Podstata působení protonů
Protonová terapie spočívá v použití kladně nabitých elementárních částic jádra atomu vodíku - protonů, které mají určitou hmotnost, která je ve srovnání s elektrony mnohem větší. Protony jsou v cyklotronu urychleny na rychlost rovnající se přibližně polovině rychlosti světla. Tím je dána také jejich energie, jež dosahuje hodnoty až 230 MeV (megaelektronvolt) a umožňuje tak zničit nádory až do hloubky přibližně 30 cm. Protony jsou poté usměrněny silným magnetickým polem do velmi úzkého paprsku („pencil beam") a s vysokou mírou přesnosti přeneseny do prostorově zobrazeného zhoubného nádoru. Při zbrzdění v nádorové tkáni dojde k uvolnění energie, k ionizaci a poškození DNA zasažené buňky. Je-li toto poškození vícečetné, buňka se přestává dělit nebo přímo umírá.
Hlavní předností protonového svazku je skutečnost, že absolutně největší část své energie předá v oblasti tzv. Braggova vrcholu, tj. přímo v nádoru, kde dojde k maximálnímu ničivému účinku. Svazek urychlených částic má vysokou energii a je velmi přesně cílen. Většinu energie předá výhradně nádorové tkáni. V porovnání s dosavadními ozařovacími postupy šetří zdravé tkáně před nádorem a vůbec nepoškozuje zdravé tkáně za nádorem. Protože je nemocný ozařován v isocentrickém systému ze všech směrů a intenzitu paprsku lze dobře modulovat (IMPT), přináší tato metoda další snížení nežádoucích účinků léčby.
Na obrázku je názorně ukázáno hloubkové rozložení energie pro jednotlivé druhy ionizujícího záření. Zatímco křivka fotonů vykazuje maximální ztrátu energie hned pod kůží a poté plynulou ztrátu, kde jsou zdravé tkáně před nádorem ozářeny daleko větší dávkou než vlastní nádor, tak hloubková křivka protonů ukazuje, že jejich energetická ztráta je po vstupu do těla malá, v určité hloubce svého maxima, které označujeme jako Braggův vrchol (Bragg peak) však výdej energie doslova „exploduje", což je právě cílová oblast nádoru, a potom klesá k nulové hodnotě tak, že již zdravé tkáně za nádorem nejsou zasaženy.
Tato fyzikální vlastnost svazku protonů - nízká vstupní dávka, maximální dávka energie v požadované hloubce a nulová výstupní dávka umožňuje velmi přesně modulovat dávkové rozložení uvnitř těla pacienta a představuje tak zásadní přednost protonové radioterapie. Díky této vlastnosti lze zvýšit dávku do nádoru nad úroveň, kterou nelze dosáhnout běžně používanými konvenčními technikami a naopak snížit dávku do okolních na ozáření citlivých tkání.