重离子治疗是比质子治疗更进一步的粒子放疗技术，主要使用碳离子作为照射源。和质子相比，碳离子的质量更大，在肿瘤区域产生的生物学效应更强。质子的杀伤机制主要是打断DNA单链，而碳离子可以直接打断DNA双链，对癌细胞的杀伤力高出二到三倍。这意味着对于那些对常规放疗不敏感的肿瘤——比如骨肉瘤、腺样囊性癌、恶性黑色素瘤这些出了名难治的实体瘤——重离子治疗可能提供全新的治疗机会。日本是世界上最早将重离子技术应用于临床的国家，千叶县的重离子医用加速器从一九九四年就开始运行，积累了全球最丰富的临床数据。截止目前，日本已经有六家重离子治疗中心在运营。

重离子治疗的适应症范围相对集中。日本的重离子治疗指南中列出的标准适应症主要包括：头颈部的非鳞状细胞癌、骨与软组织肉瘤、前列腺癌、肝细胞癌、早期非小细胞肺癌、局部进展期胰腺癌和直肠癌术后复发等。这些病种要么对常规放疗天然抵抗，要么所处位置周边有大量需要保护的重要器官。以胰腺癌为例，胰腺前方是胃和十二指肠，后方是重要的血管群，传统放疗很难在不损伤周边器官的前提下给足有效剂量。而重离子治疗可以在高剂量照射肿瘤的同时把胃和十二指肠的受量控制在安全范围之内，这在技术上是一个质的飞跃。