| Summary: | 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. === 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.
|
|---|
