重粒子放疗是世界范围内治疗恶性实体肿瘤最为领先的医学疗法，用于治疗头颈部肿瘤、肺癌、肝癌、前列腺癌、直肠癌等十几类恶性肿瘤，以及无法通过手术治疗的口腔肿瘤、脑瘤及杀死对X射线产生抗体的癌细胞。

经过评估统计，接收重粒子（碳离子）放疗的恶性肿瘤患者，5年生存期达80-97%。使用带电粒子，如碳离子，来靶向并摧毁癌细胞。与使用X射线或质子的传统放射治疗不同，重离子治疗能更精准地将强效辐射直接传递到肿瘤部位，最大限度地减少对周围健康组织的损害。

碳离子为高LET射线，在Bragg峰区射线的损伤，70%是DNA双链断裂，这种损伤不能被修复，因而其杀伤肿瘤的生物效应更强，是光子和质子的2到3倍，即相对生物效应RBE＝2-3。碳离子达到肿瘤部位后，立即释放接近全部能量，有效杀灭肿瘤细胞，不损伤周围正常组织，由于重粒子治疗不像手术那样切开人体，治疗过程无痛，时间约30-60分钟。 

重粒子放疗不仅需要粒子加速器核设施，同时需要具备丰富经验的物理医学团队，以及各类药物，该疗法在许多国家可及性极低，或处于试验性阶段。