Terapia protonowa jest rodzajem radioterapii wiązką zewnętrzną, która wykorzystuje promieniowanie jonizujące. W terapii protonowej personel medyczny używa akceleratora cząstek, by celować w guz za pomocą wiązki protonów. Te naładowane cząsteczki niszczą DNA komórek, ostatecznie zabijając je lub zatrzymując ich rozmnażanie. Komórki rakowe są szczególnie podatne na ataki na DNA ze względu na ich wysoki współczynnik podziału i zmniejszone zdolności do naprawy uszkodzeń DNA. Niektóre raki o określonych wadach naprawy DNA mogą być bardziej wrażliwe na promieniowanie protonowe.
Ze względu na ich stosunkowo dużą masę protony mają niewielkie rozproszenie boczne w tkance, wiązka nie rozszerza się zbytnio, pozostaje skupiona na kształcie guza i dostarcza jedynie uboczne efekty do otaczającej tkanki. Wszystkie protony danej energii mają pewien zakres penetracji, bardzo niewiele protonów przeniknęło poza tę odległość. Ponadto, dawka dostarczana do tkanki jest zmaksymalizowana tylko w ciągu ostatnich kilku milimetrów zakresu cząstek, to maksimum nazywa się szczytem Bragga, często określanym jako SOBP.
Aby leczyć nowotwory na większych głębokościach, akcelerator protonów musi wytwarzać wiązkę o wyższej energii, zwykle podawaną w eV lub woltach elektronowych. Akceleratory stosowane w terapii protonowej zazwyczaj wytwarzają protony o energii w zakresie od 70 do 250 MeV. Dostosowanie energii protonu podczas leczenia maksymalizuje uszkodzenie komórek, które powoduje wiązka protonowa w obrębie guza. Tkanka znajdująca się bliżej powierzchni ciała niż guz otrzymuje zmniejszone promieniowanie, a zatem zmniejsza uszkodzenia. Tkanki głębiej w ciele otrzymują bardzo mało protonów, więc dawka staje się niezmiernie mała.
W większości metod leczenia stosuje się protony różnych energii z pikami Bragga na różnych głębokościach w celu leczenia całego guza. Całkowita dawka promieniowania protonów nazywana jest rozłożonym szczytem Bragga Ważne jest, aby zrozumieć, że podczas gdy tkanki znajdujące się głębiej niż nowotwór nie otrzymują prawie żadnego promieniowania z terapii protonowej, tkanki znajdujące się o obszarze płytszym niż guz otrzymują dawkę promieniowania w oparciu o SOBP.
