Purpose: We propose a general framework for quantifying predictive uncertainties of dose-related quantities and leveraging this information in a dose mimicking problem in the context of automated radiation therapy treatment planning. Methods: A three-step pipeline, comprising feature extraction, dose statistic prediction and dose mimicking, is employed. In particular, the features are produced by a convolutional variational autoencoder and used as inputs in a previously developed nonparametric Bayesian statistical method, estimating the multivariate predictive distribution of a collection of predefined dose statistics. Specially developed objective functions are then used to construct a dose mimicking problem based on the produced distributions, creating deliverable treatment plans. Results: The numerical experiments are performed using a dataset of 94 retrospective treatment plans of prostate cancer patients. We show that the features extracted by the variational autoencoder captures geometric information of substantial relevance to the dose statistic prediction problem, that the estimated predictive distributions are reasonable and outperforms a benchmark method, and that the deliverable plans agree well with their clinical counterparts. Conclusions: We demonstrate that prediction of dose-related quantities may be extended to include uncertainty estimation and that such probabilistic information may be leveraged in a dose mimicking problem. The treatment plans produced by the proposed pipeline resemble their original counterparts well, illustrating the merits of a holistic approach to automated planning based on probabilistic modeling.


翻译:目的:我们提出一个总框架,用于量化与剂量有关的数量的预测不确定性,并在自动辐射治疗规划中将这一信息用于剂量模仿问题。方法:采用了由特征提取、剂量统计预测和剂量模拟等组成的三步管道。特别是,这些特征是由一个变异自动编码元件生成的,并用作以前开发的非对称巴伊西亚统计方法的投入,估计了一套预定剂量统计数据的多变预测分布。然后,利用特别开发的客观功能,根据所生产的分发量构建一个剂量模拟问题,制定可交付治疗计划。结果:数字实验是使用对前列腺癌症病人94个追溯性治疗计划的数据集进行的。我们表明,变异自动编码自动编码所提取的特征可以捕捉与剂量统计整体预测问题非常相关的几何测量信息,估计的预测分布是合理的,超出了一个基准方法,而且可交付计划与其临床对应方十分一致。结论:我们证明,与剂量有关的数量预测可能扩大到基于原始分发量分配量的预测,而其原始的准确性规划计划则包括以原始的准确性为依据。

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