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调强放疗硬件结构非常复杂和精密，加工和制造困难。在软件方面，逆向计划系统被认为是整个放疗系统的核心和灵魂。目前，主流的放疗设备生产商都会搭配自己独有的逆向计划系统进行销售，并在销售后定期对系统进行优化升级。
从系统流程来看，逆向计划系统主要包括数据获取和生成模块、逆向计划设计和计算模块、评估模块及输出模块。逆向计划系统框图如图2-15所示。
图2-15 逆向计划系统框图
可以通过计算机断层扫描来获取数据，数据获取和生成模块包括对临床靶区和正常器官进行勾画的过程。计算机在完成多模多源医学影像采集后，可能还需要进行图像配准、信息融合等。需要注意的是，为了避免在重要区域出现剂量热点或剂量冷点，医生通常会勾画虚拟器官，以获取期望的治疗计划。
逆向计划设计和计算模块指按照逆向思维进行治疗计划的设计，并进行相应的计算。逆向计划设计需要对多个参数进行设定。
首先，选择合适的计算模型，以描述不同射束在照射人体不同部位时的剂量沉积效应。一般来说，模型越复杂，对剂量沉积效应的描述准确度就越高，但时间成本也较高。目前，业界常采用计算效率较高的有限笔射束模型进行逼近表达。
其次，对重要参数进行初始化，如确定射野数量和射野角度。射野数量一般为5~13个，根据肿瘤分布情况和大小进行相应调整。例如，在头颈部肿瘤治疗中，为了不影响危险器官，通常采用较多的射野；而在胸腔或肺部肿瘤治疗中，为了降低正常组织的受照剂量，一般采用5~7个射野。对射野角度的选择通常是根据经验进行的，一些逆向计划系统可以在初始化合适射野的条件下进行角度寻优。对于容积调强放疗而言，不需要选择射野数量，但需要确定共面与否，并确定照射弧数量和相应角度范围。需要设置的参数还包括处方剂量及相应的剂量约束。对于靶区，一般设定期望的处方剂量，并给出相应的剂量下限；对于非靶区，则设定最高剂量约束、平均剂量约束和剂量体积约束等。针对单靶区或组织器官，可以设定多个约束条件。在完成剂量参数设定后，需要设定调制参数，包括选择静态调强或动态调强、设定总机器跳数、设定最小机器跳数、限定叶片运动速度、限定子野数量、限定叶片行程等。调制参数会影响照射。例如，当设定的最小机器跳数较小时，可能会产生较多的子野；当设定的总机器跳数较小时，可能导致剂量与处方剂量的偏差较大；当采用动态调强时，在叶片最大运动速度的限制下，可能无法得到剂量率峰值。因此，在设定调制参数时需要综合考虑各因素，以满足治疗需求并保证剂量分布的准确性和合理性。
最后，利用逆向优化计算模块进行计算。计算时间取决于治疗的复杂度和限定条件，一般为1~2h。计算模块的性能与逆向计划系统生产商采用的数学模型及计算方法密切相关。目前，大多数生产商采用线性规划模型或线性约束二次规划模型进行数学建模，并采用凸优化快速求解方法进行求解。当然，随着计算机算力的不断增大，为了满足用户的需求，生产商逐渐开始采用启发式或智能化求解方法，从而更高效地处理复杂情况、提高计算速度并提供更可靠的计算结果。
需要对计算结果进行评估，评估内容包括靶区的剂量热点、剂量冷点及与处方剂量的偏差，非靶区正常组织的整体受照剂量，非靶区危险器官的剂量最大值，以及其他重要器官的剂量体积曲线。如果发现剂量分布明显不符合要求，则需要修改输入参数，并重新进行计算和评估；或者可以比较多个不同输入参数的计算结果，选择最优结果进行剂量验证。逆向计划系统通常通过第三方验证软件完成评估验证或采用交叉验证方法。
可以通过输出模块将逆向计划结果下载到目标硬件系统中，以进行必要的调制。输出模块会根据硬件系统的特定要求和可执行代码的规范，采用合适的输出方式。重点是确保逆向计划在实施过程中能够始终保持稳定且能被安全执行，以最大限度地发挥其功能。输出模块可以对逆向计划进行优化和适配，以提高其执行效率和稳定性。通过输出模块，逆向计划得以顺利实施，从而实现预期的功能和效果。无论是开发新的硬件系统还是对现有系统进行改进，逆向计划的输出和执行都会起到重要作用。