质子或重离子经由同步加速器，加速至约70%的光速时，离子射线被引出射入人体。射线在到达肿瘤病灶前，能量释放不多；到达病灶的瞬间，释放大量能量。这种被称为“布拉格峰”的能量释放，实现了对肿瘤的“立体定向爆破”，在杀灭肿瘤细胞同时，有效保护正常组织。
从20世纪初科学家发现“布拉格峰”，再到相继在实验室和临床开展研究应用，质子重离子放疗技术与肿瘤之间展开了一场跨越世纪的“搏斗”。
1904年，科学家布拉格（Bragg）（左图）与克里曼（Kleeman）在实验中观测到，质子射线等带电粒子束，在射入物质时，根据其能量大小会在某个深度形成一个剂量高峰。科学界将这一伟大发现称之为“布拉格峰”。
1946年，科学家威尔森（R.R.Wilson）（右图）大胆提出，将这种具有物理优势的射线应用于医学领域。威尔森认为，带电粒子束或可在治疗肿瘤领域有突出表现。他的依据是：传统高能X射线穿越人体时，沿途会不断释放大量能量，肿瘤前后的正常组织都不必要地接受了相当剂量的照射。带电粒子束具有独一无二的“布拉格峰”，射线进入人体后，高速运动的高能粒子在射程前段仅会释放较少能量，直至射程末段，巨大能量会彻底释放。由此看来，带电粒子束的射线将更为锐利，也会进一步减少肿瘤周边正常组织的照射剂量。
1954年，位于美国加利福尼亚州的劳伦斯·伯克利实验室开始启动粒子束治疗；不久，瑞典的乌普萨拉大学启动质子射线治疗；1961年，哈佛大学麻省总医院引入回旋加速器，自此开始利用质子射线治疗患者……
劳伦斯·伯克利国家实验室
不过，上述质子射线治疗仍仅局限于实验室内。直至1990年，美国洛马琳达大学医疗中心建成质子治疗系统，实现了巨大突破：这套系统没有遵循在加速器研究所内应用的惯例，而是世界上首台与医院并行建设、用于商业医疗的系统。洛马琳达大学的这套治疗系统，就是由最早启动粒子束人体治疗研究的劳伦斯·伯克利实验室支持建成。
美国洛马琳达大学医疗中心
1994年，日本全面启动重离子医用加速器治疗中心，这是世界上第一个专用于肿瘤临床治疗的重离子中心。该项目坐落于东京近郊千叶，由日本国立放射研究所主导，这个耗资巨大的项目被誉为日本提出“抵抗癌症”国家战略十年后的成果。
之后的20年，越来越多的发达国家投入质子重离子肿瘤技术研发，并暗自较劲，各国均由政府主导，大学提供智库。不过，拥有该项技术的依然仅有美国、日本、德国等少数发达国家。
2014年6月14日，位于浦东国际医学园区的上海市质子重离子医院正式启动临床试验，这是我国第一家，全球第四家集质子、重离子、光子等多种放射治疗手段的综合中心。这标志着，中国由此跻身肿瘤放疗领域的世界“制高点”。
上海市质子重离子医院
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