雖然全直腸系膜切除術、傳統放療和/或化放療降低了局部復發的發生率，但是直腸癌局部複發仍然有4至13%，直腸癌以腺癌居多，術後復發缺氧細胞比例高，因此被認為具有放射抵抗性，尤其是復發的病灶常常靠近放射敏感器官，如腸道和膀胱等。

與傳統的X光射線放療相比，碳離子放療在更高的劑量定位特性和更高的細胞殺傷作用方面具有物理和生物學優勢，具有較高的線性能量傳遞、在抗輻射和缺氧細胞中誘導細胞死亡的能力更好，而且同時保留了正常組織不受輻射傷害。

在2021年日本國立放射線科學研究所及國立量子科學技術研究院（QST）在治療直腸癌術後復發這方面積累了大量案例。因此在2021年發表了未經放療直腸癌病患的療效報告。

研究從2001年至2016年間，共有 235名病患包含244 個病灶，因直腸癌局部復發接受了碳離子放療，平均年齡是60.9 歲，復發部位包括骶前區、骨盆側壁、會陰部和周圍軟組織。接受碳離子放療的總劑量是67.2至73.6 Gy，並在4週進行16次治療。 

所有244個病灶的局部控制率在3年和5年分別是90%和88%，235名病患的總存活率3年和5年分別是67%和46%。目前臨床使用73.6 Gy的203名病例中，5 年局部控制率和總存活率分別為89%和52%。因此病患接受碳離子放射治療是直腸癌手術後局部復發管理的一種安全有效的治療方法，可以有更好的局部控制和存活率。

在不良反應方面，一名病患發生3級的胃腸道潰瘍的早期毒性，沒有觀察到其他嚴重的急性反應。另外也觀察到兩名病患發生3級皮膚損傷和一名病患發生3級胃腸道阻塞的晚期毒性。 

研究人員也回顧性分析了2003至2014年日本其他三個重離子放療機構接受碳離子放療的224名病患的資料，平均追蹤時間是62個月，3年和5年總生存率分別為73%和51%； 3年和5年局部控制率分別為93%和99%。在不良反應方面，分析結果顯示發生早期或晚期毒性與他們的研究結果相似。

2022年他們又針對曾經接受傳統的X射線放療後復發的直腸癌病患接受碳離子放療的療效報告，因為這一類病患很難再接受傳統的放射治療，因為腫瘤周圍的正常組織無法再承受輻射的傷害。因此這77名病患接受了碳離子放療，所有病患都接受過平均劑量50.0 Gy的傳統的放射治療，再接受碳離子放療總劑量是70.4 Gy。

結果發現總體局部控制率3年和5年分別是69%和62%，其中在控制計劃目標體積內復發率分別是90%和87%；區域復發控制率在3年和5年分別是85%和 81%。而且沒有病患在接受碳離子放療後接受手術切除。平均總存活期是47個月，3年和5年總存活率分別為61%和38%。在不良反應方面，有8名病患發生急性3級毒性，有16名病患出現了晚期3級毒性，但是沒有發生4級毒性。

因此對之前接受X光射線放療的局部復發性直腸癌病患，再接受碳離子放療是安全有效的，可以提供更好的局部控制和延長病患壽命。