Development of geometrical parameters to describe anatomical changes and predict the need for radiotherapy replanning in head and neck cancer patients
Notice bibliographique
Résumé
Head and neck cancer patients undergoing radiotherapy may experience significant anatomical changes due to weight loss and tumor shrinkage. These changes can impact the effectiveness of the initial treatment plan, potentially necessitating treatment replanning. However, ad hoc replanning requires additional clinical staff time, which can lead to suboptimal and stressful treatment planning. This interruption in workflow can impact many patients. Furthermore, there is currently no established method for determining the total amount of anatomical variation in the head and neck region to decide whether replanning is necessary.This thesis project aimed to identify and create metrics based on patient anatomical structures, that can describe the anatomical alterations that patients may experience over the course of the treatment, and influence decisions regarding treatment replanning. These parameters were used in the development of a machine learning classification model to predict if and when patients should undergo replanning. This model accounts for the progression of the information over time, which will be achieved with the creation of an automatic extraction pipeline.This study included 120 head and neck cancer patients treated at the McGill University Health Centre. Based on the 3D shape and 2D contours of radiotherapy structures, we defined 43 parameters, such as the average or Chamfer distance, to describe body shrinkage. We calculated the rate of change of these parameters across fractions through linear regression analysis and obtained the variation of each parameter with respect to initial values both analyses provided significant insights for evaluating replanning. The Mann-Whitney U test and the Bonferroni correction were used for statistical analysis, which revealed significant differences between replanned and non-replanned patients as early as fraction 4 in the case of rate of changes, indicating the potential for early prediction. Specific fraction machine learning models for fractions 5, 10, and 15 were built using the parameters, clinical data, and feature selection techniques. To estimate the performance of the models, the repeated stratified 5-fold cross-validation resampling technique was used with the Area Under Curve (AUC) as a performance metric. The best multivariate models for fractions 5, 10, and 15 yielded a training AUC score of 0.86 [0.65 - 1.00], 0.87 [0.71 - 1.00], and 0.92 [0.78 - 1.00], respectively. When testing the models in a hold-out set of patients, each showed AUC values of 0.82, 0.83, and 0.79. The developed machine learning models based on information from radiotherapy structures demonstrate the ability of early identification of patients who may need replanning, which if implemented, will enhance patient outcomes, streamline clinical workflows, and reduce costs in radiotherapy treatments. However, further analysis needs to be done to overcome false positive and negative cases
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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 | 0,002 | 0,012 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,002 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,002 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 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 ».