1982年Betti和Derechinsky等開始探索將立體定向儀與直線加速器相結合，實施直線加速器等中心旋轉照射。同年Colombo等提出X刀的理論和方法。1987年Winston和Lutz等進一步改進直線加速器的準直器、旋轉機架和治療床，使之與立體定向儀和旋轉治療方法相適應，並且建立了直線加速器等中心測試及校準的方法和標準。上世紀九十年代初，X刀逐漸成熟並且在全世界迅速推廣使用。我國於1994年開始引進X刀，之後也自行設計了我國的X刀治療系統。
X刀實際上是在常規放療所用的醫用直線加速器基礎上加以改進而成的。在原有的直線加速器上配以準直器、立體定向裝置、介面卡及治療計劃系統等輔助裝置，通過直線加速器機架、治療床分別做水平與垂直旋轉（多個非共面弧動態聚焦），讓直線加速器通過發射出的X射線經準直器集中於等中心，恰好與立體定位的病灶相吻合，從而毀損病灶組織，而病灶周圍正常組織只受到較小劑量的X線照射而得以保護。
綜合起來頭部伽瑪刀與X刀的區別主要表現在以下幾個方面：
一是放射源和射線不同：伽瑪刀是鈷60作為放射源，放射出的是光子流即γ射線。X刀是直線加速器通過高速運動的帶電粒子打靶而輻射出來的光子流和特徵輻射統稱為X射線。雖然都是電磁輻射，但γ射線和X射線有著本質的不同，品質和能量也不同，射線的可控制性和產生的生物學效應也不盡相同，產生的療效也不盡相同。
二是病灶的定位方法不盡相同：頭部伽瑪刀立體定位框架是骨性固定，用4個小螺釘直接固定在顱骨上，牢固無誤差。X刀除一次性治療時採用與伽瑪刀類似的骨性固定外，大多數時候需要分次照射，因而多采用頭面模固定。當採用骨性固定定位並且是單次照射治療時，X刀屬於SRS範疇；當採用頭面模固定定位分次照射治療時，X刀屬於SRT範疇。
三是治療的精度不同：由於X刀在治療過程中加速器的機架、治療床要旋轉拉弧運動，所以X射線的等中心可能發生0.6mm的偏差。而頭部伽瑪刀源相當固定，源到聚焦點的距離短，聚焦點也有固定的位置，故頭部伽瑪刀的機械誤差小於0.3mm，比X刀精確，更適合腦內小病灶的治療和一些腦核團的毀損。
四是操作的簡易程度不同：X刀比較複雜，操作起來比較繁瑣，需經常對加速器相關部件和裝置進行測試和校準，特別是每次治療前必須使用MIS進行等中心驗證，只有證實誤差不超過正負0.5mm才能實施治療。加上其他方面的一些問題，這可能也是X刀現在使用率不怎麼高，被逐步邊緣化的原因吧。伽瑪刀的操作比較簡單快捷，更加自動化和程式化，只需每年檢測一次，每次治療前不需要驗證其精度就能夠確保治療的安全 。
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