Mitigating uncertainties in adaptive radiation therapy by robust optimization
Tid: On 2025-05-28 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Tillämpad matematik och beräkningsmatematik, Optimeringslära och systemteori
Respondent: Ivar Bengtsson , Numerisk analys, optimeringslära och systemteori, RaySearch Laboratories
Opponent: Professor Uwe Oelfke,
Handledare: Professor Anders Forsgren, Numerisk analys, optimeringslära och systemteori
QC 2025-04-28
Abstract
Vid fraktionerad strålbehandling administreras strålningen i mindre doser över flera behandlingstillfällen. Detta medför avvikelser mellan patientens faktiska anatomiska tillstånd vid varje enskild fraktion och den bild som använts för dosplanering. Adaptivstrålbehandling (ART) adresserar denna utmaning genom modifiering av behandlingsplanen utifrån ytterligare bildinformation som erhålls närmre inpå leverans av en enskild fraktion. Teknologier som används i ART introducerar dock nya osäkerheter i behandlingsmodelleringen. Denna avhandling undersöker hantering av de osäkerheter som uppstår i samband med arbetsflöden för ART.
Avhandlingens första två bifogade artiklar behandlar metoder som hanterar osäkerhet i lokaliseringen av tumören och berörda riskorgan. I Artikel A använder vi oss av fantomfallmed isotrop, mikroskopisk tumörinfiltration runt en synlig tumör. Vi jämförminimering av målfunktionens väntevärde med konventionell minimering av en målfunktiontillämpad på en marginal som är utformad för att innefatta tumören med högsannolikhet. Resultaten visar att metoden kan förbättra skyddet av ett närliggande riskorgan, på bekostnad av en ökad totaldos. I Artikel B jämför vi flera formuleringar av målfunktionen vid kontureringsosäkerhet, givet en icke-isotrop osäkerhetsmodellrepresenterad av en uppsättning konturscenarier. Vid jämförbar tumördos överträffar scenariobaserade marginaler metoder från klinisk praxis när det gäller att skonariskorgan och att begränsa totaldosen. Vidare visar sig metoder som explicit beaktarscenarierna var för sig, inklusive minimering av målfunktionens väntevärde övermängden scenarier, kunna skona riskorgan ytterligare på bekostnad av högre totaldos.
Därefter följer tre artiklar som behandlar rörelserelaterad osäkerhet, vilket är särskilt relevant vid partikelstrålning. I Artikel C undersöker vi en optimeringsmetod som uttryckligen tar hänsyn till tidsstrukturen i leveransen av strålning. Metoden tillämpas på lungcancerfall med syntetiserad, oregelbunden andningsrörelse, och resultaten indikeraratt den överträffar en konventionell metod som inte tar hänsyn till tidsstrukturen. I Artikel D simulerar vi användningen av en realtidsadaptiv metod som optimerar behandlingsplanen under leveransen baserat på observerad och förväntad patientrörelse. Metoden visar betydande dosimetriska fördelar, även under förenklande antaganden som skulle underlätta en faktisk realtidsimplementering. I Artikel E uppskattar vi feletvid dosberäkningar som beaktar rörelse, när tidsupplösningen i den tidsberoende patientbilden är låg. Vi tillämpar en metod för att syntetisera mellanliggande bilder och föreslår en tillräcklig tidsupplösning för att minska felet. Slutligen behandlar vi i Artikel F vissa beräkningsmässiga utmaningar som introducerasav optimeringsmetoderna i övriga artiklar. Vi föreslår metoder som minskar antalet scenarier som beaktas vid robust optimering, för att också minska mängden beräkningar.