质子刀原理为利用带正电荷的质子在电场中持续加速，达到一定速度和能量之后，射入标的物之内，利用布拉格尖峰现象，对特定标的物内在某一深度位置释放大量能量，以达到对物体特定深度区域进行破坏之目的。
与其它实体肿瘤相比，肺癌治疗的总体预后较差。临床上，肺癌分为非小细胞肺癌（包括鳞癌、腺癌、大细胞癌等）和小细胞肺癌两大类。大多数非小细胞患者需要进行放疗为主与化疗为辅的综合治疗。
放射治疗已成为非小细胞肺癌的主要治疗手段，对于早期较小癌瘤，立体定向放射治疗已成为可替代手术治疗的标准治疗手段之一；对于局部晚期患者，放射治疗配合化疗成为了治疗的标准方式。临床资料表明，提高肿瘤局部的照射剂量可以明显提高肿瘤的控制率和患者的长期生存率。但是，剂量升级伴随的危及肿瘤周围器官如肺、食道、心脏和脊髓的严重副反应，限制了放射剂量的提高，特别是同步使用化疗时。
放射治疗的理想效果是给予肿瘤细胞治疗剂量，而不损伤正常组织。然而，传统放射手段在治疗肿瘤的同时，正常组织不可避免地受到损伤，肿瘤无法得到治疗性治疗。质子以其优越的物理特性，使肿瘤放射治疗效果基本达到了放射治疗的理想目标。
质子放射治疗与传统放射治疗不同的是可以在肿瘤区域形成“定点爆破”一样的高放射剂量区，而同时使肿瘤周围正常组织免受或少受照射，避免或减少了放射治疗引起的并发症。在肺癌的放射治疗中，质子放射治疗可以提高肿瘤的照射剂量，提高肿瘤控制率，同时可以避免或减轻放射性肺、食道、心脏、脊髓损伤。
放射治疗技术对比研究表明，质子放射治疗可以将肿瘤照射剂量升级到90Gy，而使用其它治疗技术只能给予较低的处方剂量。对于晚期肺癌来说，质子治疗在提高肿瘤剂量的同时，可以显著地降低肿瘤周围正常组织的照射剂量。
