原子能是原子核發生變化所放出之一切能量,其應用範圍非常廣泛。除了應用原子能發電外,原子能的民生應用範疇有研究、工業、農業與醫療等,應用範圍包括微量元素分析、年代測定、示蹤劑、非破壞檢測、厚度測定、夜光錶塗料、食品照射、品種改良、癌症治療、醫療用具滅菌與X光檢查等。原子能的民生應用簡介如下:

 

一、核能發電

核能發電的原理是:用鈾製成的核燃料在反應爐內進行核分裂釋出大量熱能;高壓下的循環冷卻水把熱能帶出,在蒸汽發生器內生成蒸汽;高溫高壓的蒸汽推動汽輪機,進而推動發電機旋轉。目前世界上數量最多的是壓水式核電廠,其次是沸水式。


二、輻射在農業的應用

用於防治病蟲害,抑制發芽,殺蟲、滅菌,品種改良及延長食品保存期限等,增加農作物和食物的產量,或提高農作物的經濟價值。利用輻射照射保存食物,既不會降低食物原有的天然養分,也不會有放射性殘留。


三、輻射在工業的應用

核子計測儀技術:核子計測儀主要是基於不同物質對放射性同位素(如鈷-60、銫-137、鍶-90、鋂-241/鈹與鉲-252)所放出加馬、貝他與中子放射線的吸收、穿透與散射程度的不同,以核子儀器計測放射線強度的變化,從而偵知物質之厚度、密度、均勻度、液位、界面、觸媒床高度與溼度等。


 四、輻射在醫學的應用

1. 醫療器材消毒滅菌

輻射可應用在醫學器材的消毒。由於一般的高溫消毒會損害針筒、藥膏和繃帶的品質,而輻射本身不具高熱,因此輻射消毒滅菌的應用已日趨廣泛。


                            醫療器材照射滅菌

2.放射診斷:X光攝影、電腦斷層攝影


 

電腦斷層掃瞄攝影術是目前廣泛應用的影像診斷工具之一,其光感測器設計成360°的形狀。電腦斷層掃瞄攝影和X光機最大不同點為,X光底片為二維影像,電腦斷層掃瞄攝影則可提供剖面斷層的三維影像。



 3.放射治療:60Co治療機、直線加速器、加馬刀、電腦刀、電腦斷層治療機

加馬刀為利用201顆鈷-60加馬射源,集中光束直接照射於腦內病灶予摧毀,由於其精準度很高--小於0.5 mm,有如手術刀之精準,故稱做加馬刀。


4.核子醫學:

(1)體內造影檢查:加馬造影機、單光子放射電腦斷層(SPECT)、正子放射電腦斷層(PET)

(2)放射免疫分析

(3)核醫治療


5.核醫藥物(Radiopharmaceutical)

自從1895年德國物理學家侖琴(Roentgen)發現X射線的特性後,同一個時期貝克(Becquerrel)發現自然輻射物質,而後1898年居里夫婦發現鐳,放射線即被開始應用於疾病之診斷與治療。隨著放射性同位素(包括αβγ等核種)陸續被發現並應用於疾病之診斷或治療,有別於傳統之體外照射而成為一獨立學門即為核子醫學(nuclear medicine)

臨床核子醫學部門使用的藥物與一般的藥品不同,它最大特色即是含有放射性同位素;利用放射性同位素結合上大分子或小分子化合物後,以注射、吸入或口服等給藥方式,利用化合物之特性將同位素運送至特定器官或組織,依同位素之特性可應用於疾病之診斷或治療,屬於這一類的藥我們稱之為核醫藥物(radiopharmaceutical)

核醫藥物可區分為診斷用核醫藥物與治療用核醫藥物兩大類,目前90%的核醫藥物作為診斷造影(diagnostic imaging)用途,僅10%作為核醫治療。診斷用核醫藥物具有下列特點:(1)所含藥物的含量極微(1μg),不致因藥理反應產生副作用,故核子醫學造影是一種非常安全的非侵入性檢查。(2)核醫藥物的劑量以放射性活度(radioactivity)來計算,其劑量隨著半衰期(half life)而衰減。診斷用核醫藥物主要應用放射性核種釋出加馬射線(γ ray)之穿透特性,配合單光子放射電腦斷層掃描(Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT)或正子放射電腦斷層掃描(Positron Emission Tomography, PET)之使用獲取藥物在體內之分佈影像,用以做疾病之診斷,常用之診斷用放射性同位素包括Tc-99mI-123F-18等等,其特性整理如表一所示。

治療用核醫藥物則主要依賴發射的射線在病變組織中產生游離輻射生物效應,適合之核種有釋出貝它射線(β ray)α粒子或鄂惹電子(Auger electron)者,如I-131Sr-89P-32Y-90等,又如最近開發之新治療用同位素Sm-153Re-186Re-188Ho-166Dy-165Ac-225Bi-213等等(表二)

1926年兩位法國輻射生物學家RegaudLacasagne預測癌症治療的理想物質應包含重金屬,它可釋出分子大小範圍之輻射,且可以選擇性固定在腫瘤細胞內,破壞之,這些具有先見之明之陳述可以呼應於標靶性放射核種治療,其中重金屬所指應是αβ核種,而輻射線對細胞的傷害來自於破壞其DNA,阻斷其複製能力,或引起細胞進入凋亡路徑。全世界有三分之一的人口其死因可能與惡性腫瘤有關,2005年衛生署提供之台灣地區主要死亡原因統計資料顯示,惡性腫瘤以26.8%佔所有死亡原因之首。癌症之治療除了傳統之開刀、化學療法及體外放射治療(radiotherapy)外,屬於體內放射治療之核醫藥物之發展受到相當重視,它具有較一般體外照射之優點為可以選擇性地將高能量輻射線送至特定的器官或組織,且適合多發性癌症轉移之治療。治療用核醫藥物除了考慮核種外,同位素載體(carrier)之選擇亦很重要,它們可以為化學螯合劑(chemical chelator)、單株抗體、生物可分解性粒子、膠體(colloids)等等,利用這些載體將治療用放射性同位素送到腫瘤部位,以達到標靶放射治療(targeted radiotherapy)之目的。因此,利用非密封放射性同位素做放射治療已是臨床上相當重要且具前瞻性之癌症治療方式,特別是配合外科或化學療法能有效地提高疾病之療效。

核子醫學之發展除了核醫藥物外,影像技術之發展亦扮演重要之角色,配合核醫藥物對特殊疾病異常生理及病理之分佈,應用適當的加馬攝影設備(gamma camera)偵檢出核醫藥物放射活性的分佈,更可利用斷層造影成像技術重組斷層切面影像。由於用以標幟核醫藥物所使用的放射性核種的不同,發展出正子與單光子兩大類型的核子醫學影像技術。PET使用釋出正子之放射性同位素如:F-18Ga-68Rb-82I-124C-11N-13O-15等,衰變放出的正子會與環境中的電子發生互毀輻射 (annihilation radiation),進而釋出兩股互成180度之511 keV加馬射線;配合互毀輻射特性設計的PET攝影機由於使用耦合電路 (coincidence circuit) 取代準直儀 (collimator),具備高偵測效率、高解析度等特性。單光子影像技術則分為平面的加馬射線掃描儀(planer scanner)與可立體成像的 SPECT。單光子影像偵檢系統所使用的放射性核種包括:Tc-99mTl-201Ga-67I-123In-111等。SPECT必須採用準直儀以消除散射加馬光子,偵測效率及解析度不如PET優異,但設備、藥物的相對低價格及儀器之高普及性,對臨床價值不容忽視。因此,目前已上市及研發中的診斷用核醫藥物仍以SPECT類藥物為主,但是隨著PET之普及化,PET類核醫藥物亦快速成長。


 

表一.診斷核醫藥物常用放射性同位素之特性

 

Radionuclide

Half-life

Emitted Ray

Major Energy (MeV)

Thallium-201 (201Tl)

73.06 hrs

γ

0.315 (2%)

0.167 (8%)

Gallium-67 (67Ga)

78.25 hrs

γ

0.093 (40%), 0.296 (22%), 0.388 (7%)

Technetium-99m (99mTc)

6.01 hrs

γ

0.14 (90%)

Fluorine-18 (18F)

109.44 min

β+

0.511 (97%)

Indium-111 (111In)

2.806 days

γ

0.173 (89%), 0.247 (94%)

Iodine-123 (123I)

13.2 hrs

γ

0.159 (83%)

Iodine-124 (124I)

4.18 days

β+

0.511 (50%)

 

 


表二. 治療用核醫藥物常用放射性同位素之特性

 

Radionuclide

Half-life

Particle Emitted

Particle Energy (MeV)

Path Length (mm)

Mean

Max

Iodine-131 (131I)

8.1 days

β

0.6

0.40

2.0

Lutendin-177 (177Lu)

6.7days

β

0.5

0.28

1.5

Yttrium-90 (90Y)

2.5 days

β

2.2

2.76

12.0

Rhenium-186 (186Re)

3.7 days

β

1.1

0.92

5.0

Rhenium-188 (188Re)

17 hours

β

2.1

2.43

11.0

Copper-67 (67Cu)

2.58 days

β

0.6

0.60

1.8

Strontium-89 (89Sr)

50.5 days

β

1.46

8

ND

Samarium-153(153Sm)

46 hours

β

0.84

2.5

ND

Actinium-225 (225Ac)

10 days

α

5.9

0.04

0.1

Astatine-211 (211At)

7.2 hours

α

6.8

0.04

0.1

Bismuth-213 (213Bi)

46 minutes

α

8.35

0.04

0.1

Iodine-125(125I)

60.1 days

Low energy electron

0.35

0.001

0.02

 

原子能的民生應用與核能知識好站連結:

1.      核能知識:http://www.aec.gov.tw/category/便民專區/核能知識/220_271.html

2.      雷得城:http://www.aec.gov.tw/webpage/radtown/default.php