Predicting voxel-level dose distributions for esophageal radiotherapy using densely connected network with dilated convolutions

体素 人工智能 特征(语言学) 计算机科学 卷积神经网络 卷积(计算机科学) 图像质量 核医学 图像(数学) 质量保证 模式识别(心理学) 医学 人工神经网络 计算机视觉 数学 病理 哲学 语言学 外部质量评估
作者
Jingjing Zhang,Shuolin Liu,Hui Yan,Teng Li,Ronghu Mao,Jianfei Liu
出处
期刊:Physics in Medicine and Biology [IOP Publishing]
卷期号:65 (20): 205013-205013 被引量:35
标识
DOI:10.1088/1361-6560/aba87b
摘要

This work aims to develop a voxel-level dose prediction framework by integrating distance information between PTV and OARs, as well as image information, into a densely-connected network (DCNN). Firstly, a four-channel feature map, consisting of a PTV image, an OAR image, a CT image, and a distance image, is constructed. A densely connected neural network is then built and trained for voxel-level dose prediction. Considering that the shape and size of OARs are highly inconsistent, a dilated convolution is employed to capture features from multiple scales. Finally, the proposed network is evaluated with five-fold cross-validation, based on ninety-eight clinically approved treatment plans. The voxel-level mean absolute error(MAE V ) of DCNN was 2.1% for PTV, 4.6% for left lung, 4.0% for right lung, 5.1% for heart, 6.0% for spinal cord, and 3.4% for body, which outperforms conventional U-Net, Resnet-antiResnet, U-Resnet-D by 0.1-0.8%. This result shows that with the introduction of a distance image and DCNN model, the accuracy of predicted dose distribution could be significantly improved. This approach offers a new dose prediction tool to support quality assurance and the automation of treatment planning in esophageal radiotherapy.
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