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
Machine learning multicriteria optimization in radiation therapy treatment planning
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mathematics (Dept.), Mathematical Statistics.
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Flermålsoptimering med maskininlärning inom strålterapiplanering (Swedish)
Abstract [en]

In radiation therapy treatment planning, recent works have used machine learning based on historically delivered plans to automate the process of producing clinically acceptable plans. Compared to traditional approaches such as repeated weighted-sum optimization or multicriteria optimization (MCO), automated planning methods have, in general, the benefits of low computational times and minimal user interaction, but on the other hand lack the flexibility associated with general-purpose frameworks such as MCO. Machine learning approaches can be especially sensitive to deviations in their dose prediction due to certain properties of the optimization functions usually used for dose mimicking and, moreover, suffer from the fact that there exists no general causality between prediction accuracy and optimized plan quality.In this thesis, we present a means of unifying ideas from machine learning planning methods with the well-established MCO framework. More precisely, given prior knowledge in the form of either a previously optimized plan or a set of historically delivered clinical plans, we are able to automatically generate Pareto optimal plans spanning a dose region corresponding to plans which are achievable as well as clinically acceptable. For the former case, this is achieved by introducing dose--volume constraints; for the latter case, this is achieved by fitting a weighted-data Gaussian mixture model on pre-defined dose statistics using the expectation--maximization algorithm, modifying it with exponential tilting and using specially developed optimization functions to take into account prediction uncertainties.Numerical results for conceptual demonstration are obtained for a prostate cancer case with treatment delivered by a volumetric-modulated arc therapy technique, where it is shown that the methods developed in the thesis are successful in automatically generating Pareto optimal plans of satisfactory quality and diversity, while excluding clinically irrelevant dose regions. For the case of using historical plans as prior knowledge, the computational times are significantly shorter than those typical of conventional MCO.

Abstract [sv]

Inom strålterapiplanering har den senaste forskningen använt maskininlärning baserat på historiskt levererade planer för att automatisera den process i vilken kliniskt acceptabla planer produceras. Jämfört med traditionella angreppssätt, såsom upprepad optimering av en viktad målfunktion eller flermålsoptimering (MCO), har automatiska planeringsmetoder generellt sett fördelarna av lägre beräkningstider och minimal användarinteraktion, men saknar däremot flexibiliteten hos allmänna ramverk som exempelvis MCO. Maskininlärningsmetoder kan vara speciellt känsliga för avvikelser i dosprediktionssteget på grund av särskilda egenskaper hos de optimeringsfunktioner som vanligtvis används för att återskapa dosfördelningar, och lider dessutom av problemet att det inte finns något allmängiltigt orsakssamband mellan prediktionsnoggrannhet och kvalitet hos optimerad plan. I detta arbete presenterar vi ett sätt att förena idéer från maskininlärningsbaserade planeringsmetoder med det väletablerade MCO-ramverket. Mer precist kan vi, givet förkunskaper i form av antingen en tidigare optimerad plan eller en uppsättning av historiskt levererade kliniska planer, automatiskt generera Paretooptimala planer som täcker en dosregion motsvarande uppnåeliga såväl som kliniskt acceptabla planer. I det förra fallet görs detta genom att introducera dos--volym-bivillkor; i det senare fallet görs detta genom att anpassa en gaussisk blandningsmodell med viktade data med förväntning--maximering-algoritmen, modifiera den med exponentiell lutning och sedan använda speciellt utvecklade optimeringsfunktioner för att ta hänsyn till prediktionsosäkerheter.Numeriska resultat för konceptuell demonstration erhålls för ett fall av prostatacancer varvid behandlingen levererades med volymetriskt modulerad bågterapi, där det visas att metoderna utvecklade i detta arbete är framgångsrika i att automatiskt generera Paretooptimala planer med tillfredsställande kvalitet och variation medan kliniskt irrelevanta dosregioner utesluts. I fallet då historiska planer används som förkunskap är beräkningstiderna markant kortare än för konventionell MCO.

Place, publisher, year, edition, pages
2019.
Series
TRITA-SCI-GRU ; 2019:321
Keywords [en]
Radiation therapy, automated planning, machine learning, multicriteria optimization, dose mimicking, dose--volume criteria, Gaussian mixture model, expectation--maximization, exponential tilting
Keywords [sv]
Strålterapi, automatisk planering, maskininlärning, flermålsoptimering, dosåterskapande, dos--volym-kriterier, gaussisk blandningsmodell, förväntning--maximering, exponentiell lutning
National Category
Mathematics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-257509OAI: oai:DiVA.org:kth-257509DiVA, id: diva2:1348582
External cooperation
RaySearch Laboratories AB
Subject / course
Mathematical Statistics
Educational program
Master of Science - Applied and Computational Mathematics
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-09-06 Created: 2019-09-04 Last updated: 2019-09-06Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(8157 kB)22 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 8157 kBChecksum SHA-512
f8a50a949a9cb375e1a792c34bc652e31b339a18d1ca954f4f89283330752ea4ff413f5273409f528521d853143052310e049bfe629ea2eaa0730ea27ad43e67
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Mathematical Statistics
Mathematics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 22 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: 125 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