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放疗是利用放射线杀灭肿瘤细胞的一种局部治疗手段。常用的放射线包括利用放射性同位素产生的α射线、β射线、γ射线和X射线机或直线加速器产生的质子束、重粒子束等。放疗的原理是利用所产生的大量能量破坏肿瘤细胞的染色体，使其停止生长。放疗不仅可以有效破坏癌细胞，抑制其增殖，还可以避免出现由手术治疗造成的组织和器官缺损或身体部位畸形。当癌细胞已向周围组织蔓延或转移，通过手术治疗无法根治时，可以考虑使用放疗。
自1895年物理学家伦琴发现X射线以来，人们在物理学、生物学、医学影像学、临床肿瘤学和计算机科学等方面的不断努力，推动了放疗设备及放疗技术的发展。从最早期采用镭管、镭膜或镭针进行近距离治疗，到20世纪20年代设计出200kV X射线治疗机，再到50年代研制出钴-60治疗机。放疗技术则从二维发展到三维，甚至出现了带有呼吸引导门控的四维放疗技术。放疗技术经过一个多世纪的发展，已进入了“精确定位、精确计划、精确放疗”时代。临床试验表明，高剂量（78~80Gy）能极大地改善对肿瘤生化指标的控制效果。不同放疗设备能够投放的剂量如表1-2所示，从1922年200kV X射线治疗机的40Gy到2010年碳离子放疗设备的100Gy，放疗设备的能量聚焦度不断提高，杀灭肿瘤细胞的能力越来越强。
表1-2 不同放疗设备能够投放的剂量
伦琴因发现X射线而获得了1901年的诺贝尔物理学奖。这一重大发现推动了一系列突破的出现。贝克勒尔发现了天然放射性，居里夫妇则分离出了放射性元素镭，并获得了1903年的诺贝尔物理学奖。这些发现不仅推动了医学影像技术的发展，也为放疗技术的出现奠定了基础。早期的放疗包括远源皮棘治疗、外照射治疗、近距离治疗和内照射治疗等。放疗的历史可以追溯到19世纪末期，也就是伦琴发现X射线几个月后，首批癌症患者接受了放疗。然而，当时的研究人员还没有意识到电离辐射的危害，因此患者在接受照射时没有采取任何防护措施，导致出现了很多问题。20世纪初期，镭针被设计出来并被用于治疗癌症。1913年，一种X 射线装置被研制出来，该装置可以使放射线完全照射肿瘤组织，并能避免周围组织受损。然而，由于当时的放射线功率较低，难以对深层肿瘤组织进行有效照射，所以该装置仅用于照射一些浅层肿瘤或对放射线敏感度高的肿瘤。20世纪初期，研究人员发现对于早期喉部肿瘤患者，可以用放疗代替侵入性手术治疗，这意味着放疗在恶性肿瘤治疗方面占据了一席之地。
1922年，美国制造了第一台200kV X 射线治疗机。1928年，国际X射线和镭保护委员会（International X-ray and Radium Protection Committee）成立，于1950年更名为国际放射防护委员会（International Commission on Radiological Protection，ICRP），该组织从专家的角度研究核辐射对人体的伤害并提出建议和给出相关预防措施。根据ICRP 的建议，许多国家制定了与核辐射有关的法律法规。1928年，德国科学家 E. 维德罗提出了加速原理。利用射频微波技术加速带电粒子的应用的发展受到军用雷达相关研究进步的推动，并促进了微波能量管的出现。1934年，日本教授Takahashi提出分次放疗方法。二维放射线投影技术使照射更精确，放射线对肿瘤进行包裹的形状更接近肿瘤形状。接下来，放疗计划系统开始被用于制订治疗计划，新的测量技术大大提高了剂量测量的准确性。
1953年，首台医用行波直线加速器在英国伦敦的汉默史密斯医院投入使用。该直线加速器能够输出6~20MV的高能X射线。1954年，第一台双模直线加速器诞生，它能够产生高能光子和电子，既适用于治疗深层肿瘤，又适用于治疗浅层肿瘤。1957年，美国安装了第一台医用直线加速器，并将其用于临床治疗。由于直线加速器不需要外部放射源，其放射线完全由电磁器件产生，在使用过程中易于控制，所以其后续发展十分迅速。
20世纪60年代，Takahashi提出了三维适形放疗的概念，三维适形治疗能够实现对肿瘤组织的准确照射。1967年，第一台伽玛刀被成功研制出来，其采用多个钴-60辐射源和非共面小孔，并配备立体定向框架，由于单射束的剂量较低且焦点处的剂量很高，所以其能准确地将高剂量放射线投射到小体积的肿瘤区域，从而实现了类似外科手术的单次治疗。1976年，计算机断层扫描（CT）技术出现，使数字化三维适形放疗逐渐进入临床试验阶段，放疗正式进入三维时代。1977年，Bjarngard等提出了调强放疗（IMRT）的概念，并开始临床应用IMRT。1975年，中国引入了第一台医用直线加速器，并在两年后投入临床应用。1986年，首台计算机控制的多功能高剂量率后装治疗机问世。1990年，首台整合了多叶准直器的医用数字直线加速器问世，标志着进入调强放疗时代。1992年，出现了三维放疗计划系统的雏形。1993年，应用医学图像引导的调强放疗计划系统问世。2003年，医科达推出了Synergy，放疗进入了IGRT时代。同年，首台螺旋CT断层放疗系统投入临床应用，螺旋CT断层放疗系统采用相同的加速器进行图像采集和治疗，实现了360°全方位照射，同时配有二元气动准直器，单次照射可覆盖数万个子区域，被称为调强放疗领域的巅峰之作。2008年，RapidArc和VMAT得到了应用。
理想的放疗是把剂量全部投向肿瘤组织，而肿瘤组织周围的正常组织完全不受影响，癌细胞被全部杀灭，患者被彻底治愈。虽然目前还不存在这种放疗，但是人们一直都在朝这个方向努力。一个多世纪以来，人们一直在想办法按照肿瘤的形状“雕琢”包绕肿瘤的最佳等剂量线，以提高放疗的治疗比，在杀灭肿瘤细胞的同时能够尽量保护危险器官和正常组织。肿瘤治疗应用了最新科技成果，物理、生物和计算机等相关学科一旦有新的突破，就会被快速应用到肿瘤治疗中，如MRI、PET-CT、IGRT等。目前，放疗和化疗成为治疗癌症的主要手段。对乳腺癌、直肠癌、肺癌和前列腺癌等多种癌症的临床试验也验证了放疗的有效性和安全性。放疗在对抗肿瘤的“战役”中也确立了3个方面的优势：首先，放疗是一种根治性治疗手段，适用于治疗大多数肿瘤患者。目前，放疗对恶性肿瘤患者治愈率的贡献是22%。如果配合手术治疗和化疗等，能够治愈55%的恶性肿瘤患者。其次，放疗是一种保守的治疗手段。放疗的优点是在杀灭肿瘤细胞的同时能够保留患者器官的生理功能，这对于保障患者的生活质量非常重要。最后，放疗的性价比非常高，法国癌症患者的治疗费用数据显示，患者的放疗费用不到癌症治疗总费用的10%。可见，放疗能够有效减轻癌症治疗负担。