L'objectif consiste à irradier les cellules cancéreuses avec le faisceau de particules afin de les détruire, tout en épargnant au maximum les tissus sains environnants. Pour cela, il faut connaitre les interactions entre les particules et la matière. Les effets de ce rayonnement sur la matière sont mesurés par la dose (ou énergie déposée par unité de masse). Il s'agit donc de contrôler le faisceau d'irradiation de façon à ce que la dose déposée soit maximale à l'endroit de la zone tumorale et minimale ailleurs.
Courbe de rendement en profondeur des photons et des protons, remarquez le pic de Bragg (protons) très net : les protons déposent leurs énergies dans une petite fenêtre de profondeur.
Les particules sont accélérées dans un cyclotron ou un synchrotron. Un synchrotron est nécessaire pour les ions de carbone. L'interaction des particules avec les tissus dépend de la vitesse de la particule : le dépôt d'énergie dans les tissus est inversement proportionnel au carré de vitesse. Dans la matière, les particules sont freinées de façon continue et d'autant plus fortement qu'elles pénètrent profondément. Tant qu'elles possèdent une vitesse élevée (énergie supérieure à 50 MeV/u), leur effet ionisant sur les tissus n'est que relativement faible. Ce n'est que vers la fin de leur parcours que la plus grande partie du dépôt d'énergie a lieu. À ce moment-là, ce dépôt augmente fortement sur une distance de quelques millimètres, pour ensuite diminuer rapidement. On appelle pic de Bragg le profil décrivant la dose déposée en fonction de la profondeur de tissu traversé. L'énergie de la particule à la sortie de l'accélérateur règle la profondeur de pénétration et la position du maximum d'effet. Ce comportement permet ainsi de déposer une dose très élevée à la tumeur tout en épargnant les tissus environnants et/ou les organes à risque. Cette propriété rend ce type de rayonnement plus précis que les photons (ou rayons X) utilisés en radiothérapie conventionnelle.
- Un autre avantage existe pour les ions carbone : la densité d'ionisation est élevée à la fin du parcours. Cela entraîne des dommages plus importants sur l'ADN des cellules cancéreuses, qui ont ainsi plus de mal à se réparer que les cellules saines se trouvant en amont. On considère que ce type de rayonnement est entre 1,5 et 3 fois plus efficace qu'un faisceau de photons (environ 1,1 pour les protons). On parle d'« effets biologiques relatifs ». Les rapports des dégâts entre hadron et photon sont complexes et dépendent de nombreux paramètres. La discipline étudiant ces effets est la radiobiologie.
Des recherches sont actuellement en cours au CERN pour pouvoir utiliser des faisceaux d’antiprotons, au lieu de protons ou de noyaux atomiques. Cette fois, c’est l’énergie dégagée par l’annihilation, entre les antiprotons injectés et les protons présents dans la cible, qui détruira la tumeur. Cette méthode serait plus avantageuse que les autres thérapies par faisceau de particules car moins dommageable pour les tissus sains. Les premiers résultats sont prometteurs, mais les applications médicales ne sont pas attendues avant plusieurs années.
