استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی PSO جهت طراحی مکان چشمه‌های براکی‌تراپی پالادیوم

نویسندگان

1 گروه فیزیک، دانشگاه پیام نور واحد مشهد، مشهد، خراسان رضوی

2 گروه فیزیک، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، خراسان رضوی

3 گروه فیزیک، دانشگاه پیام نور واحد تهران، تهران

چکیده

پرتودرمانی یکی از مؤثرترین روش‌های درمان سرطان است. روش پرتودهی از نزدیک یا براکی‌تراپی به‌طور گسترده برای درمان سرطان‌ها استفاده می‌شود. بنابراین طراحی درمان از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. اصل اساسی در پرتودرمانی، وارد کردن حداکثر آسیب به تومور و حداقل آسیب به بافت‌های طبیعی است. مکان چشمه‌های براکی‌تراپی بایستی به‌گونه‌ای طراحی شود تا توزیع دز آن‌ها مطابق طرح درمان باشد و با دز تجویزی هم‌خوانی داشته باشد. ارزیابی دقیق برای اجتناب از رسیدن دز زیاد به سایر ارگان‌ها به‌ویژه ارگان‌های حساس ضروری است. در طراحی پیش از درمان می‌توان از الگوریتم‌های بهینه‌سازی بهره گرفت. هدف این است که برای هر تومور، بهینه‌سازی به‌گونه‌ای انجام شود که نقاط واقع بر لبه مرز تومور، دز معین داشته و نقاط درون تومور دزی بیش‌تر یا برابر با دز تعیین شده روی نقاط واقع در مرز را داشته باشند. دقت بهینه‌سازی و یافتن مکان بهینه چشـمه‌ها، در طراحی درمان بسـیار مهم است. در این مقاله به کمک الگـوریتم ازدحام ذرات (PSO)، مکان چشـمه‌های پالادیوم-103، که برای درمان سرطان پروستات به‌کار می‌رود، بهینه‌سازی می‌شود. برنامه با تومورهای مختلف و در وضعیت‌های متفاوت اجرا شده است. نتایج نشان می‌دهد با استفاده از این الگوریتم و با تعداد دلخواه 5 و 40 چشمه، بیش از 90% نقاط روی مرز تومورهای دایره‌ای و بیضوی، دز تعیین شده را دریافت می‌کنند. هم‌چنین بهترین مکان قرارگرفتن دانه‌های براکی‌تراپی و مشخصات آن‌ها به‌دست می‌آید. این پژوهش نشان می‌دهد که الگوریتم PSO می‌تواند برای بهینه‌سازی مکان چشمه‌های براکی‌تراپی به‌روش کاشت داخل‌نسجی که معمولاً از تعداد زیادی چشمه استفاده می‌شود، به‌کار رود. با بهینه‌سازی، توزیع دانه‌ها و منحنی‌های هم دز بررسی می‌شود تا از رسیدن دز کافی به حجم هدف و حفظ بافت‌های سالم اطمینان حاصل شود. پیاده‌سازی آسان، تعداد کم پارامترها و همگرایی نسبتاً سریع به جواب بهینه، از مزایای این الگوریتم به‌شمار می‌رود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Using PSO algorithm optimization for planning 103Pd seeds brachytherapy positions

نویسندگان [English]

  • zahra moghadasi 1
  • Ali Asghar Mowlavi 2
  • Mahmood Zibandeh Gorji 3
  • Saeed Mohammadi 1
چکیده [English]

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.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • optimization
  • PSO Algorithm
  • Radiotherapy
  • Brachytherapy
  • 103Pd Seed
[1] A. Jemal, RC. Tiwari, T. Murray, A. Ghafoor, A. Samuels, E. Ward, E.J Feuer and M.J Thun. Cancer statistics, CA Cancer J Clin, 54(1) (2004) 8-29. [2] S. Saito, K. Ito, A. Yorozu, M. Aoki, H. Koga, T. Satoh, T. Ohashi, N. Shigematsu, S. Maruo, T. Kikuchi, S. Kojima, T. Dokiya, M. Fukushima and H. Yamanaka. Nationwide Japanese Prostate Cancer Outcome Study of Permanent Iodine-125 Seed Implantation, Int J Clin Oncol, 2(20) (2015) 375-85. [3] F.M. Khan, J.P. Gibbons. Khan's The Physics of Radiation Therapy. 5th. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins Wolters Kluwer, 2015. [4] G. Koukourakis, N. Kelekis, V. Armonis and V. Kouloulias. A Systematic Review, Advances in Urology (2009) Article ID 327945, 11 pages. [5] Y. Yu, M.C Schell. A genetic algorithm for the optimization of prostate implant, Medical Physics, 11(23) (1996) 2085-2091. [6] V. Singh, L. Mukherjee, J. Xu, K.R Hoffmann, P. M. Dinu and M. Podgorsak. Brachytherapy seed localization using geometric and linear programming techniques, IEEE Transaction on Medical Imaging, 9(26) (2007) 1291-1304. [7] N. Katayama, M. Takemoto, A. Takamoto, H. Ihara, K. Katsui, S. Ebara, Y. Nasu and S. Kanazawa. Comparison of implant quality between intraoperatively built custom-linked seeds and loose seeds in permanent prostate brachytherapy using sector analysis, Journal of Radiation Research, 4(57) (2016) 393-399. [8] A. Mowlavi, M. Zibandeh-Gorji and S. Mohammadi. Appling Genetic Algorithm to Optimize Locations and Activities of the Seeds in Brachytherapy to Deliver Dose to the Defined Border, J Cancer Sci &Ther, 1(4) (2012) 001-003. [9] M. Zibandeh-Gorji, A.A. Mowlavi, S. Mohammadi. Using matrix summation method for three dimensional dose calculation in brachytherapy, reports of practical oncology and radiotherapy, 2(17) (2012) 110–114. [10] D. Tubic, A. Zaccarin, L. Beaulieu and J. Pouliot. Automated seed detection and three dimensional reconstruction. II.Reconstruction of permanent prostate implants using simulated annealing, Med. Phys, 28(11) (2001) 2272-2279. [11] A. Jain, Y. Zhou, T. Mustufa, E.C. Burdette, G.S. Chirikjian and G. Fichtinger. Matching and reconstruction of brachytherapy seeds using the Hungarian algorithm, MARSHAL, Med. Phys, 32(11) (2005) 3475-3492. [15] AA. Mowlavi and M. Yazdani. Determination of the TG-43 dosimetry parameters and isodose curves of 103Pd source model OptiSeedTM in soft tissue phantom, Elixir Pharmacy, 38 (2011) 4178-4181. [16] M.J. Rivard. A discretized approach to determining TG-43 brachytherapy dosimetry parameters: case study using Monte Carlo calculations for the MED3633 103Pd source, Appl Radiat Isot, 6(55) (2001) 775-782. [17] Z. Wang and NE. Hertel. Determination of dosimetric characteristics of Optiseed a plastic brachytherapy 103Pd source, Appl Radiat Isot, 3(63) (2005) 311-321. [18] J. Kennedy and R.C. Eberhart. Particle swarm optimization, IEEE Int. Conf. Neural Networks. Perth, Australia (1995) 1942–1948. [19] https://www.slideshare.net/matlabhome/pso- 38277117. [20] Y. Chen, RE. Stanton, RJ. Holst, C.D. Koprowski and E.B. Krisch. Treatment planning for prostate implant with loose seeds, Medical Physics, 24(7) (1997) 1141-1145. [21] J.J. Urbanic and W.R. Lee. Update on brachytherapy in localized prostate cancer: the importance of dosimetry, Current Opinion in Urology 16(3) (2006) 157–161. [23] S.K. Saxena, S.D. Sharma, A. Dash and M. Venkatesh. Development of a new design 125I-brachytherapy seed for its application in the treatment of eye and prostate cancer, Appl Radiat Isot, 67(7-8) (2009) 1421-1425. [24] J.E. Dawson, T. Wu, T. Roy, J.Y. Gu and H. Kim. Dose effects of seeds placement deviations from pre-planned positions in ultrasound guided prostate implants, Radiother. Oncol, 32(3) (1994) 268-270 [25] Y. Wang, N.J. Nasser, J. Borg and E.P. Saibishkumar. Evaluation of the dosimetric impact of loss and displacement of seeds in prostate low-dose-rate brachytherapy, Journal of Contemporary Brachytherapy, 7(3) (2015) 203-210 [26] H. Westendorp, T.T. Nuver, C.J. Hoekstra, M.A. Moerland and A.W. Minken. Edema Seed Displacements Affect Intraoperative Permanent Prostate Brachytherapy Dosimetry, International Journal of Radiation Oncology Biology Physics, 96(1) (2016) 197-205. [27] A.Y. Heredia, D.L. Henderson and B.R. Thomadsen. Optimized Geometry for a Directional, High Dose Rate Brachytherapy Source using103 pd, Based on Montecarlo Simulation, brachytherapy journal, 12 supplement 1(2013) S39. [28] RE. Taylor and DW. Rogers. More accurate fitting of 125I and 103Pd radial dose function, Med Phys, 9(35) (2008) 4242-4250. [29] S. Bernard and S. Vynckier. Dosimetric study of a new polymer encapsulated palladium-103 seed, Phys Med Biol, 50(2005) 1493–1504. [30] S. Pokharel, S. Rana, J. Blikenstaff, A. Sadeghi and B. Prestidge. Evaluation of hybrid inverse planning and optimization, Journal of applied clinical medical physic, 14(4) (2013) 96-107. [31] Y. Yu, LL. Anderson, Z. Li, D.E. Mellenberg R. Nath, M.C Schell, F.M. Waterman, A. Wu and J.C. Blasko. Permanent prostate seed implant brachytherapy: Report of the American Association of Physicists in Medicine Task Group No.64, Med Phys, 26(1999) 2054–2076. [32] SM. Seltzer, PJ. Lamperti, R. Loevinger and M.G. Mitchs. New national air-kermastrength standards for 125I and 103Pd brachytherapy seeds, J Res Natl Inst Stand Technol, 108(5) (2003) 337–358. [33] LL. Anderson, J.V. Moni and LB. Harrison. A nomograph for permanent implants of palladium-103 seeds, Int. J. Radiation Oncology Biology Physics, 27(1) (1993) 129-135. [34] B. Al-Qaisieh, E. Brearley, S.St Clair and D. Bottomley. A study of a pretreatment method to predict the number of I-125 seeds required for prostate brachytherapy, Int. J. Radiation Oncology Biology Physics, 1(65) (2006) 304-307. [37] B.M. Trindade. M.T. Christóvão, D.F.M. Trindade, P.L. Falcão and T.P.R. Campos. Comparative dosimetry of prostate brachytherapy with I-125 and Pd-103 seeds via SISCODES/MCNP, Radiol Bras, 45(5) (2012) 267–272. [38] C.S. Melhus, J.K. Mikell, S.J. Frank , F. Mourtada, M.J. Rivard. Dosimetric influence of seed spacers and end-weld thickness for permanent prostate brachytherapy, Brachytherapy 13(3) (2014) 304-310. [39] G.S. Merrick, W.M. Butler1, K.E. Wallner, J.C. Blasko, J. Michalski, J. Aronowitz, P. Grimm, B.J. Moran, P.W. McLaughlin, J. Usher, J.H Lief and Z.A. Allen. Variability of prostate brachytherapy preimplant dosimetry:A multi-institutional analysis, Brachytherapy, 4(4) (2005) 241–251. [40] H. Safigholi, D. Sardari, S. Karimi Jashni, S. Rabi Mahdavi and A.S. Meigoon. An analytical model to determine interseed attenuation effect in low-dose-rate brachytherapy, Journal of Applied Clinical Medical Physics, 14(3) (2013) 150-163 [41] A.S. Meigooni, S.B. Awan, V. Rachabatthula and R.A. Koona. Treatment-planning considerations for prostate implants with the new linear RadioCoil™ 103Pd brachytherapy source, Journal of Applied Clinical Medical Physics, 6(3) (2005) 23-36. [42] W.M. Butler and G.S. Merrick. Focal prostate brachytherapy with 103Pd seeds, Physica Medica 32 (2016) 459–464. [43] T.M. Pisansky. External-beam radiotherapy for localized prostate cancer, N Engl J Med, 15(355) (2006) 1583–1591. [45] R. Yang, J. Wang and H. Zhang. Dosimetric Study of Cs-131, I-125 and Pd-103 Seeds for Permanent Prostate brachytherapy, Cancer Biother Radiopharm, 24(6) (2009) 701-705.