Deep Learning-Based Head and Neck Radiotherapy Planning Dose Prediction via Beam-Wise Dose Decomposition

计算机科学 梁(结构) 直方图 人工智能 放射治疗计划 头颈部 任务(项目管理) 放射治疗 图像(数学) 光学 物理 医学 内科学 外科 经济 管理
作者
Bin Wang,Lin Teng,Lanzhuju Mei,Zhiming Cui,Xuanang Xu,Qianjin Feng,Dinggang Shen
出处
期刊:Lecture Notes in Computer Science [Springer Science+Business Media]
卷期号:: 575-584 被引量:13
标识
DOI:10.1007/978-3-031-16449-1_55
摘要

Accurate dose map prediction is key to external radiotherapy. Previous methods have achieved promising results; however, most of these methods learn the dose map as a black box without considering the beam-shaped radiation for treatment delivery in clinical practice. The accuracy is usually limited, especially on beam paths. To address this problem, this paper describes a novel "disassembling-then-assembling" strategy to consider the dose prediction task from the nature of radiotherapy. Specifically, a global-to-beam network is designed to first predict dose values of the whole image space and then utilize the proposed innovative beam masks to decompose the dose map into multiple beam-based sub-fractions in a beam-wise manner. This can disassemble the difficult task to a few easy-to-learn tasks. Furthermore, to better capture the dose distribution in region-of-interest (ROI), we introduce two novel value-based and criteria-based dose volume histogram (DVH) losses to supervise the framework. Experimental results on the public OpenKBP challenge dataset show that our method outperforms the state-of-the-art methods, especially on beam paths, creating a trustable and interpretable AI solution for radiotherapy treatment planning. Our code is available at https://github.com/ukaukaaaa/BeamDosePrediction .
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