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与常规放疗不同，质子和重离子放疗是由质子或重离子组成的粒子射线，其治疗的疗程比较短，常规放疗是两个月左右，而质子放疗缩短为1个月，重离子放射治疗甚至短至1~2周。
质子、重离子放疗，特别是重离子放疗，如碳离子，杀灭肿瘤细胞的能力3倍于常规的光子放疗，肿瘤的局部控制率高，即使是抗拒治疗的肿瘤，也能产生较好的杀灭效应，例如软组织肿瘤、恶性黑色素瘤等。
同时，质子或重离子治疗没有创伤，除了儿童患者，一般不需要麻醉，因此对心肺功能差的、不能耐受麻醉的老年患者也能接受治疗。
但质子、重离子放射也存在着局限性。对于紧靠胃和肠子的肿瘤，如胃癌和肠癌等，由于射线能级较高易造成脏器严重损伤，因此不适用。对于容易发生远处转移的肿瘤，还必须联合全身治疗，如化学治疗和生物靶向等治疗，来控制远处转移。另外对已经发生多个远处转移的肿瘤患者，也不适用质子、重离子放疗。