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A deep-learning-based surrogate model for Monte-Carlo simulations of the linear energy transfer in primary brain tumor patients treated with proton-beam radiotherapy

蒙特卡罗方法 线性能量转移 质子 梁(结构) 脑瘤 能量(信号处理) 能量转移 光束能量 放射治疗 计算机科学 物理 统计物理学 辐射 核物理学 医学 数学 光学 放射科 工程物理 统计 病理 量子力学
作者
Sebastian Starke,A. Kieslich,Martina Palkowitsch,Fabian Hennings,Esther G.C. Troost,Mechthild Krause,Jona Bensberg,Christian Hahn,Feline Heinzelmann,Christian Bäumer,Armin Lühr,Beate Timmermann,Steffen Löck
出处
期刊:Physics in Medicine and Biology [IOP Publishing]
卷期号:69 (16): 165034-165034
标识
DOI:10.1088/1361-6560/ad64b7
摘要

Abstract Objective. This study explores the use of neural networks (NNs) as surrogate models for Monte-Carlo (MC) simulations in predicting the dose-averaged linear energy transfer (LET d ) of protons in proton-beam therapy based on the planned dose distribution and patient anatomy in the form of computed tomography (CT) images. As LET d is associated with variability in the relative biological effectiveness (RBE) of protons, we also evaluate the implications of using NN predictions for normal tissue complication probability (NTCP) models within a variable-RBE context. Approach. The predictive performance of three-dimensional NN architectures was evaluated using five-fold cross-validation on a cohort of brain tumor patients ( n = 151). The best-performing model was identified and externally validated on patients from a different center ( n = 107). LET d predictions were compared to MC-simulated results in clinically relevant regions of interest. We assessed the impact on NTCP models by leveraging LET d predictions to derive RBE-weighted doses, using the Wedenberg RBE model. Main results. We found NNs based solely on the planned dose distribution, i.e. without additional usage of CT images, can approximate MC-based LET d distributions. Root mean squared errors (RMSE) for the median LET d within the brain, brainstem, CTV, chiasm, lacrimal glands (ipsilateral/contralateral) and optic nerves (ipsilateral/contralateral) were 0.36, 0.87, 0.31, 0.73, 0.68, 1.04, 0.69 and 1.24 keV µ m −1 , respectively. Although model predictions showed statistically significant differences from MC outputs, these did not result in substantial changes in NTCP predictions, with RMSEs of at most 3.2 percentage points. Significance. The ability of NNs to predict LET d based solely on planned dose distributions suggests a viable alternative to compute-intensive MC simulations in a variable-RBE setting. This is particularly useful in scenarios where MC simulation data are unavailable, facilitating resource-constrained proton therapy treatment planning, retrospective patient data analysis and further investigations on the variability of proton RBE.
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