光子线治疗时，入射人体浅层部位受到高剂量照射，造成该区域组织和器官损伤，到达深层组织后剂量呈指数下降。而当带电质子或重离子穿过物质时，在浅层部位剂量曲线相对保持恒定，形成低剂量平坦区，而在射程末端时质子或重离子速度瞬间变得很低，残余能量完全释放，从而形成一个高电离密度的峰，即Braag峰。临床上利用这一特性进行放疗的方法是按照肿瘤形状和部位，决定重离子速度并控制强度，使重离子高剂量分布区（Braag峰）被调整嵌合在肿瘤靶区上，在三维空间上与肿瘤形状尽可能吻合，结果是肿瘤组织被较 大限度杀灭，而周围正常组织很少或几乎不受到照射，从而得到有效的保护。
现每年接受碳离子治疗的患者约为800例，治疗总例数超过9000例．涉及到颅底肿瘤、头颈肿瘤、肺癌、肝癌、直肠癌、前列腺癌、骨肉瘤等十余种病种。
重离子治疗难治性肿瘤及罕见肿瘤的探索：部分肿瘤或因解剖位置特殊、毗邻重要脏器，或因浸润性强、易复发等原因成为现代医学手段难以解决的难题。NIRS和HCHIR对眼脉络膜黑色素瘤、颅底脊索瘤、软骨肉瘤、脊椎及髂部脊索瘤和不可切除腹膜后肉瘤等进行了重离子治疗的临床研究，均取得了满意疗效，未发现严重的不良反应。此外，对腺样囊性癌、皮脂腺癌和颈椎骨肉瘤等罕见肿瘤也进行重离子治疗的尝试。位于颅底的脊索瘤和高分化的软骨肉瘤，因肿瘤所处部位难以完整切除，对光子线放疗也很不敏感。
重离子治疗的安全性：NIRS所进行的临床试验多为剂量爬坡试验．以发生3级以上不良反应为研究终点。前列腺癌临床试验出现3级直肠不良反应．头颈部及颅底肿瘤的临床试验发现3级的皮肤不良反应，肺癌临床试验出现3级肺不良反应和皮肤不良反应等，但均未造成严重后果。
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