Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Towards unification of organ labeling in radiation therapy using a machine learning approach based on 3D geometries
KTH, School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

In radiation therapy, it is important to control the radiation dose absorbed by Organs at Risk (OARs). The OARs are represented as 3D volumes delineated by medical experts, typically using computed tomography images of the patient. The OARs are identified using user-provided text labels, which, due to a lack of enforcement of existing naming standards, are subject to a great level of heterogeneity. This condition negatively impacts the development of procedures that require vast amounts of standardized data, like organ segmentation algorithms and inter-institutional clinical studies. Previous work showed that supervised learning using deep-learning classifiers could be used to predict OARs labels. The input of this model was composed of 2D contours of the OARs, while the output was a standardized label. In this work, we expanded this approach by qualitatively comparing the performance of different machine learning algorithms trained on a clinical data set of anonymized prostate cancer patients from the Iridium Kankernetwerk clinic (Belgium). The data set was partitioned in a semi-automatic fashion using a divide-and-conquer-like approach and various 2D and 3D encodings of the OARs geometries were tested. Moreover, we implemented a reject class mechanism to assess if the inference probability yielded by the model could be used as a measure of confidence. The underlining goal was to restrict human intervention to rejected cases while allowing for a reliable and automatic standardization of the remaining ones. Our results show that a random forest model trained on simple 3D-based manually engineered features can achieve the twofold goal of high classification performance and reliable inferences. In contrast, 3D convolutional neural networks, while achieving similar classification results, produced wrong, but confident, predictions that could not be effectively rejected. We conclude that the random forest approach represents a promising solution for automatic OAR labels unification, and future works should investigate its applications on more diversified data sets.

Abstract [sv]

En viktig faktor i strålbehandling är att kontrollera hur mycket av strålningen som absorberas av riskorgan. Med hjälp av medicinska bilder, vanligtvis från datortomografi, konturerar medicinska experter riskorgan som sedan representeras som tredimensionella volymer. Riskorganens typ anges via manuell namngivning från den medicinska experten. Detta samt bristande efterlevnad av namngivningsprotokoll, har resulterat i hög heterogenitet bland angivna organnamn. Där denna heterogenitet bromsar utvecklingen av metoder som kräver stora mängder standardiserade data, såsom organsegmenteringsalgoritmer, därutöver försvårar det studier som utförs på intraklinisk basis. Tidigare arbete inom fältet för namngivning av konturerade organ har visat att övervakad inlärning med djupinlärningsklassificerare kan användas för att automatiskt identifiera riskorgannamn. Indata till denna modell bestod av tvådimensionella riskorgankonturer och utdata bestod av standardiserade riskorgannamn. Detta arbete bygger vidare på det tidigare tillvägagångssättet genom att kvalitativt jämföra och utvärdera olika maskininlärningsalgoritmers prestanda för samma ändamål. Algoritmerna tränades på en klinisk datamängd bestående av anonymiserade prostatacancerpatienter från den belgiska kliniken Iridium Kankernetwerk. Datamängden partitionerades på ett semi-automatiserat vis med hjälp av ett tillvägagångssätt inspirerat av söndra-och-härska-tekniken och flera typer av tvåoch tredimensionell representationer av patientbilderna testades. Vidare implementerades en mekanism för att utvärdera om inferenssannolikheten från modellen kunde användas som ett tillförlitligt konfidensmått. Med bakomliggande mål att enbart behöva involvera mänsklig inblandning i de fall som bedöms som extra svåra av mekanismen och på så sätt åstadkomma en automatisk standardiseringen av resterande fall. Resultaten visar att en random forest-modell som tränats på enkla och manuellt designade variabler kan uppnå de två uppsatta målen: hög klassificeringsprestanda och pålitlig inferens. Jämförelsevis lyckades tredimensionella faltningsnätverk uppnå likvärdiga klassificeringsresultat men producerade felaktiga prediktioner som inte var möjliga att avfärda på ett effektivt sätt. Vår slutsats är att den framtagna random forest-metoden är en lovande lösning för automatisk och standardiserad namngivning av riskorgan. Framtida arbete bör utvärdera metoden på data med större variation.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 109
Series
TRITA-EECS-EX ; 2019:527
National Category
Computer and Information Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-256075OAI: oai:DiVA.org:kth-256075DiVA, id: diva2:1343780
External cooperation
RaySearch Laboratories AB
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-08-19 Created: 2019-08-19 Last updated: 2019-08-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(7631 kB)46 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 7631 kBChecksum SHA-512
65fa79a47e3df7b7797ce27028a24f1984fc5a31a5c3e21abc8402b81a9ad4a5fd66fdc3e2802b288538c66ec9a4841772768e4e9364cfdbd4a9e464979b7e0a
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS)
Computer and Information Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 46 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 828 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf