بهینه سازی زاویه و وزن بیم ها در طراحی درمان رادیوتراپی با استفاده از الگوریتم ژنتیک

پرتودرمانی یکی از راهکارهای مهم در درمان تومورها و بافتهای سرطانی می باشد. اما میزان کارآیی این روش به میزان زیادی وابسته به دقت و کیفیت طراحی درمان و چگونگی اجرای درمان می باشد. در حال حاضر عموما انتخاب زاویه بیم مناسب در پرتو درمانی خارجی بر اساس تجربیات طراح برنامه می باشد. بنابراین نیاز به برنامه ای جهت انتخاب زاویه بیم ها در پرتو درمانی طراحی مستقیم مشاهده می شود.
در این پژوهش، یک روش موثر برای بهبود بخشیدن توزیع دز با انتخاب زاویه های بیم هم صفحه و همچنین با انتخاب وزن مناسب برای هر بیم یا به عبارتی زمان مناسب تابش در هر زاویه در محیط برنامه نویسی MATLAB ارایه شده است. در الگوریتم بهینه سازی زاویه ها و وزن آنها، مقادیر محاسبه شده متناسب با حداقل مقدار تابع هدف بدست آمده از توزیع دز محاسبه شده بر اساس جمع توزیع دزهای گروه های بیم کاندید شده می باشد. بهینه نمودن مقدار وزن ها و زاویه ها بر اساس فرایندهای سعی و خطا تا رسیدن به یک تعادل بین هدفها ایجاد می شود. در این پژوهش از الگوریتم ژنتیک با کدبندی اعداد حقیقی برای نمایش زاویه و وزن بیم ها با تعداد تکرار مشخص (در صورت همگرا نشدن الگوریتم تا حد مورد نظر) استفاده شده است. برای تکامل این الگوریتم دو روش تک فازی و دو فازی مورد استفاده قرار گرفته است. در تکامل تک فازی، کروموزوم حاوی زاویه و وزن در یک فاز تکامل می یابد، در حالیکه در تکامل دو فازی، کروموزوم در فاز اول با ثابت نگه داشتن مقادیر وزن و بهینه کردن زاویه ها و در فاز دوم با ثابت نگه داشتن زاویه های بهینه ی فاز اول و بهینه کردن وزن ها و تکرار ترتیبی این دو فاز، تکامل می یابد. محاسبات دز یا استفاده از تکنیک های «بر پایه تصحیح» انجام شده است.
در نهایت، یک مورد ساده و یک مورد شبیه سازی کلینیکی برای نشان دادن کارایی این دو الگوریتم ارائه شده است. طرح دو فازی نسبت به تک فازی به زمان محاسبات بیشتری نیاز دارد (حدود 40 دقیقه در مقابل 20 دقیقه)، اما پاسخها بهینه تر می باشند.
نتایج بیانگر کارایی الگوریتم و زمان محاسباتی نسبتا قابل قبول آن می باشد.