顱腦伽瑪刀是通過立體定向技術，將分佈在一半球形鋼體上的數十甚至上百個鈷60源放射出的能量較低的伽瑪射線（γ射線），從不同的位置和角度，通過引導、準直、限束、聚焦將其精確匯聚到顱內預定的靶區，在靶區形成一個能量巨大的劑量場。聚焦點中心能量最大，呈等劑量向周圍銳減，且劑量銳減的梯度很大很快，聚焦點外的能量非常小，這樣聚焦點就象鋒利的“刀”一樣。且焦點的大小和形狀可以通過計算機治療計劃設計系統來加以改變和優化，使焦點有效劑量場的大小和形狀完全與顱內病灶的大小和形狀相吻合，通過放射線聚焦點的巨大能量一次性毀損病灶內的組織，而病灶外的正常腦組織因只受到少量或者瞬間照射，得以受到保護而不至於損傷。
因顱腦伽瑪刀治療具有類似外科手術的效果和幾乎不損傷正常腦組織的特性，顱腦伽瑪刀才能實現一次性大劑量的照射治療，而不需要分次治療（除非特殊情況或特殊病變有意為之），這是目前其他立體定向放射治療裝置所不具備的優勢。從放射生物學角度來看，伽瑪刀一次治療劑量相當於甚至大於普通放療一個療程的總放射劑量，即便是對普通放療不敏感的顱內良性腫瘤也能起到良好的治療作用。
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