The determination of treatment plans for volumetric modulated arc therapy

Abstract

Hacimsel yoğunluk ayarlı ark sağaltımı, doğrusal hızlandırıcı kızağı hasta etrafında dönerken ışının kesintisiz olarak gönderilebildiği dışsal radyasyon terapisinde yakın zamanda geliştirilen bir tekniktir. Bu özellik bu tekniği kısa sağaltım sürelerine gereksinim duyan yüksek uygunlukta planların elde edilmesinde güçlü kılmaktadır. Fakat, çok yapraklı yönlendirici radyasyon ışınını kesintisiz olarak biçimlendirir, bu nedenle elde edilen açıklıklar yaprak hareket kısıtlamaları nedeniyle birbirine bağımlıdır ve sağaltım planlaması zorlaşır. Bu tezde, ilk olarak geometrik kısıtlamaları ve sağaltıma ilişkin gereksinimleri sağlayarak hastaya iletilen toplam radyasyon miktarını en aza indiren iki karışık-tamsayılı doğrusal programlama gösterimi önerilmiştir. Daha sonra Benders ayrıştırma yönteminin belirli hızlandırma yaklaşımlarıyla birleştirildiği ve ederlendirme probleminin ayrıştırılarak en kısa yol problemi olarak çözüldüğü dal-eder algoritmaları geliştirilmiştir. Bu algoritmaların başarımları anonim bir prostat verisinden türetilmiş çok sayıda örnek üzerinde değerlendirildi. Bilgisayısal deneylerin sonuçları yaygın olarak kullanılan ticari bir eniyileme çözücüsünden daha iyi sonuçlar veren etkin algoritmalar olduklarını ortaya koymaktadır. Özellikle, dal-eder uygulaması daha büyük boyutlu problemler için eniyi çözümler elde edebilmektedir. Yine de klinik boyuttaki problemler için kabul edilebilir sağaltım planları elde etmek olanaklı değildir. Bu nedenle, doz-hacim gereksinimlerine ilişkin parametreleri ayarlayabilen ve karışma gerektirmeyen bir otomatik sağaltım ortamı sunan iki aşamalı sütun türetme temelli sezgisel bir algoritma geliştirilmiştir. Gerçek prostat verileri kullanılarak bu algoritma ile elde edilen planların kalitesi yaygın olarak kullanılan bir ticari sağaltım planlama dizgesince elde edilenlerle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonuçları sezgisel kullanıldığında daha az radyasyona gereksinim duyan, klinik olarak kabul edilebilir planlar elde edilebildiğini göstermektedir.

Volumetric modulated arc therapy is the state-of-the-art technique for external radiation therapy treatment, where radiation can be delivered continuously during the rotation of the linear accelerator's gantry. This property makes this technique powerful in obtaining high conformal plans requiring short treatment times. However, the multileaf collimator system shapes the radiation beam continuously, thus the resulting apertures are interdependent due to leaf motion limitations, which makes treatment planning hard. In this thesis, we first propose two mixed integer linear programming formulations minimizing total radiation delivered to the patient subject to the geo- metrical and clinical requirements. Then, we develop exact solution algorithms that combine Benders decomposition with certain acceleration strategies and implement branch-and-price method where pricing subproblem is decomposable by rows of multileaf collimator and can be solved as a shortest path problem. We investigate their performance on a large set of test instances obtained from an anonymous real prostate cancer data. The computational results reveal that they are efficient and outperform a widely used commercial solver. In particular, branch-and-price implementation is capable to find optimal solutions for larger problem instances. However, they cannot provide realistic plans for real clinical problems because of their large size. In order to address this issue, we develop a two-phase column generation based heuristic that tunes the parameters of dose-volume requirements and yields an automated treatment planning environment, which does not require any human intervention. We test its performance on real prostate data sets and compare the quality of the generated plans with those obtained by a widely used commercial treatment planning system. Results show that it can obtain medically acceptable plans requiring significantly less radiation in reasonable computation times.