立体定向中脑毁损术对头颈部、背部晚期癌症引起的顽固性疼痛(单侧或双侧)十分有效。如果立体定向中脑毁损灶累及内侧中脑的弥散性上升的脊髓网状通路，手术能缓解面部疼痛；如果毁损灶累及中脑背侧到边缘系统的传入纤维，手术能缓解精神痛苦综合征。中枢性疼痛本身并不是中脑毁损术的指征，对于头颈部、背部晚期癌症引起的双侧顽固性疼痛作疼痛重侧的对侧中脑毁损术是合理的手术方式。
普遍认为，立体定向丘脑毁损术后疼痛缓解率>70%，以后内侧丘脑毁损灶最为有效；丘脑特殊感觉中继核毁损疼痛缓解并不充分；同时毁损双侧丘脑前核和背内侧核能提高手术效果，消除了疼痛的不良精神反应。据文献报道术后疼痛复发率为10%～50%，考虑与丘脑痛觉传导中断后在丘脑之外存在着代偿机制有关。由于复发率和患者生存时间直接相关，手术止痛尤其适合于晚期癌症引起的疼痛。
边缘系统毁损在疼痛治疗中旨在消除疾病恶性发展所带来的精神源性疼痛和情感因素的疼痛，尤其有严重抑郁、焦虑和强迫观念者。