重离子是指元素周期表氦核以后（原子序数大于2）的元素失去核外电子的带电离子。如碳12、氖22、钙45、铁56、氪84和铀等。碳离子是重离子中的一种，是近代物理通过几十年的理论与实践研究，筛选出的适于临床治疗肿瘤的一种重离子。它具有最佳平衡的物理与生物学优势。碳离子是最平衡的粒子，入口区RBE相对较低，而峰区RBE较高。
一、碳离子束的物理和生物学优势
1、精确的物理学优势：常规放射治疗采用的γ射线、X射线和电子束均属低LET射线，这些低LET进入人体后产生的剂量随深度的增加而呈指数衰减，对肿瘤及其前后的正常组织都有一定的杀伤作用，故在杀伤癌细胞的同时，肿瘤周围正常组织也受到程度不同的照射而可能引起近期或远期并发症和后遗症。而碳离子束和质子束属高LET射线，其进入组织后，在射程末端能量损失最大，出现一个剂量峰区，称为Bragg峰。而在其之前是低剂量平坦区，即坪区，而峰区之后剂量骤降接近于零。坪区的LET基本与X射线相同，而峰区则远远高于X射线，利用这一特性，通过能量的变化调节Bragg峰位以达到对肿瘤区的高剂量分布，从而达到对肿瘤的最大杀伤作用，而对肿瘤后面的正常组织影响很小，这是质子和碳离子束的物理学优势，也是质子优于传统光子设备而受到推崇的主要原因，而碳离子的物理学优势则不止于此。
碳离子的另一个优点是它几乎以一条直线的方式运动，从而使锐利和精确的准直成为可能，在20cm（MeV）深的水中，碳离子束的横向散射仅为1.5mm，这比6.5毫米的质子要小得多。此外，碳离子放射治疗的散射比质子和光子小，对精确的剂量分布也非常有利。X线等光子射线等不带电荷，而质子、碳离子带有电荷，因此可用扫描磁铁来引导，进行射线扫描，实施调强技术。
此外，碳离子在Bragg峰跌落即将结束时，有一个低剂量的拖尾区，这是由于碳离子（1２C）在射程末端发生核反应产生了10C和11C等形成。因11C可以发射出正电子束，通过正电子扫描仪(positronemissiontomography,PET)可以监测到离子束在病人体内的路径，因此在患者治疗期间或治疗结束的短时间内行PET扫描，可以利用PET实时监测人体内的剂量分布，从而精确地将离子束控制在靶区，这也是其它射线所没有的特性。
2、理想的生物学优势：质子和光子的相对生物学效应（RBE）大致相似，约1～1.1，但碳离子的RBE在Bragg峰区为2.5-3.0左右，Bragg峰区表现出高生物效应，而射程的其他部分则较低。DNA是放疗作用于细胞最重要的靶，碳离子束通过直接电离作用造成DNA双链多处致死性损伤,彻底杀死癌细胞，而质子和光子射线一般是通过间接电离作用造成自由基损伤而发挥作用，从而导致DNA单链断裂的亚致死性损伤，易造成肿瘤复发。
质子和光子等射线因其损伤DNA有赖于射线与细胞内的水和氧等相互反应，产生自由基而间接损伤DNA，在乏氧环境产生自由基较少，从而杀死乏氧的肿瘤组织细胞的能力较弱。然而，CIRT直接对DNA双链产生多处致死性损伤作用，故可不依赖于组织细胞氧浓度而高效杀死乏氧肿瘤细胞。
另外，肿瘤细胞所处的周期和位置对质子和光子射线敏感性影响也很大，G0期细胞对质子和光子几乎是完全抗拒，而因碳离子放射治疗是通过直接电离作用导致DNA双链多处致死性损伤，受细胞周期的影响很小，可以彻底杀灭各个周期的细胞，减少了复发和转移的几率。
综上所述，质子、光子等放射治疗的生物学基础是放射生物学中常用的“4R理论”：1、放射损伤的修复（Repair）；2、再氧合作用（Reoxygenation）；3、细胞周期的再分布（Redistribution）；4、细胞再增生（Repopulation）。“4R理论”是传统放疗的生物学基础理论，而碳离子射线的生物学行为超越以上范畴，它杀伤肿瘤细胞的能力不依赖于肿瘤细胞的氧浓度、周期分布等因素，从而使碳离子照射时，分割次数较少甚至一次即可完成，对正常组织的损伤小，而且对癌细胞的杀伤作用大大提高了。
二、不断增加的重离子治疗中心，让更多患者受益
鉴于碳离子与光子和质子具有的显著不同的以上特点，自年应用于临床以来，其治疗肿瘤的临床证据逐渐增强，治疗病种范围逐渐扩大，截止年12月，接受过碳离子治疗的患者约例，并正在世界范围内越来越多的被接受和推荐。
截至年12月，根据PTCOG
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