Titulo Estágio
Optimização Angular em Radioterapia de Intensidade Modulada: uma abordagem inspirada na natureza
Área Tecnológica
Sistemas Evol. e Comp.
Local do Estágio
DEI/ CISUC
Enquadramento
O número de pacientes afectados por qualquer tipo de cancro tem vindo a aumentar em todo o mundo. Estima-se que mais de metade é tratado recorrendo a uma forma de terapia por radiação. Esta terapia é feita fazendo incidir sobre as células afectadas a radiação, procurando ao mesmo tempo que esta não afecta as células saudáveis. A terapia de radiação de intensidade modulada (do inglês Intensity Modulated Radiation Therapy - IMRT) é uma técnica de radiação muito utilizada. Pressupõe a definição, entre outras coisas, do número de feixes de radiação a utilizar e da sua direcção angular. Um objectivo fundamental é o de satisfazer a prescrição médica, minimizando a radiação das células saudáveis, objectivo que depende dos ângulos de incidência dos feixes. Existem vários algoritmos baseados em técnicas matemáticas estabelecidas para resolver o problema da definição óptima dos ângulos de incidência dos feixes de radiação. No entanto, os resultados obtidos nem sempre são satisfatórios, existindo um vasto campo de alternativas a explorar. Uma dessas alternativas passa pelo recurso a algoritmos de inspiração na natureza, como, por exemplo, os algoritmos genéticos. Qualquer progresso nesta área tem consequências muito positivas quer do ponto de vista económico, quer social quer, sobretudo, humano.
Objetivo
Neste projecto pretendemos trabalhar o problema de planeamento inverso aplicado a tratamentos de radioterapia, em particular a optimização angular (BAO- Beam Angle Optimization), recorrendo a abordagens inspiradas na natureza. As características deste problema de optimização, em particular a complexidade da função objectivo e a dimensão do espaço de procura, determinam um tempo de computação elevado e a existência de um número considerável de óptimos locais. É pois importante propor, e testar, algoritmos que permitam reduzir o espaço de procura a analisar, sem comprometer a qualidade das soluções encontradas. Isso leva-nos a considerar os algoritmos inspirados na natureza, em particular os algoritmos evolutivos como candidatos à resolução do problema. Trata-se de métodos de procura global, estocástica, guiados por uma função objectivo que se têm mostrado eficazes e eficientes na resolução de diversos problemas de optimização.
O objectivo primeiro deste estágio é o de desenvolver e testar um algoritmo evolutivo adaptado ao problema da determinação do número e ângulos de incidência dos feixes de radiação usados no tratamento de doenças oncológicas por terapia de radiação de intensidade modulada. O trabalho envolverá a procura da representação adequada para as soluções candidatas, o estudo de diferentes operadores de variação, incluindo operadores que incorporem conhecimento sobre o problema (com o objectivo de reduzir o espaço de procura) e que sejam capazes de manter elevados níveis de diversidade (com o objectivo de contrariar o problema da convergência prematura para um óptimo local). Será também estudado o eventual benefício do recurso a um mecanismo de memória que permita adaptar soluções de casos anteriores semelhantes.
Plano de Trabalhos - Semestre 1
1. Introdução ao problema da optimização angular em radioterapia de intensidade modulada.
2. Pesquisa bibliográfica: métodos convencionais e métodos de inspiração na natureza.
3. Estudo da ferramenta CERR
4. Definição da arquitectura do sistema
5. Escrita de Relatório
Plano de Trabalhos - Semestre 2
1. Implementação e teste de um modelo de base
2. Definição de modelos alternativos
3. Validação Experimental
4. Escrita da tese
Condições
Este estágio enquadra-se no projecto PTDC/EIA-CCO/121450/2010, financiado pela FCT e intitulado "Optimização Angular em Radioterapia de Intensidade Modulada". No âmbito deste projecto existe uma Bolsa de Investigação que cobre toda a duração do estágio. A bolsa tem o valor mensal de 745€.
A candidatura à bolsa é feita separadamente do processo de estágio e será atribuída de modo concorrencial de acordo com as normas da Fundação para a Ciência e Tecnologia.
O estágio decorrerá no DEI, Laboratório ECOSLab do grupo ECOS do CISUC. Será orientado por Ernesto Costa (DEI/ECOS) e Anabela Simões (ISEC/ECOS), Envolverá ainda interacções com os restantes membros do projecto, pertencentes ao INESC-Coimbra e ao IPO-Coimbra. Incluirá ainda algumas visitas de trabalho ao Instituto Português de Oncologia para familiarização com o problema real e para eventuais testes dos algoritmos propostos.
Observações
O candidato deverá ter preferencialmente uma formação académica prévia em Inteligência Artificial e Computação Evolucionária. Deve ainda ter bons conhecimentos de programação, nomeadamente em Matlab.
Orientador
Ernesto Costa
ernesto@dei.uc.pt 📩