I n t e r n at ion al  Jou r n al   of   E lec t r ical  an d   Com p u t e r   E n gin e e r in g  ( I JE CE )   Vol.   1 4 ,   No.   5 ,  Oc tober   20 2 4 ,   pp .   5524 ~ 5533   I S S N:  2088 - 8708 ,   DO I :  10 . 11591/i jec e . v 1 4 i 5 . pp 5 524 - 5533             5524       Jou r n al  h omepage :  ht tp: // ij e c e . iaes c or e . c om   A  f r am e w o r k   f or  3D   r ad io t h e r ap y  d ose  p r e d ic t io n  u si n g  t h e   d e e p  l e a r n i n g ap p r oa c h       L am   T h an h   Hi e n 1 ,   Ha   M an h   T oan 2 ,   Do  Na n g  T oan 2   1 F a c ul ty  of  I nf or ma ti on T e c hnol ogy, L a c  H ong Unive r s it y, B ie n H oa , D ong Na i,  V ie tn a m   2 I ns ti tu te  of   I nf or ma ti on T e c hnol ogy, Vie tn a m Ac a de my of  S c i e nc e  a nd  T e c hnol ogy, Ha noi , V ie tn a m       Ar t icle   I n f o     AB S T RA CT   A r ti c le  h is tor y :   R e c e ived  J a n  4,   2024   R e vis e d  J un  20,   2024   Ac c e pted  J ul  2,   2024       Can cer  i s   k n o w n   as   a  d a n g er o u s   d i s eas e  t o   h u man s   w i t h   a  v er y   h i g h   d e at h   rat e.   T h ere  are  a  l o t   o f  can cer  t reat me n t   me t h o d s   t h a t   h av e  b een   s t u d i e d   an d   ap p l i e d   i n   t h e  w o rl d .   O n e  o f  t h e  mai n   met h o d s   i s   u s i n g   rad i at i o n   b eams   t o   k i l l   can cer  cel l s .   T h i s   met h o d ,   al s o   k n o w n   as   rad i o t h er ap y ,   req u i res   ex p ert s   h av i n g   a  h i g h   l e v el   o f  s k i l l   a n d   ex p eri e n ce.   O u r  w o rk   f o cu s e s   o n   t h e  3 D   d o s e  p red i ct i o n   p ro b l em  i n   rad i o t h era p y   b y   p ro p o s i n g   a  framew o r k   ai mi n g   t o   creat e  a  med i ca l   i n t e l l i g e n t   s y s t em  f o r  t h i s   p ro b l em.   T o   d o   t h at ,   w e  creat e d   a  co n v o l u t i o n a l   n eu ra l   n e t w o rk   b a s ed   o n   Res N et   a n d   U - N et   t o   g e n erat e  t h e   p red i ct e d   rad i a t i o n   d o s e.   T o   i m p ro v e  t h e  q u a l i t y   o f  t h e  t rai n i n g   p h as e,   w e   al s o   ap p l i e d   s o me  d at a  p ro ce s s i n g   t ech n i q u e s   b a s ed   o n   t h e  ch arac t eri s t i cs   o f  t h e  3 D   co m p u t ed   t o mo g rap h y   (CT )  d at a.   T h e  ex p er i m en t   u s e d   t h e  d a t as e t   fro m  p a t i e n t s   w h o   w ere  ca n cer - t reat e d   w i t h   ra d i o t h era p y   i n   t h e   O p en K BP  co mp e t i t i o n .   T h e  res u l t s   ach i ev e d   g o o d   ev a l u a t i n g   met r i cs ,   t h e  fi rs t   i s   b y   t h e   D o s e - s c o re  an d   t h e  s ec o n d   i s   b y   t h e  d o s e - v o l u me  h i s t o g ram  (D V H )  s co re.   Fro m  t h e  t rai n i n g   re s u l t ,   w e  b u i l t   t h e  med i cal   s y s t em   s u p p o r t i n g   3 D   d o s e   p red i ct i o n   an d   v i s u a l i z i n g   t h e  re s u l t   as   s l i ces   i n   h ea t map   fo rm.   K e y w o r d s :   3D  dos e   pr e diction   C a nc e r   tr e a tm e nt   R a diot he r a py   R e s N et   U - N et   Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l e  u n d e r   t h e  CC  B Y - SA   l i ce n s e.     C or r e s pon din g  A u th or :   Do  Na ng  T oa n   I ns ti tut e   of   I nf o r mation  T e c hnology,   Vie tnam   Ac a de my  of   S c ienc e   a nd   T e c hnology   18   Hoa ng  Quoc   Vie t,   C a uGia y   Dis tr ict,   Ha noi   100 72,   Vie tnam   E mail:   dntoan@ ioi t . a c . vn       1.   I NT RODU C T I ON   C a nc e r   is   c u r r e n tl y   o ne   of   th e   m os t   da nge r ous   dis e a s e s   f o r   pe o pl e   a ll   ove r   th e   wo r ld .   I n  20 20 ,   th e   W o r l d   H e a lt h   O r ga n iz a t io n   ( W HO )   [ 1 ]   ha d   a   s ta ti s ti c s   r e p o r t   p r e s e n ti ng   ne a r l y   t e n   mi l li on   de a t hs   r e l a ted   t o  c a nc e r .   T he   f ig u r e   m e a n t   n e a r ly   o ne - s ix th   o f   de a th s   a n d   t he   r e po r t   a l s o   s how e d   th a t   the r e   a r e   a pp r ox i ma te ly  4 0 0 , 0 00   c hi ld r e n   d e ve l op in g  c a nc e r   e a c h   ye a r .   Ac c o r di ng   to   [ 2]   in   20 19   a nd   2 02 0 ,   V ie tn a m   r e c o r d e d   ne a r l y  18 3  t h ous a nd   ne w   c a nc e r   pa t ie nt s   a n d   a p p r o xi ma te ly   123   t ho us a n d   d e a ths .   M a ny   r e a s o ns   m a y   c a us e   c a nc e r ,   s u c h   a s   u s i ng   a lc oh ol ,   us in g   c iga r e t tes ,   a nd   un he a l th y   l i f e   r o u ti ne s .   F r o m   t he   me dic a l   vi e w ,   c a n c e r   s t a r ts   whe n  t he r e   is   a n   a pp e a r a nc e   o f   c a nc e r   c e ll s ,   a n d   t he n   the y   w ou ld   g r o w   to   c r e a te   ma li gna n t   t um o r s .   T h e   c a nc e r   c e ll s   w ou ld  i n va d e   a nd   e l im in a t e   h e a l t hy   o r ga ns   in   th e   h um a n   bo d y .   S o ,   t he   ma in   i de a   in   ma ny   c a nc e r   t r e a tm e n ts   is   t he   wa y  t o   de s tr oy   c a nc e r   c e l ls   a nd   r e mo ve   c a n c e r   t u mo r s .   An d   one   o f   t he   mos t   c om mo n   m e t ho ds   is   r a d io th e r a py .   R a d io the r a p y  t r ies   t o   d e s t r oy   c a nc e r   c e l ls   b y   us in g   t he   po we r   o f   r a dia t io n  t he r a py   b e a ms   i n  t r e a t me nt  m a c hi ne s .   B y  th e   wa y ,   w e   c a n  p r e v e n t  t he   g r o wt h   o f   the   dis e a s e .   A n  a d va nta ge   o f   r a di a t io n  t he r a p y   is   t ha t  th is   m e th od   c a n   be   a pp l ie d   t o   a lm os t   a l l   pa r ts   o f   the   hu ma n   b od y ,   bu t   i t   a ls o   is   a   c om pl e x   pr oc e s s   r e q u ir i n g   h ig h - l e v e l   e xpe r ts   [ 3 ] .   T his   m e t ho d   c a n   t a k e   h ou r s   t o   c a lc ul a t e   th e   r a di ot he r a py   d os e   d is t r ib u ti on   a n d   a d jus t   t o   ge t   t he   f i na l   o p ti ma l   p la nn in g .   T o   do   th a t ,   p r a c t it io ne r s   ne e d   to   be   s ki ll f ul   a n d   e xpe r ie nc e d   t o   r e a c h   th e   a c c u r a c y   o f   e a c h   de ta il   o f   t he   wh ole   p r o c e s s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   &  C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         A   fr ame w or k   for   3D  r adiot he r apy   dos e   pr e diction   us ing  the  de e p   lear ning   appr oac h   ( L am  T hanh   Hi e n )   5525   T h is   pa p e r   c o nc e r ns   d os e   p r e d ic t io n ,   a   met ho d   to   h e l p   mak e   a   hi gh - q ua li t y   p la n   q uic k ly .   T he r e   w e r e   s ome   s tu di e s   t ha t  a t te mp te d   t o  a p pl y   t r a di t io na l  ma c h in e - le a r n in g  mo de ls   t o   t his   pr ob le m .   I n   2 01 6 ,   M c I nt os h   a nd   P ur die   [ 4]   a pp l ied   th e   r e g r e s s io n  f o r e s ts   to   pr e di c t   d os e .   R e s u lt s ,   the   ove r a l l  dos e   p r e di c t io n  a c c u r a c ies   r e a c h e d   78 . 68 % ,   64 . 76 % ,   a n d   86 . 83 %   r e s pe c t iv e ly .   Ne x t   i n   20 21 ,   Z ho u   e t   al .   [ 5 ]   pr e s e nte d   a   s t udy   us in g   a   s up po r t   ve c t o r   m a c h in e   t o   p r e d ic t   d os e s   in   th e   c a s e   o f   c e r v ic a l   c a n c e r   w it h   the   me a n   s qu a r e d   e r r o r   a n d   G a m ma  m e tr ics .   T he   e xp e r i me nta l   da t a   c a me   f r o m   50   p a t ie nt s   i n   t he   a f f il ia te d   H os p it a l   o f   S ou th we s t   M e d ic a l   Un i ve r s i ty  o ve r   th e   2 - y e a r s   p e r i od   be twe e n   20 16   a nd   20 18 .   T oda y,   the  de e p  lea r ning  a ppr oa c h  wa s   a ppli e d  s uc c e s s f ull y  in  many  s tudi e s   of   the  medic a l  f ield  with  va r ious   di f f e r e nt   da ta  types .   I n  2021 ,   F ur tad o  [ 6]   c onduc ted  a   s tudy   to  s e gment  a bdomi na l   o r ga ns   in  magne ti c   r e s ona nc e   im a ging  da ta   us ing  two   de e p - lea r ning  a r c hit e c tur e s   De e pL a bV3  a nd  f ull y   c onv olut ional  ne twor k  ( F C N) .   Als o  in  2021 ,   C he n   e t   al .   [ 7]   de s igned  S que e z e - a nd - E xc it a ti on  c onvolut ional  ne ur a l   ne twor k   ( C NN )   to   c las s if y  lung   nodules   f r om   c omput e d   t omogr a phy  im a ge s .   I n   2023 ,   T oa n  e t   al .   [ 8]   ha d   r e s e a r c h   us ing  s e ve r a l  c onvolut ion  ne ur a l  ne twor ks   on  c he s t  X - r a y  im a ge s   f or   tuber c ulos is   diagnos is .   F ur ther mor e ,   r e c e nt  de e p  lea r ning  r e s e a r c h  in   he a lt hc a r e   is   a ls o  or iente d  towa r ds   buil ding   a ppli c a ble  s ys tems .   F or   e xa mpl e ,   P r a ba ka r a n   a nd   S e lvar a j   [ 9 ]   pr e s e nted  a n   int e ll igent  he a lt hc a r e   s ys tem  us ing  a n   e ns e mbl e   a pp r oa c h  to   diagnos e   lung  dis e a s e .   T he   s a me  ye a r ,   Alqu r a n  e t   al.   [ 10]   s howe d  a   hybr id   a utom a ted   s ys tem  to  c las s if y  li ve r   tum or s   on  magne ti c   r e s ona nc e   im a ge s .   I n   r e c e nt   ti mes ,   th e   d e e p - lea r ni ng   a p p r oa c h   ha s   b e e n   a p p li e d   w id e l y   i n   the   r a d io the r a p y   d os e   p r e d ic ti on   p r o bl e m .   I n   20 21 ,   a   3D   De ns e - U - N e t   m o de l  wa s   p r e s e nt e d   by   L iu   e t   a l .   [ 1 1 ]   i n   t he   r e p o r t   wi t h  r e s pe c t ive ly   2 . 93 %   a nd   2 . 4 2 %   o f   th e   a ve r a ge   de v iat i ons   f r om   th e   m a x im u m   a n d   a ve r a ge   dos e   v a l ue s   of   o r g a ns   a t   r is ks   ( OA R s )   a n d   pl a n ni ng   t a r ge t   vo lu mes   ( P T Vs ) .   T he   a ut ho r s   e x pe r i me nt e d   o n   the   d a ta   o f   1 24  p a ti e n ts   t r e a ted   w it h   T o mo T he r a py .   An ot he r   s t ud y   is   a   c on vo lu t io na l   ne u r a l   ne tw o r k   o f   A hn   e t   al .   [ 1 2] .   T h e i r   a r c h it e c t u r e   w a s   ba s e d   on   th e   U - N e t   mo de l  a n d   a d j us t e d   to   f i t   the   dos e   p r e di c t io n   p r ob le m   i n   r a d iot he r a p y .     5 0   s a m p les   o f   th e r a p y   pl a ns   f o r   b r e a s t   c a n c e r   we r e   u s e d   t o   tes t   th a t   m e t ho d   a n d   the   a ut ho r s   a ls o   c o nd uc te d   the  c om pa r is o n   w it h   R a pi d P l a n ™ .  T he   wo r k   o f   B a bi e r   e t   a l .   [ 1 3 ]   w it h   t he   g e ne r a t iv e   a d ve r s a r ia l   n e t wo r k  ( G AN )   m o de l   wa s   c o nd uc ted   on   a n no ta te d   c om pu te d  tom o gr a p hy   ( CT )   im a g e s   f r o m   1 27   s a mp les   i n  t he   a c c e p te d  t r e a tm e n t   pl a ns   f o r   o r o pha r yn ge a l   c a nc e r   c a s e s .   I n   a no th e r   a t tem p t ,   man y   ve r s io ns   o f   c on vo lu t io na l   ne u r a l  n e t wo r ks   we r e   t e s t e d   i n  th e   wo r k  of   G r on be r g   e t  a l .   [ 14 ] .   T h e y   t r a i ne d   a nd   t e s t e d   t he i r   mo de l  on   t he   d a t a   o f   t h e   O pe nKB P   c ha l len ge   [ 15 ]   wi t h   s o me   d if f e r e n t   op ti o ns   o f   h yp e r pa r a me te r s   a n d   a ug me nt a t io n   me th ods .   I n   the   s a me   da tas e t ,   S o o mr o   e t   al .   [ 16 ]   pu bl is h e d   a n   a r c hi t e c t u r e   c o mb in in g   d i la ted   De ns e N e t   a n d   R e s N e t   to   p r e di c t  d os e   c a ll e d   D e e p Dos e Ne t .   I n   e x pe r i me nts ,   s om e   lo s s   f un c t io ns   w e r e   us e d   a nd   th e   q ua li ty   o f   t ha t  mo de l   w a s   s c o r e d   i n   te r ms   o f   d os e - s c o r e   a n d   d os e - v o lu me   his t o gr a m   ( DV H )   s c o r e .   Z i mm e r m a n n   e t   a l .   [ 1 7 ]   a ppl i e d   one   c yc le   lea r ni ng   t o   the i r   c us to mi z e d   U - N e t   ve r s io n  a n d   a ls o   e x pe r i me n ted   o n   t he   da tas e t   o f   t he   Op e n KB P   c ha ll e n ge .   I n   t ha t  s t ud y ,   s om e   c h a n ge s   we r e   t r i e d   w i th   l os s   f u nc ti ons   a nd   M is h   a c t iva t io n  f un c t io n ,   a n d   a t  th a t  t i me ,   th e i r   r e s ul ts   r a nke d   4 th   a nd   2 nd   r e s pe c t i ve l y   o n   d os e   s c o r e   a n d   DV H   s c o r e   i n   the   Op e nK B P   c ha l leng e .    T h is   pa pe r   is   in te r e s te d   in   th e   r a di a t io n   th e r a p y   d os e   p r e di c t io n   p r o ble m .   I n   d e t a i l ,   we   us e   C T   i ma ge s   o f   p a t ie nts   tr e a ted   w i th   r a d i ot he r a py   i n  ou r   f r a m e w o r k   a nd   a pp ly   t he   d e e p   lea r n i ng   a p p r o a c h .   T h e   r e s ul ts   o f   d e e p - le a r n in g   me th ods   a r e   h ig hl y   r e la te d   to   t he   t r a i n in g   da tas e t ,   in   b o th   q ua n t it y   a nd   q ua li t y .   P a r ti c ul a r l y   f or   m e d ic a l   im a g e s ,   t he r e   a r e   m a n y   c a s e s   wh e r e   i t   is   d if f i c u lt   to   d is t in gu is h   be tw e e n   r e g io ns   o f   in te r n a l   o r g a ns   due   t o   po o r   c on t r a s t   a nd   di f f e r e n t   c on f ig ur a t io ns   of   im a g i ng   mac h ines .   M o r e ov e r ,   m e d ica l   im a ge s   a r e   g e n e r a l ly   m o r e   s c a r c e   th a n   r e gu la r   i ma ge s   d ue   to   p r iv a c y  a nd   s e c u r it y   c o ns tr a i nts .   S o ,   on   th e   on e   ha nd ,   w e   ne e d  n o r m a l iz a t io n   t e c h ni qu e s   t o  r e d uc e   no is e   t o   ge t   n o r m a li z e d   da t a .   On   th e   o the r   h a n d ,   we   a ls o  ha ve   t o   de a l   w i th  t he   s c a r c i ty   of   d a t a   by   a pp ly in g  da ta   a u gm e n ta ti on .   I n   th is   wo r k ,   o u r   s t ud y  a i ms   to   b ui l d  a   d os e   pr e di c t io n  s ys t e m   in   t he   c on te xt   o f   r a d i ot he r a py   t r e a t men t   by   p r o pos i ng   a   f r a m e wo r k   c on ne c ti ng   a l l   tas ks .   F ir s tl y ,   we   d e s i gn e d   a   c u s t om ize d   c on vo lu t io n   n e u r a l   n e t wo r k   f o r   d os e   p r e d ic t io n   a n d   a pp li e d   s om e   p r e p r o c e s s in g   a nd  a ug me nt a t io n   t e c hn iq ue s   to   e nh a nc e   t his   mo de l .   S e c o nd ly ,   we   a na lyz e d   th e   p r e di c te d   r e s ul ts   i n   m a ny   f a c e s ,   u s i ng   s t a n da r d   m e t r ics   s u c h   a s   d os e - s c or e   a n d  DV H - s c o r e ,   v is ua l iz in g  the   pr e d ic te d  r e s ul ts   a n d  c o mp a r in g   t he m  t o   t he   g r ou nd   t r u th   d a t a ,   p r o vi di ng   r u nn i ng   t i me   i n f o r ma ti on .   L a s t ly ,   w e   bu i lt   a   c om p let e   s ys te m  to   s up p or t   3D  r a di ot he r a py   dos e   p r e di c t io n   a nd   vis ua li z e   th e   r e s u lt   i n   di f f e r e nt   d im e ns io ns .       2.   M E T HO D   T h is   s e c t i on   de s c r ib e s   h ow   we   c on du c t e d   ou r   r e s e a r c h   a n d   t he   e x pe r i me nt a l   p r o c e d u r e .   I n s i de ,   w e   w ou l d   p r e s e n t   t he   p r o pos e d   f r a me wo r k   a nd   t he n   d e t a il   t he   c o mp on e n ts   in   t his .   T h e y   i nc lu de   da ta   p r e pr o c e s s in g  a nd   a u gm e n ta ti on   tec hn i que s ,   th e   c us t om   c o nv ol ut io na l   n e u r a l   n e t wo r k ,   a n d   the   dos e   v is u a l iz a t io n   t e c hn i que .     2. 1.     P r op os e d   f r am e wor k   T he   f r a mew or k  include s   the   tr a ini ng   a nd  the  tes ti ng  pha s e s   a s   in  F igur e   1.   T he   tr a ini ng   pha s e   a im s   to  im pr ove   the   qua li ty  o f   the  model   ba s e d  on   the  tr a ini ng   da ta.   I n   thi s   wo r k,   the   tr a ini ng   da ta  incl ude s   C T   im a ge s ,   a nnotate d   inf or mation  a bout  P T Vs   a nd  O AR s .   OA R s   a nd  P T Vs   a r e   mas ks   to  point   out  the  a nnotate d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   &  C omp   E ng ,   Vol .   1 4 ,   No.   5 ,  Oc tober   2 02 4 :   5524 - 5533   5526   r e gions .   S o,   the  input   da ta  ha s   11  c ha nne ls   with   C T   im a ge s ,   OA R s ,   a nd  P T Vs .   T he   inpu t  da ta  would  be   pr e pr oc e s s e d  a nd  a ugmente d  b e f or e   pus hing  to  the  model  in  the  tr a ini ng  tas k.   Dur ing  the  tr a ini ng  p ha s e ,   the  s tate   of   the   model's   we ight s   would   be   e va luate d   a t  e a c h  e poc h   with   s ome   metr ics .   He r e ,   the   dos e   s c or e   a nd   the  DV H  s c or e   a r e   two   indi c a tor s   us e d  f or   s c or ing  the  model's   c he c kpoint s   to  c hoos e   the  be s t  s tate .   T he   tes ti ng  pha s e   a im s   to  the  pr e diction  f unc ti on  of   the  s tudy's   pr oblem  whic h  c a n  be   a ppli e d  in  the  medic a l  s of twa r e   of   r a diot he r a py.   He r e ,   the  input   da ta  a ls o  include s   C T   im a ge s ,   OA R s ,   a nd  P T Vs .   T he   input   da ta  would  be   p r e pr oc e s s e d  a nd  then  pus he d  int o  the  t r a ined  model   to  ge t   the   pr e dicte d  dos e .   T his   dos e   would  be   a ppli e d  to   the  c ons tr a int   a bout  the  va l ue   r a nge   to  ge t  the  f inal  r e s ult .   T his   dos e   a ls o  would  be   dis playe d  a s   a   he a tm a p  to  he lp  pe ople  e a s il y  unde r s tand.           F igur e   1.   T he   pr opos e d  f r a mew or k       2. 2.     Dat a  p r oc e s s in g  t e c h n iq u e s   T he   da ta  us e d  in  thi s   wor k   we r e   C T   im a ge s   of   p a ti e nts   who  ha d  he a d - a nd - ne c k  c a nc e r   a nd  we r e   tr e a ted  by  r a diot he r a py  t r e a tm e nt.   B e f o r e   the  de e p  lea r ning  tas k,   we   tr ied  to   a pply  s ome  da ta   pr oc e s s ing   tec hniques   to  C T   im a ge s .   T his   s tep  would  he lp  nor malize   im a ge   da ta  to  im pr ove   the  f inal  r e s ult s .   I n  c ompar is on  with  nor mal  im a ge s ,   be c a us e   of   the  dif f e r e nc e   be twe e n  c a ptur ing  mac hines ,   C T   im a ge   da ta  ha s   s ome  pa r ti c ular   c ha r a c ter is ti c s .   P ixel   va lues   a r e   r e late d  to   the  mate r ial  o f   c a ptu r e d  objec ts ,   s uc h  a s   b one ,   a nd   high - f a t  ti s s ue s .   T his   inf or mation   is   r e f e r e nc e d  in  Houns f ield  unit s   [ 18] .    F or   a ugmenta ti on ,   in  the  c a s e   of   thi s   s tudy,   the   d a ta  we r e   3D   C T   s c a ns .   I n   C T   im a ge s ,   the  e mpt y   s pa c e   us ua ll y  ge ts   va lues   c los e   to  z e r o.   B e c a us e   we   a r e   only  int e r e s ted  in   the  body   in   the  C T   i mage ,   we   would  a pply  tr a ns f or mations   wi th  t r a ns lation  a nd   f li pping  a nd   no   c ha nge   in   the  s c a le  o f   the   C T   im a g e .   I n   thi s   wa y,   the  3D  c ontent   of   the  human  body   is   s ti ll   p r e s e r ve d.   Anothe r   r e a s on  is   that   the  im a ge - c a ptur ing  pos e   is   f ixed  due   to   medic a l  indi c a ti ons .   T his   mea ns   that  o bjec ts   in  C T   im a ge s   of ten   ha ve   s table   s ize .   T he   f ir s t  tec hnique   is   f li pping:   As   de s c r ibed  in   F i gur e   2,   thi s   tec hnique  will   r otate   im a ge s   r a ndoml y   by  a n  a ngle   e qua li ng  180   de gr e e s .   S o ,   the   im a ge   r e s ult   will   ha ve   a   di f f e r e nt   pos e   ve r s us   or igi n.   I n   t his   c a s e ,   we   c a n  quickly  a pply   thi s   tec hnique   a nd  do   not  ne e d  to  c a lcula te  im a ge   c ontent  a t   ga ps   in  the  c or ne r   r e gions   of   3D  volu me.   T he   s e c ond  is   t r a ns lation:   As   de s c r ibed  in  F igu r e   3 ,   thi s   tec hnique  will   tr a ns late   the  C T   im a ge   with  a   r a ndom   dis plac e ment  a nd  not  los e   a ny   body   pa r ts .   T his   tec hnique  is   a ls o  s im ple  a nd   f a s t  to   pe r f or m.             F igur e   2.   I mage   f li pping   e xa mpl e :  the  o r igi na l  i mage   ( lef t)   a nd  the  f li ppe d  im a ge   ( r ight )     F igur e   3.   I mage   tr a ns lation  e xa mpl e :  the   or igi na l   im a ge   ( lef t)   a nd  the   tr a ns late d  im a ge   ( r ight )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   &  C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         A   fr ame w or k   for   3D  r adiot he r apy   dos e   pr e diction   us ing  the  de e p   lear ning   appr oac h   ( L am  T hanh   Hi e n )   5527   2. 3.     T h e   c u s t om   c on volu t ion al  n e u r al  n e t wor k     I n  th is   wor k ,   we   de s igned   a n   a r c hit e c tur e   that   is   i ns pir e d  by   the   s tudy  o f   R onne be r ge r   e t   al .   [ 19 ]   in   2015.   W e   a ls o  us e d  a   r e s idual  block   pr e s e nted  by  He   e t   al .   [ 20 ]   in   thei r   a r c hit e c tu r e   f o r   th e   im a ge   c las s if ica ti on  pr oblem.   F ig u r e   4   s hows   the  de s ign  of   a   r e s idual  block.   I n  thi s   wor k,   the  s tr uc tu r e   ha s   two  pa r ts   a s   de s c r ib e d  in  F igur e   5.   T he   f i r s t  is   the  down - s a mpl ing  pa r t  a nd  the  s e c ond  is   the  up - s a mpl ing  pa r t .   I n   thi s   a r c hit e c tur e ,   r e s idual  blocks   would   be   us e d  in   both  pa r ts .   I n   F igur e   5,   the  input   da ta  is   a t  the  be ginni ng  of   the   down - s a mpl ing  pa r t  a s   de s c r ibed  on  the  lef t - top  s ide,   a nd  the  output   da ta  is   a t  the  e nd   of   the  up - s a mpl ing  pa r t  a s   de s c r ibed  on  the  r ight - top  s ide.   T he   s ize   of   the  input   da ta  is   128× 128× 128× 11.   T he   f ir s t  thr e e   number s   a r e   the  s ize   of   the  C T   input   im a ge   a nd  the  las t  number   is   the  a mount   of   c ha nne ls .   Among  the  11  c ha nne ls ,   the r e   is   one   c ha nne l  f o r   the  C T   input   im a ge ,   s e ve n  c ha nne ls   f or   OA R s ,   a nd  th r e e   c ha nne ls   f or   P T Vs .   R e s idual  blocks   a r e   de s igned  of   two   c onvolut ion  laye r s .   E a c h  laye r   ha s   the  s a me  3× 3× 3  s li ding  window  s ize ,   1  s tr ide,   a nd  a ls o  is   pa dde d  to  ke e p  s ize .   L e a kyR e L U  f unc ti ons   a r e   s e t  f oll owing  c onvolut ion  laye r s .   B e s ides ,   in  the  up - s a mpl ing   pa r t,   a   de c onvolut ion  laye r   is   us e d  a f ter   e a c h  r e s idual  b lock.   T he   e nd  o f   the   a r c hit e c tur e   is   a dde d  with   a   R e L U   f unc ti on.   T his   f unc ti on   he lps   ke e p  e a c h  pixel  f r om   ne ga ti ve   va lues   be c a us e   of   the  mea ning  of   r a diati on  dos e s .   At  las t,   the  ou tput   da ta  s ize   is   128× 128× 128.           F igur e   4 .  R e s idual  block           F igur e   5 .  Our   c us tom   C NN   a r c hit e c tur e       2. 4.     Dos e   vis u ali z at ion     I n  thi s   wo r k,   the  output   dos e   is   in   3D  r a s ter   f o r m a t.   T hus ,   a ll   r e s ult s   would  be   dis playe d  a s   im a ge s   of   e a c h  s li c e .   B e c a us e   the  C T   im a ge   ha s   one   c ha n ne l,   the  dis playe d  im a ge   is   gr a ys c a le.   B ut  human  vis ion  is   not  s e ns it ive  to  the  c ha nge s   in  gr a y  leve ls ,   we   o f ten  dis ti nguis h  we ll   in  c olor s .   S o,   we   us e   the  c olor map  tec hnique  to  e nha nc e   the  view   o f   the  r e s ult s .   I n  im pleme ntation,   the  256 - c olor   look - up  table   is   a ppli e d  to  dis playe d  im a ge s .   E a c h  dos e   da ta  s li c e   ne e ds   to  be   tr a ns f or med   int o   the   g r a ys c a le  to  be   a ble  to   a pply   the   c olor map   tec hnique.   I n   the   e xpe r i ment,   we   c ode d  thi s   modul e   with  the  s uppor t   of   M a tpl otl ib   [ 21] .   M a tpl otl ib  is   the  P y thon  l ibr a r y   that   s uppor ts   s ome  opti ons   of   c olor maps .   An  e xa mpl e   o f   dos e   vis ua li z a ti on  wa s   de s c r ibed  in  F ig ur e   6.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   &  C omp   E ng ,   Vol .   1 4 ,   No.   5 ,  Oc tober   2 02 4 :   5524 - 5533   5528       F igur e   6 .  Dos e   vis ua li z a ti on  of   a n  e xa mpl e   in   the  d a tas e t:   the  C T   da ta  ( le f t) ,   the   vis ua li z a ti on  r e s ult   ( r i ght)       3.   RE S UL T S   AN D  DI S CU S S I ON   3. 1.       E xp e r im e n t   s e t u p     3. 1. 1.   Dat as e t     T he   da tas e t  us e d  in   our   wor k   wa s   c oll e c ted  f r om   340  pa ti e nts   who  ha d   he a d - a nd - ne c k  c a nc e r   a nd  we r e   tr e a ted  by  r a diot he r a py  t r e a tm e nt.   T his   da ta  ha s   a   s our c e   f r om  the  ope n - a c c e s s   da tab a s e   T C I A.   T C I A   c ontains   medic a l  im a ge s   s uppor ti ng  c a nc e r   r e s e a r c h  a nd  be longs   to   the  Unive r s it y   of   Ar ka ns a s .   T h e   a uthor s   pus he d  a ll   da ta  int o  the  da ta - c lea ning  s tep.   E a c h  pa ti e nt's   dos e   inf luenc e   matr ix  wa s   obtaine d  us in g  6  M V  s tep - a nd - s hoot  int e ns it y  modul a ted  r a diation  the r a py  ( I M R T ) .   T his   tas k  wa s   c onduc ted  with   e q uis pa c e d   c oplana r   f ields   a t  0°,   40°,   80° ,   120° ,   160°,   200° ,   2 40°,   280°,   a nd  320° .   All  f ields   we r e   divi de d  int o  5 × 5   mm  be a ml e ts .   T he   Ope nKB P   c ha ll e nge   o r ga nize d  thi s   da ta  f o r   the  c ompetit ion .   S o,   the   da tas e t  wa s   o r ga nize d  with  the   tr a ini ng   s e t,   the   tes ti ng  s e t   a nd   the  va li d a ti on  s e t  with   s ize s   of   200 ,   40,   a nd   100   r e s pe c ti ve ly.   E a c h   pa ti e nt's   r e c or d  include s   a   C T   im a ge   with   a   s ize   o f   128× 128× 128,   a nnotations   f o r   o r ga ns   a t  r is k,   a n notations   f or   planning  tar ge t  volum e s ,   a nd  inf o r mation  a b out  the  tr e a ted  r a diot he r a py  dos e   dis tr ibut ion.   I n  de tail,   or ga ns   a t  r is k  c ons is t  s pinal  c or d,   br a in  s tem,   lef t   pa r oti d  gland ,   r ight   pa r ot id  gland,   lar ynx ,   mandi ble,   a nd   e s opha gus .   P lanning  tar ge t  volum e s   c ons is t  of   5 6  Gy,   63  Gy,   a nd  70  Gy  r e gions .   F ig ur e   7  s ho ws   a   da ta   s a mpl e   in  thi s   da tas e t.           F i gu r e   7 .  D a t a   e x a m pl e :   C T   i mag e   ( l e f t ) ,   t a r ge t   r e gio ns   vis ua li z a t i on   ( mi dd le ) ,   a nd   dos e   v is u a l iza t io n   ( r i g ht )       3. 1. 2.   E valu at io n   m e t r ics   T o  e va luate   r e s ult s ,   we   ne e d   metr ics .   T his   e xpe r i ment  us e d  the  DV H - s c or e   a nd  the   dos e - s c or e   to  a na lyze   the  dos e - pr e dicte d  r e s ult s .   All  metr ics   a r e   c a lcula ted  be twe e n  the  tr ue   dos e   a nd  the   pr e dicte d  dos e .     T he   dos e - s c or e   is   c a lcula ted  u s ing  the  volum e   of   int e r e s t  r e c e ivi ng  r a diation  ther a py  with  the  mea n  of   the  a bs olut e   dif f e r e nc e   be twe e n  the  tr ue   va l ue   a nd  the  pr e dicte d  va lue.   T he   dos e - s c or e   ne e ds   to  be   c a lcula ted  in  e a c h  voxe l.   T he   f o r mul a   o f   the   dos e - s c or e   is   de s c r ibed  a s   ( 1) :     α p =   ‖ s P − s ̂ P ‖ 1 | v P |   ( 1)     T he   s c or e   α p   is   c a lcula ted  f or   pa ti e nt  p.   I n   de tail,   pa ti e nt  p  ha s   the  volum e   tr e a ted  r a diot he r a py  v P   with  the   s ize   of   | v P | .   About  dos e s ,   s P   is   the  pr e dicte d   dos e ,   a nd  la s tl y,   s ̂ P   is   the  tr ue   dos e .     T he   DV H  s c or e   is   c a lcula ted  a s   the  a bs olut e   dis tanc e   be twe e n  the  DV H  va lues   of   the  tr ue   dos e   a nd  the  pr e dicte d  dos e .   F or   OA R ,   the  tas k  is   to   e s ti mate   the  dos e   a ve r a ge   a nd  the   dos e   maxi mi z a ti on  c or r e s ponding  to  or ga ns .   S im il a r ly ,   f or   P T V,   the   tas k  is   to  e s ti mate   the  dos e   c or r e s ponding  to   th e   tar ge t  volum e s   a t  1  pe r c e nt,   95  pe r c e nt,   a nd   99  pe r c e nt  r a tes .   T he   DV H - s c or e   is   c a lcula ted  a s   ( 2) :     β P = ‖ D ( s P ) − D ( s ̂ p ) ‖ 1   ( 2)     T he   s c or e   β P   is   c a lcula ted  f or   pa ti e nt  p.   About  the  pr e dicte d  r e s ult ,   s P   is   the  pr e dicte d  dos e   with  D ( s P )   is   the  DV H  va lue  of   s P .   About   the  g r ound  tr u th,   s ̂ p   is   the  tr ue   dos e   a nd  D ( s ̂ p )   is   the  DV H  va lue  of   s ̂ p .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   &  C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         A   fr ame w or k   for   3D  r adiot he r apy   dos e   pr e diction   us ing  the  de e p   lear ning   appr oac h   ( L am  T hanh   Hi e n )   5529   3. 1. 3.   T r ain in g   c on f igu r at io n   I nput  da ta  c ons is ts   of   11  c ha nne ls   with  e a c h  c ha n ne l  mea s ur ing  128× 128× 128,   a nd  the  output   da ta   s ize   is   128× 128× 128× 1.   F or   input ,   the  f i r s t  c ha nne l  is   a   C T   im a ge ,   the  ne xt   7  c ha nne ls   c ontain  OA R   inf or mation,   a nd  the  las t  3   c ha nne ls   c ontain  P T V   inf or mation .   T r a ini ng  tas k  wa s   c onduc ted  us ing  Ada m's   a lgor it hm  [ 22 ] .   Our   s tudy  wa s   im pleme nted   in   P ython  langua ge   a nd  us ing   the  de e p - lea r ning  platf or m   T e ns or F low   [ 23 ] .   T he   e xpe r im e nt   s of twa r e   r u n  on   both  the  Google   C olab  s ys tem  [ 24 ]   a nd   the   Ka ggle  s ys tem  [ 25] ,   whic h  a r e   s uppor ted   by  the  c omput a ti on   pow e r   of   NV I DI A   gr a phics   p r oc e s s ing  unit s   ( GPUs ) .   T he   los s   f unc ti on  is   the  mea n  o f   a bs olut e   e r r or .   I ns ide,   we   s e t  up  the   lea r ning   r a te   by  1 − 3 ,   the  de c a y  by   1 − 4 ,   the   mom e ntum   β 1  by  0. 9,   a nd  the  mom e ntum   β 2  by  0. 99.   T he   f o r mul a   of   the  mea n  a bs olut e   e r r or   los s   f u nc ti on  is   c a lcula ted  a s   ( 3) :     L = 1 n ∑ | y i − y ̂ i | n i = 1   ( 3)     I n  whic h,     is   the  number   o f   s a mpl e s ,     is   the  p r e dict e d  dos e ,   a nd  ̂   is   the  tr ue   dos e   of   s a mpl e   .   I n  the   e xpe r im e nt ,   we   de s ign   one   mo r e   c a s e   o f   m ode l  tr a ini ng   to   c lar i f y   the   e f f e c t   of   pr e pr oc e s s ing  a nd  a ugmenta ti on  tec hniques .   T his   c a s e   us e d  or igi na l  da ta,   whic h  ha d  no   a ugmenta ti on  a nd  pr e pr oc e s s ing.   T he   de tail  wa s   de s c r ibed  in  T a ble  1 .   I n   our   hypot he s is ,   the  r e s ult s   f r om   c a s e   2  s hould  be   be tt e r   tha n  c a s e   1.   T he   r e s ult   f igur e s   would   be   the  e videnc e   p r ovi ng  the  e f f e c t  o f   p r e pr oc e s s ing  a nd  a ugmenta ti o n  in   the  e xpe r im e nt.   F or   tr a ini ng  a nd  s c or ing  the  model ,   we   us e d  the  tr a ini ng  s e t  with  200  volum e   s a mpl e s   a nd  the   tes ti ng  s e t  with  100  volum e   s a mpl e s .       T a ble  1 .  T wo   c a s e s   of   model  tr a ini ng   T r a in in g c a s e   D e s c r ip ti on   1   U s in g a n or ig in a l  da ta s e t   2   U s in g a  da ta s e t  w hi c h w a s  a ppl ie d a ugme nt a ti on a nd pr e pr oc e s s in g       3. 2.     Re s u lt   an d   e valu a t ion   T o  be gin   with,   we   inves ti ga ted  the   tr a ini ng   r e s ult s   of   two  c a s e s   in  thi s   s tudy .   T he   li ne   gr a phs   of   the   los s   f unc ti ons   a r e   pr e s e nted  in  F igur e   8.   I n  ge n e r a l,   the  tr a ini ng  los s e s   we r e   r e duc e d  dur ing  the  tr a ini ng  pe r iod.   I n  c a s e   2,   the  los s   va lue  wa s   0. 607552  a t   th e   f ir s t  e poc h,   de c r e a s e d  to  0. 316148   a t  the   thi r d   e poc h,   a nd   c onti nue d  to  de c li ne   a t  a   lowe r   r a te.   T he   tr a ini ng  l os s   va lue  in  c a s e   1  wa s   a ls o  r e duc e d  but  it   ha d  s o me  s mall  f luctua ti ons   in  the  li ne   gr a ph.   S pe c if ica ll y ,   the  lo we s t  va lue  a lwa y s   be longed  to  the  los s   va lu e   of   c a s e   2.   I t  r e f lec ts   our   theor e ti c a l   hypothes is   be c a us e   in  c a s e   2,   the   model   wa s   tr a ined   with   be tt e r   tr a ini ng   da t a ,   whic h   wa s   pe r f or med  pr e p r oc e s s ing  a nd  a ugmenting.           F igur e   8.   T he   tr a ini ng   r e s ult s   of   two  c a s e s       T he   ne xt  tas k  is   to   e va luate   the  tr a ined  models   in   tr a ini ng   c a s e s .   T he   de tailed  r e s ult s   a r e   s hown  in   T a ble  2.   T o  do  th is ,   we   us e d  a   100 - s a mpl e   tes t  s e t  a nd  2  mea s ur e s   of   DV H - s c or e   a nd  do s e - s c or e .   E a s y  to  s e e ,   c a s e   1  is   wor s e   than  c a s e   2  in  both  mea s ur e s .   About  DV H - s c or e ,   thi s   s c or e   in  c a s e   1  is   18. 931728   while  in  c a s e   2  is   2. 011907.   About  dos e - s c or e ,   thi s   s c or e   in  c a s e   1  is   11 . 307606   while  in   c a s e   2  is   3. 111 332.   All   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   &  C omp   E ng ,   Vol .   1 4 ,   No.   5 ,  Oc tober   2 02 4 :   5524 - 5533   5530   f igur e s   point e d   out   that  the   r e s ult   in  c a s e   2   is   be tt e r   than   the  r e s ult s   in  c a s e   1 .   T his   c onc lus ion  a ls o   c onf or ms   to  our   hypo thes is   whe n  s e tt ing  up  tr a ini ng   c a s e s .       T a ble  2.   E va luation   of   two  c a s e s   in  the  tes ti ng  pha s e     T r a in in g c a s e   D os e - s c or e   DVH - s c or e   1   11.307606   18.931728   2   3.111332   2.011907       T o  ge t   c lea r e r ,   we   c onduc ted  a n   a na lys is   of   the   pr e dicte d  r e s ult   in   one   s a mpl e .   I n  de tail ,   the  a na lys is   wa s   pe r f or med  on  the  r e s ult   of   ou r   c us tom   mode l  that  wa s   tr a ined  with  p r e pr oc e s s e d  a nd  a ugmente d  da ta,   whic h  mea ns   c a s e   2.   T he   r a ndoml y   c hos e n  s a mp le  is   s a mpl e   258  in  the  da tas e t.   T he   c or r e s pondi ng  dos e - s c or e   is   2. 592035  a nd  the   c or r e s ponding  DV H - s c or e   is   1. 805577 .   W e   f oc us e d  on  the  vis ua li z a ti on  of   the   pr e dicte d  r e s ult .   And  be c a us e   the  input   da ta   is   C T   s li c e s   a nd  the  output   is   the  3D  volum e   o f   dos e s ,   w e   would  a na lyze   whe n  view ing  s li c e s   of   da ta.   B y  us ing  vis ua li z a ti on  a s   mentioned  in  s ub s e c ti on  2. 4,   we   would  obs e r ve   e a c h  s li c e   of   pr e dicte d  dos e   a s   a   he a tm a p,   a s   dis playe d  in  F igur e   9 .   I n  F igur e   9,   the  higher   r a diation  dos e   int e ns it y   would  c or r e s pond  to   the  br igh ter   c olor   in  the   he a tm a p,   a nd  a ls o   vice   ve r s a .   I n   thi s   wa y,   we   c a n   obs e r ve   the  dis tr ibut ion   of   r a diation   dos e   di r e c tl y  with  our   e ye s .   T he   ne xt  tas k  is   to  r e pr e s e nt  the  c ompar is on  be twe e n  the  tr ue   dos e   a nd  the  pr e dicte d  dos e ,   a s   de s c r ibed   in  F igur e   10.           F igur e   9 .  T h r e e   view s   of   the  pr e diction   r e s ult   o f   s a mpl e   258:  the   C T   im a ge s   ( f ir s t  r ow)   a nd   the  dos e   vis ua li z a ti ons   ( s e c ond  r ow)           F igur e   10:   T he   c ompar is on  of   the  pr e diction   r e s ult s   with  the  gr ound   tr uth   da ta  o f   s a mpl e   258:   the  gr o und  tr uth   ( lef t) ,   the   pr e dicte d  dos e   ( mi dd le) ,   a nd  the  d if f e r e nc e   im a ge   ( r ight )       I n  F ig u r e   10 ,   the  f ir s t  two  c olum ns   a r e   the   pr e dicte d  dos e s   a nd  the   tr ue   dos e s   whic h  a r e   dis playe d  a s   he a tm a ps .   T he   las t  c olum n  is   the  dif f e r e nc e   im a ge s   be twe e n  the  pr e dicte d  dos e s   a nd  the  tr ue   dos e s .   E a c h  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   &  C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         A   fr ame w or k   for   3D  r adiot he r apy   dos e   pr e diction   us ing  the  de e p   lear ning   appr oac h   ( L am  T hanh   Hi e n )   5531   dif f e r e nc e   im a ge   is   c ompu ted  by   s ubtr a c ti ng   the   c or r e s ponding  pr e dicte d   dos e   f r om   the  c o r r e s ponding  tr ue   dos e   a nd  ge tt ing  the   a bs olut e   va lue  of   the   s ubtr a c ti on  r e s ult .   T he   dif f e r e nc e   im a ge s   a r e   a ls o  s hown  a s   he a tm a ps   a nd  e a s il y  to  s e e ,   va lues   of   pixels   in  the  dif f e r e nc e   im a ge s   a r e   low  ove r   the  major it y   of   the  a r e a .   About  the  c ompar is on  of   c a s e   1  a nd  c a s e   2,   we   a ls o  pr e s e nt  in  F ig ur e   11 .           F igur e   11 .  T he   c ompar is on  be twe e n  c a s e s   of   s a mpl e   258:  c a s e   1  ( le f t)   a nd  c a s e   2  ( r ight ) ,   e a c h  c olum n  include s   the  pr e dicte d  dos e   vis ua li z a ti on  a nd  the  di f f e r e nc e   im a ge       I n  F ig u r e   11 ,   we   obs e r ve   the  pr e dicte d   dos e s   in  t he   f ir s t  r ow  a nd   the  di f f e r e nc e   im a ge s ,   whic h  a r e   the  r e s ult   of   a   c ompar is on  be twe e n  the  p r e dicte d  dos e s   to  the  gr ound  tr uth   in  the  s e c ond  r ow.   I n  de tail,   inf or mation   a bout  c a s e   1   is   p r e s e nted  in  the  f ir s t   c olum n   a nd  in f or mation   a bout   c a s e   2  is   p r e s e nted  in  the  s e c ond  c olum n.   W he n  obs e r ving   the  s e c ond  r ow,   we   c a n  s e e   that   c a s e   2  is   be tt e r   than  c a s e   1   be c a us e   the  dif f e r e nc e   im a ge   in  c a s e   2  ha s   lowe r   int e ns it y  tha n  c a s e   1  in  ge ne r a l .   T he   ne xt   tas k  is   the   inf or mati on  on  the   r unning  ti me  a s   de s c r ibed  in  T a ble  3.   I n  de tail,   w e   pr e s e nted  the  r unning  ti me  of   one   e poc h  in  the  tr a ini ng   pha s e   a nd  the  r unning  ti me   of   one   s a mpl e   pr e dict ion.   About  p r e diction,   we   s uppli e d  ti me  in f or mati on  whe n  r unning  in   both  the   GPU  mac hine  a nd   the  c e ntr a l  p r oc e s s ing  unit   ( C P U )   mac hine.   T o  e s ti mate   the   r unning   ti me   in   c a s e s ,   we   us e d  th e   Google   C olab   platf o r m   s uppor ted  by   T e s la  K80   GPU  a nd  our   pe r s ona l  laptop  with  the  s im ple  c onf igur a ti on  o f   I ntel   I 5   with  1 . 60  GH z .   As   pr e s e nted  in   T a ble  3,   the  r unning   ti me  in   the  C P U  mac hine   is   not  long  a nd   it   is   a c c e ptable   in  ou r   r e a l   te s t.   T his   inf or mation   is   he lpf ul   f or   us   be c a us e   GPU  mac hines   a r e   r a ther   e xpe ns ive  a nd  no t  e a s y  to   be   r e a dy  f or   de ploym e nt  in   ge ne r a l.   Anothe r   e s ti mation   is   the  c ompar is on   with   the  r e s ult   o f   De e pDos e Ne t  in  t he   s tudy   [ 16] .   I n  that  r e s e a r c h,   the  a uthor s   e xpe r im e nted  with  s ome  dif f e r e nt  los s   f unc ti ons .   I n  thi s   s tudy,   we   pe r f or med   a   c ompar is on  be twe e n   our   r e s ult   in   c a s e   2  with   the  r e s ult   o f   De e pDos e Ne t  in  the   s a me  c ontext   e xpe r im e nt  of   the  los s   f unc ti on  -   the   mea n  a bs olut e   e r r or   los s .   All  de tails   a r e   s hown  in  T a ble  4 .       T a ble  3 .  R unning  ti me   inf or mat ion    C a s e   M a c hi ne   A ppr oxi ma te  t im e   O ne  e poc h t r a in in g of  c a s e  1   G P U   10.37 mi nut e s   O ne  e poc h t r a in in g of  c a s e  2   G P U   30.45 mi nut e s   P r e di c ti ng one  s a mpl e  of  c a s e  2   G P U   1.24 s e c ond   P r e di c ti ng one  s a mpl e  of  c a s e  2   C P U   11.15 s e c onds       T a ble  4.   C ompar is on  with  the   De e pDos e Ne t  in  c a s e   of   the   s a me  los s   f unc ti on   M ode l   D os e - s c or e   DVH - s c or e   O ur  mode l  ( c a s e  2)   3.111332   2.011907   T he   D e e p D os e N e t   3.5   2.3       F r om   the  theo r y  o f   the   De e pDos e Ne t,   S oomr o   e t   al.   [ 1 6 ]   a ls o  a ppli e d   the  r e s idual  blocks .   How e ve r ,   our   model   wa s   de s igned   with   mor e   laye r s .   I n   a dd it ion,   S oomr o   e t   al .   [ 1 6 ]   did  not   pe r f o r m   a ugmenting  da ta   a nd  they   a ls o  did   not   talk   a bout   pr e pr oc e s s ing  da t a .   F inally,   we   buil t   a   medic a l  s ys tem  f or   pr e dictin g  dos e   a s   de s c r ibed  in  F igur e   12 .   T his   s of twa r e   would   outp ut  the  dos e   pr e diction   a nd  dis play  it   a s   a   he a tm a p  on  the   a ppli c a ti on  c a nva s .   B e s ides ,   we   a ls o  s uppor t  view ing  dos e   da ta  in  di f f e r e nt   dim e ns ions .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   &  C omp   E ng ,   Vol .   1 4 ,   No.   5 ,  Oc tober   2 02 4 :   5524 - 5533   5532       F igur e   12 .   T he   a ppli c a ti on  int e r f a c e s         4.   CONC L USI ON   C a nc e r   is   a   da nge r ous   dis e a s e   s o  r e quir e s   a   lot   o f   a tt e mpt s   to   pr e ve nt   it .   One   of   the   lea ding   c a nc e r   tr e a tm e nts   is   r a diot he r a py  whic h   a ppli e s   r a diati on  ther a py   be a ms   to   e li mi na te   c a nc e r   c e ll s .   T h is   s tudy  inves ti ga ted  the  a pplyi ng   of   the   de e p  lea r n ing  a pp r oa c h  to  r a diot he r a py   dos e   pr e diction .   W e   f ound   th a t  it   wa s   ne c e s s a r y  f or   s uit a ble  de e p  a r c hit e c tur e   a nd  da ta - pr oc e s s ing  tec hniques .   T he   pr opos e d  method  in  t his   s tudy  us e s   a   ne twor k  a r c hit e c tur e   f or   3D  dos e   pr e d iction  ba s e d  on  R e s - U - N e t  3D  a nd  pr e p r oc e s s ing  a nd   a ugmenta ti on  tec hniques   ba s e d  on  a na lys is   of   da ta  c ha r a c ter is ti c s .   Our   s tudy  de mons tr a tes   the  pe r f or manc e   whe n  c ompar e d  to   the   De e pDos e Ne t  s tudy  whic h   doe s   not  a pply   da ta - pr oc e s s ing  tec hniques .   L a s tl y,   we   a ls o   de ve loped  the  3D   dos e   pr e diction   a ppli c a ti on   s uppor ti ng  dos e   vis ua li z a ti on.   T his   pa pe r   obtain e d  s ome  s uc c e s s   but  to  be   a ble  to  bu il d  a   medic a l   int e ll ige nt  s ys tem  that  c a n  wor k  e f f e c ti ve ly  in  r e a li ty,   we   a ls o  ha ve   to  do  a   lot   of   wor k.   T he   s uc c e s s   of   thi s   wor k   is   o ne   of   the  f i r s t  s teps   in   our   wa y  of   pr e ve nti ng   c a nc e r   in   the   int e ll igent  medic a l  indus tr y .       AC KNOWL E DGE M E NT S   T he   r e s e a r c h  c ontent   in  thi s   pa pe r   is   s pons or e d  by  the  I ns ti tut e   of   I nf or mation   T e c hnology   ( Vie t   Na m  Ac a de my  of   S c ienc e   a nd  T e c hnology)   unde r   the  pr ojec t  c ode   “ C S 24. 01” .       RE F E RE NC E S   [ 1]   W H O ,  “ C a nc e r ,”   W or ld   H e al th   O r gani z at io n ,   2022.  ht tp s :/ /w w w .w ho.i nt /n e w s - r oom/ f a c t - s he e ts /d e ta il /c a n c e r   ( a c c e s s e d  D e c .  12,  2023) .   [ 2]   W H O ,   “ C a nc e r   to d a y , ”   W o r l d  H e al t h  O r g an iz at io n ,   ht tp s :/ / g c o .i a r c .f r /t od a y/ d a ta /f a c t s h e e t s / po pu l a ti on s /7 04 - vi e t - n a m - f a c t - s h e e t s .p df   ( a c c e s s e d  D e c .  1 2,  2 02 3) .   [ 3]   S .  G ia nf a ld oni ,   R .  G ia nf a ld oni ,  U .  W ol l in a ,  J .  L ot ti ,  G .  T c he r ne v,  a nd  T .  L ot ti ,  “ A n  ove r vi e w   on  r a di ot he r a py:   f r om  it s   hi s to r y  to   it s   c ur r e nt   a ppl ic a ti ons   in   de r ma to lo gy,”   O pe n  A c c e s s   M ac e do ni an  J our nal   of   M e di c al   Sc ie nc e s ,  vol .   5,  no.  4,   pp.  521 – 525,  J ul .   2017, doi:  10.3889/oamjm s .2017.122.   [ 4]   C .  M c I nt os h  a nd  T .  G .  P ur di e ,  “ C ont e xt ua l  a tl a s   r e gr e s s io n   f or e s ts :  mul ti pl e - a tl a s - ba s e d   a ut oma te d  do s e   pr e di c ti on  in   r a di a ti on   th e r a py,”   I E E E   T r ans ac ti ons  on M e di c al  I m agi ng , vol . 35, no. 4, pp. 1000 – 1012, Apr . 2016, doi:  10.1109/T M I .2015.2505188.   [ 5]   P . Z hou  e t  al . , “ S uppor t  ve c to r  ma c hi ne  mode l  pr e di c ts  dos e  f or  or ga ns  a t  r is k i n hi gh - dos e  r a te  br a c hyt he r a py of  c e r vi c a l  c a nc e r ,”   F r ont ie r s  i n O nc ol ogy , vol . 11,  J ul . 2021, doi:  10.3389/f onc .2021.619384.   [ 6]   P .  F ur ta do,   “ M a gne ti c   r e s ona nc e   s e que nc e s :  e xpe r im e nt a l  a s s e s s me nt   of   a c hi e ve me nt s   a nd  li mi ta ti ons ,”   J our nal   of   A dv anc e s   in   I nf or m at io n T e c hnol ogy , vol . 12, no. 1, pp. 66 – 70, 2021, doi:  10.12720/j a it .12.1.66 - 70.   [ 7]   Y .  C he n,  W .  D u,  X .  D ua n,   Y .  M a ,  a nd  H .  Z ha ng,  “ S que e z e - a nd - e xc it a ti on  c onvolut io na l  ne ur a l  ne twor k  f or   c la s s if ic a ti o n  of   ma li gna nt   a nd  be ni gn  lu ng  nodule s ,”   J ou r nal   of   A dv anc e s   in   I nf or m at io n  T e c hnol ogy ,  vol .  12,  no.  2,  pp.  153 – 158,  2021,  doi :   10.12720/j a it .12.2.153 - 158.   [ 8]   H .  M .   T oa n,  L .  T .   H ie n,  N .  D .   V in h,  a nd  D .  N .   T oa n,  “ D e te c ti ng  tu be r c ul os is   f r om  V ie tn a me s e   X - R a y  im a gi ng  us in g  tr a ns f e r   le a r ni ng a ppr oa c h,”   C om put e r s , M at e r ia ls  &  C ont in ua , vol . 74, no. 3, pp. 5001 – 5016, 2023, doi:  10.32604/cmc .2023.033429.   [ 9]   P r a ba ka r a n  a nd  P .  S e lv a r a j,   “ A dva nc e   I oT   in te ll ig e nt   he a lt hc a r e   s ys te m  f or   lu ng  d is e a s e   c la s s if ic a ti on  us in g  e ns e mbl e   te c hni que s ,”   C om put e r  Sy s te m s  Sc ie nc e  and E ngi ne e r in g , vol .  46, no. 2, pp. 2141 – 2157, 2023, doi:  10.32604/cs s e .2023.03421 0.   [ 10]   H .  A lq ur a n  e t  al . ,  “ L iv e r   tu mo r   de c is io n  s uppor t  s ys te m  on  huma n  ma gne ti c   r e s ona nc e   im a ge s :  a   c ompa r a ti ve   s tu dy,”   C om p ut e r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   &  C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         A   fr ame w or k   for   3D  r adiot he r apy   dos e   pr e diction   us ing  the  de e p   lear ning   appr oac h   ( L am  T hanh   Hi e n )   5533   Sy s te m s  S c ie nc e  and E ngi ne e r in g , vol . 46, no. 2, pp. 1653 – 1671, 2023, doi:  10.32604/cs s e .2023.033861.   [ 11]   Y .  L iu   e t  al . ,   “ D os e   pr e di c ti on  us in g  a   th r e e - di me ns io na l  c onvolut io na l  ne ur a l  ne twor k  f o r   na s opha r ynge a l  c a r c in oma   w it h  to mot he r a py,”   F r ont ie r s  i n O nc ol ogy , vol . 11, Nov. 2021, doi:   10.3389/f onc .2021.752007.   [ 12]   S . H . A hn   e t  al . , “ D e e p l e a r ni ng  me th od f o r  p r e di c ti on of  pa ti e nt - s pe c if ic  dos e  di s tr ib ut io n i n  br e a s t  c a nc e r ,”   R adi at io n  O nc ol ogy ,  vol . 16, no. 1, De c . 2021, doi:  10.1186/s 13014 - 021 - 01864 - 9.   [ 13]   A .  B a bi e r ,  R .  M a hmood,  A .  L .  M c N iv e n,   A .  D ia m a nt ,  a nd  T .  C .  Y .   C ha n,   “ K now le dge ‐ ba s e d  a ut oma te d  pl a nni ng   w it h  th r e e ‐ di me ns io na l  ge ne r a ti ve  a dve r s a r ia l  ne twor ks ,”   M e di c al  P hy s ic s , vol . 47, no. 2, pp. 297 – 306, F e b. 2020, doi:  10.1002/m p.1389 6.   [ 14]   M .  P .  G r onbe r g,  S .  S .   G a y,  T .  J .  N e th e r to n,  D .  J .  R he e ,  L .   E .  C our t,   a nd  C .  E .  C a r de na s ,  “ D os e   pr e di c ti on  f or   he a d  a nd  n e c k   r a di ot he r a py  us in g  a   th r e e ‐ di me ns io na l  de ns e   di la te d  U ‐ N e t  a r c hi te c tu r e ,”   M e di c al   P hy s ic s ,  vol .  48,  no.  9,   pp.  5567 – 5573,  S e p.   2021, doi:  10.1002/m p.14827.   [ 15]   A .  B a bi e r   e t  al . ,  “ O pe nK B P :  th e   ope n‐ a c c e s s   knowle dg e ‐ ba s e d  pl a nni ng  gr a nd  c ha ll e nge   a nd  da ta s e t, ”   M e di c al   P hy s ic s ,  vol .   48,  no. 9, pp. 5549 – 5561, S e p. 2021, doi:  10.1002/m p.14845.   [ 16]   M .  H .  S oomr o,  V .  G .  L .  A lv e s ,  H .  N our z a de h,  a nd J .  V .  S ie be r s ,  “ D e e pD o s e N e t:   a   de e p  le a r ni ng  mode l  f or   3D   dos e   pr e di c ti o n  in   r a di a ti on t he r a py,”   ar X iv  pr e pr in t  a r X iv : 2111.00077 , 2021.   [ 17]   L .  Z im me r ma nn,  E .  F a us tm a nn,  C .   R a m s l,   D .   G e or g,  a nd  G .  H e il e ma nn,  “ D o s e   pr e di c ti on  f or   r a di a ti on  th e r a py   us in g  f e a tu r e ‐ ba s e d l os s e s   a nd one  c yc le  l e a r ni ng,”   M e di c al  P hy s ic s , vol . 48,  no. 9, pp. 5562 – 5566, S e p. 2021, doi:  10.1002/m p.14774.   [ 18]   R a di opa e di a , “ H oun s f ie ld  uni t, ”   R adi opae di a ,   2024. htt ps :/ /r a di opa e di a .or g/ a r ti c le s /h ouns f ie ld - uni t  ( a c c e s s e d F e b. 19, 2024) .   [ 19]   O .  R onne be r ge r ,  P .  F is c h e r ,  a nd T .  B r ox,  “ U - N e t:  c onvolut io na l  ne twor ks   f or   bi ome di c a l  im a ge  s e gme nt a ti on,”   in   M e di c al   I m age   C om put in g and C om put e r - A s s i s te d I nt e r v e nt io n  –   M I C C A I  2015 , 2015, pp. 234 – 241.   [ 20]   K .  H e ,  X .  Z ha ng,  S .  R e n,  a nd  J .  S un,  “ D e e p  r e s id ua l  le a r ni n g  f or   im a ge   r e c ogni ti on,”   P r oc e e di ngs   of   th e   I E E E   c onf e r e nc e   on   c om put e r  v is io n and patt e r n r e c ogni ti on , pp. 770 – 778, 2016.   [ 21]   M a tp lo tl ib ,  “ C hoos in g  C ol or ma ps   in   M a tp lo tl ib , ”   M a tp l ot li b ,   ht tp s :/ /m a tp lo tl ib .o r g/ s ta bl e /t ut or ia ls /c ol or s /c ol or ma ps .ht ml   ( a c c e s s e d F e b. 19, 2024) .   [ 22]   D . P . K in gma  a nd J . B a , “ A da m:  a  me th od f or  s to c ha s ti c  opt im iz a ti on,”   ar X iv  pr e p r in t  ar X iv : 1412.6980 , 2014.   [ 23]   M . A ba di   e t  al . , “ T e ns or F lo w :  la r ge - s c a le  ma c hi ne  l e a r ni ng on  he te r oge ne ous  s y s te ms , ”   P r e pr in t  ar X iv : 1603.04467 , 2016.   [ 24]   “ W e lc ome  t o  C ol a b , ”   C ol ab ,   ht tp s :/ /c ol a b.r e s e a r c h.google . c om  ( a c c e s s e d F e b. 19, 2024) .   [ 25]   “ L e ve l  up w it h t he  l a r ge s t  A I  & M L   c omm uni ty , ”  K aggl e ,  ht tp s :/ /ww w .ka ggl e .c om   (a c c e s s e d F e b. 19, 2024 ) .       B I OG RA P HI E S   OF   AU T HO RS       La m   Tha nh   Hi en           j o i n e d   an   M. Sc.   i n   ap p l i e d   i n f o rmat i cs   at   t h e  IN N O T E C H   In s t i t u t e,   Fran ce,   an d   rece i v e d   a  d eg ree  i n   2 0 0 4 .   In   2 0 1 7 ,   h e  earn ed   a  P h . D .   d eg ree  a t   t h e   V i e t n am  A cad em y   o f  Sc i en ce  a n d   T ec h n o l o g y .   N o w ,   h e  w o r k s   a t   L ac  H o n g   U n i v er s i t y   i n   t h e   h ead ma s t er's   r o l e.   H i s   s t u d i e s   i n t ere s t s   re l at e  t o   mach i n e  l earn i n g ,   co m p u t er  v i s i o n ,   an d   d ee p   l earn i n g .   H e  can   b e  co n t a ct e d   at   emai l :   l t h i en @ l h u . e d u . v n .         Ha   M a nh   To a n           l earn e d   ap p l i ed   ma t h ema t i c s   an d   i n fo rma t i c s   at   t h e  Co l l e g e  o f  Sci en ce,   V i et n am  N at i o n al   U n i v er s i t y ,   H a n o i ,   an d   rec ei v e d   a  d eg ree  i n   2 0 0 9 .   In   2 0 1 5 ,   h e   earn ed   an   M. Sc.   d eg ree  at   t h e  U n i v e rs i t y   o f  E n g i n eer i n g   an d   T ec h n o l o g y ,   V i e t n am  N at i o n al   U n i v er s i t y ,   H an o i .   N o w ,   h e  i s   a  res earch er  at   t h e  V i et n ames e  A cad em y   o f  Sci en ce  an d   T ech n o l o g y .   H i s   s t u d i es   i n t eres t s   rel a t e  t o   mac h i n e  l earn i n g ,   co mp u t er  v i s i o n ,   an d   d ee p   l earn i n g .   H e  can   b e  co n t a ct e d   at   emai l :   h m t o a n @ i o i t . ac. v n .         D o   N a n g   To a n           s t u d i e d   ap p l i e d   mat h emat i cs   an d   i n f o rmat i cs   at   H an o i   U n i v ers i t y   an d   rece i v e d   a  d eg ree  i n   1 9 9 0 .   I n   2 0 0 1 ,   h e  ear n ed   a  Ph . D .   d eg ree   at   t h e  V i e t n am   A ca d emy   o f   Sci en ce  an d   T ec h n o l o g y .   N o w ,   h e  i s   an   as s o c i at e  p ro f es s o r  at   t h e  V i e t n ame s e  A ca d emy   o f   Sci en ce  an d   T ech n o l o g y .   H i s   s t u d i e s   i n t eres t s   rel a t e  t o   mach i n e  l earn i n g ,   co mp u t er  v i s i o n ,   an d   v i r t u a l   real i t y .   H e  ca n   b e  co n t ac t ed   a t   emai l :   d n t o an @ i o i t . ac. v n .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.