肺癌通常始于支气管内皮细胞、长时间生长而不产生症状。最终，肺癌组织会侵入支气管、血管、食道或神经丛等。由于肺癌的侵扰和肺癌治疗可能会影响身体包括心脏和胸椎等敏感区域许多关键结构，因此保护正常组织免受辐射影响是至关重要的。通常情况下一旦确诊肺癌，早期阶段肺癌可以选择局部手术治疗。目前也有建议在有条件情况下，采用质子放射治疗等。但是，对于较严重的肺癌，则选择联合治疗 - 包括手术、化疗和质子放射治疗等。如果肺癌无法实施手术治疗，则使用包括质子治疗在内的放射治疗，以及可能的生物免疫治疗方案。
质子治疗对肺癌有什么优势呢？当选用传统放疗治疗肺癌时，难以把控的是确定有效放射剂量，同时不对周边健康组织造成损害。因此，越来越多的肺癌患者选择质子治疗，医生能够确切定位肺癌，以便提供高效且精确的质子束剂量。现在，肺癌质子治疗已是局限于胸部肺癌患者的最佳治疗选择。通过在佛罗里达大学质子治疗中心，乔治城大学质子治疗中心、MD安德森癌症中心、梅奥诊所质子治疗中心等开展的临床试验结果表明，与常规光子(X射线)放射治疗相比，质子治疗对正常肺组织、骨髓和心脏等造成的不良副作用极少。
减少正常肺部组织放射性辐射非常重要。质子治疗既可以增加聚焦在肺癌部位的辐射剂量，而不增加正常肺部组织损伤风险。减少骨髓暴露辐射和与治疗相关的疲劳。此外在必要时，质子治疗期间或之后仍可进行加强化疗。目前，肺癌患者的质子治疗适应症包括：1. 无法手术的非小细胞肺癌患者，尚未在胸腔之外扩散；2. 部分肺癌患者可能手术治愈，但不能耐受进一步手术；3. 手术后胸部癌症复发的患者，其癌症尚未扩散至胸腔外。
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