بهينه سازي برنامه‌ريزي دانش بنيان در پرتودرماني سرطان

دكتري

سالانه ميليون ها نفر در سراسر دنيا به انواع سرطان مبتلا مي‌شوند. پرتودرماني، يكي از روش‌هاي درمان است كه نيمي از مبتلايان به سرطان در طول دوره درمان خود با آن سروكار دارند. پرتودرماني با شدت تنظيم شده يك تكنيك دقيق است كه با استفاده از تابش پرتو تحت زوايا و شدت‌هاي تنظيم شده، سلولهاي تومور سرطاني را از بين مي‌برد. فرايند برنامه ريزي درمان بطور باليني مستلزم صرف زمان زياد و نيازمند افراد خبره و باتجربه است. هدف اصلي مساله برنامه ريزي درمان، تعيين شدت بهينه بيملت ها براي دستيابي به دوز تجويز شده براي تومور و همچنين محافظت از ارگان‌هاي در معرض خطر و بافت‌هاي سالم است. مساله برنامه ريزي درمان در پرتودرماني با شدت تنظيم شده، يك مساله رياضي در ابعاد بسيار بزرگ است كه حل آن با چالش‌هاي زيادي همراه مي‌باشد. طي سالهاي اخير با پيشرفت هايي كه در حوزه هوش مصنوعي و بطور خاص، يادگيري عميق به وقوع پيوست، رويكردي جديد با عنوان «برنامه ريزي دانش بنيان» در حوزه برنامه ريزي پرتودرماني سرطان معرفي شده است. در اين رويكرد، برنامه ريزي درمان بيمار جديد، با استفاده از دانش حاصل از درمان بيماران مشابه قبلي صورت مي‌گيرد. در اين رساله با رويكرد ارائه فرايند برنامه ريزي درمان خودكار، اقدام به بهينه سازي برنامه ريزي دانش بنيان شده است. بر اين اساس، ابتدا يك مدل رياضي نوين (QuadLin) كه از تركيب عبارات خطي و درجه دوم تشكيل شده، جهت بهينه سازي برنامه درمان دانش بنيان، طراحي و ارائه گرديده است. سپس مدل رياضي جهت تنظيم خودكار وزن جملات تابع هدف QuadLin پياده سازي شده است. در ادامه، مبحث مهم بهبود كارايي محاسباتي مورد توجه قرار گرفته و الگوريتم ابتكاري و نوين خوشه بندي وكسل ها مبتني بر مفهوم بيملت غالب ارائه گرديده است. اين الگوريتم منجر به خوشه بندي نظام مند وكسل ها و كاهش زمان حل مساله، و در عين حال، حفظ كيفيت برنامه درمان شده است. در پايان نيز مدل رياضي با حضور محدوديت‌هاي مربوط به هيستوگرام دوز-حجم، طراحي و اجرا شده كه نشان دهنده نحوه تاثير يك نقطه دوز-حجم خاص به عنوان محدوديت سخت، بر روي نتايج برنامه درمان مي‌باشد. مدل‌هاي رياضي و الگوريتم‌هاي ارائه شده، بر روي داده‌هاي 30 بيمار مبتلا به سرطان در ناحيه سر و گردن (مربوط به مجموعه داده Open-KBP) اجرا گرديده است. لازم به ذكر است كه تمركز اين رساله بر بهينه سازي برنامه ريزي دانش بنيان بوده است و فاز پيش بيني توزيع دوز سه بعدي بر اساس برنامه درمان بيماران قبلي مشابه، در چارچوب اين رساله قرار ندارد. مقايسه نتايج با تحقيقات قبلي، حاكي از بهبود معنادار معيارهاي باليني و در عين حال، كاهش معنادار زمان حل مساله مي‌باشد.

227005

دانشگاه اصفهان

مديريت صنعتي- تحقيق در عمليات

سعيده كتابي