所谓质子，就是指氢原子剥去电子后带有正电荷的粒子。氢原子通过加速器高能加速，成为穿透力很强的电离放射线，这就是质子放射线。质子刀之原理为利用带正电荷的质子在电场中持续加速，达到一定速度和能量之后，射入标的物之内，利用布拉格尖峰现象，对特定标的物内在某一深度位置释放大量能量，以达到对物体特定深度区域进行破坏之目的。
所谓重离子就是比电子重的粒子。应用于放射线治疗的重离子通常是指碳素离子。应用碳素离子放射线治疗肿瘤的方法，被称为“重离子放射治疗”。以肿瘤中最常见的乏氧肿瘤细胞为例，光子消孤它们的荆量至少需要未灭富氧细胞的3格。而重牧早杀灭乏氧细胞的能力是光子的3倍。由于重粒子更 强大的放射生物学效应，因此是把“双刃剑”。如果重离子照射在正常组织和器官上。也将产生严 重的放射损伤。因此，必需应用精 确的放疗技术，包括重复性好的患者体位固定装置，精 确的肿瘤定位。
质子和重离子有什么区别？质子和重离子（常用的是碳离子）都属于粒子，后两者的剂量分布都存在布拉格峰，可以简单的理解为定向爆破。两者的产生都需要使用同步或回旋加速器，两者的适应症基本相同。两者的区别是，质子破坏的是肿瘤细胞的单链，而重离子破坏的是肿瘤细胞的双链，重离子对于肿瘤所在器官的损伤也会更大一些。
但同时，重离子刀治疗的次数、每次治疗的时间长度都会少于质子刀。以肝癌为例，全剂量的质子刀放疗需要30天，而如果联合重离子的话，只需要4天。具体使用质子刀、重离子刀还是两者结合，取决于该粒子放疗中心的设备和患者的实际病情。
