顱腦伽瑪刀主要由60Co（鈷60）放射源、準直器、治療床、立體定位框架、計算機治療計劃設計系統、計算機操作控制系統等組成。
60Co放射源：鈷元素家族有五種同位素，即56Co、57Co、58Co、59Co和60Co，除了59Co是穩定同位素（無放射性）外，其餘都具有放射性。其中，60Co更是一種穿透力很強的核輻射元素。醫學上正是利用了60Co 放射線穿透力很強的特性來殺滅身體內部的腫瘤細胞的。顱腦伽瑪刀在鈷源數量和幾何排列上有其特點，應用數十上百個低能的60Co源，呈半球狀幾何分佈排列（不同的顱腦伽瑪刀在鈷源排列上有所區別，在後面的問答中會談到），使每個源都指向同一圓點，即聚焦點。
準直器：就是將每束60Co放射線即伽瑪射線精確導向聚焦點的鋼性裝置。形狀除瑪西普伽瑪刀準直器呈筒狀外，其餘均呈半球狀。不同的伽瑪刀準直器數量不同，Leksell伽瑪刀有4種不同孔徑的準直器，使用起來比較麻煩，治療中要根據需要更換。而奧沃顱腦伽瑪刀、瑪西普顱腦伽瑪刀、尊瑞顱腦伽瑪刀只需要一個孔徑大小不一的準直器，自動化水平更高，治療中不用人力更換，計算機根據治療計劃自動更換。
治療床：治療床就是將病人按照治療計劃要求固定並將病人送人伽瑪刀照射野內進行治療的裝置。值得一提的是尊瑞伽瑪刀治療床和主機是一體化鋼性連線，保證了治療床和主機永不變形和可能存在的位移，從而保證了治療精度的準確性。
立體定位框架：是一種精確確定顱腦病灶的裝置。均為經典的Leksell型定位框架，一般分CT型和MRI型，只有尊瑞伽瑪刀立體定位框架二者合一，只需一種立體定位框架就能夠滿足CT和MRI定位的需要，而不需要更換。
治療計劃設計系統：這是非常重要的組成部分，如果上面談到的幾部分是硬體的話，那麼這部分就是軟體了，而軟體的發展和更新是最快的。隨著計算機技術的發展，伽瑪刀治療計劃設計系統更加自動化、程式化，也大大提高了工作效率和放射劑量分佈精度。
操作監控系統：監控系統是保證伽瑪刀按照治療計劃實施治療，並且確保治療安全的系統。有許多連動系統，如果治療中某個環節出現問題，伽瑪刀將不能實施治療，或者自動終止治療。
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