Η θεραπεία με δέσμες πρωτονίων είναι ένας τύπος ακτινοθεραπείας που χρησιμοποιεί μια δέσμη πρωτονίων υψηλής ενέργειας, τα οποία είναι μικρά μέρη ατόμων, αντί για ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας (που ονομάζονται «φωτόνια») για τη θεραπεία συγκεκριμένων τύπων καρκίνου.
Η θεραπεία με δέσμη πρωτονίων επιτρέπει σε μια δόση πρωτονίων υψηλής ενέργειας να στοχεύει με ακρίβεια έναν όγκο, μειώνοντας τη βλάβη στους περιβάλλοντες υγιείς ιστούς και ζωτικά όργανα, κάτι που αποτελεί πλεονέκτημα σε ορισμένες ομάδες ασθενών ή όπου ο καρκίνος βρίσκεται κοντά σε ένα κρίσιμο σημείο του σώματος όπως ο νωτιαίος μυελός.
Η θεραπεία με δέσμη πρωτονίων είναι κατάλληλη μόνο για ορισμένους τύπους καρκίνου, όπως πολύπλοκους καρκίνους εγκεφάλου, κεφαλής και τραχήλου και σαρκώματα, καθώς δεν οδηγεί σε καλύτερα αποτελέσματα για πολλές περιπτώσεις καρκίνου από τη χρήση ακτινογραφιών υψηλής ενέργειας, που εξακολουθεί να θεωρείται η πιο κατάλληλη και αποτελεσματική θεραπεία για την πλειοψηφία των καρκίνων.