Abstract : This research is about the application of neural networks used in the external radiotherapy domain. The goal is to elaborate a new evaluating system for the radiation dose distributions in heterogeneous environments. The final objective of this work is to build a complete toolkit to evaluate the optimal treatment planning.
My first research point is about the conception of an incremental learning algorithm. The interest of my work is to combine different optimisations specialised in the function interpolation and to propose a new algorithm allowing to change the neural network architecture during the learning phase. This algorithm allows to minimise the final size of the neural network while keeping a good accuracy. The second part of my research is to parallelise the previous incremental learning algorithm. The goal of that work is to increase the speed of the learning step as well as the size of the learned dataset needed in a clinical case. For that, our incremental learning algorithm presents an original data decomposition with overlapping, together with a fault tolerance mechanism.
My last research point is about a fast and accurate algorithm computing the radiation dose deposit in any heterogeneous environment. At the present time, the existing solutions used are not optimal. The fast solution are not accurate and do not give an optimal treatment planning. On the other hand, the accurate solutions are far too slow to be used in a clinical context. Our algorithm answers to this problem by bringing rapidity and accuracy. The concept is to use a neural network adequaltely learned together with a mechanism taking into account the environment changes. The advantages of this algorithm is to avoid the use of a complex physical code while keeping a good accuracy and reasonable computation times.
Résumé : Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans un projet lié à la radiothérapie externe. L'objectif de ceux-ci est de mettre au point un moteur de calcul permettant une évaluation précise et concise d'un dépôt de dose lors d'une irradiation. Pour remplir cet objectif, nous avons construit un moteur de calcul reposant sur l'utilisation des réseaux de neurones. Dans un premier temps, nous avons développé un algorithme L'apprentissage pour les réseaux de neurones spécifiquement conçu pour la prise en charge des données liées à la radiothérapie externe. Dans un second temps, nos travaux ont consisté en la réalisation d'algorithmes permettant l'évaluation des doses.
La première partie a donc porté sur la mise au point de l'algorithme d'apprentissage des réseaux de neurones. Un des problèmes majeurs lors de la préparation de l'apprentissage concerne la détermination de la structure optimale permettant l'apprentissage le plus efficace possible. Pour construire un réseau proche de l'optimal, nous nous sommes basés sur une construction incrémentale du réseau. Ensuite, pour permettre une prise en charge des nombreux paramètres liés à notre domaine d'application, et du volume des données nécessaires à un apprentissage rigoureux, nous nous sommes attachés à paralléliser notre algorithme. Nous avons obtenu, à la fin de cette première phase de nos travaux, un algorithme d'apprentissage incrémental et parallèle pouvant être déployé de manière efficace sur une grappe de calcul non-fiable. Ce déploiement est possible grâce à l'ajout d'un mécanisme de tolérance aux pannes. La deuxième partie, quant à elle, a consisté en la mise au point d'algorithmes permettant l'évaluation des doses déposées lors d'une irradiation. Ces algorithmes utilisent les réseaux de neurones comme référence pour la valeur des doses ainsi que le principe de continuité de la dose en tout point du milieu. Ils ont été construits à partir d'une fine observation du comportement de la courbe de dépôt de dose à chaque changement de milieu.
En aboutissement, nous présentons des expérimentations montrant les performances de notre algorithme d'apprentissage, ainsi que de nos algorithmes d'évaluation de doses dans différentes configurations.