الگوریتم های طراحی درمان

درمان طراحی های الگوریتم

: گرکانی قریب مهتا دهنده ارایه

يـك در مراحـل ترين كليدي از يكي ، درمان طراحياست . موثر درمـان

به وابسته زيادي ميزان به درمانی پرتو كارآيي ميزاندرمان اجراي چگونگي و درمان كيفيتطراحي و دقت

ميباشد

باريكه شدت و نوع مرحله اين تابشـي،جهت در هايپارامترهـاي بـه توجـه بـا ميـدان ابعـاد و پرتودهي

دز تحمل حد و بيمار آناتوميك وضعیت دستگاه، فيزيكييكنواختي قبول قابل حد و توده حساسمجاور بافتهاي

. میشوند انتخاب تومور، دز. است آن الگوریتم درمان طراحی یکسیستم پایه‌ی

الگوریتماز: 1• متناهی مجموعه یک در ریاضی مشکل یک حل برای روش یک

. است عملیات یک تکرار شامل اغلب که است ها دستورالعمل

به: 2• نهایی نتیجه به رسیدن یا مشکل یک حل برای گام به گام روشکامپیوتر یک توسط خصوص

الگوریتم: 3• دستورهای و خروجی ورودی، دارای باید ها الگوریتم تمام. باشند پذیر انجام و دقیق باید

کامپیوتری های محاسبات الگوریتم سازی شبیه با ? معموًالاتوماتیک ) محاسبات به را دستی تکراری محاسبات ? مثًال دستی

) شده شروع کرده تبدیل

بزرگتر حجم تبدیل و سازماندهی، آوری، جمع امکان کامپیوترهاطور همان کردند، فراهم تر پیچیده مسائل توصیف برای داده از

. یافته افزایش کارایی یا دقت شوند، می تر سریع کامپیوترها

رادیوتراپی درمان ریزی سازی(( RTPبرنامه شبیه یا سازی مدل. دهد می انجام را محاسبات

شوند می مشاهده ها الگوریتم طراحی، سیستم در :کجا

• MU calculations

• Isodose distributions

• DVH generation

• IMRT) Intensity-Modulated Radiation Therapy (optimization

• DRR generation (Digitally Reconstructed Radiographs)

• Brachytherapy calculationsبوجود مثل کند نمی دیکته را مرحله هر کاربر که روندی هر یا

یکعکس لبه 3Dآوردن دادن قرار اسالیس، یکسری از... غیره و اطرافیکساختار

درمان طراحی های الگوریتم انواعوجود درمان طراحی سیستمهای در متعددی دز محاسبه های الگوریتم

دائما فرایند این کامپیوترها توان تغییر حال در سرعت به توجه با و دارد،. است تحول حال در

از مختلفی درجات با تواند می ها الگوریتم این از و هرکدام دقتسرعت :صحتو شوند استفاده

Correction -based (Semi-empirically based) ) می ) تکیه گیری اندازه به تجربی بر مبتنی تصحیح پایه بر های الگوریتم

گرفته صورت بیمار های ویژگی اساس بر تصحیحات کنند،

model –basedگیری اندازه های داده روی بر کمتر تکیه مدل بر مبتنی های الگوریتم

) دارد ) احتمال معادًالت، دز توزیع های بینی پیش به بیشتر وتکیه شده

direct mont carlo

hybrid

درمان طراحی های الگوریتم استفاده علت

آب فانتوم در ? معموًال همدز های منحنی و عمقی دز اصلی های دادههای ) میدان اندازه از بزرگتر خیلی ابعادی دارای که آید می بدست

) تحت آب فانتوم روی بر تابشی پرتو منظور این برای است کلینیکیشود می انجام استاندارد .شرایط

: شود می انجام خاص شرایط تحت ها گیری اندازهمربعی - ثابت های میدان

ثابت - های عمق- ) آب- ) همگن محیطصاف- - سطح.

صورت : معین فاصله در و صاف سطح بر عمود تابش مثال بعنوان. گیرد می

Correction-based Algorithms( تجربی ( نیمه

در شده گیری اندازه دز پارامترهای از تصحیح پایه بر های الگوریتمخاص وضعیت با تا اطًالعات، تصحیح و کند می استفاده آب فانتوم . مرجع عمق در فانتوم در ها دستگاه اساس این بر ببرد بکار بیمار

. شوند می کالیبره ثابت

: های کمیت گیری اندازه برپایهعمقی دز درصد (PDDمنحنی ها) میدان اندازه و و ها انرژی همه

محور از خارج دز توزیع پروفایل) ( خروجی فاکتور کولیماتور پراکندگی فاکتور

وج فاکتورشوند می ذخیره برنامه در دائمی بطور اطًالعات این

: کوچک، های میدان دز توزیع بینی پیش در توانایی عدم ها محدودیتمایل تابش در و کوچک های همگنی نا سطح، در ناگهانی باریکه تغییرات

نادرست همگن غیر مرزهای نزدیکی در است، الکترونی تعادل بر فرضاستخوان و ریه مثل است

دارد وجود ها داده و ها گیری اندازه زیادی مقدار به نیاز

اعمال بیمار یک در دوز توزیع محاسبه برای تصحیحاتی از مختلفی انواع: شود می

ها کننده جبران و ها بًالک ها، وج مثل باریکه تعدیل برای تصحیحات ) ( ) آب فانتوم سطح مقابل در بیمار ناصاف نامنظم سطح کانتور تصحیحات

). شود گرفته نظر در باید ( آب فانتوم بودن همگن مقابل در بیمار ناهمگن بافت ناهمگنی تصحیحات

). شود گرفته نظر در باید) ( فاصله مجذور عکس قانون هندسی تصحیح

Model-based algorithms:

convolution/superposition:Pencil Beam Convolution (PBC),Analytical Anisotropic Algorithm (AAA) (Varian Medical System),Collapse Cone Convolution (CCC) algorithms (Pinnacle, CMS XiO, etc)

گیری اندازه های داده روی بر کمتر تکیه مدل پایه بر های الگوریتم. کند می بینی پیش دز بیشترتوزیع دارد، شده

توسط بیمار در دوز مستقیم طور به مدل بر مبتنی های الگوریتمکند می محاسبه بیمار در پرتو های کنش برهم و پرتو سازی مدل

برهم از پس انرژی توزیع و نقطه یک در اولیه فوتون انرژی شارشود می سازی مدل پراکنده الکترون و فوتون و فوتون اولیه کنش

سازی پیاده برای را کمتری اطًالعات معموًال که است این مزیتاندازه به مدل پارامترهای دادن تطبیق اما آورد، دست به باید مدل

. است مشکل ها گیری

: کانتور بیمار های داده آوری جمعهای اندام دانسیته و شکل بدن،

هدف حجم گسترش و محل داخلی،از استفاده غیره CT, MRIبا و : رادیوتراپی های , PDDکمیت

و .. پرتو کیفیتو هدف حجم ترسیم

بحرانی های اندام

های میدان کامپیوتری سازی بهینهدرمان

دوز محاسبه

درمان طراحی فرایند

سازی شبیه

MRIوCTکاربرد بعدی سه تصاویر از کامل طور به مدرن درمانی پرتو های سیستم همه

کنند می استفاده بیمار توصیف برایدرمان CTتصویر ترمنطقه دقیق نمایش برای ها داده از ای مجموعه

. قابل نسبتا رابطه یک که است این دلیل دزاست محاسبه برای بیماراعداد بین یک به یک . CTاعتماد استثنا یک دارد وجود الکترونی چگالی و

اعداد تواند می زا کنتراست مواد که است این تومور CTدر یا و مثانه در . شود تعبیر استخوان شبیه را مغزی

:CTاطًالعات است مفید درمان طراحی در جنبه دو ازخارجی کانتور به نسبت اطراف ساختارهای و هدف حجم ترسیم

اعداد دادن قرار اختیار بیمار CTدر غیریکنواختی تصحیحات برای

. MRIاطًالعات نیست دزمربوط محاسبه برای الکترونی چگالی بهاز تصاویر MRIاستفاده به کمک ارائه CTبرای به توانایی عنوان به

. است موارد از بسیاری در بهتر بافت کنتراست

های الگوریتم درک برای نیاز مورد کامل بطور تابش فیزیک مباحثمدل : پایه بر درمان ریزی برنامه

پرتوهای • مگاولتاژ xتولید

اثر • طریق از فوتونی های باریکه پراکندگی کنشو برهمکمپتون

ها • مشترک فصل یا مرزها مجاور باردارعبوری ذرات تاثیرناهمگن بافت در یا (و باردار) ذره تعادل نبود بعلت

پرتوهای • مگاولتاژ xتولید

پرتوهای گسیل باًال های انرژی جلو xدر جهت در بیشتر تولیدی. باشد می

پرتو اسکن توسط پرتو یکنواختی دهنده شتاب مدل چند در. آمد دست به هدف به برخورد از قبل الکترونی

دهنده شتاب اغلب پرتو، C-ARMدر شدت کردن یکنواخت برای ،کزی مر محور امتداد در پرتو جذب برای مخروطی فیلتر یک

. شود می داده قرار

نیاز IMRTدر یکنواخت میدان اگر نداریم کننده مسطح فیلتر. کند می مسطح مدوله بصورت باشیم داشته

اثر • طریق از فوتونی های باریکه پراکندگی کنشو برهمکمپتون

چند) تنها جفت تولید باًال؛ اتمی عدد با مواد در فوتوالکتریک اثرکم بمراتب کامپتون اثر از دو این فوتون تضعیف باعث درصد

). هستند تر اهمیت

) ( کولیماتوراولیه : و کننده مسطح فیلتر دستگاه سر پراکندگی منابع ) ( وج مثل باریکه دهنده تعدیل و فانتوم یا بیمار و

سنجش علت به درمان ریزی برنامه پیچیدگی از ای عمده بخش. است پراکنده منابع این از فضایی توزیع و اندازه

مشترک • فصل یا مرزها مجاور باردارعبوری ذرات تاثیرناهمگن بافت در یا و (ها باردار) ذره تعادل نبود بعلت

اثر : تغيير دوز جذب شده اشعه اوليه و توزيع فوتون هاي 1پراكنده شده

تغيير در شار الكترونهاي ثانويه.2

نقطه در باردار rدز ذره تعادل شرایط اگرباشد داشته وجود

و جرمی تضعیف ضریب با مونوانرژی پرتوانرژی کل شار

Convolution Equationرا پراکنده الکترون و فوتون و اولیه فوتون انتقال جداگانه بطور معادله

. سنجد می: حجم روی بر انتگرال

اصلیهست معادله این شیماA . است کرنل هم

چه از کنم پیدا دقیق باید منمعادله این به محاسباتی

در توضیحاتی یه رسیدن اصلینبود کامل اما بود فصل

الکترون ) convolutionمعادله • و فوتون کرنل و اولیه فوتون حرکت که ) می جدا هم از را کند می حساب اولیه فوتون از ناشی پراکنده های

کند.

زیادی • تعداد کنش برهم از کارلو مونت روش با ها کرنل موارد اکثر در. شود می محاسبه شود می جذب انرژی کجا در اینکه و اولیه فوتون

با convolutionمعادله • مونوانرژی موازی پرتوهای کنش برهم به محدودسازی شبیه از طیفی اطًالعات حاضر درحال باشد، می همگن فانتوم

. شده حاصل کارلو مونت

های ) • عمق به ماکزیمم دز عمق جابجایی باعث الکترونی آلودگیدز( تغییر نسبت با همدز های منحنی شود نمی محاسبه معادله در کمتر

. شود می داده حرکت الکترونی آلودگی با سطح

•. باشد می ترما تصحیح راهها از یکی است ناچیز شدگی سخت تاثیر

Convolution-Superposition Equation

معادله باشد،تصحیح نداشته وجود الکترونی تعادل که زمانیConvolution فاصله گذاری مقیاس با ناهمگن های محیط برای

چگالی : با طولی

radiologic path length P ( چگالی برای شده تصحیح فاصله) آب به نسبت الکترونی

کرنل مجموعه دو مقایسه

که باریکه مرکزی محور طول در ذرات نسبی شمارش توزیعبا کننده مسطح فیلتر و کلیماتور هدف، سردستگاه، اجزای توسط

سیستم BEAMکد در که کارلو می MV 10مونت استفاده واریانشود؛ 84% کننده؛% 10کلیماتور؛% 4هدف مسطح منابع% 2فیلتر از

ها فک شامل دیگر

ها فوتون منبع

همدز های منحنی مقایسه

پراکندگی های جانبی همگن تلقی می شوند و PBCدر تصحیح ناهمگنی فقط در جهت طولی امکان پذیر است.

ریه

تصحیح گرفتن درنظر بدون و با محاسبهکانتور

وج کردن اضافه

Monte Carlo Treatment Planning   های الگوریتم از دسته یک کل بطور مونت کارلو روش های

برداری نمونه تصادفی تکرار اساس بر که هستند محاسباتی. هستند نتایج rمحاسبه برای

امکان که می شوند استفاده زمانی معموًال کارلو مونت روشهاییک با دقیق rنتیجه rمحاسبه. نباشد قطعی الگوریتم

تصادفی سازی شبیه کاربردی جنبه واقع در کارلو مونت های روش . کامپیوترهاست توان وپیشرفت رشد و گسترش به توجه با

شود می سازی شبیه فوتون مسیر و فوتون یکمحاسبه( histories )تاریخچه برای ثانویه الکترون و فوتون ها میلیون

می ترسیم ماده در فیزیک های کنش برهم اساس بر بجامانده دوزشود.

x 1 در1مثال اگر فوتون در اولین میلی متر از هوا احتمال بطور برهم کنش وجود داشته باشد، 10-15

دو حالت برهم کنش : کامپتون، تولید زوج و ... بستگی به انرژی باریکه

ورودیعدم برهم کنش

.... تکرار و درنهایت فوتون جذب و یا خارج از ماده می شود

•RNG) Random number generator )بین عدد تعیین 1و 0یک برای ) کند ) می انتخاب فوتون ذرات مسیر

را - ) • اش انرژی فوتون چگونه مشخص ذره یک ردیابی تاریخچه) دهد می دست از ماده از عبور هنگام

: سازی شبیه نیازبرای مورد ذرات تعداد مثال بطور

• - tدر موقعیت مشخصه فاز :6Dفضای• : فتوالکتریک زوج، تولید اثرکامپتون، کارلو مونت شرایط در وقایع

الکترون های کنش برهم و

مرکزی ))• حد قضیه از کارلو مونت روش می CLTهمگرایی پیرویکند.

•MC( بزرگ اعداد قانون استفاده( Law of Large Numbers (LLN)ازسازی شبیه مثال بطور کند اندازه^ 1110می در ضرب فوتون

. به توجه با برد می زمان بینهایت توانیم LLNمیدان می ما ،7^10 به توجه با نتایج و میدان کل برای دقت CLTفوتون شبیه. 1با ٪

کنیم سازی

کارلو مونت ورودی های کمیت

فوتونی • محدود منبع اندازهشار • توزیعشار • مدوًالسیوندستگاه • سر پراکندگی منابعکننده • مسطح فیلترهایکولیماتورها •ها • وجکولیماتور • ها: نشت لیف وانتهای ها لیف بین شاملباریکه • طیفطیفی • تغییراتالکترونی • آلودگی

اما است دوز محاسبه برای روش ترین دقیق کارلو مونت روش. دارد طوًالنی پردازش زمان به نیاز

. نمیشود بافت همگنی به محدود دقت کارلو مونت روش در

جهت یک از ها فوتون که نیست مهم که است این مزایا از یکیتعداد همان اند داده تابش بسیاری های جهت historiesیا

شود می استفادهسازی مدل به وابسته شدت به کارلو مونت صحت مدلسازی

است ) دهنده شتاب سر تولید اجزای تواند می ثانویه الکترون کجا) شود؟ می شروع محاسبه کجا دهد؟ می رخ پراکندگی تواند می کجا شود؟

کارلو مونت کدهای• EGS4• EGSnrc• GEANT• PENELOPE• MCNP• MCNPx• FLUKA

پایان