有哪些突破性的發現等待着我們呢 今天的視頻就到這裏 如果你覺得這個話題和我們一樣令人着迷 不要忘記點贊與朋友分享這個視頻 並訂閱我們的頻道以獲取更多令人驚歎的科學和技術內容 感謝你的加入 我們下期視頻再見