Radiotherapy treatment-response of cancer patients can vary considerably, even in patients sharing the same diagnosis. Enhancing the degree of treatment personalization might offer a way towards improving curation rates. The recent advancements in the field of deep neural networks provide new directions for the non-invasive extraction of patient-individual biomarkers when applied on diagnostic imaging data. Within this thesis, we explored the potential of image-based deep learning as an enabler for individualized therapy. In a cohort of head and neck cancer patients, we first assessed the suitability of applying convolutional neural networks (CNNs) on pre-treatment computed tomography imaging data for the prediction of loco-regional tumor control in the presence of censored outcomes.
We further investigated whether the predictive performance can be improved through the adoption of multitask learning strategies that combine multiple outcome prediction models and a tumor segmentation task, both for CNNs and the recently emerged vision transformer-based network architectures. Subsequently, we applied neural networks on multimodal and longitudinal imaging data collected during the course of radiotherapy and evaluated their potential to further improve outcome models. Finally, in the context of proton-beam radiotherapy of primary brain tumor patients, we applied CNNs for the prediction of the linear energy transfer and examined the feasibility of this approach for estimating treatment-related side-effects considering a variable biological effectiveness of protons.:1. Introduction
2. Theoretical background
3. Convolutional neural networks for outcome prediction
4. Multitask learning and attention-based models for outcome prediction
5. Longitudinal and multimodal models for outcome prediction
6. Prediction of the linear energy transfer in proton-beam radiotherapy / Das Ansprechverhalten von Krebspatienten auf eine Strahlentherapie kann selbst zwischen Patienten mit gleicher Diagnose deutlich variieren. Eine erweiterte Personalisierung der Behandlung stellt einen möglichen Weg dar, um die Heilungschancen zu verbessern. Durch die kürzlich erzielten Fortschritte im Bereich neuronaler Netzwerke bieten sich neue Möglichkeiten zur nicht-invasiven Extraktion patientenspezifischer Merkmale aus diagnostischen Bildgebungsdaten. In dieser Arbeit wurde das Potential tiefer, bildbasierter neuronaler Netzwerke für eine individualisierte Strahlentherapie analysiert.
In einer Kohorte von Patienten mit Kopf- und Halstumoren wurde zunächst die Eignung faltender neuronaler Netzwerke (CNNs) zur Vorhersage der lokoregionären Kontrolle im Beisein zensierter Beobachtungen basierend auf prätherapeutischer Computertomographie (CT) evaluiert. Außerdem wurde untersucht, ob sich die Vorhersagequalität von CNNs und den kürzlich vorgestellten vision transformer Architekturen unter Verwendung von Multitask-Lernstrategien, welche mehrere Vorhersagemodelle und eine Segmentierung des Tumors kombinieren, verbessern lässt.
Anschließend wurde die Anwendbarkeit neuronaler Netzwerke zur Analyse multimodaler und longitudinaler, während des Behandlungsverlaufes aufgenommener, Bildgebungsdaten aufgezeigt und ihr Potential zur weiteren Verbesserung der Vorhersagen analysiert. Abschließend wurden CNNs im Rahmen der Protonentherapie genutzt, um den linearen Energietransfer bei Patienten mit primären Hirntumoren vorherzusagen. Die Plausibilität dieser Vorhersagen zur Risikoabschätzung behandlungsbedingter Nebenwirkungen wurde unter Berücksichtigung einer variablen relativen biologischen Wirksamkeit von Protonen untersucht.:1. Introduction
2. Theoretical background
3. Convolutional neural networks for outcome prediction
4. Multitask learning and attention-based models for outcome prediction
5. Longitudinal and multimodal models for outcome prediction
6. Prediction of the linear energy transfer in proton-beam radiotherapy
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:91174 |
| Date | 09 July 2024 |
| Creators | Starke, Sebastian |
| Contributors | Löck, Steffen, Fuller, Clifton D., Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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