Od czasów Wilhelma Rentgena i Marii Skłodowskiej-Curie promieniowanie jonizujące jest stosowane do leczenia zmian nowotworowych.

Jonizacje prowadzą do pęknięć podwójnej spirali DNA co uniemożliwia dalszy podział komórek nowotworowych. Skuteczność tej formy terapii rośnie wraz z precyzją napromieniania guza. Trudnością w radioterapii jest oszczędzenie zdrowych tkanek leżących na drodze promieniowania. Obecne w klinikach powszechnie wykorzystuje się liniowe akceleratory elektronów z wysokoenergetycznymi fotonami hamowania jednak wysoka przenikliwość tego promieniowania ogranicza jakość formowania dawki w guzie.

W 1947 roku Robert Wilson zauważył, że przekaz energii protonów do tkanki gwałtowanie rośnie pod koniec ich zasięgu, co skutkuje najniższą dawką na wlocie wiązki, najwyższą w okolicy guza i praktycznie zerową na większych głębokościach. Zmieniając energię protonów regulujemy ich zasięg, czyli głębokość oddziaływania. Umożliwia to uzyskanie wysokiej precyzji napromieniania i znacząco mniejszej dawki na zdrowe tkanki.

Polska od 2011 roku znajduje się w ekskluzywnej grupie kilkunastu krajów na świecie prowadzących radioterapię protonową.

Pierwszy zabieg napromieniania pacjenta wykonano z użyciem zbudowanego w IFJ PAN cyklotronu izochronicznego AIC-144. Dostarcza on na stanowisko terapii poziomą wiązkę o energii 60 MeV, której zasięg 30 mm w tkance wystarcza do napromieniania guzów gałki ocznej. Na tym stanowisku w latach 2011-2015 napromieniono 126 pacjentów Szpitala Uniwersyteckiego w Krakowie z czerniakiem błony naczyniowej gałki ocznej.

Przy solidarnym wsparciu polskiego środowiska fizyków jądrowych sfinansowano z funduszy strukturalnych Unii Europejskiej budowę Centrum Cyklotronowego Bronowice z nowym cyklotronem Proteus-235.

Dysponuje on wiązką protonów o energii 230 MeV co przy zasięgu 320 mm w wodzie wystarcza do sięgnięcia w głąb każdej zmiany nowotworowej.

Wiązka transportowana jest systemem jonowodów do hali eksperymentalnej używanej przez fizyków jądrowych, do nowego stanowiska terapii oka oraz do dwóch stanowisk terapeutycznych gantry.

Gantry to obracana kratownica o średnicy 11 metrów i wadze 120 ton, na której zawieszony jest jonowód z magnesami kierującymi trasą protonów. Obrót gantry umożliwia dostarczenie do pacjenta z dowolnego kierunku wiązki o średnicy kilku milimetrów z dokładnością do 1 mm. Skanująca wiązka ołówkowa wychodząca z głowicy gantry przemiata punkt po punkcie, warstwa po warstwie objętość guza. Podczas jednego seansu pacjent może zostać napromieniony nawet paroma tysiącami takich mini-wiązek, co umożliwia uzyskanie niespotykanej precyzji dostarczenia dawki nawet do objętości o skomplikowanych kształtach. Napromienianie jest poprzedzone szczegółowym planowaniem. Przekroje tomograficzne pacjenta, dające informację o rozkładzie gęstości elektronowej, umożliwiają zaplanowania najlepszych kierunków i intensywności wiązek protonowych. Kontrola dozymetryczna procesu napromieniania jest zawansowana i wielostopniowa.

Fizycy medyczni kontrolują położenie, kształt i intensywność wiązki oraz rozkład dawki, co gwarantuje dokładność napromienienia.

Cyklotron wraz z całym systemem terapii jest obsługiwany i serwisowany przez fizyków, inżynierów i techników z IFJ PAN. Obecnie napromienianych jest przeciętnie 20 pacjentów dziennie.

Metody radioterapii protonowej zostały zaimplementowane do leczenia polskich pacjentów dzięki modelowej współpracy fizyków z Polski, Anglii, Austrii, Czech, Francji, Niemiec, Rosji, Szwecji, USA i Włoch. Ośrodek jest intensywnie wykorzystywany do prowadzenia międzynarodowych eksperymentów z fizyki jądrowej, radiobiologii i fizyki medycznej. Zagraniczni naukowcy, nie dysponujący dostępem do takiej aparatury, korzystają z ośrodka w ramach projektów finansowanych przez UE. Wiedza i umiejętności fizyków dały polskim lekarzom znakomite narzędzie do walki chorobami nowotworowymi.