伽马刀又称立体定向伽马射线放射治疗系统，这是一种融合现代计算机技术、立体定向技术和外科技术于一体的治疗性设备，它将钴-60发出的伽马射线几何聚焦，集中射于病灶，一次性、致死性地摧毁靶点内的组织，而射线经过人体正常组织几乎无伤害，并且剂量锐减，因此其治疗照射范围与正常组织界限非常明显，边缘如刀割一样，人们形象的称之为“伽马刀”。
自1967年第一台伽马刀装置上市之时，主要物理原理至今无改变。伽马刀装置适用钴-60为放射源，所以也叫钴-60系统。经过β衰变的过程，它发射一个电子和伽马射线。伽马刀装置利用这些伽马射线以达到特定的临床效果，从而得其名。
第四代的Leksell伽马刀是世界上比较常用的、简单的伽马刀装置，所以，其治疗能力和效果为人熟知，装置由主机和治疗床组成。主机中有201个钴-60放射源排列半球形的结构内，其与主机内的两层准直器对齐。
主机外层有第三个准直器，附加于治疗床上。另外有四种准直器头盔，各自的孔洞直径分为4、8、14和18毫米。伽马射线则经准直器导入并聚焦在颅内靶点。经过换不同的准直器头盔可以得到直径不同的焦点。
一般现代的Leksell伽马刀装置于2016年上市，即是第六代的Leksell伽马刀Icon。第四代装置适用201个钴放射源，排列在半球形的结构内。第五代伽马刀装置得到重新的设计，于第六代基本上保持。它适用192个钴放射源。
准直器系统由572个单独的准直器构成，其分为8个独自的部分，准直器直径有三种：4、8、16毫米。第四代的两层内在的准直器由单独的准直器阵列替代。放射源系统分为8个部分，每一部可以独自地旋转而使之与特定的准直器对齐，从而消除对外在的准直器头盔的需求。
几十年来，伽马刀所用的固定装置是一个固定的立体定向框架，安装在患者的颅骨上，它避免患者治疗过程中的一些运动。同时，立体定向框架限制伽马射线可达到的颅内靶点。
另外，立体定向框架会有一定的副作用，其大头针对患者带来不便，而且有些文献报告，在大头针接触颅骨的位置上会引起感染或长期的痛苦。最后，由于框架对颅骨有一定的创伤，分次治疗项目基本上无法实行。
第六代伽马刀装置适用锥束计算机断层扫描（CBCT）和红外线分次内运动管理（IFMM）系统，从而允许热塑料面罩的应用、消除对创伤性框架的需求并开展分次伽马刀治疗。
经过辐射腔体积的扩大，可以达到更大的机械性治疗范围，从而可达到颅内任何一个靶点，对多发肿瘤转移的治疗极为有效。
现代伽马刀装置主要用于多发肿瘤转移良性肿瘤、动静脉畸形、听神经瘤、垂体腺瘤及颅咽管瘤的治疗，特殊情况下可以选择性的治疗运动障碍和三叉神经痛。伽马刀治疗术限用于治疗直径上限为40毫米的颅内病变，原因基于对安全的考虑。为了保持正常组织无损，体积越大的病变必须以越小的放射剂量照射，而剂量越小，治疗效果也越小。
INC国际神经外科提示，伽玛刀治疗脑肿瘤一定要慎重，必须要根据患者病变可能的性质、部位、大小及患者的全身情况，综合判断决定，不可轻易采用。
多个研究证实，放射性脑损伤的发生与放射治疗的方案和参数关系密切，包括放疗剂量、分割模式和照射体积限值，因此，对于脑组织放射性损伤的预防，重点在于规范放射治疗质量控制，提高照射技术，使用先进的照射技术，以尽量减少正常脑组织受照射剂量及体积。
目前应用较广的放疗技术是适形调强放疗（intensity-modulated radiation therapy，IMRT），该技术可以在保证大脑或各个受照射区域放疗剂量基础上，降低放射性脑损伤的发生。
而新兴治疗技术的发展与临床应用，特别是立体定向放疗（stereotactic body radiation therapy，SBRT）、立体定向消融治疗（stereotactic ablative radiotherapy，SABR）、图像引导放射治疗（image guided radiation therapy，GRT）、质子重离子治疗以及基于MRI图像重建的靶区勾画等各种新型放疗技术，促使医务工作者需要对放射相关的正常组织损伤有一个更新更全面的认识，以提升对故射性脑损伤的预测、预防及治疗水平。
质子治疗作为当前新兴放疗手段的一种，其对部分脑肿瘤具有一定的治疗优势。传统X射线放疗的穿射效应会导致肿瘤治疗靶区后方正常组织的损伤，例如：脑组织、肺组织、心脏/胃肠道以及造血系统的骨髓；而质子治疗的布拉格峰优势可以完全保护这些组织器官免受照射，做到以最小的代价对肿瘤进行有效的治疗。
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