Anti-kanser ilaç salınım sisteminin modellenmesi ve kontrolü
Modeling and control of anti-canser drug delivery system
Yazar: SENA AY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SELİM SOYLU
Aksaray Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Antikanser = Anticancer ; Bulanık denetleyiciler = Fuzzy controllers ; Geri beslemeli kontrol = Feedback control ; Metasezgisel algoritmalar = Metaheuristic algorithms ; İlaç salınımı =

Özet:
Kemoterapi kanser hastalığının tedavisinde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Kemoterapi tedavisinde kanser hastasını olumsuz etkilemeyecek şekilde optimal ilaç dozunun belirlenmesi oldukça önemlidir. Gelişen teknoloji, anti-kanser ilaç salınım sistemleri için geliştirilen modelleme ve kontrol çalışmalarının artmasına olanak sağlamaktadır. Bu tez çalışmasında kanser hastaları için önemli bir yan etki sayılabilecek kümülatif ilaç toksisitesini de dikkate alan yaygın bir hasta modeli kullanılmıştır. Bu hasta modeli kullanılarak optimal kemoterapi ilaç salınımını gerçekleştirmek amacıyla farklı kontrol yöntemlerinden ve metasezgisel optimizasyon algoritmalarından faydalanılmıştır.
İlk olarak literatürde yaygın bir yere sahip kesirli dereceli oransal-integral-türevsel (FOPID) kontrolör ile ilaç salınım sistemi kontrol edilmiştir. FOPID kontrolöre ait parametreler yapay sinekkuşu algoritması (AHA), gri kurt optimizasyon algoritması (GWO), parçacık sürü optimizasyonu (PSO), salp sürü algoritması (SSA), balina optimizasyon algoritması (WOA) olmak üzere beş farklı algoritma ile optimize edilmiştir. Tedavi süreci sonunda elde edilen performans indeksi değerleri ve nihai kanser hücresi sayıları karşılaştırılmıştır. Çalışmanın ikinci kısmında optimizasyon süreci için yeni bir uygunluk fonksiyonu üretilmiş ve yine FOPID kontrollü sisteme uygulanmıştır. Nihai kanser hücresi sayıları ve performans indeksi değerleri karşılaştırıldığında, FOPID kontrolörün çok amaçlı optimizasyonuyla elde edilen sonuçların daha da iyileştiği görülmektedir. Çalışmanın son kısmında ise anti-kanser ilaç salınım sisteminin optimal kontrolü için yeni bir kontrolör önerilmiştir. Bulanık mantık kontrolör (FLC) ve kesirli dereceli oransal-türevsel (FOPD) kontrolörün birleştirilmesiyle hibrit Bulanık P+Dµ kontrolörü tasarlanmış ve PSO algoritması ile kontrolöre ait tüm parametreler optimize edilmiştir. Tedavi süreci sonunda elde edilen performans indeksi değeri ve nihai kanser hücresi sayısı önerilen kontrolörün başarısını ortaya koymaktadır. Önerilen kontrolör için tedavi planının ve hasta-içi parametrelerin değiştirilmesini içeren gürbüzlük testleri de gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgular bilgisayar destekli bir anti-kanser ilaç salınım sisteminin ortaya koyulabilmesi açısından umut vericidir.

Abstract:
Chemotherapy is a widely used method in the treatment of cancer. In chemotherapy treatment, it is essential to determine the optimal drug dose without adversely affecting the cancer patient. Developing technology has enabled the increase in modeling and control studies developed for anti-cancer drug delivery systems. In this thesis, a common patient model that considers cumulative drug toxicity, which can be considered as an important side effect for cancer patients, is used. Using this patient model, different control methods and metaheuristic optimization algorithms are used to achieve optimal chemotherapy drug delivery.
Firstly, the drug delivery system is controlled with a fractional-order proportional-integral-derivative (FOPID) controller, which is widely used in the literature. The parameters of the FOPID controller are optimized by five different algorithms: artificial hummingbird algorithm (AHA), gray wolf optimization algorithm (GWO), particle swarm optimization (PSO), salp swarm algorithm (SSA), whale optimization algorithm (WOA). The performance indexes and final number of cancerous cells obtained at the end of the treatment process are compared. In the second part of the study, a new fitness function is generated for the optimization process and applied to the FOPID controlled system. When the final number of cancerous cells and performance indexes are compared, it is seen that the results obtained with the multi-objective optimization of the FOPID controller are further improved. In the last part of the research, a new controller is proposed for the optimal control of the anti-cancer drug delivery system. A hybrid Fuzzy P+Dµ controller is designed by combining a fuzzy logic controller (FLC) and a fractional-order proportional-derivative (FOPD) controller and all parameters of the controller are optimized by PSO algorithm. The performance index and final number of cancerous cells obtained at the end of the treatment process reveal the success of the proposed controller. Robustness tests are also performed for the proposed controller by varying the treatment plan and in-patient parameters. The obtained results are promising for the development of a computer-aided anti-cancer drug delivery system.