国立癌症中心东医院是亚洲最早引进质子治疗系统，也是世界上第二家开始临床应用的综合医院。

国立癌症中心东医院的质子治疗系统是由称为回旋加速器的质子束加速器和两个旋转式门架辐照室组成。它也是日本国内第一台安装在医院的质子束治疗系统，自1998年以来一直接受并治疗患者。

医院将质子的最大能量设置为235 MeV，使质子束可在人体内达到25厘米的深度。速度大约是60%的光速，相当于一秒钟绕地球4周半的速度。医院使用重达220吨的回旋加速器装置来生成高能量的质子束，再用电磁铁引导，通过治疗室背面的龙门发射架改变照射方向，把质子束照射到患者身上。龙门架是一个巨大的装置，配有电磁铁，通过旋转它可以360度地在病人周围的任何地方进行照射。

在肺和肝脏中，肿瘤本身因呼吸效应而移动。医院通过用激光跟踪腹部表面的运动来监测呼吸状态，并根据呼气(当呼出时)将癌症移动到目标位置时，伏击照射出质子束。

国立癌症中心东医院在质子治疗技术上不断探索，已经成功开发了一种能够高精度探测到正电子发射核的位置和数量(安装在质子旋转机架端口梁ON-LINE PET系统：BOLPs-RGP)的使质子束可视化的装置。通过使用该装置，对日常患者进行质子束照射，从而实现高度准确的质子束治疗。目前该院的这个装置是世界上唯一一台高精准质子治疗设备，受到国内外的广泛关注。

目前，在日本进行的所有质子束治疗均采用称为宽束法的照射法，其预先形成大且三维均匀的剂量分布，并将其形成为每个患者的肿瘤形状。国立癌症中心东医院配备了辐照设备，运用质子笔形束的照射方法(沿肿瘤形状高速扫描并成形)。通过这种方法，可以将质子束集中到肿瘤处，实现高度准确的质子束治疗。虽然目前尚未临床使用，但计划近期内就能够在日本向患者提供日本首次笔形束的质子治疗。