Modelos de otimização aplicados ao problema de planejamento de radioterapia IMRT

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Data

2023-02-27

Autores

Freitas, Juliana Campos de

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Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

O câncer se destaca entre as doenças com maior taxa de mortalidade em pessoas abaixo de 70 anos. A radioterapia é um entre os possíveis tratamentos, esta técnica possui uma fonte de radiação ionizante a qual emite certa quantidade de dose à região tumoral e é capaz de causar mutações nos tecidos, eliminando as células doentes. Porém, ao redor de células cancerosas, há células saudáveis que merecem atenção. Para um tratamento eficiente, utiliza-se ferramentas de planejamento como modelos de otimização que podem ser aplicados em casos como a escolha da conformação dos feixes e o problema de fluência de dose. Além disso, é importante considerar as restrições de dose-volume nos modelos, as quais determinam que certo volume do tecido não pode receber mais que uma quantidade específica de dose. Assim, neste trabalho são propostos dois modelos de otimização com restrição de dose-volume aplicados ao planejamento da radioterapia, sendo um deles utilizando a técnica de programação por metas. Para a resolução do modelo são utilizadas matheurísticas, sendo a metaheurística Busca em Vizinhança Variável utilizada para a escolha do conjunto de feixes e o Método de Pontos Interiores para o problema de fluência de dose. A metodologia proposta foi aplicada em diferentes casos de câncer de próstata de dois bancos de dados. Os resultados obtidos são comparados por meio de histogramas de dose-volume, gráficos de contorno e superfície de dose, além da análise dos desvios de dose de cada grupo tecidual. Outra proposta do trabalho é em relação a um método multicritério para encontrar soluções otimizadas utilizando árvores de ramificação. Este novo método é aplicado a um problema de escolha de conjunto de feixes e fluência de dose. Além disso, este método é aplicado ao modelo de programação por metas proposto para análise dos pesos envolvidos. Os resultados computacionais obtidos indicam que os modelos e métodos propostos são capazes de definir bons planos de tratamentos, e pode-se concluir que são ferramentas importantes a serem utilizadas na tomada decisão em planejamentos de radioterapia.
Cancer ranks first among the diseases with the highest mortality rate in people under 70 years. Radiotherapy is one of the possible treatments. This technique has a source of ionizing radiation that emits a certain dosage amount to the tumor region and can cause tissue mutations, destroying diseased cells. However, cancer cells are surrounded by healthy cells that deserve special attention. For an efficient treatment, tools such as optimization planning models are used and applied in cases such as choice of beam angle conformation and the dose fluence problem. In addition, considering the dose-volume restrictions in models is relevant, which dictates that a tissue volume cannot receive more than a specific amount of dose. Thus, in this work, two optimization models with dose-volume constraints applied to radiotherapy planning process are proposed, in which one of them is proposed using a goal programming technique. Matheuristics are used to solve the model, being the Variable Neighborhood Search metaheuristic to choose the beam angle set configuration and the Interior Point Method for the dose fluence problem. The proposed methodology was applied in distinct cases of prostate cancer of two databases. The obtained results are analyzed using dose-volume histograms, contour, and dose surface graphs. Also, is done an investigation of the dose deviations for each tissue group. Another topic discussed in this thesis is the propose of a multi criteria method using branching tree to beam angle optimization and fluence map optimization problems. Furthermore, the multi criteria methods is applied to analyze priority weights for the proposed goal programming model. The computational results showed good possibilities of planning treatments, and it is possible to conclude that the proposed models are efficient tools to be applied in radiotherapy planning.

Descrição

Palavras-chave

Modelagem matemática aplicada à física, Matheurísticas, Otimização de feixes da radioterapia, Otimização da fluência de dose, Mathematics model applied to physics, Matheuristics, Radiotherapy beam angle optimization, Dose fluency optimization, Câncer, Otimização matemática, Física médica, Radioterapia, Radiação - Dosagem, Radiação ionizante

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