目前，医学界公认的恶性肿瘤治疗手段主要有三种，手术、放射治疗和化学药物治疗。质子重离子治疗是放疗的一种。放疗是运用放射线轰击肿瘤细胞，抑制肿瘤细胞增殖、杀死肿瘤的一种治疗方式。1898年，居里夫人发现了射线镭。次年就有人开始用X射线试治皮肤癌，开启临床放疗的先河。
临床上常见的放疗多是光子放疗，如三维适形放疗、调强放疗、X刀放疗、伽马刀放疗、赛博刀放疗等。不同于常规放疗使用α、β射线和各类x线，质子重离子治疗使用质子或者重离子射线对肿瘤进行放射治疗。
所谓质子，是氢原子剥去电子后带有正电荷的粒子，重离子，是碳、氖、硅等原子量较大的带有正电荷的粒子。通过同步加速器，这些带电粒子被加速到光速的70%，大约21万公里/秒，可以变成穿透力极强的电离放射线，以非常高的速度穿过人体，到达靶向肿瘤部位。
目前，质子重离子治疗在业内被公认为是最先进、最尖端的肿瘤放疗技术。这项技术相较于常规放疗，拥有显著的放射物理学和生物学的优势。常规放疗中，光子射线穿过人体组织达到肿瘤病灶时，剂量逐渐减少。但是只要射线经过，就会损伤肿瘤前后的正常组织，甚至可能会给病人带来严重的副作用。同时，肿瘤病灶也达不到足够的剂量分布。
质子重离子的优势就在于，它在计算机的控制下速度极快，射程前段释放较少能量，医生“瞄准”肿瘤位置，高能粒子在特定深度瞬间释放大部分能量，随后能量迅速衰减。学界把这一过程形象地比作“立体定向爆破”，它能使肿瘤病灶接受较大放射剂量，而前后正常组织受到的损伤降到最低。使用质子重离子放疗，正常组织的放射毒性和副作用明显减少。
在放射生物学上，重离子放疗的优势最大，它使用的是比质子质量更高的粒子射线，能够打断肿瘤细胞的DNA双链，对肿瘤细胞的杀灭作用是光子的2～3倍。而质子相对较轻，只能打断肿瘤细胞的DNA单链，对肿瘤细胞的杀灭效应约是光子的1.2倍。重离子放疗的优势使得它常常被用于对光子和质子射线抗拒的肿瘤。
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