The ability to quantify uncertainties associated with neural network predictions is crucial when they are relied upon in decision-making processes, especially in safety-critical applications like radiation therapy. In this paper, a single-model estimator of both epistemic and aleatoric uncertainties in a regression 3D U-net used for radiation dose prediction is presented. To capture epistemic uncertainty, Monte Carlo Dropout is employed, leveraging dropout during test-time inference to obtain a distribution of predictions. The variability among these predictions is used to estimate the model’s epistemic uncertainty. For quantifying aleatoric uncertainty quantile regression, which models conditional quantiles of the output distribution, is used. The method enables the estimation of prediction intervals of a user-specified significance level, where the difference between the upper and lower bound of the interval quantifies the aleatoric uncertainty. The proposed approach is evaluated on two datasets of prostate and breast cancer patient geometries and corresponding radiation doses. Results demonstrate that the quantile regression method provides well-calibrated prediction intervals, allowing for reliable aleatoric uncertainty estimation. Furthermore, the epistemic uncertainty obtained through Monte Carlo Dropout proves effective in identifying out-of-distribution examples, highlighting its usefulness for detecting anomalous cases where the model makes uncertain predictions. / Förmågan att kvantifiera osäkerheter i samband med neurala nätverksprediktioner är avgörande när de åberopas i beslutsprocesser, särskilt i säkerhetskritiska tillämpningar såsom strålterapi. I denna rapport presenteras en en-modellsimplementation för att uppskatta både epistemiska och aleatoriska osäkerheter i ett 3D regressions-U-net som används för att prediktera stråldos. För att fånga epistemisk osäkerhet används Monte Carlo Dropout, som utnyttjar dropout under testtidsinferens för att få en fördelning av prediktioner. Variabiliteten mellan dessa prediktioner används för att uppskatta modellens epistemiska osäkerhet. För att kvantifiera den aleatoriska osäkerheten används kvantilregression, eller quantile regression, som modellerar de betingade kvantilerna i outputfördelningen. Metoden möjliggör uppskattning av prediktionsintervall med en användardefinierad signifikansnivå, där skillnaden mellan intervallets övre och undre gräns kvantifierar den aleatoriska osäkerheten. Den föreslagna metoden utvärderas på två dataset innehållandes geometrier för prostata- och bröstcancerpatienter och korresponderande stråldoser. Resultaten visar på att kvantilregression ger välkalibrerade prediktionsintervall, vilket tillåter en tillförlitlig uppskattning av den aleatoriska osäkerheten. Dessutom visar sig den epistemiska osäkerhet som erhålls genom Monte Carlo Dropout vara användbar för att identifiera datapunkter som inte tillhör samma fördelning som träningsdatan, vilket belyser dess lämplighet för att upptäcka avvikande datapunkter där modellen gör osäkra prediktioner.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-343450 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Skarf, Frida |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2023:881 |
Page generated in 0.24 seconds