BNCT是基于称为硼中子俘获。吸收低能量中子的非放射性同位素10B原子分解成α粒子和反冲的锂核。这些粒子沿其短路径沉积高能量。一个单元的大小约为10µm，因此，BNC反应在一个单元内发生。在正常细胞包围的恶性细胞中选择性积聚10个B原子的条件下，对该区域进行热中子辐照可以选择性地通过两个重粒子破坏恶性细胞，BNC反应后产生4He和7Li。

成功的BNCT主要取决于肿瘤细胞中10种含B剂的选择性积累。两个硼剂，硼-苯丙氨酸和borocaptate钠，进行了开发和通过在美国和日本的研究人员在临床研究中使用。BPA是苯丙氨酸的衍生物，主要通过L型氨基酸转运蛋白1主动转运到肿瘤细胞中，L型氨基酸转运蛋白1存在于各种恶性肿瘤细胞的细胞膜上。BSH有1210B原子，主要用于治疗恶性神经胶质瘤。BSH不会通过血脑屏障传递到正常的大脑中。BSH仅在破坏了BBB的肿瘤区域中积累，而积累机制是被动的。

限制BNCT应用的障碍之一是热中子难以渗透到体内，这导致无法向深部肿瘤输送足够的剂量。在当前的BNCT临床试验中，已经使用了能量比热中子束高的超热中子束。超热中子束通过与氢原子碰撞而损失能量，并转变成热中子束。但是，热中子束的峰通量在皮肤表面以下约2–3cm处，并且通量迅速下降到10cm处的峰值的十分之一。热或超热中子束的穿透性差，意味着在皮肤表面6-8cm之内的浅部肿瘤是BNCT的良好候选者。

果糖溶液中的BPA以250或500毫克/公斤的剂量静脉内给药。在某些情况下，静脉内施用溶解在50％生理盐水溶液中的BSH和BPA-f。在大多数患者中，2小时内，在3小时内以200毫克/公斤/小时的速率以500毫克/公斤的剂量给予BPA，其余的以100毫克/公斤/小时的降低速度进行给药1小时在注入BPA的1小时内以100毫克/公斤/小时的速度进行了超热中子辐照。如果同时使用BSH和BPA，则分别在完成BSH和BPA的给药后12小时和1小时开始进行超热中子辐照。确定辐照时间，以使对正常大脑和口腔黏膜的大剂量为10–14Gy-E。这是因为在大多数情况下，通过常规的高压X射线放射疗法，包括肿瘤和正常细胞在内的区域已经接受了大于60Gy的剂量。Gy-E单位已用于BNCT的临床研究，与质子或碳离子粒子疗法相同。在BNCT中，这种向Gy-E单位的转换非常复杂，详细信息在其他地方进行了描述。

在用光子或粒子进行放射治疗时，肿瘤周围的正常细胞接受的治疗剂量>60Gy。通常禁止再次照射，因为在重新照射的正常组织中会出现严重的不良事件。BNCT可以在正常细胞与肿瘤细胞之间产生较大的剂量梯度；因此，局部复发的肿瘤可以接受治疗剂量，同时保留预照射的正常细胞和组织。考虑到BNCT的这一特性，即用重粒子对癌细胞进行选择性照射，预照射区域中的局部复发性肿瘤是BNCT的良好候选者。

BNCT的临床研究已经集中在局部复发性恶性神经胶质瘤和头部和颈部癌症，因为这两个恶性肿瘤的标准治疗包括放射疗法，无论是作为术后放疗或同步放化疗。在本节中，将讨论BNCT在局部复发的恶性神经胶质瘤和头颈癌中的临床结果。