استفاده از الگوريتم بهينه‌سازي PSO جهت طراحي مكان چشمه‌هاي براكي‌تراپي پالاديوم

Using PSO algorithm optimization for planning 103Pd seeds brachytherapy positions

پرتو درماني يكي از مؤثرترين روش‌هاي درمان سرطان است. روش پرتودهي از نزديك يا براكي‌تراپي به‌طور گسترده براي درمان سرطان‌ها استفاده مي‌شود. بنابراين طراحي درمان از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. اصل اساسي در پرتودرماني، وارد كردن حداكثر آسيب به تومور و حداقل آسيب به بافت‌هاي طبيعي است. مكان چشمه‌هاي براكي‌تراپي بايستي به‌گونه‌اي طراحي شود تا توزيع دز آن‌ها مطابق طرح درمان باشد و با دز تجويزي هم‌خواني داشته باشد. ارزيابي دقيق براي اجتناب از رسيدن دز زياد به ساير ارگان‌ها به‌ويژه ارگان‌هاي حساس ضروري است. در طراحي پيش از درمان مي‌توان از الگوريتم‌هاي بهينه‌سازي بهره گرفت. هدف اين است كه براي هر تومور، بهينه‌سازي به‌گونه‌اي انجام شود كه نقاط واقع بر لبه مرز تومور، دز معين داشته و نقاط درون تومور دزي بيش‌تر يا برابر با دز تعيين شده روي نقاط واقع در مرز را داشته باشند. دقت بهينه‌سازي و يافتن مكان بهينه چشـمه‌ها، در طراحي درمان بسـيار مهم است. در اين مقاله به كمك الگـوريتم ازدحام ذرات (PSO)، مكان چشـمه‌هاي پالاديوم-103، كه براي درمان سرطان پروستات به‌كار مي‌رود، بهينه‌سازي مي‌شود. برنامه با تومورهاي مختلف و در وضعيت‌هاي متفاوت اجرا شده است. نتايج نشان مي‌دهد با استفاده از اين الگوريتم و با تعداد دلخواه 5 و 40 چشمه، بيش از 90% نقاط روي مرز تومورهاي دايره‌اي و بيضوي، دز تعيين شده را دريافت مي‌كنند. هم‌چنين بهترين مكان قرارگرفتن دانه‌هاي براكي‌تراپي و مشخصات آن‌ها به‌دست مي‌آيد. اين پژوهش نشان مي‌دهد كه الگوريتم PSO مي‌تواند براي بهينه‌سازي مكان چشمه‌هاي براكي‌تراپي به‌روش كاشت داخل‌نسجي كه معمولاً از تعداد زيادي چشمه استفاده مي‌شود، به‌كار رود. با بهينه‌سازي، توزيع دانه‌ها و منحني‌هاي هم دز بررسي مي‌شود تا از رسيدن دز كافي به حجم هدف و حفظ بافت‌هاي سالم اطمينان حاصل شود. پياده‌سازي آسان، تعداد كم پارامترها و همگرايي نسبتاً سريع به جواب بهينه، از مزاياي اين الگوريتم به‌شمار مي‌رود.

Radiation therapy, is one of the treatments for cancer. Brachytherapy is a radiotherapeutic technique that a sealed radiation source is placed inside or next to the tissue and has become a mainstream treatment option for cancer. Achieving maximum dose to the gland as well as minimum injury to the adjacent tissues is a basic principle in radiation therapy. Sources configuration must be designed in such a way that the dose distribution agrees with treatment planning and the prescribed dose. Exact evaluation is necessary to avoid excessive dose to other organs especially organs at risk. Optimization algorithms are applied in preplanning treatment. The aim is to deliver a desire dose in the border of tumor while all of the points inside the tumor receive the absorbed dose more than the dose border values. The accuracy of optimization and finding the best position of seeds is so important in treatment planning. We used PSO algorithm to optimize the places of 103Pd seeds which are applied in the prostate brachytherapy. The algorithm was performed for desired tumor shape in various conditions. In circle and ellipsoid tumor with 5 and 40 desire seeds, more than 90% of points of border receive the prescribed dose. Moreover, the optimized characteristics of seeds and their best positions were determined. The results show that the PSO algorithm can be used for optimizing the position of interstitial implantation brachytherapy that so many seeds used. Distribution dose and isodose curve were studied to assurance delivering adequate dose to target volume while keeping healthy tissues. Few parameters, easy implementation and fast convergence around the global answer are advantages of this algorithm.