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。