הקרינה המשתחררת במהלך הליך הברכיתרפיה היא קרינה רדיואקטיבית. בגרעין האטום מצויים הפרוטונים הטעונים מטען חיובי והנייטרונים חסרי המטען החשמלי, ואילו בקליפת האטום מצויים האלקטרונים הטעונים שלילית. לכל יסוד כימי יש מספר קבוע של פרוטונים הנמצאים בגרעינו (מספר אטומי), כך שכל האטומים השייכים לאותו יסוד מכילים מספר פרוטונים זהה, וזוהי למעשה התכונה המבדילה בין יסודות שונים בטבע. מאידך, קיימים אטומים של אותו היסוד עם מספר נייטרונים שונה, ולכן עם מסה אטומית שונה, הנקראים איזוטופים. מרבית האיזוטופים אינם קרויים בשם מיוחד, אלא שמם מורכב משם היסוד ומסכום הפרוטונים והנייטרונים שבגרעינו. למשל, אירידיום-192 הוא איזוטופ של אירידיום שבגרעינו סך הפרוטונים והנייטרונים ביחד הוא 192.
ישנם כוחות מנוגדים בגרעין האטום. מצד אחד, בין הפרוטונים מתקיימת דחייה חשמלית מאחר שיש להם מטענים חשמליים זהים, ולכן הגרעין שואף להתפרק. מצד שני, הכוח הגרעיני מושך את הפרוטונים והנייטרונים זה לזה ומונע את התפרקות הגרעין. עוצמת הכוח הגרעיני יורדת ככל שהמרחק בין הפרוטונים והנייטרונים גדל, ולכן באטומים בעלי גרעין גדול (כל היסודות בעלי מספר אטומי הגבוה מזה של עופרת), הכוח הגרעיני אינו גדול דיו כדי לגבור על הדחייה החשמלית ביניהם וכתוצאה מכך כל היסודות הללו הם רדיואקטיביים ואינם יציבים. איזוטופים שהגרעין שלהם אינו יציב עשויים להתפרק בתהליך הפולט אנרגיה, והם נקראים איזוטופים רדיואקטיביים. הקרינה הרדיואקטיבית המשתחררת בתהליך ההתפרקות היא למעשה פליטה ספונטנית של חלקיקים מגרעין האטום, אשר גורמת לגרעין אטום בלתי יציב להפוך ליציב.
הקרינה הרדיואקטיבית היא קרינה מייננת, הווה אומר שביכולתה ליינן חומר ולשחרר אלקטרונים מתוך אטומים אחרים. יכולת היינון של כל חלקיק תלויה אך ורק באנרגיה שלו ולא בכמות החלקיקים. החלקיקים הנפלטים במסגרת הקרינה המייננת יכולים להיות אלקטרונים ופרוטונים (בעלי מסה ומטען), נייטרונים (בעלי מסה אל חסרי מטען) או פוטונים (חסרי מסה ומטען).
הקרינה הרדיואקטיבית המשמשת בברכיתרפיה נפלטת במגוון תצורות: קרינת אלפא, קרינת בטא, קרינת גמא ופליטת אלקטרונים.
חלקיקי אלפא.
חלקיקי אלפא (α) הם למעשה יונים של הליום-4 (גרעינם מכיל 2 פרוטונים ו-2 נייטרונים). כאשר אטום רדיואקטיבי פולט קרינת אלפא, המספר האטומי שלו (מספר הפרוטונים שלו) קטן ב-2 ואילו מספר המסה שלו (מספר הפרוטונים והנייטרונים יחד) קטן ב-4, והוא הופך למעשה לאטום חדש. חלקיקים אלו הם בעלי אנרגיה קינטית טיפוסית של כ- עד . מאחר שחלקיקי אלפא הם בעלי מסה כבדה וטעונים חיובית, הם אמנם גורמים ליינון רב אך לאורך מרחק קצר מאוד - מספר סנטימטרים באוויר, ורק 50–90 מיקרומטרים (μm) ברקמות החיות.
היתרון המרכזי בשימוש באיזוטופים רדיואקטיביים הפולטים חלקיקי אלפא ברדיותרפיה היא שחלקיקים עוצמתיים אלו לא יכולים להגיע ולפגוע ברקמות בריאות עקב מרחק נדידתם הקצר, אך כאן גם נעוץ חסרונם - אם נרצה לטפל בגידול סרטני בעובי של 5 ס"מ תידרש מהם כמות אדירה (מאות אלפים של חלקיקי אלפא), דבר שהוא בלתי אפשרי מבחינה טכנית. מסיבה זו במהלך השנים לא בוצע שימוש בחלקיקי אלפא בהליך הברכיתרפיה. אך בשנת 2010 גילו החוקרים פרופסור יונה קיסרי ויצחק קלזון מאוניברסיטת תל אביב שכאשר משתמשים באיזוטופ רדיום-224, חלקיקי האלפא שמשתחררים יכולים לחדור עד 3 מ"מ ברקמות החיות. מלבד זאת, משתחררים גם אטומים החודרים לתוך הגידול הסרטני ופולטים חלקיקי אלפא משלהם (cascading effect), ולכן נדרשים הרבה פחות חלקיקי אלפא על מנת לחסל את הגידול. השימוש ברדיום-224 הוא הדוגמה היחידה לשימוש בחלקיקי אלפא בברכיתרפיה ומכונה תרפיית DART (Diffusing alpha-emitters radiation therapy).
יתרון נוסף של חלקיקי אלפא הוא שביכולתם לגרום לנזק הביולוגי רב יותר, שכן נזק זה גדול יותר ככל שהקרינה גורמת ליוניזציה צפופה ברקמה החשופה. צפיפות היוניזציה נמדדת על ידי גודל הקרוי LET (linear energy transfer). קרינת אלפא וקרינת נייטרונים הן בעלות LET גבוה במים וברקמה אנושית, ואילו קרינת ביתא וגמא הן בעלות LET נמוך. מכאן שלחלקיקי אלפא יש פוטנציאל גדול יותר לגרום נזק ביולוגי בהשוואה לקרינת בטא וגמא.
חלקיקי בטא.
חלקיקי בטא (β) הם אלקטרונים (חלקיק −β) או פוזיטרונים (חלקיק +β) בעלי אנרגיה גבוהה ומהירות גבוהה הנפלטים במהלך התפרקות בטא. בברכיתרפיה נעשה שימוש בחלקיקי −β אשר נוצרים כאשר אחד הנייטרונים בגרעין פולט אלקטרון, ועל ידי כך הוא הופך לפרוטון חיובי. בתהליך זה מספר הפרוטונים בגרעין גדל באחד ומספר המסה אינו משתנה.
חלקיקי בטא מייננים יותר מאשר קרני גמא אך פחות מאשר קרני אלפא, והם חדירים יותר מאשר חלקיקי אלפא אך פחות מקרני גמא. חלקיקי −β נעים מהר יותר מחלקיקי אלפא בגלל המסה הנמוכה שלהם (אלקטרונים לעומת גרעין הליום), ומסוגלים לחדור למרחק של כמה מטרים באוויר ובין 0.2 ל-12 מילימטרים במים וברקמות חיות. הם בעלי צפיפות יוניזציה (LET) נמוכה, והאנרגיה שלהם נעה בין 0.05 ל-2.3 MeV. כתוצאה מכך הם בעלי יכולת פחותה לגרום נזק ביולוגי בהשוואה לחלקיקי אלפא. עם זאת, חלקיקי בטא מתאפיינים בתופעה הנקראת "אש צולבת" (cross fire), המתארת את המסלול הארוך אותו עוברים החלקיקים דרך שכבות תאים רבות. מחקרים הראו שתאים רגישים יותר לקרינת בטא כאשר הם נמצאים בשלב G2 של מחזור התא, השלב לאחר הכפלת הדנ"א (כאשר התא מתכונן לחלוקה), וכאשר יש כמות חמצן גבוהה. הימצאות של חמצן בקרבת חלקיקי הבטא היא חיונית, ומביאה להיווצרותם של רדיקלים חופשיים המזיקים מאוד לדנ"א. הן זמן מחצית החיים והן כמות האטומים פולטי קרינת הבטא באתר המטרה משפיעים על יעילות חיסול הגידול הסרטני, כיוון שהם שמתחרים באנזימי תיקון של גדילי הדנ"א.
דוגמאות למקורות קרינה רדיואקטיבית העושים שימוש בקרינת בטא הן סטרונציום-90 ואיטריום-90.
קרני גמא.
קרני הגמא (γ) הם פוטונים הנפלטים בתהליך דעיכה רדיואקטיבי, בעלי אנרגיה מייננת נמוכה יותר מאשר חלקיקי בטא ובהתאם בעלי יכולת חדירות גבוהה בהרבה. להבדיל מחלקיקי האלפא והבטא, קרני הגמא אין מסה או מטען חשמלי, ולכן לא ניתן לשנות את כיוונה בעזרת שדה מגנטי או חשמלי. היסוד בו מתרחש תהליך פליטת פוטון גמא לא ישנה את מספר המסה או את המספר האטומי שלו בעקבות הפליטה. כדי לחסום אותה יש לשים מגן עופרת או מגן בטון עבים. קרינת גמא המשתחררת מאיזוטופ אינה ניתנת לשליטה וממשיכה להקרין עד לדעיכה המוחלטת של האיזוטופ.
אירידיום-192 הוא מקור הקרינה הנפוץ ביותר בשימוש בברכיתרפיה. איזוטופ זה פולט קרינת גמא באנרגיה בינונית, והוא בעל פעילות ספציפית גבוהה. החיסרון שלו הוא זמן מחצית החיים הקצר יחסית.
לכידת אלקטרונים.
לכידת אלקטרון היא סוג של התפרקות של איזוטופים, המתרחשת כאשר אלקטרון מקליפה פנימית בגרעין מתאחד עם פרוטון ומומר לנייטרון; אובדן האלקטרון מהקליפה הפנימית מותיר אחריו חלל אותו ימלא אחד מהאלקטרונים החיצוניים יותר, וכאשר האלקטרון החיצוני יעשה זאת הוא יפלוט אנרגיה. לכידת אלקטרון תתרחש כאשר יש יותר מדי פרוטונים בגרעין האטום, והאנרגיה שתשתחרר תהיה לעיתים קרובות בתצורה דומה לזו של קרני רנטגן.
אפקט אוז'ה היא תופעה שבה פליטת אלקטרון מאטום גורמת לפליטה נוספת של אלקטרון. כאשר אלקטרון עוזב את רמת היסוד של האטום, אלקטרון מרמת אנרגיה גבוהה יותר ימלא את ה"חלל" שנוצר, ובתהליך זה יעביר אנרגיה לאלקטרון בקליפה החיצונית שיושלך כתוצאה מכך מהגרעין. האלקטרון השני שנפלט נקרא אלקטרון אוז'ה (Auger electron). אלקטרוני אוז'ה הם בעלי אנרגיה נמוכה מאוד המועברת על פני מרחקים מיקרומטריים-ננומטריים ברקמות החיות, כך שצפיפות היוניזציה (LET) היא גדולה ועל כן היכולת שלהם לגרום נזק ביולוגי הוא גדול. הם מייצרים מערך של רדיקלים חופשיים. בגלל מסלולם הקצר מאוד, המיקום המדויק בו הם פוגעים משפיע בצורה קריטית על הקטלניות שלהם, וכאשר הם מכוונים לגרעין התא הם קטלניים בהרבה מאשר כאשר פוגעים בשטח פני התא.
מקורות קרינה.
כאשר בוחרים מקור קרינה רדיואקטיבית לטיפול בברכיתרפיה חשוב לשים לב למספר פרמטרים; מקור הקרינה האידיאלי לברכיתרפיה הוא בעל אנרגיה של כ-0.5 MeV. בנוסף לכך, יש לשים לב גם לתכונות הפיזיקליות של החומר - שיהיה קטן ומוצק, קל ופשוט לייצור ושתהיה לו פעילות ספציפית גבוהה. באשר לזמן מחצית החיים, בברכיתרפיה זמנית ההעדפה היא לזמן מחצית חיים ארוך (על מנת שיהיה ניתן להשתמש בו שוב), ובברכיתרפיה קבועה ההעדפה היא לזמן מחצית חיים בינוני. יש להתייחס בבחירת מקור קרינה גם לאספקטים של בטיחות קרינה.
כאמור, האיזוטופ הנפוץ ביותר לשימוש בברכיתרפיה הוא אירידיום-192. בהתחשב בזמן מחצית החיים שלו (73.8 ימים) יש להחליפו כל 3–6 חודשים, תלוי כמובן גם בכמות השימוש בו. במקרה של מכונות afterloader העושות שימוש באיזוטופ צסיום-137, אין צורך להחליף את מקור הקרינה שכן על פי זמן מחצית החיים שלו (30.17 שנים) ניתן להשתמש בו ל-10 שנים ואף יותר מכך; עקב יתרון זה, קיימות עדיין מכונות afterloader העושות שימוש בצסיום-137 בטיפול ברכיתרפיה ספציפיים דוגמת טיפולים גניקולוגיים. ניתן לשתול צסיום-137 הן ככדוריות (pallets) והן כצינורות (tubes). מצוי פחות בשימוש בברכיתרפיה הוא האיזוטופ קובלט-60, שבאופן כללי ניתן להשתילו בתוך כדוריות בלבד, ולהשתמש בו בברכיתרפיית HDR. בברכיתרפיה קבועה (למשל של סרטן הערמונית) לרוב ייעשה שימוש באיזוטופים יוד-125 ופלדיום-103 המושתלים בצורת זרעים (seeds).
רשימה חלקית של מקורות הקרינה: