Optimalizační strategie v plánování mikrovlnné regionální hypertermické léčby

Abstract

Optimalizační strategie regionálního hypertermického plánování léčby: Regionální mikrovlnná hypertermie je podpůrná léčba nádorových onemocnění, která se využívá společně s radioterapií či chemoterapií. Parametrem pro měření účinnosti této léčby je SAR, který ovšem lze obtížně „in vivo“ v reálném světě měřit, proto se využívá plánování léčby (HTP). HTP se obvykle dělí na tři jednotlivé kroky: segmentaci, elektromagnetické (EM) simulace a optimalizaci fáze a amplitudy. K nalezení nejlepší fáze a amplitudy vstupních signálů anténních prvků lze využít optimalizace založené na měrném absorbovaném výkonu (SAR) nebo optimalizace na základě teploty. Nevýhodou teplotních optimalizací je především rychlost výpočtu, protože je nutné přepočítat biotepelnou rovnici v každém iteračním kroku. Hlavní výhodou opti-malizace na základě SAR je rychlost a výpočetní náročnost, ale tyto optimalizace nezohledňují mechanismy ochlazování lidského těla a vodního bolusu. V současné době bylo otestováno několik metod pro optimalizaci na základě SAR, jako je optimalizace pomocí roje částic (PSO), Nelder-Meadův simplexový algoritmus (NMS), genetický algoritmus (GA) nebo časová reverzní fokusace (TRF). Cílem této práce bylo porovnání nejméně dvou optimalizačních strategií vůči kli-nicky používané optimalizaci PSO. Pro porovnání byly na základě literární rešerše vybrány algoritmy Surrogate Optimization (SGO), Time Reversal Focusing (TRF) a genetický algoritmus (GA). Plánování bylo provedeno celkem pro devět pacientů. Z toho pro tři pacienty s nádory v oblasti pánevní, kteří byli léčení regionálním hyper-termickým systémem pracující na frekvenci 100 MHz. Dále pak pro 3 pacienty s nádory v oblasti hlavy a krku a pro tři pacienty s nádory mozku. Pro tyto pacienty byl využit systém pracující na frekvenci 434 MHz. Z výsledků diplomové práce vyplývá, že GA a SGO jsou vhodným nahrazením PSO pro plánování mikrovlnné hypertermické léčby nádorů mozku. Pro pacienty s nádory v oblasti hlavy a krku a v oblasti pánevní je nejvhodnějším algoritmem PSO. Pro všechny použité optimalizační strategie byl ověřen posun fokusace v tekutém fantomu, díky kterému bylo dokázáno, že simulace odpovídají reálnému měření.

Regional microwave hyperthermia is a supportive cancer treatment used together with radiotherapy or chemotherapy. The parameter used to measure the effectiveness of this treatment is SAR, which is difficult to measure "in vivo" in the real world, hence the use of treatment planning (HTP). HTP is usually divided into three steps: segmentation, electromagnetic (EM) simulation, and phase and amplitude optimization. To find the best phase and amplitude of the input signals of the antenna elements, optimization based on the specific absorbed power (SAR) or optimization based on the heart rate can be used. The main disadvantage of temperature-based optimizations is the computation speed since the bi-thermal equation has to be recomputed at each iteration step. On the other hand, the main advantage of SAR-based optimization is speed and computational complexity. However, these optimizations need to account for the cooling mechanisms of the human body and water bolus. Currently, several methods for SAR-based optimization have been tested, such as particle swarm optimization (PSO), Nelder-Mead simplex algorithm (NMS), genetic algorithm (GA), and time reversal focusing (TRF). This work aimed to compare at least two optimization strategies against the clinically used PSO optimization. Surrogate Optimization (SGO), Time Reversal Focusing (TRF), and Genetic Algorithm (GA) were selected for comparison based on a literature search. Planning was performed for a total of nine patients. Three patients with pelvic tumors were treated with a regional hyperthermia system operating at 100 MHz. In addition, three patients had head and neck tumors, and three had brain tumors. For these patients, a system operating at 434 MHz was used. The results of the thesis show that GA and SGO are suitable replacements for PSO for planning microwave hyperthermia treatment of brain tumors. For patients with tumors in the head and neck, and pelvic region, PSO is the most suitable algorithm. The focus shift in the liquid fan volume was verified for all optimization strategies used, proving that the simulations matched the real measurements.