OPTIMIZATION UNDER UNCERTAINTIES OF THE SKIN CANCER TREATMENT WITH HYPERTHERMIA

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Details
  • Presentation type: MS - Master's student
  • Track: Bioinformatics
  • Keywords: Hyperthermia; optimization under uncertainties; Skin Cancer;

Authors:

  • 1 Programa de Engenharia Mecânica / Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia / COPPE UFRJ
  • 2 Universidad Santiago de Cali

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Abstract

INTRODUCTION AND OBJECTIVES: The hyperthermia treatment of cancer involves the heating of tumor cells in order to make them more susceptible to other kinds of treatment (like chemotherapy or radiotherapy) or to directly kill them with high temperatures and long exposures that cause permanent cell damage. Hyperthermia as a therapeutic technique is not only applied in oncology, but also in physiotherapy, urology, cardiology and ophthalmology. Mathematical modeling is of major importance for the planning and control of any cancer treatment, including hyperthermia. Uncertainties must be appropriately accounted for in numerical simulations and in the optimal design of the cancer treatment. The objective of this work is thus to optimize the hyperthermia treatment of a skin cancer with laser heating, by considering intrinsic uncertainties in model parameters like the physical properties of the tissues. MATERIAL AND METHODS: A thermal damage model was coupled with both bioheat and light propagation models. The bioheat transfer and light propagation problems were solved with the finite volume method, for a one-dimensional region consisting of five tissue layers that represent the skin. The Markov Chain Monte Carlo (MCMC) Method was utilized to obtain an optimal set of design variables, including the volumetric fraction of nanoparticles loaded into the tumor, number of laser applications, power of the incident laser and the duration of each treatment session. The objective function aimed at a safe procedure that causes cellular death in the tumor region, with minimal damage to healthy cells. Values available in the literature were used to specify the prior distributions for thermophysical and optical properties. RESULTS AND CONCLUSION: The optimization was performed with the Metropolis-Hastings algorithm within the Bayesian framework of statistics. Equilibrium Markov chains provided samples of the posterior distribution of the design variables and other model parameters. These samples were then used to simulate the statistical distribution of the thermal damage in the region. The results obtained in this work with the optimal design variables reveal that the thermal damage can be concentrated in the tumor region, as desired.

Keywords: Hyperthermia, Optimization under uncertainties, Skin cancer.

Supported by: UFRJ and CAPES

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LUIZ Fernando Silva FERREIRA

Olá, boa tarde e obrigado. Os valores máximo e mínimo admitidos pelas simulações foram, respectivamente, 100 e 2 sessões de tratamento.. Os valores convergiram para uma média de 10 sessões por tratamento. Este é o primeiro conjunto de resultados para minha dissertação de mestrado, a maior parte foi implementado por mim baseado em trabalhos anteriores do mesmo grupo de pesquisa. Etapas posteriores já foram realizadas, como a simulação de aquecimento do laser por pulsos, aquecimento por laser dado por uma função desconhecida do tempo e alterações no algoritmo para melhorar a eficiência estatística. Também foram simulados casos onde a perfusão sanguínea se altera com o dano térmico.

Author

LUIZ Fernando Silva FERREIRA

Olá Israel, acho que já respondi parte da pergunta no subtópico da outra questão.
vou copiar aqui antes de responder a outra parte:
"Israel, boa tarde.  No nosso caso, a especificação da terapia seria uma possibilidade de tratamento do câncer em estágios iniciais, onde ainda não ocorreu uma evolução significativa na dimensão do mesmo. Parte da ideia inicial era chegar a realizar experimentos ex vivo, já que esta pesquisa é fruto de um trabalho de mestrado, o que infelizmente não foi possível dado as restrições bem conhecidas da pandemia. O modelo é relativamente simples em termos de geometria, mas as células sadias foram consideradas, e com a otimização e modelos utilizados, estas não sofreram dano térmico elevado, o dano máximo nas células saudáveis foram menores do que seria equivalente em queimaduras de primeiro grau. Estamos animados para deixar a geometria do modelo mais complexa (bi ou tridimensional), bem como testar mais de uma fonte de laser e insistir em realizar experimentos ex vivo. Mas isso a partir desse ano que vem no trabalho de doutorado."

Author

LUIZ Fernando Silva FERREIRA

segunda parte. Existem pesquisas já de algum tempo que mostram um aumento da efetividade de outros tratamentos aliados com a hipertermia. Mas em outras fontes, resultados negativos são apresentados e é efetuado um tipo de análise mais completa e balanceada (  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6048057/ ), no entanto com o crescimento do domínio da nanotecnologia, algumas frentes tem sido consideradas promissoras. Já existe, inclusive aqui no brasil, tratamentos baseados em liberação de medicamentos por hipertermia ( https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsabm.8b00603# ). Parte de nosso objetivo futuro é estudar o efeito da hipertermia com o auxilio de nanopartículas de ouro em tecidos ex vivo, no caso in vivo eu não encontrei trabalhos que falem especificamente do tratamento por LASER, mas existem muitos casos na literatura com nanoparticulas magnéticas aquecidas por radiofrequência ( https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/02656730802203377 ). Esse seria um adicional da evolução desse trabalho, tratar primeiramente do caso ex vivo e em seguida in vivo caso os resultados sejam interessantes.

Israel de Oliveira Araújo

Obrigado Luiz Fernando pela resposta. Eu havia feito a pergunta em lugar indevido, por isso tive que refazer. Com essa abordagem de maneira positiva, irá até mudar os alguns conceitos no trato de equipamentos fisioterápicos, que são limitados com contra indicação para esses quadros que o seu trabalho poderá provar a possibilidade de uso do calor. Sugiro além de utilizar os modelos bi e tridimensional, aplicar o PDX também. Boa sorte e parabéns.