Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Direct optimization of dose-volume histogram metrics in intensity modulated radiation therapy treatment planning
KTH, School of Engineering Sciences (SCI).
2018 (English)Independent thesis Basic level (degree of Bachelor), 10 credits / 15 HE creditsStudent thesisAlternative title
Direkt optimering av dos-volym histogram-mått i intensitetsmodulerad strålterapiplanering (Swedish)
Abstract [en]

In optimization of intensity-modulated radiation therapy treatment plans, dose-volumehistogram (DVH) functions are often used as objective functions to minimize the violationof dose-volume criteria. Neither DVH functions nor dose-volume criteria, however,are ideal for gradient-based optimization as the former are not continuously differentiableand the latter are discontinuous functions of dose, apart from both beingnonconvex. In particular, DVH functions often work poorly when used in constraintsdue to their being identically zero when feasible and having vanishing gradients on theboundary of feasibility.In this work, we present a general mathematical framework allowing for direct optimizationon all DVH-based metrics. By regarding voxel doses as sample realizations ofan auxiliary random variable and using kernel density estimation to obtain explicit formulas,one arrives at formulations of volume-at-dose and dose-at-volume which are infinitelydifferentiable functions of dose. This is extended to DVH functions and so calledvolume-based DVH functions, as well as to min/max-dose functions and mean-tail-dosefunctions. Explicit expressions for evaluation of function values and corresponding gradientsare presented. The proposed framework has the advantages of depending on onlyone smoothness parameter, of approximation errors to conventional counterparts beingnegligible for practical purposes, and of a general consistency between derived functions.Numerical tests, which were performed for illustrative purposes, show that smoothdose-at-volume works better than quadratic penalties when used in constraints and thatsmooth DVH functions in certain cases have significant advantage over conventionalsuch. The results of this work have been successfully applied to lexicographic optimizationin a fluence map optimization setting.

Abstract [sv]

Vid optimering av behandlingsplaner i intensitetsmodulerad strålterapi används dosvolym- histogram-funktioner (DVH-funktioner) ofta som målfunktioner för att minimera avståndet till dos-volymkriterier. Varken DVH-funktioner eller dos-volymkriterier är emellertid idealiska för gradientbaserad optimering då de förstnämnda inte är kontinuerligt deriverbara och de sistnämnda är diskontinuerliga funktioner av dos, samtidigt som båda också är ickekonvexa. Speciellt fungerar DVH-funktioner ofta dåligt i bivillkor

då de är identiskt noll i tillåtna områden och har försvinnande gradienter på randen

till tillåtenhet.

I detta arbete presenteras ett generellt matematiskt ramverk som möjliggör direkt optimering på samtliga DVH-baserade mått. Genom att betrakta voxeldoser som stickprovsutfall från en stokastisk hjälpvariabel och använda ickeparametrisk densitetsskattning för att få explicita formler, kan måtten volume-at-dose och dose-at-volume formuleras som oändligt deriverbara funktioner av dos. Detta utökas till DVH-funktioner och så kallade volymbaserade DVH-funktioner, såväl som till mindos- och maxdosfunktioner och medelsvansdos-funktioner. Explicita uttryck för evaluering av funktionsvärden och tillhörande gradienter presenteras. Det föreslagna ramverket har fördelarna av att bero på endast en mjukhetsparameter, av att approximationsfelen till konventionella motsvarigheter är försumbara i praktiska sammanhang, och av en allmän konsistens mellan härledda funktioner.

Numeriska tester genomförda i illustrativt syfte visar att slät dose-at-volume fungerar bättre än kvadratiska straff i bivillkor och att släta DVH-funktioner i vissa fall har betydlig fördel över konventionella sådana. Resultaten av detta arbete har med framgång applicerats på lexikografisk optimering inom fluensoptimering.

Place, publisher, year, edition, pages
2018. , p. 57
Series
TRITA-SCI-GRU ; 2018-097
Keywords [en]
Optimization, intensity-modulated radiation therapy, DVH functions, dose-at-volume, volume-at-dose, value-at-risk, smooth approximation, kernel density estimation, fluence map optimization
Keywords [sv]
Optimering, intensitetsmodulerad strålterapi, DVH-funktioner, dose-at-volume, volumeat- dose, value-at-risk, slätapproximation, ickeparametrisk skattning, fluensoptimering
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-231548OAI: oai:DiVA.org:kth-231548DiVA, id: diva2:1229161
Supervisors
Examiners
Available from: 2018-06-29 Created: 2018-06-29 Last updated: 2018-10-08Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(5923 kB)25 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 5923 kBChecksum SHA-512
a7cac98b639ba279f24804a1b9d7a0f1e6f662d026e995f1776aeebddcc143300e88bdb6ef49d688c45f787dbb4a7609917a09953e300f91b4814f10b215e703
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Engineering Sciences (SCI)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 25 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 91 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf