反物质与正电子发射断层扫描物理原理

如今检测癌症的方法越来越先进，今天我们就来讲讲其中一种与反物质相关的癌症检测方法。

反物质简介

反物质于1928年由保罗·狄拉克(PaulDirac)首次提出。通过将量子力学和狭义相对论相结合，狄拉克导出了一个关于费米子的单个相对论性波动方程，并由此得出了一个令人惊讶的结果：这个方程的解不仅描述了可以解释为负电荷电子的状态(科学已经知道)，而且描述了一个带正电荷的电子。这促使狄拉克预测了“反物质”的存在 。

四年后，卡尔·安德森(Carl Anderson)证明了反物质的存在，当时他是加州理工学院的博士后。安德森在观察宇宙射线时，发现了一些不寻常的轨迹(这是一个很容易在教室里再现的实验)。这些轨道具有与电子留下的轨迹相同的特征，但它们向相反的方向弯曲。这暗示了一个带有正电的电子存在。因此，安德森发现了一个正电子，电子的反粒子，以及第一次验证狄拉克关于反物质的质量相同，但电荷相反的理论。

自从发现反物质以来，科学家们就一直被反物质迷住，但直到科幻小说把它引入公众后，它才受到广泛的关注。“星际迷航”第一次激发了人们对反物质的兴趣，利用物质和反物质的湮灭释放出的能量，星际飞船能遨游在太空之中。丹·布朗的书“天使与恶魔”进一步激发了人们对反物质的兴趣。在这本书的开头，光照者闯入欧洲粒子物理研究所偷走了一罐反物质，然后被用作炸弹摧毁梵蒂冈。

学生们带着这些受欢迎的科学形象进入教室。这些例子给学生一个片面的科学视角，激发着他们的兴趣。这种兴趣为老师们提供了一个完美的机会，让他们把反物质、放射性、质量能量等效甚至大型强子对撞机等现代物理课题引入课堂。这些话题激发了学生的想象力，培养了学生对此的兴趣。此外，它们还允许我们向学生展示反物质物理在现实中的应用（虽然我们没有反物质推进系统），如PET扫描仪，检测肿瘤、癌症转移、阿尔茨海默病和痴呆，这些应用使我们的生活更美好。

PET物理原理

正电子的一个来源是一个叫做β+衰变的过程。β+衰变通道使带过量正电荷的原子核变得更加稳定。当一个元素经历β+衰变时，一个质子在发射正电子和中微子时被转换成中子，从而使电荷守恒。当一个正电子被发射时，它很快就会遇到一个由普通环境物质提供的电子。它们湮灭并产生两条伽马射线，能量均为511 kev，它们以完全相反的方向移动，与动量守恒一致。这种湮灭是物质转换为能量最明显的例子之一。

在1953年间，戈登·布朗内尔和威廉·斯泰因用正/负电子湮灭技术对大脑进行成像探测脑瘤。患者被注射了能进行β+衰变的放射性同位素。当同位素在全身传播时，它会衰变，发出的正电子随后与附近的电子湮灭，由此产生的伽马射线被病人两侧的探测器接收到。这些探测器记录在巧合事件发生时(巧合事件是当两个探测器同时记录伽马射线时，通常在另一个探测器的十亿分之一秒内)。当观察到足够多的巧合时，就会产生一个模糊的大脑图像，布朗内尔和斯威德就能够确定是否存在肿瘤。

这是正电子发射断层扫描(PET扫描)的第一次现身。多年来，扫描仪和成像技术越来越先进，扫描中使用的放射性药物也越来越复杂，但PET扫描仪的基本原理仍然不变。

虽然物理原理对于了解探测器的工作原理很重要，但生物学知识对于理解为什么PET扫描仪能够精确定位肿瘤也很重要。关键在于细胞代谢。细胞利用葡萄糖(C6H12O6)作为能量，不同的细胞有不同的能量需求。由于癌细胞正在快速生长和分裂，它们比健康细胞有更高的新陈代谢。为了利用健康细胞和癌细胞之间的这些差异，PET扫描利用了葡萄糖分子，这些分子上有一个正电子发射器。

目前应用最广泛的分子是氟脱氧葡萄糖(C6h11fo5)，也被称为FDG。FDG中的正电子发射体F-18是氟的一种放射性同位素，半衰期较短，约110分钟。癌细胞与健康细胞之间的代谢差异意味着癌细胞以比健康细胞更快的速度摄取葡萄糖,这对于FDG来说也是如此。然而，FDG无法完成代谢，因此被困在细胞内，这导致FDG在癌细胞中的积聚。当氟发生β衰变时，正电子在癌变区域更多地被释放。所以，当探测器记录身体周围的事件时，它会在癌区记录到更多的FDG。