“粒子射線” 依質量與電荷大小，可分為“輕粒子射線”與“重粒子射線”。直線加速器治療機所產生的電子射線，屬輕粒子射線，至于“重粒子”因質量較重且電荷較大(亦稱重離子 )，需利用較大功率的回旋加速器或同步加速器，將粒子加速至幾近光速，所制造出的射線，稱為重粒子射線。“質子” 是氫原子去掉電子，質子射線則是介于輕粒子射線與重粒子射線之間的射線。

傳統放射線治療在穿透人體表淺組織時能量最強，但到達深度腫瘤時，能量卻已轉弱， 不僅治療效果打折扣，放射線穿越經過的正常組織亦會受到破壞，患者易有表皮組織纖維化及骨頭壞死、 身體不適等不良反應。質子射線及重粒子射線則對正常組織也有較好的保護作用，能改善此一治療困境。在接近腫瘤病灶時，重粒子射線與質子射線一樣，均可釋放出100%的能量，達到最好治療效果。傳統放射線治療在腫瘤后面的正常組織也有可能受到殘存能量的傷害，具體為 X 射線還殘存60%的能量，伽馬射線及中子射線仍有40%的能量，只有重粒子射線與質子射線幾無任何能量的釋放。經過精準定位， 質子與重粒子治療仿如深水炸彈，只有在抵達腫瘤細胞目標時才會引爆， 穿過正常組 織時并不會造成傷害。

放射線治療腫瘤的能力主要取決于放射能量對于細胞所產生的生物效應 ( RBE) 的多寡，X光射線的RBE接近一倍， 質子射線為1.1倍，粒子射線則為3倍以上，重粒子線爆炸的威力因此遠超過傳統放射線，重粒子射線又比質子射線更能重創腫瘤細胞。因此，重粒子治療優于質子射線治療，更勝于傳統的光子與電子放射線治療。

然而質子與重粒子治療仍屬于局部治療，主要針對傳統局部治療，如手術 或放射線治療困難或是難以治療的腫瘤(如早期肺癌，但卻因年邁或身體其他狀況無法接受手術切除的患者)。如果腫瘤已經擴散，就不適合使用。

現在， 由于低劑量電腦斷層的使用， 發現多發性早期原發肺癌(不是轉移) 的病例愈來愈多，對這些患者，很難將所有肺部腫瘤逐一切除而不嚴重損傷肺功能，質子或是重粒子治療(如不考慮昂貴的費用) 將是最好的選擇。