عنوان :
برنامهريزي خودكار طرح درمان در پرتودرماني با شدت تعديل‌يافته با در نظر گرفتن برنامه‌هاي متفاوت در جلسات
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
بهينه سازي سيستم ها
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
يازده، 78 ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
پرتودرماني با شدت تعديل‌يافته , بهينه‌سازي , برنامهريزي خودكار طرح درمان , محدوديت‌هاي دوز-حجمي , ميانگين دم نمودار توزيع دوز
تاريخ ورود اطلاعات :
1402/02/05
رشته تحصيلي :
مهندسي صنايع
دانشكده :
مهندسي صنايع و سيستم ها
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1402/02/05
چكيده فارسي :
سرطان، يكي از بيماري‌هاي خاص و فراگير است كه روش‌هاي متنوعي براي درمان آن به‌كار گرفته شده‌است. پرتودرماني يكي از شيوه‌هاي درمان اين بيماري است كه به دليل به‌كارگيري ماشين‌هاي خاص و ساز و كار آن، يكي از موارد پيچيده، پر هزينه ولي كاربردي درمان مي‌باشد. اين روش، با استفاده از پرتوهاي پر انرژي فوتوني، بر از بين بردن سلول‌هاي بافت سرطاني تأكيد دارد. اما در عين حال ممكن است عوارض جانبي جبران‌ناپذيري بر عملكرد ساختارهاي سالم بدن فرد مبتلا داشته باشد. به همين جهت است كه محققين همواره به دنبال راه‌هايي براي ارتقا كيفيت درمان هستند. پرتودرماني با شدت تعديل‌يافته يكي از معمول‌ترين روش‌هاي درمان سرطان مي‌باشد كه در آن دستگاه پرتودرماني در زواياي مختلفي نسبت به بدن بيمار قرار گرفته و پرتو دهي از جهات مختلف انجام مي‌شود. به‌منظور كنترل رشد تومور و هم‌چنين آسيب‌هاي وارده بر ساختارهاي سالم بدن، از برنامهريزي رياضي براي تعيين الگوي دوز با هدف بيشينه كردن اثر تابش بر ساختار سرطاني و هم‌زمان نگه‌داشتن آثار مخرب بر ساختارهاي سالم در سطح قابل قبولي استفاده مي‌شود. در اين مسئله كه در حالت كلي به برنامهريزي طرح درمان مرسوم است، اهداف متفاوت بر مبناي ساختارهاي درگير تعريف شده و الگوي توزيع دوز به دفعات بسيار تكرار مي‌شود و در هر تكرار، پارامترهاي هر هدف دستخوش تغييراتي مي‌شوند. در رويكرد سنتي برنامهريزي طرح درمان، تنظيم پارامترها به‌صورت دستي و بر اساس روش سعي و خطا صورت مي‌گيرد. اين درحالي است‌كه، برنامهريزي خودكار، يك ابزار كارآمد و سريع در اين زمينه نسبت به روش‌هاي سنتي تلقي مي‌شود كه امكان توليد تعداد زيادي برنامه درمان و به‌روز‌رساني و تنظيم خودكار و قانون‌مند پارامترهاي مربوط به هر هدف را به كاربر مي‌دهد. در نهايت، پياده‌سازي اين فرايند منجر به توليد برنامه‌اي مي‌شود كه در مقايسه با معيارهاي ارزيابي مسئله از كيفيت بسيار خوبي برخوردار است.
از سوي ديگر، درمان سرطان با پرتودرماني همواره در يك دوره شامل تعدادي جلسه درمان انجام مي‌شود كه طول هر دوره بسته به وضعيت بيمار است. به دليل پيچيدگي برنامهريزي، برنامه درماني همه جلسات به‌صورت مشابه در نظر گرفته مي‌شوند. در اين پژوهش به منظور دست‌يابي سريع‌تر به برنامه درمان با كيفيت مطلوب، برنامهريزي خودكار در شرايطي پياده‌سازي شود كه لزوماً برنامه همه جلسات درماني با يك‌ديگر مشابه نباشند. در نظر گرفتن جلسات غير‌مشابه، موجب توليد برنامه‌هاي درماني متفاوت شده و از انعطاف‌پذيري بيش‌تري نسبت به حالت سنتي برنامهريزي طرح درمان با جلسات مشابه برخوردار است. بنابراين، انتظار مي‌رود در چنين شرايطي، توزيع دوز ميان بافت‌هاي سرطاني و سالم از دقت بالاتري برخوردار باشد.
رويكرد حل در پژوهش حاضر در چارچوب يك الگوريتم دو مرحله‌اي تكراري تعريف شده‌است كه شامل دو مدل رياضي مختلف مي‌باشد. اولين مدل براي توليد برنامه‌هاي درماني متفاوت در هر جلسه درمان بر مبناي مسئله بهينه‌سازي شدت تابش است. در اين مدل، محدوديت‌هاي دوز جذب‌شده براي ساختارهاي مختلف لحاظ مي‌شود اما معيارهاي كلينيكي غيرخطي مرسوم به محدوديت‌هاي دوز-حجمي ديده نمي‌شوند. مدل دوم بر پايه تركيب برنامه‌هاي توليدشده با لحاظ كردن تخمين معيارهاي دوز-حجمي بر اساس مسئله ارزش شرطي در معرض خطر مي‌باشد. در رويكرد حاضر در مرحله اول، به تعداد جلسات درماني، برنامه‌هاي درماني متفاوت توليد شده و ارزيابي مي‌شوند. به‌طوري‌كه، توليد برنامه‌ي جديد در هر تكرار، منوط به نتيجه ارزيابي تركيب برنامه‌هاي حاضر در تكرار قبلي باشد. در شرايطي كه در مرحله اول، معيارهاي ارزيابي محقق نشوند، در مرحله دوم، به‌صورت يك فرايند گردشي، نتيجه توليد برنامه درماني جديد و تركيب آن با برنامه‌هاي قبلي، مجدداً مورد ارزيابي قرار مي‌گيرد. اين‌كار تا جايي ادامه پيدا مي‌كند كه تركيبي از برنامه‌هاي درماني حاصل شود كه در مقايسه با معيار ارزيابي مسئله مورد تأييد قرار بگيرند. هم‌چنين از قواعدي براي هوشمندسازي تنظيم پارامتر وزني ساختارهاي تحت درمان در مرحله و يك روش هوشمند براي تنظيم حدود بالا و پايين مسئله تركيب برنامه درمان در مرحله دوم استفاده مي‌شود.
رويكرد پيشنهادي پژوهش حاضر بر 10 نمونه بيمار سرطان كبد پياده‌سازي شده و نتايج محاسباتي در مقايسه رويكرد پيشنهادي با رويكرد پايه، نشان مي‌دهند كه در رويكرد پيشنهادي، تركيب برنامه‌هاي درماني هفت نمونه از نظر معيار ارزيابي پذيرفته شده‌است.
چكيده انگليسي :
Intensity modulated radiation therapy is a common radiation therapy method that tries to deliver the prescribed dose to the tumor structures, while minimizing the dose to the normal tissues. Treatment planning with high accuracy results in terminating or shrinking the tumor and -on the other hand- reduction the complication of dose radiation in organs–at–risk. One of the challenges in treatment planning is determining the prioritization of organs in weight vectors that have been considered identical in treatment fractions which utilizes similar treatment plans for all fractions.
In this study, we assume that the treatment fractions are non-identical and extend a mathematical model with this assumption that allows the planner to upgrade the weight vectors and the wish-list to change the priorities of structures automatically according to the treatment situation in each fraction. This approach with non-identical fractions leads to different treatment plans in a treatment period. To find a high-quality treatment plan under the consideration of non-identical treatment fractions, a 2-phase heuristic algorithm is designed. In the first step, a mathematical model is solved to generate a treatment plan for the latter fractions, according to the set of plans generated for the former fractions. If the termination criteria are satisfied during the iterations of the first phase, the algorithm stops. otherwise, it starts the second phase which is a rotatory flow including the generation and combination of the treatment plans. The plan generation step is similar to the first phase, but the plan combination model considers the dose-volume constraints. We apply the linear approximation of dose-volume-constraints based on the conditional-value-at-risk concept to overcome the numerical difficulties of non-convex dose-volume-constraints.
Our algorithm is implemented on 10 real liver cases. The results show that 7 out of 10 test cases reach the acceptable combination of treatment plans in the evaluation with the clinical criteria, while the approach under the identical treatment fractions in all iterations, have 6 accepted cases.
In addition to better results in terms of clinical criteria, the presented algorithm has also less average solution time in comparison to the conventional automated approach.
استاد راهنما :
حميد ميرمحمدي , مهدي ايران پور
استاد داور :
مهدي ايران پور , حميد ميرمحمدي
