SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Ebrahim Shirani
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد راهنما) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور)
STUDENT
Amirhosein Mousavi
سیدامیرحسین موسوی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Patient-specific mathematical model of glioblastoma tumor growth using MRI and CTs images
Cancer is the cause of more than 13% of deaths in the world and the first cause of death in developing countries. Glioblastoma is the most common malignant brain tumor in humans, which is categorized as the fourth type of glioma tumor by the World Health Organization. The main characteristic is the formation of a network of blood vessels and a necrotic nucleus. In this type of tumor, the interval between the identification stage and the time of death is 12 to 18 months. For this reason, the use of methods for modeling, simulating and personalizing tumor behavior can facilitate the process of cancer diagnosis and treatment. In this study, tumor growth simulation was first performed using five PDE equations. According to the results obtained from the simulation and its correlation with the theory of tumor growth in different parts, it can be seen that this model is the most suitable model for predicting the behavior of the brain tumor and its use in choosing treatment methods, because determining the different parts of a tumor can lead to the correct choice of treatment. According to these results, the main factor for increasing the size of the tumor is the increase in the number of normoxic cells and it is possible to determine the tumor boundary by determining the concentration of the normoxic cells. Also, by this model, it is possible to determine the range of hypoxic, necrotic, and blood vessels cells that are important for treatment methods such as radiotherapy and chemotherapy. In tumor growth models, estimating the model's coefficients for each patient is described as a patient-specific problem. To estimate the coefficients of the model, two stages of the image of a patient are used in a given time period. The first stage image will be used as the initial function of the model and the second stage image will be used to compare the simulation result with real conditions. The purpose of a patient-specific problem is to find the coefficients of the model that the results of simulation has the least error with actual conditions of the tumor. In the next step, due to the lack of access to a complete set of medical images of a cancer patient, images of rat mice and a simpler model including one PDE equation, have been used. To estimate unknown model parameters and enable patient-specific simulations, we formulate and solve a PDE-constrained optimization problem by adjoint method. To solve the equations, LiveLink for MATLAB interface with COMSOL has been used, which is the first time in related research in this field. In this research, three stages of experimental mice imaging were used to estimate the model's coefficients. The parameter estimation with the first and second stage images has an error of less than 10% and the validation of the method with the third stage image also led to an error of less than 15%. Our study shows that, the presented patient-specific model is independent from the initial guess for model parameters, and its inappropriate selection only prolongs the time of solving, and no significant error comes to the result. Keywords : Glioblastoma tumor, Tumor growth model, Patient-specific patient-specific mathematical model, Optimization, Adjoint method.
عامل بیش از 13 درصد مرگ ها در جهان سرطان و اولین عامل مرگ در کشور های در حال توسعه است. گلیوبلاستوما شایعترین تومور بدخیم مغزی در انسان است که بر مبنای طبقهبندی سازمان سلامت جهانی از نوع چهارم تومور های گلیوما است. مشخصه اصلی آن ها تشکیل شبکه رگهای خونی وسیع و داشتن هسته نکروتیک است. در این نوع تومور ها فاصله ی بین مرحله ی شناسایی تا زمان مرگ، 12 تا 18 ماه طول میکشد. به همین دلیل بکارگیری روش های مدل سازی، شبیه سازی و شخصی سازی رفتار تومور، می تواند فرآیند تشخیص و درمان سرطان را آسان سازد. در این پژوهش، ابتدا شبیه سازی رشد تومور به کمک پنج معادله ی مشتق جزئی انجام شده است. با توجه به نتیجه های بدست آمده از شبیه سازی و مطابقت آن با تئوری رشد تومور در قسمت های مختلف، می توان دریافت که این مدل مناسب ترین مدل موجود جهت پیش بینی رفتار تومور مغزی و استفاده در انتخاب روش های درمانی است، زیرا تعیین قسمت های مختلف یک تومور می تواند منجر به انتخاب صحیح روش درمانی شود. طبق این نتایج عامل اصلی بزرگ شدن اندازه ی تومور، افزایش تعداد سلول های نورموکسیک است. جهت تخمین اندازه ی تومور با در نظر گرفتن عددی به عنوان تعداد سلول های نورموکسیک و تعیین مرز تومور، می توان محدوده ی تومور را پیش بینی کرد. همچنین به کمک این مدل می توان محدوده ی سلول های هایپوکسیک، نکروتیک و رگ زایی را که جهت انجام روش های درمانی مانند پرتو درمانی و شیمی درمانی مهم است را تعیین کرد. در مدلهای رشد تومور، تخمین ضریب های مدل برای هر بیمار تحت عنوان مسئله شخصی سازی رشد بیان می شود. جهت تخمین ضریب های مدل، دو مرحله تصویر ام آرآی یک بیمار در بازه زمانی مشخص استفاده می شود. بدین صورت که تصویر مرحله اول به عنوان تابع اولیه مدل و تصویر مرحله دوم جهت مقایسه نتیجه شبیه سازی با شرایط واقعی استفاده خواهد شد. هدف از شخصی سازی، یافتن ضریب هایی از مدل است که شبیه سازی حاصل از آن، دارای کمترین خطا نسبت به شرایط واقعی تومور باشد. در مرحله بعد، به دلیل عدم دسترسی به مجموعه ی کاملی از تصاویر پزشکی یک بیمار سرطانی، از تصاویر موش آزمایشگاهی استفاده شده و به شخصی سازی مدل ساده تری شامل یک معادله ی مشتق جزئی پرداخته شده است. به منظور شخصی سازی مدل، از بهینه سازی معادله مشتق جزئی با مقدار ثابت و حل آن با روش معادلات الحاقی استفاده شده است. جهت حل معادلات حاکم بر شخصی سازی از نسخه مرتبط شده نرم افزار متلب و کامسول استفاده شده است که این امر برای اولین بار در پژوهش های مرتبط در این زمینه انجام شده است. در این پژوهش از سه مرحله تصویر ام آرآی موش آزمایشگاهی جهت شخصی سازی و تخمین ضریب های مدل استفاده شده است. شخصی سازی انجام شده با تصویر های مرحله ی اول و دوم دارای خطای کمتر از 10 درصد است. همچنین اعتبارسنجی روش با تصویر مرحله ی سوم نیز منجر به خطای کمتر از 15 درصد شده است. شخصی سازی استقلال مناسبی نسبت به حدس اولیه داشته و انتخاب نامناسب آن تنها باعث طولانی شدن زمان حل می شود و خطای قابل توجهی به نتیجه وارد نمی شود. کلمات کلیدی: تومور گلیوبلاستوما، مدل رشد تومور، شخصی سازی مدل ریاضی رشد تومور، بهینه سازی، معادلات الحاقی