重离子射线的大特点是可对传统的辐射治疗方法难以取得效果的癌症产生了良好的治效果果。究其原因：一是重粒子射线对癌细胞的杀伤力比X射线强；二是能使人体组织保持正常，比X射线不受威胁。重粒子射线治疗方法主要用于治疗局部恶性肿瘤，尤其是用传统方法难于痊愈的疾患。目前，对部分疾患已经取得了能够与手术相当的成果，可以说给患者的治疗提供了更广泛的选择。
（1）颈部肿瘤
目前治疗主要以组织学上传统放效果果较差的腺癌、腺样囊腺癌、恶性黑色瘤为主，I/II期临床试验结果已证实重粒子线治疗头颈部肿瘤的效果肯定。在保证靶区高剂量覆盖的同时亦大量减少了腮腺、脊髓和脑干的受量，因而获得了比IMRT更集中的剂量分布。对腺癌、腺样囊腺癌、恶性黑色瘤的总局部控制率高达80-90%，5年生存率在44～67%之间，较常规放疗可获得更高的疾病控制率而毒副作用更小。
（2）颅底肿瘤
由于颅底肿瘤手术切除很难完全清除瘤组织，需要放射治疗作为辅助治疗。但由于肿瘤组织常靠近放疗剂量限制严格的关键组织器官，颅底脊索瘤和软
骨肉瘤的放疗很具挑战性。目前临床上主要通过传统的外科手术和平均剂量为60Gy的常规光子放疗结合来治疗该肿瘤，但其5年无进展生存率很低。因此选择可使靶区获得更高剂量的带电粒子放疗是这类肿瘤治疗的希望。尽管目前尚无关于重粒子和传统放疗的随机临床对比试验，但该分析研究指出颅底肿瘤尤其是脊索瘤患者行重粒子治疗后有望获得比传统放疗更好的5年局部控制率以及长期生存率。
早期非小细胞
肺癌选择的治疗方法是手术切除癌组织，对于无法手术的患者则予以放疗。回顾性研究表明该病行常规放疗的效果并不理想。研究者们尝试多种方法如采用X线立体定向放疗，粒子放疗等来改善效果，并取得了一定的成果。日本放医研报道了127名NSCLC患者经总剂量为72GyE的重粒子线治疗后，3年的局部控制率为91.5%。5年的总生存率和疾病专项生存率分别为45.3%和67.0%。T1期患者的局部控制率和5年生存率与T2期患者有显著差异，说明T分期是影响预后的重要因素。未观察到明显的毒性反应。说明对早期NSCLC,重粒子治效果果与手术效果相当。尤其适合不能手术或拒绝手术的患者，可望提高患者的生存质量。
（4）肝细胞癌
肝癌对常规放疗抗拒，伴
肝硬化、肝功能异常时放疗可能还会加重肝脏损伤。现有的数据表明：对于肿瘤直径3-125px，单发的
肝癌患者采用重粒子治疗的结果，1年，3年及5年总生存率分别为94%，81%和75%。而在相同的肿瘤大小的病例，肝部分切除术后的1年，3年，5年总生存率为95%，80%及66%。说明对单发的直径在125px以下的
肝癌，重粒子治效果果与手术效果相当，是不受威胁且有效的，将有可能取代其它治疗手段。
前列腺癌是重粒子治效果果较好的一种肿瘤。
前列腺癌是用重粒子射线治疗的诸多癌症中局部控制较好的一种。通过对188名接受治疗后半年以上的患者分析，结果发现只有一名患者出现了局部复发情况，该成绩与进行手术所取得的成绩是一样的。从目前的状况来看，几乎没出现过对直肠或尿道产生损害的情形，不进行手术却能够取得与手术同样的治效果果。
骨和软组织
肉瘤是在儿童中发生率较高的肿瘤，一般对放射线治疗不够敏感。因此临床上为达到治疗目的常需大剂量放疗。横纹肌
肉瘤是较常见的软组织
肉瘤，常发生于头颈部和消化系统。肿瘤周边部位由于存在大量对放射线敏感的组织器官而导致放疗困难。尽管目前IMRT治疗头颈部横纹肌
肉瘤已获得良好效果，但重粒子治疗因对正常组织损伤小有望取代IMRT成为该病放疗方法的选择。日本放医研共收治421例患者。3年及5年局部控制率为84%，而3年及5年生存率分别为68%和49%。在颅底部以外发生的脊索瘤79例，5年局部控制率和生存率分别为96%和81%。分析认为，骨和软组织
肉瘤是较适合重粒子治疗的肿瘤的一种。对高龄患者以及手术治疗可能损伤机体机能较严重的病例重粒子治疗无疑会给他们带来福音。
手术后盆腔内复发是影响
直肠癌愈后的重要因素。尽管随着手术方法的改进和术后实施综合治疗，
直肠癌手术后局部复发率呈下降趋势，但其术后复发率仍高达20%。对术后复发又不能手术切除的病例采用传统的放射治疗，3年生存率只有10%左右。研究表明采用重粒子治疗后，其3年局部控制率位90%，3年及5年生存率为64%和42%。没有出现明显的急慢性毒副作用。证实重粒子治效果果与手术治疗相媲美，而且远远好于放射治疗。
仅以用传统的治疗方法很难痊愈的肿瘤为对象进行治疗试验。试验证明对该种扩散性肿瘤具有良好的治效果果。但照射剂量用到什么程度才可以减轻消化道的有害反应是尚待解决的课题。
目前具有能将重离子治疗技能应用于肿瘤治疗的是美国、德国、日本，中国还在研究当中。其中以日本和德国的技能较为成熟，这两个国家的重离子治疗已达到成熟应用水平，为国际先进，累计治疗病例已达近万名。
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