مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

ارائه پروتکل شیمی درمانی بهینه برای درمان سرطان با در نظر گرفتن متاستاز با استفاده از کنترل بهینه SDRE

نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی
2 دانشگاه صنعتی شریف
3 دانشگاه شهید بهشتی
چکیده
به دلیل وجود اثرات مخرب شیمی درمانی و تعدیل شدن اثر آن به واسطه ایجاد مقاومت دارویی، این مقاله به دنبال ارائه پروتکل بهینه درمانی برای درمان سرطان در زمان محدود می باشد. در این مقاله مدلی از رشد تومور با افزودن عبارت های مربوط به رادیو درمانی، شیمی درمانی و متاستاز سلول های سرطانی توسعه داده شده است. تحلیل پایداری بر روی مدل بدون درمان، نشان می دهد که نقطه تعادل بدون تومور ناپایدار می باشد. از اینرو تغییر دینامیک رفتاری سیستم حول این نقطه تعادل جهت درمان در زمان محدود ضروری می باشد. از اینرو، اثرات داروی شیمی درمانی هم بر روی جمعیت سلول ها و هم بر روی پارامترهای سیستم، در نظر گرفته شده است. جهت استخراج پروتکل بهینه درمانی، از روش کنترل بهینه بر مبنای حل معادله ریکاتی وابسته به حالت (SDRE) برای مدل غیرخطی توسعه یافته استفاده شده است. در ادامه برای نشان دادن انعطاف پذیری در طراحی، دو مورد برای ماتریس وزنی مربوط به ورودی در نظر گرفته شده است. همچنین مقاوم بودن این روش در برابر تغییر پارامترهای سیستم با شبیه سازی آن بر روی داده های دو بیمار مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد تغییر دینامیک سیستم برای داشتن درمان موفق، در کنار کاهش تعداد سلول های سرطانی ضروری می باشد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Proposing optimal chemotherapy protocol for cancer treatment with metastasis by using SDRE based optimal control technique

نویسندگان English

Ali Ghaffari 1
Behnaz Bahmaie 1
Motafa Nazari 1
Bahareh ghaffari 2
Mitra Daneshmand 3
1 K.N. Toosi university of technology
2 Sharif university
3 K. N. T. University
چکیده English

Although chemotherapy is one of the effective methods in cancer treatment its effects may be moderated due to drug resistance. The main objective of this paper is to propose optimal finite cancer treatment duration. In this paper, a mathematical model of tumor growth by adding radiotherapy, chemotherapy and metastasis of cancer cells terms is extended. Stability analysis shows that the tumor free equilibrium point is unstable. Hence, changing the dynamics of the system around this equilibrium point for achieving finite duration treatment method is essential. Therefore, the effects of chemotherapy drug are considered not only on cells populations but also on the dynamics of the system. For this purposes, State Dependent Riccati Equation (SDRE) based optimal control is used. So chemotherapy agent is used as the control input to the extended cancer nonlinear model. Then, in order to show the flexibility in design, two different types of input weighting matrices are selected. Moreover, the robustness of this control method is investigated by simulation. Results show that changing the dynamics of the system is necessary for finite duration cancer treatment method.

کلیدواژه‌ها English

Cancer
mathematical modeling
tumor growth
metastasis
SDRE control