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Random and systematic errors 25.10.12
1. XXIII Corso Residenziale di Aggiornamento
Moderna Radioterapia e Diagnostica per Immagini:
dalla definizione dei volumi alla radioterapia
«adaptive»
Il Glossario per il corso:
Random and systematic errors
M. Balducci, L. Azario, A. Fidanzio, S. Chiesa, B. Fionda,
L. Placidi, G. Nicolini
2. Random and systematic errors
Courtesy of Tufve Nyholm, In Room Imaging and RM planning ESTRO Course 2012
3. RT Definition:
- Systematic error Σ is a
deviation that occurs in the same
direction and is of a similar
magnitude for each fraction
throughout the treatment course
- Random error σ is a
deviation that can vary in
direction and magnitude during
the treatment
“On target: ensuring geometric accuracy in radiotherapy", Theo Royal
College of Radiologist, Institute of Physics and Engineering in Medicine,
Society and College of Radiographers
4. Σ and σ
Σ
Σ systematic errors -> mean value
σ
σ random error -> standard deviation
6. How estimate Σ vs σ errors?
Lets say shift to right + and shift to left <x>
SD
Example A
(mm)
+5
+4 +3
+2
+1
0
-1
-2
-3
-4
-5
0
3.3
Example B
(mm)
+10
+8 +6
+4
+2
0
-2
-4
-6
-8
-10 0
6.6
Example C
(mm)
+9
+8 +7
+6
+5
+4
+3
+2
+1
0
-1
3.3
σ
4
Σ
7. Individual and
population error
Σ
• individual Σi :
σ
• individual σi:
for an individual patient is
the mean error over the
course of treatment
for an individual patient is
the SD of the measured
errors over the course of
treatment
• population Σp:
• population σp:
for a group of patients is
the SD of Σi
for a group of patient is
the mean of σi
“On target: ensuring geometric accuracy in radiotherapy", Theo Royal
College of Radiologist, Institute of Physics and Engineering in Medicine,
Society and College of Radiographers
8. Effect of errors on dose
Random errors blur the cumulative dose distribution
CTV
Systematic errors shift the cumulative dose distribution
CTV
9. Blurred dose
Blur planned dose distribution with all
errors to estimate the cumulative dose
distribution
12. PTV margin recipe for
dose - probability
90% of the patients must get a minimum
CTV isodose of 95%:
PTV margin = 2.5 Σp + 0.7 σp
1) Add first margin so that 90% of the systematic errors are covered: 2.5 Σp
2) Add margin random variation so that CTV+ first margin lies within the 95%
isodose: 0.7 σp
Van Herk et al, IJROBP 47: 1121-1135, 2000
16. Registration/Simulation:
It allows the construction of a “geometrical model”
of patient’s set-up (Reference home position)
Errors in this phase influence each treatment fraction.
Systematic error
23. Target definition/Contouring
CAMPOBASSO
ALTERATION OF MOVEMENTS
Vel CT scan <<< Vel Target Motion
Target “smeared” image
Vel CT scan >>> Vel Target Motion
Image «frozen» in a random phase
Vel CT scan ± Vel Taget motion
Distortion of Image and position
26. OBJECTIVES
1.To quantify multiobserver variability of target and organ
at risk delineation for breast cancer radiotherapy
MATERIALS & METHODS •Lumpectomy
cavity
•Boost PTV
•Breast
•Heart
•Internal
mammary N
•Axillary N
•Supraclavical N
1)Volume
2) Distance center
mass
3) Percent overlap
4) Average surface
distance
27.
28. OBJECTIVES
1.To quantify interclinician variability in contouring common
OARs of the head/neck and
2. To quantify the change in dosimetric metrics of an IMRT
plan due strictly to the OAR differences.
MATERIALS & METHODS
Brainstem
Brain
Left parotid
Mandible
Righ parotid
Spinal cord
1)Mean Volum+SD
2) DICE coefficient
3) Volumetric
algorithm
35. 11 observers from 5 institutions, 22 patients
Conclusion: For high-precision radiotherapy, the delineation of lung target volumes
Conclusion: For high-precision radiotherapy, the delineation of lung target volumes
using only CT introduces too great a variability among radiation oncologists.
using only CT introduces too great a variability among radiation oncologists.
Implementing matched CT–FDG-PET and adapted delineation protocol and
Implementing matched CT–FDG-PET and adapted delineation protocol and
software reduced observer variation in lung cancer delineation significantly with
software reduced observer variation in lung cancer delineation significantly with
respect to CT only. However, the remaining observer variation was still large
respect to CT only. However, the remaining observer variation was still large
compared with other geometric uncertainties (setup variation and organ motion).
compared with other geometric uncertainties (setup variation and organ motion).
39. Conclusions: Differences in target and OAR delineation for breast irradiation
between institutions/observers appear to be clinically and dosimetrically
significant.
A systematic consensus is highly desirable, particularly in the era of intensitymodulated and image-guided RT.
40. Conclusion: The effects of interclinician variation in contouring
organs-at-risk in the head and neck can be large and are organ-specific.
Physicians need to be aware of the effect that variation in OAR
contouring can play on the final treatment plan and not restrict their
focus only to the target volumes.
53. Offline/Online
Efficient correction of
systematic
…errors but not
random
Minimum workload
Optimal number of controls:
10%
of total fractions
Efficient control of
systematic and random
Potentially time
consuming
Possible increase in
dose delivered
Middleton M The Radiographer 2006: 53 (1): 24–28
54. Online and Offline; Prospective and
Retrospective
Only studies with a separation between random
and systematic errors
Errors presented in three directions to disclose
any directional dependence of set-up errors
56. Pelvic region
Difference in immobilization Devices
used
Use of skin marks (respiration, weight
change)
Coen W. Radiotherapy and Oncology 2001: 105-120
79. Quality Assurance
Quality Indicator
Indipendent check:
Structure
Process
Results
It 's the review of the completeness and
accuracy of the procedures performed
by a person with appropriate expertise
who was not involved in the execution
of the same procedure and which leaves
a signature. The goal of the independet
check is to verify the correct
management of the process.
IC 1
Planning
IC 2
Delivery
80. IVD TECHNIQUES
• TLD (Thermoluminescent dosimeter)
• Diodes
• MOSFETs (Metal oxide semiconductor )
• OSL (Optically Simulated Luminescence)
Single Point
Dose
Field
Fluence Map
• Gafchromic Film Dosimetry
• Transmission EPID (Electronic Portal Imaging Device)
Dosimetry
• EPID Dosimetry + CBCT for 3D dose reconstruction
3D Volume
Dosimetric
Evaluation
81. Errors detected by diode dosimetry:
patient’s set-up variations ;
incorrect TPS field implementation ( filters );
linac out-put factor variations;
incorrect laser calibration.
Errors detected by transit dosimetry:
patient’s set-up variations ;
patient’s morphological changes (due to gas pockets or tumor
regression in the lung) ;
attenuating media crossing beam axis between source and
patient ;
incorrect TPS field implementation (CT numbers, filters );
linac out-put factor variations;
incorrect laser calibration.
Gli errori random non hanno effetti consistenti sull’intero campione.Se osserviamo tutti gli errori random in una distribuzione, la loro somma dovrebbe essere zero. L’importante proprietà degli errori random è che aggiungono varibilità ai dati ma non variano la media della performace del gruppo.
Systematic errors tend to be consistently either positive or negative, because of this, systematic errors is sometimes considered to be bias in measurements.
Gli errori random non hanno effetti consistenti sull’intero campione.Se osserviamo tutti gli errori random in una distribuzione, la loro somma dovrebbe essere zero. L’importante proprietà degli errori random è che aggiungono varibilità ai dati ma non variano la media della performace del gruppo.
Systematic errors tend to be consistently either positive or negative, because of this, systematic errors is sometimes considered to be bias in measurements.
When considering geometric uncertainties in radiotherapy, the term systematic error may be used when referring to the individual patient, or to the treatment population, and this distinction needs to be clarified to avoid confusion.
Systematic errors may be introduced into a patient’s tratment at the localisation, planing or treatment delivery phases. For this reason these types of errors are often referred to as treatment preparation errors. Once frozen into the process, systematic errors will occur in each tratment fraction. Possible tratment preparation errors are summarised below.
Artefatti di movimento.
Pensiamo infatti il caso la vel di scansione TC è inferiore alla velocità del movimento degli organi: l’immagine verrà sfumata
Se è MENO rapido il movimento del target fotograferò l’immagine in una fase arbitraria.
Ma quand’anche fossero simili cmq la posizione potrebbe essere distorta.
La soluzione potrebbe essere nella TC 4D, nella quale non entriamo nel merito essendo argomento delgi altri incontri.
E questo è quello che potrebbe accadere a degli oggetti…
questo ci fa comprendere come la contornazione potrebbe risentire della distorsione del target dovuta a questi artefatti.
.
.
.
Solo per chiarire meglio tra di noi.
Sarebbe più semplice se tutti prendessimo la nostra mano e provassimo a simulare tali shift.
Il pitch, a volte nominato anche tilt, corrisponde a quella che volgarmente potremmo ricondurre alla inclinazione del lettino. E’ una rotazione che avviene intorno all’asse laterale e che può essere visualizzata nelle immagini saggittali..viene più semplice pensare allo spostamento all’interno della maschera di un paziente testa collo ad es.
Per Roll si intende invece una rotazione intorno all’asso longitudinale, visualizzabile nelle immagini assiali.
Mentre per yaw o rotation si intende la rotazione intormo all’asse verticale che possiamo correggere matchando le immagini coronali.
Se gli shif traslazionali li misuriamo in cm, quelli rotazionali in gradi.
Relativamente alle precedenti due settimane, vorremo presentarvi dei dati geometrici preliminari relativamente allo studio di 5 pazienti prostata trattati con tecnica rapidarc. Sono state effettuate 40 CBCT e da ognuna di queste ottenute una sestina di shift: x,y,z,pitch, roll e yaw. Ribadisco che sono dati estremamenti preliminari, viziati probabilmente da errori sistematici dovuti da una fase ancora di apprendimento nell’utilizzo della macchina.
I cinque grafici piccoli si riferiscono ai 5 pazienti. Sull’asse orizzontale è riportato il numero della frazione, su quello verticale la variazione della traslazione (in cm) e quella della rotazione (in gradi). In evidenza il grafico di Perone in cui si nota un elevata variazione del pitch, probabilmente per l’utilizzo del belly board
I cinque grafici piccoli si riferiscono ai 5 pazienti. Sull’asse orizzontale è riportato il numero della frazione, su quello verticale la variazione della traslazione (in cm) e quella della rotazione (in gradi). In evidenza il grafico di Perone in cui si nota un elevata variazione del pitch, probabilmente per l’utilizzo del belly board
La slide evidenziata invece vuole sottolineare che in tal caso è il roll lo shift dominante: visto però che oscilla lontano dallo zero, al contrario degli altri shift, probabilmente potrebbe essere quindi ad un errore sistematico di set-up
La slide evidenziata invece vuole sottolineare che in tal caso è il roll lo shift dominante: visto però che oscilla lontano dallo zero, al contrario degli altri shift, probabilmente potrebbe essere quindi ad un errore sistematico di set-up
In questa slide si evidenza come al’aumentare del numero delle frazione le oscillazioni dei valori degli shift tendano al valore dell’asse verticale pari a zero. Questo potrebbe essere interpretato come una migliore compliance del paziente dopo un’iniziale incertezza provocata dalla terapia.
In questa slide si evidenza come al’aumentare del numero delle frazione le oscillazioni dei valori degli shift tendano al valore dell’asse verticale pari a zero. Questo potrebbe essere interpretato come una migliore compliance del paziente dopo un’iniziale incertezza provocata dalla terapia.
E' la revisione della completezza ed accuratezza del lavoro svolto eseguita da una persona con idonee competenze che non è stata coinvolta nell'esecuzione dello stesso e della quale lascia un riscontro firmato. Obiettivo dell'indi è monitorare il corretto svolgimento del processo.
IC1) un medico in formazione e med resp sett o med strutturato verificano la documentAZIONE relativa all’impostaz del tratt radiante per verificare se la prescrizione è stata applicata secondo le indicazioni del MDQ
IC2) un medico in formazione e med resp sett o med strutturato rivedono la cartella, verificano la documentAZIONE relativa all’impostaz del tratt radiante e verificano se i dati relativi alle geometrie di irradiazione sono stati riportati sulla CT secondo le indicazioni del MDQ