An artificial neural network to model response of a radiotherapy beam monitoring system
Notice bibliographique
Résumé
PURPOSE: The integral quality monitor (IQM) is a real-time radiotherapy beam monitoring system, which consists of a spatially sensitive large-area ion chamber, mounted at the collimator of the linear accelerator (linac), and a calculation algorithm to predict the detector signal for each beam segment. By comparing the measured and predicted signals the system validates the beam delivery. The current commercial version of IQM uses an analytic method to predict the signal, which requires a semi-empirical approach to determine and optimize various calculation parameters. The process of developing the calculation model is complex and time consuming, and moreover, the model cannot be easily generalized across various beam delivery platforms with different combinations of beam energy, beam flattening, beam shaping elements, and Linac models. Therefore, as an alternative solution, we investigated the feasibility of developing a machine learning (ML) method, using an artificial neural network (ANN), to predict the ion chamber signal. In developing an ANN, it is not necessary to explicitly account for each of the elements of beam interactions with various structures in the beam path to the ion chamber. METHODS: . Each of 12 different ANN configurations (3 different sets of input features × 4 different sets of number of hidden nodes) was simulated 10 times with randomly selected 80% of data for training and the remaining data for validation. RESULTS: Artificial neural networks with one hidden layer, consisting of 10 nodes, and 10 input features provided optimum results. Once the feature sets were extracted, the time required for the network training was on the order of a few minutes, and the time required to perform an output calculation per field was only fraction of a second. More than 95% of clinical intensity-modulated radiation therapy (IMRT) segments were calculated within ± 3.0% modeling error for Varian Truebeam (90% and ±3.3% for Elekta Infinity). A total of 3320 volumetric-modulated arc therapy (VMAT) segments from Truebeam were calculated using the ANN trained with IMRT fields. More than 95% of the cumulative VMAT beam segments were within 3.6% modeling error, similar to the performance for IMRT segments. In general the modeling error was found to be inversely proportional to the size and intensity of the beam segment. CONCLUSIONS: A prototype ANN has been developed for predicting the signals of the IQM system, with substantially less efforts compared to the analytic model. The performance of the ANN was found to be at least equivalent to that of the analytic method, in terms of average and maximum error, for 6 MV beams on both Varian TrueBeam and Elekta Infinity platforms.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».