质子线到达癌症病灶时，在对正常组织几乎不造成影响的前提下，定向爆破集中释放能量，以杀灭癌细胞。质子线将攻击癌细胞核内的DNA链，使受损伤的癌细胞不可修复并完全死亡。

和重离子相比，质子就是“轻离子”。因为质子是质量较轻的离子，重离子就是质量较重又适合于肿瘤治疗的离子，现在普遍使用的是碳离子。重离子的作用原理与质子相似，在体内行进过程中不容易发生散射，生物学效应（肿瘤癌细胞杀灭效果）更加明显，但案例数量不如质子治疗。

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