Radiation therapy treatment planning is a complex process, as the target dose prescription and normal tissue sparing are conflicting objectives. In order to reduce human planning time efforts and improve the quality of treatment planning, knowledge-based planning (KBP) is in high demand. In this study, we propose a novel learning-based ensemble approach, named LENAS, which integrates neural architecture search (NAS) with knowledge distillation for 3D radiotherapy dose prediction. Specifically, the prediction network first exhaustively searches each block from an enormous architecture space. Then, multiple architectures with promising performance and a large diversity are selected. To reduce the inference time, we adopt the teacher-student paradigm by treating the combination of diverse outputs from multiple learned networks as supervisions to guide the student network training. In addition, we apply adversarial learning to optimize the student network to recover the knowledge in teacher networks. To the best of our knowledge, this is the first attempt to investigate NAS and knowledge distillation in ensemble learning, especially in the field of medical image analysis. The proposed method has been evaluated on two public datasets, i.e., the OpenKBP and AIMIS dataset. Extensive experimental results demonstrate the effectiveness of our method and its superior performance to the state-of-the-art methods. In addition, several in-depth analysis and empirical guidelines are derived for ensemble learning.


翻译:辐射治疗规划是一个复杂的过程,因为目标剂量处方和正常组织保留是相互冲突的目标。为了减少人类规划时间的努力,提高治疗规划的质量,我们非常需要基于知识的规划。在本研究中,我们建议采用基于学习的全套新方法,名为LENAS,将神经结构搜索(NAS)与3D放射治疗剂量预测的知识蒸馏结合起来。具体地说,预测网络首先从巨大的建筑空间对每个街区进行彻底搜索。然后,选择了多套具有良好性能和丰富多样性的建筑。为减少推断时间,我们采用了师范模式,将多种学习网络的各种产出结合起来作为指导学生网络培训的监管。此外,我们运用对抗性学习来优化学生网络,以恢复教师网络的知识。根据我们的知识,这是第一次尝试从共同学习中调查国家科学体系和知识蒸馏,特别是在医学图像分析领域。我们提出的方法是两个公共数据集,即从多学网络获得的多种产出组合,作为指导指导。OpenKBS-BS和A-A-A-A-A-A-A-A-A-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-A-I-I-I-A-A-A-A-A-A-A-A-I-A-A-A-A-A-A-A-A-A-I-I-I-I-I-I-A-I-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-P-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A

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