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台灣首富郭台銘去年大手筆捐款150億元給台灣大學研究癌症， 並指定其中55億元用來興建一座專治癌症的質子治療中心， 長庚醫院更早已規劃多時。究竟質子有什麼神奇功效？
癌症是人體本身的細胞病變所致，而手術、放射治療、化療、標靶治療都是目前常用的治療方式，但其適應性及效果依不同器官而異。由於很多時候癌細胞會長在體內某一器官上，所以同時兼具穿透力及殺傷力的放射治療就可派上用場，目前最普遍使用的是光子放射，質子放射則是新興的技術。用質子治療癌症的原理和光子放射治療相同，都是將高能粒子（或光子）射向癌症病灶，殺死癌細胞或抑制癌細胞生長。 但是蓋一座質子中心至少需要投入數十億元，為了符合成本，為病人安排一整套療程必須收費近百萬元，和傳統光子放射治療比起來，質子治療的價格昂貴許多；既然使用傳統光子射線來治療癌症的技術已經相當成熟，為什麼還要建造這麼昂貴的儀器設備？
質子的優勢：鎖定腫瘤，不傷無辜
不論使用傳統光子射線或高能質子束，都有一項基本技巧，就是要從不同方向集中照射癌症病灶，讓癌症病灶每次都被照到，累積輻射劑量最高、傷害最大，其他部位重複照射次數較少，傷害較小。 長庚大學醫學影像暨放射科學系助理教授李宗其表示，傳統的光子放射治療，主要是使用放射性元素（如鈷60）發出的γ射線，或是用直線加速器產生的高能X光；不論γ射線或X光，都是電磁波的一種，負責傳遞能量的是以光速前進、質量為0、不帶電荷的「光子」。 在構成物質的原子中佔了大部份質量的原子核，體積其實只佔一點點，絕大部份空間都由繞核電子所佔據，所以當高頻電磁波如γ射線或X光射入物質時，就像光子射進「電子海」一樣；電子海其實很空曠，但因光子數量太多，一定有會一部份撞到電子，電子會吸收光子能量而被激發脫離原來軌道，這些脫離軌道的電子會和生物體內其他原子或分子結合（主要是水分子），形成氧化能力很強的自由基，自由基會打斷癌細胞核內的DNA雙螺旋長鏈，使得癌細胞死亡或停止生長。 由於γ射線、X光或高能質子束都可穿透細胞，因此會破壞的不只是癌細胞，而是整條照射路徑上所有的組織細胞。不過不同深度會有不同的輻射劑量分佈，對細胞的破壞程度也就不同。 以單一高能X光射束為例，輻射劑量最高（破壞力最強）的是在接近體表的地方，然後逐漸降低（輻射劑量分佈見右上圖），所以等照到體內的病灶，破壞力已經比對體表正常細胞的破壞降低許多。 光子射束在穿過病灶時，並非所有的光子都會撞到電子，而會有殘餘的光子繼續前進、撞擊電子並對細胞造成傷害，使得在病灶後方的正常細胞也會受損，因此有些癌症不能用光子射束來治療。 高能質子束的優勢，在於能減少病灶周邊正常組織受到的輻射劑量，因為高能質子束可以調整質子的能量，使質子束穿透人體後，剛好在腫瘤處停止，所以腫瘤後方的細胞，幾乎完全不會受到傷害；例如長在右側的腦瘤，使用質子治療可以使左側正常腦部完全不受到輻射劑量，但傳統光子射線卻沒辦法做到。 這是因為質子和光子的性質不同。質子有質量，而且質量高達電子的1836倍；另外質子帶一個正電荷，會與帶負電荷的電子產生庫侖力（即正負電荷相吸）的碰撞作用。所以當高能質子束射進人體後，造成繞核電子脫離原來軌道的主要機制和光子不一樣，是以互相吸引的庫侖力將電子「撞」離原來軌道。 高速質子束撞擊電子的特性是：當質子能量（速度）為某一特定值時，撞擊電子的機率會特別高。因此隨著質子越來越深入體內，途中不斷撞擊電子的結果，會使質子速度降低；當速度降低到此一特定值時，就會突然在短時間內撞擊到很多電子，而使輻射劑量突然增高，同時質子本身具有的能量也急遽下降；到了質子束所能穿透深度的末端時，質子能量耗盡，停止前進，於是對細胞的破壞力也會從最高點遽降為0。換句話說，只要調整好質子束的入射能量，就可讓質子恰好停止在病灶內，並對病灶產生最強的破壞力，而病灶後方的細胞幾乎不會遭受任何破壞（輻射劑量分佈見113頁〈X光與高能質子束輻射劑量分佈圖〉）。
從點照射擴展至整個腫瘤
但是癌症的病灶並不是一個點，而是一塊立體區域，所以還要使用一些其他技巧，將高能質子束的破壞範圍從一個點擴展到整個立體區域。 在擴展深度方面，使用的技巧是射入不同速度（也就是不同能量）的質子束，由於不同能量的質子會在不同深度的地方造成最大的破壞，將這些不同能量質子束所造成的破壞疊加起來，就會使整個癌症病灶在與入射質子束平行的方向上（深度），都能受到差不多相同強度的攻擊（見左上圖）。 至於和質子束入射方向垂直的整片病灶面積，傳統上是使用「雙散射系統」（double scattering system）將加速器產生的細窄質子束擴大為能涵蓋整個腫瘤面積的大範圍射束，這種技術是利用質子在高原子序物質內碰撞所造成的行進方向改變，來擴大照射範圍。 而現在較先進的照射方法則是使用「筆形射束掃描」（pencil beam scanning）的技術來「掃描」，也就是類似傳統陰極射線管（CRT）電視顯像的方式，將細窄質子束很快地從左到右以一條橫線的形狀射入病灶，然後再掃描下面一條橫線，這樣很多條橫線疊起來，就形成一片和質子束前進方向垂直的面積。這樣的掃描會重複進行很多次。 以這種掃描的方式來照射病灶，必須特別注意照射過程中器官移動的問題，例如肝癌，因為肝臟就在橫膈膜下方，會隨著呼吸而上下移動，所以一定要控制好照射時機，在病灶正好移到放射線路徑時照射，這種方法稱為「呼吸同步放射治療」；為避免照射時發生該照的地方沒照到、不該照的地方卻有過高劑量，必須將同一射束分成很多次掃描，每次照射量都很少，即使誤照到正常細胞，所造成的劑量誤差也在容許範圍內。 李宗其說，質子治療設施的發展自1954年美國加州大學勞倫斯柏克萊國家實驗室第一位病患採用質子治療開始，至今已有50多年歷史，但能同時控制掃描位置與強度的技術相當困難，近幾年才逐漸發展成熟；長庚醫院早在10年前就開始評估建造質子加速器的可行性，直到現在因為這種技術的發展已臻成熟，才決定興建。
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