与其他的癌症治疗一样，放射线治疗也有其不良反应。这是因为肿瘤细胞常侵犯邻近的组织，所以照射的射野也必须加大到包括周围的正常组织。此外，要照射身体内的肿瘤时，放射线通常会通过正常的组织。因此，放射线治疗除了可抑制或杀死肿瘤细胞，但也会伤害到正常的组织而有不良反应或并发症的出现。这些不良反应因照射的部位、照射剂量、照射方式及个人体质的不同，其发生率、严重度也有不同。以下我们按各个系统予以讨论：
（一）心血管系统
心肌和其他的骨骼肌一般，对放射线的敏感度低。但血管对放射线较敏感而易受损，若心脏及附近的血管因放射线而破坏，心脏的功能就可能受影响。此外，若心脏本身所接受的剂量超过40Gy时，有可能会造成急性心内膜炎或心肌炎（Hilderly，1994；Strohl，1988）。因此，对于接受大剂量放射线治疗胸部癌症，如肺癌、乳癌等患者，仍应定期评估及监测其心脏功能。
除了心脏外，其他器官如肝、肾、脑的血管也可能被放射线所伤害，血管壁在修复的过程中过度增生，造成管壁狭窄或阻塞，而导致该器官功能上的障碍，这也是一般器官对放射线有毒性反应的主要原因之一。
（二）神经系统
神经组织包括脑及脊髓对放射线的敏感度均不高，而周围或末梢的神经放射敏感度更低。不过脑部照射30～60Gy后，仍可能会造成中枢神经症状，当脊髓被大量照射45～50Gy时，有可能会产生脊髓炎，必须加以监测。此外，某些主控感官的神经细胞如嗅觉细胞、味觉细胞及视网膜细胞等，对放射线较敏感而易受伤害，常造成感官上的障碍。例如：眼睛接受25Gy的照射后，可能会有结膜炎或角膜炎；当剂量超过30Gy后，可造成泪腺分泌受抑制及虹膜炎。治疗结束后，也可能出现青光眼、白内障等慢性不良反应。
（三）呼吸系统
呼吸道的黏膜对放射线是很敏感的，所以也很容易对放射线起反应。照射颈部常引起喉黏膜的水肿充血，而造成声音沙哑。因为气管及肺泡也很容易受放射线影响，当照射15～30Gy后，就可能有咳嗽甚至出现肺炎。放射线治疗后，若肺泡壁因照射而变硬，加上肺组织的纤维化及胸膜变厚等慢性变化，肺部的呼吸功能将会受影响。
（四）内分泌系统
照射头部可能会影响垂体而造成内分泌不平衡的情形。
（五）生殖系统
子宫体及子宫颈对放射线不敏感，不容易有临床症状出现，但阴道的黏膜细胞像口腔黏膜一样敏感，因此很容易发生黏膜炎及溃疡，故在近治疗结束或治疗后，容易发生阴道狭窄闭锁。卵巢滤泡的成熟很容易受放射线照射的影响，当照射6～12Gy后，就可能会有永久不孕的结果，也可能会导至早期的停经。同样的，放射线也会影响睾丸内精子的成熟，照射5～6Gy后，就可能有精子数目减少而不孕的情形，当剂量超过10Gy时，就可能造成永久性的不孕。除了不孕外，对基因的伤害也是要考虑的。即使在低剂量下，也可能会造成基因突变或染色体异常。
（六）造血系统
造血母细胞位于骨髓，是分裂快速的一种细胞，因此也极易受放射线的影响。当照射部位包括：骨盆、脊椎、胸骨、肋骨、长骨或颅骨等富含骨髓的部分时，就可能会有骨髓抑制的情况。目前在定位及制定治疗计划时，放射线肿瘤学医师应小心计划照射的射野，尽量避免将不必要照射的骨髓包括入射野。若射野不可避免的扩展到骨髓，在不影响肿瘤的控制下，可用铅块等遮避物来尽量减少不必要的骨髓照射。因此，除了血液或淋巴的癌症需全身性照射的患者外，大多数接受局部放射线治疗的癌症患者皆无或仅有轻微的骨髓抑制。
然而，接受放射线治疗前曾接受大量的化学治疗的患者，或是在放射线治疗期间也同时接受化学治疗的患者，是骨髓抑制的高危人群，患者可能要每周抽血做血细胞计数来监测造血功能，并预防感染、出血及贫血等并发症。
（七）肾脏及泌尿系统
当放射线剂量超过30Gy时，可能会引起膀胱炎及尿道炎，不过这些症状比较容易控制，但伤害到肾脏而造成肾盂炎时，就较难处理了。当照射到肾脏时，首先可能是血管的变化，因血管弹性变差，管径变窄而造成对肾脏的供血不足，肾脏因而纤维化、萎缩，严重时可能会有肾衰竭，甚至死亡。
（八）消化系统
消化系统大概是最常被放射线治疗所影响的系统。因为消化道被覆着黏膜，而黏膜细胞对放射线极为敏感，因此病人常因黏膜炎而影响消化系统的功能。头颈部的放射线照射常会引起口腔及咽喉部位的反应，其中包括有口干、味觉改变、黏膜红肿、溃疡等。唾液腺在接受10Gy照射后，就可能有发炎的情况，当剂量达30Gy后，常会有黏膜炎、涎液减少及黏稠感、味觉改变甚至丧失的情形，但严重性因个人情况、照射部位及照射剂量不同而异。
一般而言，患者在接受头颈部放射治疗前，都应先处置牙病，将需要处理的蛀牙、牙周病等先处理。若蛀牙较深时，要先拔牙。因为治疗开始及之后2～3年间不可拔牙，否则容易造成牙床骨骼的坏死，且因治疗会造成涎液分泌量及质的改变，所以容易出现龋齿，治疗后要进行牙齿口腔的保健工作，并使用含氟牙膏或牙齿上涂氟，以预防龋齿。接受放射线治疗后的患者若有口腔的问题，需要找专业的牙科医师诊治，并要告知牙科医师曾接受过头颈部的放射线治疗。
胸部放射线治疗时，易造成食管炎，患者常会感到疼痛及吞咽困难。胃照射10～30Gy后，患者常有恶心、呕吐。小肠的黏膜在照射20～50Gy后，容易受破坏而造成腹泻（diarrhea），甚至可能有严重的肠炎。肝脏的放射线伤害大部分是因为血管受损所致，但高剂量时也可能造成肝炎反应。
（九）皮肤系统
皮肤对放射线极为敏感，因此也极易受损，因为皮肤常是放射线要进入体内肿瘤时首先经过的地方，所以是放射线治疗不良反应常出现的部位。因为皮肤底层的母细胞比外层已分化的表皮细胞更易受放射线影响，因此当基层细胞的成熟减少，细胞照射部位的皮肤会先变红，之后有色素沉着。有些患者可能会有脱皮的情形，严重时可能会有湿性脱皮，造成溃疡。当皮肤接受30Gy的剂量后，就可能会有红肿的情形出现，超过45Gy时，常有干性或湿性脱皮。延迟性的皮肤反应包括：皮肤萎缩、纤维化、长黑斑或永久性的皮肤变黑。
当照射头皮剂量达30Gy时，可造成全面或局部的秃发现象。不过，头发在放射线治疗后，在无连续化学治疗的情况下，1个月左右可再长出。不过，若头皮受放射照射达40Gy后，有可能导致永久性秃发。
（十）骨骼肌肉系统
成熟的骨骼及肌腱对放射线不敏感，也很少引起问题。问题是在照射仍在发育中的骨骼及肌腱，只要照射20～30Gy就可能造成这些骨骼的生长迟滞，导致骨架变形。
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