质子刀利用普通物理高能加速器或医疗质子加速器释放的质子束，在进入机体后产生的电离作用下，使肿瘤受到高剂量的照射，肿瘤周围的正常组织受到保护，定向定点消灭肿瘤。
质子刀适合病变范围有限，周围正常组织需要比较敏感特殊的保护，适用于病变及周围组织活动度小、病变范围明显的病变，例如前列腺癌、眼黑色素瘤、脑胶质瘤、垂体肿瘤、脑膜瘤、颅底肉瘤、颅底脊索瘤等颅内肿瘤、脊柱旁肿瘤等。质子刀不适合正常组织活动度大、病变与正常组织界限不清楚或病变广泛者。
质子刀的副作用为什么小？横穿速度非常快，横穿的路径只释放少数能量，只有到达治疗深度时突然下降停止，释放大量能量，能量急剧释放急剧衰减，因此放射线对路径正常的组织影响不大；质子质量大，散射少，半圆小，因此对周围正常组织的照射减少了。
质子与肿瘤组织的相互作用主要是与原子核外的电子碰撞传递能量，调节能量控制射程深度、辐射方向和部位，将最 大能量点控制在肿瘤边界。传统的放疗使用x线，剂量的建设和衰减存在比较长的距离和过程，对正常组织的损伤较大。
与传统放疗相比，质子刀正常组织损伤小，剂量分布均匀，深度、方向、部位控制性更好，高剂量区和肿瘤形状适应度更好，在提高肿瘤剂量的同时，减少了对正常组织的损伤。
