Évaluation d'algorithmes de délinéation et de planification de traitement basés sur l'intelligence artificielle pour la radiothérapie externe - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Evaluation of artificial intelligence-based treatment planning and delineation algorithms for external radiotherapy

Évaluation d'algorithmes de délinéation et de planification de traitement basés sur l'intelligence artificielle pour la radiothérapie externe

Gwenaelle Sidorski
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1445825
  • IdRef : 28159760X

Résumé

External radiotherapy aims to treat cancer cells using ionizing radiation. The challenge is to irradiate target volumes while sparing healthy organs. These treatments rely on delineating regions of interest and treatment planning, carried out through Treatment Planning Systems (TPS). These processes are manually realized, demand precision and time. Their quality and execution time depend on the operator. In this context, automation solutions emerge, promising time efficiency, practices uniformization, and maintaining or enhancing treatment quality. This thesis aims to evaluate and clinically implement 2 artificial intelligence (AI) algorithms, one for automatic segmentation and the other for treatment planning. These algorithms are available in RayStation TPS (RaySearch Medical Laboratories AB, Stockholm, Sweden). The first chapter introduces the clinical environment for implementing automation techniques. The second chapter concerns the automatic segmentation algorithm. It is quantitatively and qualitatively evaluated against reference structures validated by physician. Initially, the AI is compared to 2 other algorithms within RS: one based on multi-atlases, and another on statistical models. Subsequently, AI validation is performed for 24 different organs within the thorax, abdomen, head, and neck. Lastly, this AI is compared to a second AI available in another automatic segmentation software called Limbus (Limbus AI Inc., Regina, SK, Canada). The third chapter focuses on treatment planning automation using AI. First, we describe the construction of three databases (DBs) provided to RaySearch, enabling the creation of AI models tailored to our clinical practices for pelvic and whole-brain treatments. This AI is compared to manually generated plans and a multi-criteria optimization (MCO) algorithm, demonstrating AI's clinical utility. Models are adjusted using a cohort of 100 patients, validating acceptability and deliverability of automatically generated plans for pelvic locations. However, these plans are improvable and can be enhanced manually by operators. We present, later in this chapter, a user experience with clinical use of AI for the first 79 automatically generated and manually improved treatment plans. The chapter's end focuses on the value of training AI with a database generated by MCO plans. AI evaluation, compared to manually generated and MCO plans, reveals that AI-generated plans do not match MCO plan quality but enhance manual plans. In the final chapter, we propose a guide for implementing automatic methods clinically. This ranges from defining expectations to ethical AI use, utilizing on-site developed Python scripts, development, validation methods, and limitations encountered for each automation type. In summary, the algorithms assessed in this thesis, notably the AIs, save time, standardize practices, and aid treatment planning quality enhancement. However, their implementation demands substantial preliminary effort, and their utilization should be combined with human expertise to ensure treatment quality.
La radiothérapie externe vise à traiter les cellules cancéreuses en utilisant des rayonnements ionisants. L'enjeu est d'irradier de manière précise les volumes cibles tout en préservant les organes sains avoisinants. Ces traitements reposent, entre autres, sur la délinéation des régions d'intérêt et la planification des traitements, réalisés à laide de systèmes de planification de traitement (TPS). Ces processus sont répétitifs, exigeant à la fois de la précision et du temps. Ils sont réalisés manuellement, leur qualité et leur durée d'exécution dépendant, en partie de l'opérateur. Dans ce contexte, des solutions d'automatisation voient le jour, promettant un gain de temps et une uniformisation des pratiques tout en préservant ou améliorant la qualité de ces traitements. L'objectif de cette thèse est dévaluer et de mettre cliniquement en œuvre 2 algorithmes, basés sur l'intelligence artificielle (IA), l'un pour la segmentation automatique et l'autre pour la planification de traitement automatique. Ces algorithmes sont disponibles dans le TPS RayStation (RS ; RaySearch Medical Laboratories AB, Stockholm, Sweden). Dans un premier chapitre, nous présentons lenvironnement clinique dans lequel les techniques d'automatisation sont mises en œuvre. Le deuxième chapitre concerne l'algorithme de segmentation automatique. Celui-ci est évalué quantitativement et qualitativement par rapport à des structures de référence validées par des radiothérapeutes. D'abord, l'IA est comparée à 2 autres algorithmes présents dans RS: l'un basé sur des atlas multiples et l'autre sur des modèles statistiques. Ensuite une validation de l'IA est réalisée pour 24 organes différents appartenant au thorax, à l'abdomen, à la tête et au cou. Enfin, cette IA est comparée à une seconde IA disponible dans autre logiciel de segmentation automatique appelé Limbus (Limbus AI Inc., Regina, SK, Canada). Le troisième chapitre est consacré aux techniques d'automatisation de plans de traitements à laide d'IA. D'abord, nous décrivons la construction de 3 bases de données (BdD) fournies à RaySearch. Elles permettent de créer des modèles d'IA, adaptés à nos pratiques cliniques pour les traitements de pelvis et encéphale in toto. Cette IA est évaluée par comparaison aux plans réalisés manuellement et par un algorithme d'optimisation multicritère (MCO), démontrant l'intérêt de l'IA en routine clinique. Les modèles sont ajustés à laide dune cohorte de 100 patients, permettant également, de valider l'acceptabilité et la délivrabilité des plans générés automatiquement pour les localisations pelviennes. Néanmoins, ces plans sont perfectibles et peuvent être améliorés manuellement par les opérateurs. Nous présentons, dans la suite ce chapitre, un retour d'expérience sur l'utilisation clinique de l'IA pour les 79 premiers plans de traitement générés automatiquement et améliorés manuellement. La fin de ce chapitre se focalise sur l'intérêt d'entrainer l'IA avec une base de données construite à partir de plans générés par MCO. L'évaluation de l'IA, par comparaison aux plans réalisés manuellement et aux plans MCO, révèle que les plans générés par IA n'égalent pas les qualités des plans issus du MCO mais améliorent ceux des plans manuels. Dans un dernier chapitre, nous proposons un mode d'emploi de la mise en œuvre clinique des méthodes automatiques. Allant de la définition des attendus à l'éthique d'utilisation des IA, en passant par l'utilisation de scripts python développés sur site et du développement, des méthode de validation et des limites rencontrées de chaque type d'automatisation. En définitive, les algorithmes évalués dans cette thèse et notamment les IA, permettent de gagner du temps, d'uniformiser les pratiques et aident à améliorer la qualité de la planification de traitement. Cependant, leurs mises en place nécessitent un travail préliminaire conséquent et leurs utilisations doivent être combinées à l'expertise humaine pour assurer la qualité des traitements.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04796374 , version 1 (21-11-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04796374 , version 1

Citer

Gwenaelle Sidorski. Évaluation d'algorithmes de délinéation et de planification de traitement basés sur l'intelligence artificielle pour la radiothérapie externe. Imagerie médicale. Université de Toulouse, 2024. Français. ⟨NNT : 2024TLSES022⟩. ⟨tel-04796374⟩
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