【原】深度學(xué)習(xí)可實現(xiàn)快速準確的質(zhì)子劑量計算

ProtonCN 2022-06-22 發(fā)布于北京

展開全文

近日，在Mayo Clinic的第一屆質(zhì)子治療研究研討會上，得克薩斯大學(xué)(UT)西南醫(yī)學(xué)中心醫(yī)學(xué)人工智能與自動化(MAIA)實驗室教授兼主任Steve Jiang描述了質(zhì)子劑量計算的關(guān)鍵要求和深度學(xué)習(xí)可以幫助實現(xiàn)快速準確的質(zhì)子劑量計算。

放射治療的成功依賴于制訂的治療計劃是否準確以及是否能精確地遞送照射劑量至規(guī)定靶區(qū)。計劃的準確性依賴于基礎(chǔ)劑量計算的準確性。質(zhì)子束的遞送比光子更需要適形劑量分布，并且對解剖學(xué)變化更敏感。對于質(zhì)子治療，準確的劑量計算更關(guān)鍵。

除了高精度之外，質(zhì)子劑量計算還需要快速。制訂治療計劃時的質(zhì)子劑量計算需要幾分鐘；在適應(yīng)性放療遞送前重新計劃，質(zhì)子劑量計算需要幾秒鐘。但未來可能需要在治療過程中引入實時適應(yīng)，實時調(diào)整治療計劃，需要以毫秒為單位進行劑量計算。

目前，用于劑量計算的技術(shù)主要為筆形束(PB)算法和蒙特卡羅(MC)模擬，前者準確性較低但速度很快，后者更準確但通常要慢得多。為了滿足質(zhì)子劑量計算的準確性和速度，需要開發(fā)一種既快速又準確的算法。

改進的方法有以下幾種：提高MC計算效率，如使用圖形處理單元(GPU)加速MC代碼；使用基于深度學(xué)習(xí)的去干擾來降低MC計算結(jié)果中的干擾；采用深度學(xué)習(xí)方法來提高PB算法的準確性；開發(fā)完全不同的新算法來滿足這兩個要求。深度學(xué)習(xí)可以幫助探索這種可能性。

使用PB或光線追蹤數(shù)據(jù)作為深度學(xué)習(xí)模型，將機器參數(shù)編碼并輸入，精度可達到80%~90%。深度學(xué)習(xí)可以改善散射和不均勻性等影響，獲得剩余20%的準確率，可以消除不可預(yù)測的災(zāi)難性失敗。而這很難用分析算法實現(xiàn)。

MC模擬使用GPU加速在十年前已經(jīng)成為可能。當時Steve Jiang在加州大學(xué)圣地亞哥分校與麻省總醫(yī)院合作開發(fā)了MC軟件包gPMC，將GPU應(yīng)用于質(zhì)子劑量計算，使得典型質(zhì)子治療計劃的計算可在10~20 s內(nèi)完成，不確定性為1%。隨著GPU處理速度變快，gPMC可以提供更高的效率。

開發(fā)基于深度學(xué)習(xí)的MC去干擾器創(chuàng)建深度劑量插件，可添加到任何基于GPU的MC劑量引擎中，以實現(xiàn)實時MC劑量計算。去干擾器僅需39 ms即可運行，整個劑量計算僅需150 ms。該插件目前主要用于光子放射治療，也可用于質(zhì)子劑量計算中的MC去干擾。

直接使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進行劑量計算與劑量預(yù)測不同。劑量預(yù)測主要通過假設(shè)患者的解剖結(jié)構(gòu)與最佳劑量分布之間存在關(guān)系，并據(jù)此構(gòu)建預(yù)測模型，如對同一疾病部位的歷史治療數(shù)據(jù)進行模擬后，使用構(gòu)建的模型預(yù)測新患者的最佳劑量分布，并使用它來指導(dǎo)治療計劃。而劑量計算基于患者真實解剖結(jié)構(gòu)、機器參數(shù)和實際劑量分布之間的關(guān)系，實際解剖結(jié)構(gòu)和具體的治療計劃都是已知的，現(xiàn)在只需要通過劑量計算明確劑量分布。

基于深度學(xué)習(xí)的光子放射治療劑量計算模型已用于MC計算的劑量分布訓(xùn)練，包括患者的不同解剖結(jié)構(gòu)和機器參數(shù)。使用患者CT掃描和追蹤每個光子束流的光線劑量分布，并將機器參數(shù)編碼到光線追蹤中。使得整個深度學(xué)習(xí)過程更容易，在物理學(xué)中納入深度學(xué)習(xí)是個好方法。

使用深度學(xué)習(xí)模型可以將PB劑量的準確性提高到與MC模擬準確性一致的水平。目前，已使用PB劑量分布和TOPAS MC平臺的數(shù)據(jù)對290例頭頸部、肝臟、前列腺和肺部癌癥患者進行訓(xùn)練和測試。他們的訓(xùn)練模型從PB劑量預(yù)測MC劑量分布。在轉(zhuǎn)換PB劑量和MC劑量之間實現(xiàn)了高水平的一致性。與筆形束相比，精度提高，且效率仍然很高。開發(fā)的模型可以添加到質(zhì)子治療計劃的臨床工作流程中，用來提高劑量計算的準確性。