通常当带电的带电质子粒子通过轨道电子附近时，质子的正电荷吸引带负电的电子，将它们拉出轨道，这称为电离。电离改变了原子的特征，从而改变了原子所在分子的特征。这一重要变化是所有放射治疗形式有益方面的基础。
由于电离辐射会破坏细胞内的分子，尤其是DNA或遗传物质。破坏DNA会破坏特定的细胞功能，特别是分裂或增殖的能力。酶与细胞一起发育，并试图重建受损的DNA区域，但是如果辐射损坏太大，酶不能充分修复损伤。虽然正常细胞和癌细胞都经历了这个修复过程，但癌细胞能够修复分子。结果，癌细胞比正常细胞群中发生更多的***性损伤和随后的细胞死亡，这允许选择性破坏在良好细胞中生长的坏细胞。
质子治疗可用于治疗以下癌症：听神经瘤，脑膜瘤，胶质瘤，垂体腺瘤，脂肪瘤和其他儿童脑肿瘤；眼部黑色素瘤，视网膜母细胞瘤；小细胞肺癌和非小细胞肺癌；脊索瘤，软骨肉瘤；前列腺腺癌；头颈部癌；胰腺癌
质子束疗法通常优于常规光子放射疗法，因为对正常组织的剂量减少并且射束完全定位到肿瘤部位；减少副作用和并发症；治疗靠近脊髓等重要器官的肿瘤；提高治好率；复发后能够使肿瘤退缩；增加输送到肿瘤的安全剂量。
与X射线不同，质子可以治疗复杂位置的癌症，也可以操纵它们只有在达到目标时释放能量，这有力地表明了高水平的治疗准确性。
根据世界卫生组织的统计，大约70％的癌症死亡发生在低收入和中等收入国 家。据估计，全球癌症死亡人数将在2030年增加到1310万。因此，在治疗恶性肿瘤患者时必须考虑质子治疗，因为这种放射治疗形式具有高水平的准确性，并且在癌症的缓解和肿瘤组织的消灭方面是有效的。
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