LENAS: Learning-Based Neural Architecture Search and Ensemble for 3-D Radiotherapy Dose Prediction

计算机科学 集成学习 推论 机器学习 强化学习 人工智能 人工神经网络 过程(计算) 架空(工程) 编码(集合论) 块(置换群论) 深度学习 操作系统 程序设计语言 集合(抽象数据类型) 几何学 数学
作者
Yi Lin,Yanfei Liu,Hao Chen,Xin Yang,Kai Ma,Yefeng Zheng,Kwang‐Ting Cheng
出处
期刊:IEEE transactions on cybernetics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:54 (10): 5795-5805 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tcyb.2024.3390769
摘要

Radiation therapy treatment planning requires balancing the delivery of the target dose while sparing normal tissues, making it a complex process. To streamline the planning process and enhance its quality, there is a growing demand for knowledge-based planning (KBP). Ensemble learning has shown impressive power in various deep learning tasks, and it has great potential to improve the performance of KBP. However, the effectiveness of ensemble learning heavily depends on the diversity and individual accuracy of the base learners. Moreover, the complexity of model ensembles is a major concern, as it requires maintaining multiple models during inference, leading to increased computational cost and storage overhead. In this study, we propose a novel learning-based ensemble approach named LENAS, which integrates neural architecture search with knowledge distillation for 3-D radiotherapy dose prediction. Our approach starts by exhaustively searching each block from an enormous architecture space to identify multiple architectures that exhibit promising performance and significant diversity. To mitigate the complexity introduced by the model ensemble, we adopt the teacher–student paradigm, leveraging the diverse outputs from multiple learned networks as supervisory signals to guide the training of the student network. Furthermore, to preserve high-level semantic information, we design a hybrid loss to optimize the student network, enabling it to recover the knowledge embedded within the teacher networks. The proposed method has been evaluated on two public datasets: 1) OpenKBP and 2) AIMIS. Extensive experimental results demonstrate the effectiveness of our method and its superior performance to the state-of-the-art methods. Code: github.com/hust-linyi/LENAS.
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