در فرآیند پرتودرمانی با شدت تنظیم شده(imrt)، برای کنترل آسیب در بافت های سالم و از بین بردن قطعی تومور، تجویزهایی توسط پزشک تعیین می شود. هدف از فرآیند بهینه سازی، ارائه ی طرح درمانی عملی است که به بهترین وجه ممکن این تجویزها را برآورده سازد. نظر به اهمیت این فرآیند ابتدا چگونگی امر بهینه سازی در فرآیند imrt بررسی شده و الگوریتم های مربوط به این امر کاملاً تفسیر گشته اند. همچنین با توجه به نقش ماتریس اثر در این فرآیند، این ماتریس را با کمک نرم افزار cerr بدست آورده ایم. بدین منظور سعی شده است که نرم افزار مذکور تا حدودی به خواننده معرفی شود. اغلب قریب به اتفاق دست آوردهای تحقیقاتی در زمینه ی فرآیند بهینه سازی imrt مربوط به داده های قطعی است. این در حالی است که قطعیت کاملی در مورد اکثر تجویزهای پزشکان وجود ندارد. در این پایان نامه با درنظر گرفتن مولفه های بردار دز تجویز هدف به صورت اعداد فازی مثلثاتی، که با واقعیت تجویزها تطبیق بیشتری دارند، برای اولین بار به فرآیند بهینه سازی در حالت فازی پرداخته شده است. در این راستا بر مبنای اصول ریاضیات فازی و مفاهیم فاصل در آن به فازی زدایی اقدام گردیده است. آن گاه نشان داده شده است که چگونه می توان از الگوریتم sdg برای حل چنین حالتی بهره برد. شیوه های ارائه شده برای هر دو حالت فازی و غیر فازی در دو مورد سرطان سروگردن و پروستات به کمک نرم افزار cerr پیاده سازی شده و نتایج عددی ارائه گردیده و مورد تحلیل قرار گرفته اند.

براکی تراپی یک روش درمانی است که در آن چشمه های رادیواکتیو برای پرتودهی تومورهای بدخیم نواحی مختلف بدن از جمله پروستات، رحم، مغز، سر و گردن، از فاصله ی نزدیک به کار گمارده می شوند. در گذشته یکی از سیستم های رایج برای دزیمتری استفاده از جدول خطی پترسون و پارکر بوده است که با دانستن مساحت صفحه کاشت و فاصله چشمه ها از محل درمان می توان مقدار میلی گرم-ساعت مورد نیاز و در نهایت مقدار دوز را بدست آورد. از جمله مهمترین مشکلات این است که پترسون و پارکر این جدول را فقط برای رادیوم طراحی کردند، همچنین محاسبات آن ها در هوا انجام گرفت و در نتیجه تضعیف و پراکندگی پرتوها در بافت محاسبه نمی شد. همچنین امکان دزیمتری در صفحه کاشت وجود نداشت و دزیمتری فقط در نقاط عمود بر مرکز انجام می شد. ولی با وجود پیشرفت های فروان همچنان برای چک و یا دوباره چک کردن مقدار دوز از این جدول استفاده می شود. هدف از این تحقیق، به روز کردن جدول پترسون و پارکر برای چشمه های پرکاربرد از نوع ایریدیوم 192 و سزیوم 137می باشد. برای این منظور با استفاده از آخرین اطلاعات در مورد دزیمتری چشمه های براکی تراپی(tg43u1) و صفحات جداگانه با الگوریتم محاسباتی در اکسل برای implantهایی با مساحت های مختلف دوز را در نقاط مختلف در امتداد محورها و در نقاط مایل درصفحه محاسبه شده و برای اطمینان از صحت داده های جدول جدید در چند مساحت مختلف با استفاده از نرم افزار eclips که یک نرم افزار طراحی درمان براکی تراپی رایج است مقادیر دوز محاسبه گردید. همچنین با استفاده از کد مونت کارلو، دوز را در نقاطی مشابه با الگوریتم نوشته شده، اندازه گیری شد. این داده ها تفاوتی کمتر از 5 درصد داشته و از آنجا می توان به صحت محاسبات الگوریم ارائه شده پی برد. بدین ترتیب می توان جدول پترسون و پارکر را برای هر چشمه براکی تراپی به روز کرد.

پرتودرمانی، یک روش درمانی مناسب برای درمان تومورهایی است که در نواحی مشخصی از بدن می باشند. در این پایان نامه ابتدا به بررسی بهینه سازی طراحی درمان به روش imrt با استفاده از برنامه ریزی خطی پرداخته ایم. بدین منظور ابتدا روش imrt به صورت دقیق مورد مطالعه قرار گرفت. سپس مفهوم ارزش در معرض ریسک و ارزش در معرض ریسک مقید و ریسک فازی مورد مطالعه قرار گرفت. در ادامه با استفاده از این مفاهیم و قیدهای دوز-حجم کامل، دوز-میانگین و ارزش در معرض ریسک مقید و ریسک فازی به مدل بندی مساله ی imrt به صورت مدل های برنامه ریزی خطی پرداخته شده است. از نرم افزار aimms 3.11 برای حل مدل بدست آمده برای یک مورد سرطان سروگردن استفاده شد و نتایج حاصل از حل این مساله مورد بررسی قرار گرفت.

در این تحقیق، امکان پذیر بودن درمان سرطان تیروئید با بیم پروتونی و به روش اسکن خطی بررسی می شود. در ابتدا برای اینکه بتوان به نتایج حاصل از شبیه سازی اعتماد کرد، منحنی دز عمقی در آب حاصل از شبیه سازی با کد مونت کارلوی fluka برای یک بیم پروتونی باریک 70.1 مگاالکترون ولت، با منحنی تجربی بدست آمده در مرکز درمان سرطان md anderson واقع در دانشگاه تگزاس آمریکا، مقایسه شده است. سپس، با شبیه سازی یک فانتوم ساده ی چندلایه از ناحیه ی گردنی، مناسب ترین بازه ی انرژی پروتون برای درمان یک تومور تیروئید با ضخامت معین، تعیین شده است.. برای این فانتوم ساده، تعداد فوتون ها و نوترون های ثانویه ناشی از برهمکنش پروتون های اولیه با لایه های مختلف بافتی در انرژی های مختلف بیم پروتونی اولیه، برآورد شده است. همچنین با شبیه سازی یک هندسه ی دقیق تر از فانتوم گردن، طیف فوتون ها و نوترون های ثانویه ی تولید شده، بدست آمده است. نهایتا دز معادل موثر برخی از بافت های بعد از حجم هدف و اطراف آن ناشی از نوترون های ثانویه برای وقتی که بیم پروتونی 54 مگاالکترون ولت به فانتوم برخورد می کند و همچنین فلاکس نوترون های ثانویه در فاصله ی 1 متر ی از مرکز محور میانی فانتوم دقیق گردن در انرژی های 34 و 54 مگا الکترون ولت بیم پروتونی اولیه ، محاسبه شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان دادند که منحنی دز عمقی، توافق خوبی با منحنی تجربی داشته است. لذا نتایج حاصل از شبیه سازی می توانند قابل اعتماد باشند. مناسب ترین بازه ی انرژی برای درمان تومور تیروئید، بین 42 تا 54 مگا الکترون ولت بوده است. تعداد فوتون ها و نوترون های تولید شده به ترتیب توابعی خطی و درجه دوم از انرژی پروتون اولیه بودند. در حالت برخورد یک بیم پروتونی 54 مگاالکترون ولت به فانتوم، حنجره و نای بیشترین مقدار دز معادل موثر را ناشی از نوترون های ثانویه دارا بودند. با توجه به کل نتایج بدست آمده می توان گفت که امکان انجام عملی درمان سرطان تیروئید با بیم پروتونی در آینده وجود دارد.

در این پایان نامه روشی جدید برای ثبت تصویر دو بعدی-سه بعدی ارائه شده است که در تعیین موقعیت بیمار در رادیوتراپی مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش برای سرعت دادن به ثبت تصویر به جای استفاده از تمام المان های حجمی تصویر سی.تی، ابتدا با استفاده از آشکارساز canny تنها المان هایی که دارای اطلاعات با ارزشتر تصویر هستند، استخراج می کنیم و سپس با استفاده از آنها تصویر drr را بازسازی می کنیم. با این عمل تعداد داده های مورد استفاده به کمتر از 4 درصد داده های اولیه کاهش داده شده است. علاوه بر این برای افزایش همبستگی میان تصویر drr تولید شده از این طریق با تصویر دو بعدی گرفته شده در حین درمان، فیلتر log به تصویر دو بعدی گرفته شده در حین درمان اعمال داده شد. برای ارزیابی نتایج، این روش بر روی داده های شبیه سازی شده و داده های بانک اطلاعاتی دارای استاندارد طلایی مورد آزمایش قرار گرفته است. نتایج به دست آمده از اعمال این روش به داده های شبیه سازی شده نشان می دهد بازه ی همگرایی این روش برابر با mm6 بوده و میانگین خطای هدف ثبت تصویر (mtre) برای این روش در بازه ی همگرایی کمتر از mm5/0 می باشد. نتایج به دست آمده از اعمال این روش به داده های بانک اطلاعاتی دارای استاندارد طلایی نیز نشان دهنده ی بازه ی همگرایی mm6 و خطای mm34/0 در بازه ی همگرایی می باشد. این نتایج بهبود نسبت به سایر روش هایی که به وسیله ی این بانک اطلاعاتی مورد ارزیابی قرار گرفته اند را نشان می دهد.

حرکت تومور ریه ناشی از تنفس، استفاده از حاشیه های بزرگ را هنگام تولید حجم هدف طراحی (ptv) ملزم می سازد. چون حرکت تومور تا 5 سانتی متر بوسیله چندین محقق گزارش شده اند، تعیین دقیق حاشیه داخلی (im) برای اضافه شدن به 3d ctv ضروری می باشد. اهداف این مطالعه، مقایسه تفاوت ها در حجم های بین ptv های تولید شده توسط 4d-ct و 3d-ct برای درجه های متنوع حرکت تومور، مطالعه امکان تولید مدل قفسه سینه سریع مناسب برای شبیه سازی حرکت ریه توسط شیوه المان محدود (fe) و پیشنهاد یک شیوه جدید برای کاهش حرکت تنفسی تومورهای ریه به کمتر از 5 میلی متر، می باشد. یک فانتوم متحرک برای شبیه سازی حرکت ریه استفاده شد. سه بلاک پاک کن به فانتوم متصل شدند و یک 3d-ct و یک 4d-ct گرفته شد. سپس ptv ها ترسیم شدند و مقایسه گردیدند. همچنین جابجایی های متنوع تومور ریه با استفاده از چهار بلاک پاک کن بررسی شد. برای ساختن مدل المان محدود سریع (fe)، برای شش بیمار با سایزهای قفسه سینه متفاوت، دو دسته تصویر سی تی در مراحل دم و بازدم در هنگامی که تنفس متوقف شده است، در موقعیت خوابیده بیمار گرفته شدند. پارامترهای مدل fe بر روی سه بیمار میزان سازی شدند. همچنین در این مطالعه قابلیت کاهش حرکت ریه توسط یک بالن باد شده با استفاده از شیوه fe بررسی گردید. تصاویر اسکن سی تی شش بیمار برای شبیه سازی ریه با استفاده از شیوه fe استفاده گردید. سپس یک بالن باد شده داخل مدل ریه میزان سازی شده برای هر بیمار شبیه سازی گردید. در حالیکه بالن حفره ریه را در طول کل دوره تنفس در بر گرفته بود. نتایج این مطالعه نشان می دهد که 4d-ct پتانسیل کاهش سایز ptv های تومور ریه را با حذف کردن حاشیه im دارد. برای جابجایی های بزرگ تومورها استفاده از 4d-ct شانس از دست دادن تومور را کاهش داده و احتمال کنترل تومور را بهبود می بخشد. در مد پیش بینی کننده، میانگین تفاوت ها بین نشانه های موجود در تصویر و نشانه هایی که بوسیله مدل، پیش بینی شده بودند، 2/4 میلی متر بود. بکارگیری بالن نشان داد که برای کاهش حرکت ریه مناسب است و سبب کاهش حرکت تومور نزدیک به دیواره ریه به کمتر از 5 میلی متر می گردد.

در این تحقیق بیم های فوتونی 6mv و 18mv شتابدهنده خطی پزشکیvarian clinac 2100c/d توسط کد مونت کارلوی mcnp4c شبیه سازی شده و منحنی های درصد دز عمقی و پروفایل های دز حاصل از شبیه سازی و اندازه گیری تجربی در فانتوم آب ptw مقایسه گشته اند. اجزای سر شتابدهنده که مدل شده اند شامل هدف، کولیماتور اولیه، پنجره خروجی، فیلتر مسطح کننده، کولیماتورهای ثانویه و صفحه مایلار می باشند. پس از سنجش صحت مدل در میدان مرجع 10×10?cm?^(2 ) ، شبیه سازی و اندازه گیری در میدان 15×15?cm?^(2 ) برای هر دو بیم فوتونی و در میدان 30×30?cm?^(2 ) برای بیم18mv تکرار گشته اند. ابعاد فانتوم آب در شبیه سازی ها 50×50×50?cm?^2 و در فاصله 100cm از چشمه (ssd=100cm) در نظر گرفته شده است. چشمه الکترونی تعریف شده، چشمه ای نقطه ای با طیف انرژی دارای توزیع گوسی می باشد. در مورد منحنی های pdd نتایج حاصل از محاسبات mcnp در مقایسه با داده های تجربی، توافق خوبی را در حد 2% برای نقاط پس از ناحیه build up در تمام میدان های مورد بررسی نشان می دهند. در مورد پروفایل های پرتو، اندازه گیری ها و محاسبات در سطح دز 100-50% در حد 2% ، در ناحیه نیم سایه در حد 2mm و برا ی دنباله میدان در حد 5% در هر سه عمق تحت بررسی برای میدان های 10×10?cm?^(2 )و 15×15?cm?^(2 ) توافق دارند اما در میدان 30×30?cm?^(2 ) پروفایل های به دست آمده از محاسبات دارای شاخ بوده اند که این در هر سه عمق مورد بررسی قابل مشاهده است. علت این امر می تواند در نظر نگرفتن توزیع مکانی برای چشمه الکترونی باشد که اثر آن در میدان های بزرگ قابل مشاهده است.

جدیدترین روش درمان سرطان پستان، براکی تراپی سطحی به کمک اپلیکاتورهای accuboost است. این درمان افزوده پس از پوتودهی کلی، دربافت متراکم شده بوسیله واحد ماموگرافی انجام می شود. در این تحقیق بررسی رفتار مکانیکی پستان در بارگذاری ماموگرافی، جابجایی المان های ?ان و توزیع دز در بافت متراکم و غیر متراکم بررسی می شود. در ابتدا تصاویر ماموگرافی و mri از 6 نفر داوطلب تهیه گردید. توزیع دز بافت متراکم با کمک شبیه سازی مونت کارلو در کد mcnp5 بدست ?امد. جابجایی المان های پستان نیز به کمک روش اجزا محدود )fem( شبیه سازی و در نرم افزار abaqus محاسبه شده و بدین ترتیب توزیع دز بافت غیر متراکم بدست ?امد. به منظور اعتبار سنجی تمام ابزار درمان به طور کامل شامل اپلیکاتورها، فانتوم معادل بافت پلی ونیل الکل و مجموعه های مورد نیاز برای پرتودهی و متراکم کننده ساخته شدند. دزیمتری به کمک دزیمترهای ترمولومینسانس )tld( کارگذاشته درون فانتوم انجام و سپس با نتایج کد mcnp5 مقایسه شد. پس از بررسی سیست ها به عنوان نشانگر داخلی در تصاویر mri، مدل کردن ?ان ها با توجه به سختی بیشتر نسبت به سایر بافت ها، مختصات و جهت قرارگیری در پستان، در محاسبه مقادیر جابجایی تاثیرگذار گزارش شد. همچنین در حالت مرجع، پستان معلق درون ?اب، متوسط کاهش فاصله نوک پستان از قفسه سینه در اثر حذف گرانش برای 6 نفر داوطلب 14.6 ?8.0 mm بدست ?امد. نتایج شبیه سازی mcnp5، در مقایسه توزیع دز ها، اپلیکاتور مخروطی به عمق 5 تا 17mm بیش از 95 درصد دز می دهد، درحالیکه اپلیکاتور گرد با کاهش دز در عمق و دز بیشتر پوست همراه است. جابجایی نودها در شبیه سازی abaqus تحت گرانش و 60n به مانند ماموگرافی، در راستای بارگذاری با 43? تراکم و 37? کشیدگی در راستای عرضی عمود بر ?ان بدست ?امد. درنهایت پس از مقایسه داده های تجربی متوسط اختالف 13.7. ?5.7 درصد از نتایج شبیه سازی موید یکدیگر هستند.