反物質與正電子發射斷層掃描物理原理

如今檢測癌症的方法越來越先進，今天我們就來講講其中一種與反物質相關的癌症檢測方法。

反物質簡介

反物質於1928年由保羅·狄拉克(PaulDirac)首次提出。通過將量子力學和狹義相對論相結合，狄拉克導出了一個關於費米子的單個相對論性波動方程，並由此得出了一個令人驚訝的結果：這個方程的解不僅描述了可以解釋為負電荷電子的狀態(科學已經知道)，而且描述了一個帶正電荷的電子。這促使狄拉克預測了「反物質」的存在 。

四年後，卡爾·安德森(Carl Anderson)證明了反物質的存在，當時他是加州理工學院的博士後。安德森在觀察宇宙射線時，發現了一些不尋常的軌跡(這是一個很容易在教室里再現的實驗)。這些軌道具有與電子留下的軌跡相同的特徵，但它們向相反的方向彎曲。這暗示了一個帶有正電的電子存在。因此，安德森發現了一個正電子，電子的反粒子，以及第一次驗證狄拉克關於反物質的質量相同，但電荷相反的理論。

自從發現反物質以來，科學家們就一直被反物質迷住，但直到科幻小說把它引入公眾後，它才受到廣泛的關注。「星際迷航」第一次激發了人們對反物質的興趣，利用物質和反物質的湮滅釋放出的能量，星際飛船能遨遊在太空之中。丹·布朗的書「天使與惡魔」進一步激發了人們對反物質的興趣。在這本書的開頭，光照者闖入歐洲粒子物理研究所偷走了一罐反物質，然後被用作炸彈摧毀梵蒂岡。

學生們帶著這些受歡迎的科學形象進入教室。這些例子給學生一個片面的科學視角，激發著他們的興趣。這種興趣為老師們提供了一個完美的機會，讓他們把反物質、放射性、質量能量等效甚至大型強子對撞機等現代物理課題引入課堂。這些話題激發了學生的想像力，培養了學生對此的興趣。此外，它們還允許我們向學生展示反物質物理在現實中的應用（雖然我們沒有反物質推進系統），如PET掃描儀，檢測腫瘤、癌症轉移、阿爾茨海默病和痴呆，這些應用使我們的生活更美好。

PET物理原理

正電子的一個來源是一個叫做β+衰變的過程。β+衰變通道使帶過量正電荷的原子核變得更加穩定。當一個元素經歷β+衰變時，一個質子在發射正電子和中微子時被轉換成中子，從而使電荷守恆。當一個正電子被發射時，它很快就會遇到一個由普通環境物質提供的電子。它們湮滅併產生兩條伽馬射線，能量均為511 kev，它們以完全相反的方向移動，與動量守恆一致。這種湮滅是物質轉換為能量最明顯的例子之一。

在1953年間，戈登·布朗內爾和威廉·斯泰因用正/負電子湮滅技術對大腦進行成像探測腦瘤。患者被注射了能進行β+衰變的放射性同位素。當同位素在全身傳播時，它會衰變，發出的正電子隨後與附近的電子湮滅，由此產生的伽馬射線被病人兩側的探測器接收到。這些探測器記錄在巧合事件發生時(巧合事件是當兩個探測器同時記錄伽馬射線時，通常在另一個探測器的十億分之一秒內)。當觀察到足夠多的巧合時，就會產生一個模糊的大腦圖像，布朗內爾和斯威德就能夠確定是否存在腫瘤。

這是正電子發射斷層掃描(PET掃描)的第一次現身。多年來，掃描儀和成像技術越來越先進，掃描中使用的放射性藥物也越來越複雜，但PET掃描儀的基本原理仍然不變。

雖然物理原理對於了解探測器的工作原理很重要，但生物學知識對於理解為什麼PET掃描儀能夠精確定位腫瘤也很重要。關鍵在於細胞代謝。細胞利用葡萄糖(C6H12O6)作為能量，不同的細胞有不同的能量需求。由於癌細胞正在快速生長和分裂，它們比健康細胞有更高的新陳代謝。為了利用健康細胞和癌細胞之間的這些差異，PET掃描利用了葡萄糖分子，這些分子上有一個正電子發射器。

目前應用最廣泛的分子是氟脫氧葡萄糖(C6h11fo5)，也被稱為FDG。FDG中的正電子發射體F-18是氟的一种放射性同位素，半衰期較短，約110分鐘。癌細胞與健康細胞之間的代謝差異意味著癌細胞以比健康細胞更快的速度攝取葡萄糖,這對於FDG來說也是如此。然而，FDG無法完成代謝，因此被困在細胞內，這導致FDG在癌細胞中的積聚。當氟發生β衰變時，正電子在癌變區域更多地被釋放。所以，當探測器記錄身體周圍的事件時，它會在癌區記錄到更多的FDG。

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