Radiotherapy & Oncology

7/29/2019 Radiotherapy & Oncology

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Radiotherapy and Oncology, 2 (1984) 275 292Elsevier 275RTO00076

T h e t h i r d K l a a s B r e u r M e m o r i a l L e c t u r e , 1 9 84 "

W he n and how c an we i m pr ove pr e c i s i on i n r ad i o the r apy?A n d r 6 e D u t r e i x

Departm ent o f Radiotherap y, Institut G ustave Roussy, Rue Cam ille Desmo ulins, 94805 V illejuif, France(Received 18 M ay 1984, accepted 19 Jun e 1984)

Key words: Precision; Errors; R adiotherap y; Treatm ent planning

I n t r o d u c t i o n

I a p p r e c ia t e t h e g r e a t h o n o u r t o b e a s k e d a s a H o s -p i t a l P h y s i c i s t t o d e l i v e r t h is t h i r d K l a a s B r e u r M e -m o r i a l L e c t u r e at t h e E u r o p e a n S o c i e t y f o r T h e r -a p e u t i c R a d i o l o g y a n d O n c o l o g y . I f ee l v e r y p r o u dt o j o i n B e r n a r d P i e r q u i n a n d J a c k F o w l e r i n th i sd i s t i n g u i s h e d a w a r d b u t i t i s n o t a n e a s y t a s k a f t e rt h e i r s u p e r b l e c t u r e s . I n p a r t i c u l a r J a c k F o w l e rb e i n g b o t h a r a d i o b i o l o g i s t a n d a p h y s i c i s t h a s a l -r e a d y c o v e r e d t h e w h o l e f i e ld o f p h y s i c s in r a d i o -t h e r a p y a n d r a d i o d i a g n o s t i c s a n d I w a s o f t e nt e m p t e d j u s t t o c o p y s o m e p a r a g r a p h s o f h is e x ce l-l en t l e c tu r e .

I h a d t h e c h a n c e t o m e e t K l a a s B r e u r s e v e r a lt i m e s , a n d I h a v e a l w a y s a p p r e c i a t e d h o w o p e n -m i n d e d h e w a s t o a l l t h e a s p e c t s o f r a d i o t h e r a p ya n d r a d i o b i o l o g y . A ll h is w o r k w a s d e e p l y m a r k e db y t h e s e a r c h f o r a c c u r a c y , a n d I a m v e r y g l a d t oh a v e t h e o p p o r t u n i t y t o h o n o u r h i s m e m o r y w i t hsu ch a su b jec t .

W e , w h o e n t e r e d t h e f ie ld o f ra d i o t h e r a p y i n t h ef i f t i e s , h ad a g r ea t ch an ce to l i v e t h r ee su ccess iv er ev o lu t io n s . T h e f i r s t o n e , i n t h e ea r ly f i f t i e s , wast h e j u m p f r o m t h e c o n v e n t i o n a l X - r a y s t o t h e h i g he n e r g y p h o t o n b e a m s : t h e f i rs t p a t i e n t t r e a t e d w i t ht h e 20 M V p h o t o n b e a m o f t h e b e t a t r o n i n o u r I n -s t i t u t e w a s i r r a d i a t e d i n O c t o b e r 1 9 5 3 . T h e s e c o n dr e v o l u t i o n i n t h e m i d - s i x t i e s w a s t h e i n t r o d u c t i o n

o f c o m p u t e r s i n r a d i o t h e r a p y . I t w a s r a p i d l y fo l -l o w e d b y t h e t h i r d o n e o n d i a g n o s t i c i m a g i n g w h i c hw o u l d n o t h a v e b e e n f e a s i b l e w i t h o u t c o m p u t e r s .T h i s t r e m e n d o u s a d v a n c e o f t e c h n o l o g y a c c e l e ra t e sf r o m y e a r t o y e a r b u t I w o n d e r w h e t h e r I h a v e ac h a n c e t o l i ve a f o u r t h r e v o l u t i o n !

T h e p h y s i c i s t f a c i n g s u c h f a n t a s t i c p r o g r e s s i s fa s -c i n a t e d b y s o m a n y w o n d e r f u l t o y s b u t h e f e e l ss o m e t i m e s l i k e a s o r c e r e r ' s a p p r e n t i c e w a n t i n ge v e r y d a y m o r e p o w e r f u l t o o l s , b u t n o t a l w a y s s u r eo f b e in g a b l e t o m a s t e r t h e i r o u t c o m e . R a b e l a i sw h o w a s n o t o n l y a f a m o u s F r e n c h w r i te r b u t a ls oa p h y s i c i a n n o t e d t h a t : " S c i e n c e s a n s c o n s c i e n c en ' e s t q u e r u i n e d e l ' f i m e " ( S c i e n c e w i t h o u t c o n -s c i e nc e is n o t h i n g b u t t h e r u i n o f s p i ri t ).

O n e o f t h e m o s t e m b a r r a s s i n g q u e s t i o n s w e h a v et o f a c e , i s : a r e w e s u r e t h a t t h e s e n e w t e c h n i q u e sw i ll i m p r o v e p a t i e n t c u r e ? T h e a n s w e r i s n o t a s o b -v i o u s a s i t s e e m s a t f i rs t i f o n e w a n t s t o d e m o n s t r a t ei t s c i e n t i f i c a l l y . O n e w a y t o a p p r o a c h t h i s p r o b l e mis to a s k a m u c h m o r e m o d e s t q u e s t i o n : c o u l d t he s en e w t e c h n i q u e s i m p r o v e a c c u r a c y i n r a d i o t h e r a p y ?I m m e d i a t e l y f o l l o w e d b y a f u r t h e r q u e s t i o n : w h a ti s t h e r e s p o n s i b i l i t y o f t h e p h y s i c i s t i n i m p r o v i n ga c c u r a c y i n r a d i o t h e r a p y ?

* Lecture held during the third E STR O annual meeting, 12 Sep-tember 1984 on the occasion of the aw ard of the Klaas B reurgold medal.

0167-8140/84/$03.00 9 1984 Elsev ier Scien cePublishers B.V.


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2 76B e f o r e a n s w e r in g t h e s e q u e s t i o n s o n e m u s t c o n -

s i d e r w h a t i s m e a n t b y p r e c i s i o n i n r a d i o t h e r a p ya n d h o w i t c a n b e e x p r e s s e d .

Prec i s ion in radiotherapyT h e f i r s t p u b l i c a t i o n , t o m y k n o w l e d g e , l i s t i n g t h ev a r i o u s p o s s i b le e r r o r s i n r a d i a t i o n t h e r a p y w a s t h el a st c h a p t e r o f th e I C R U [1 9] r e p o r t 1 0 d o n c l in i c ald o s i m e t r y , p r e p a r e d u n d e r t h e i m p u l s e o f M a u r i c eT u b i a n a a n d p u b l i s h e d i n 1 9 6 2 . T h e l a s t r e c o m -m e n d a t i o n o f t h e r e p o r t i s s ti ll w o r t h c o n s i d e ri n g :" S o m e m e t h o d o f i m m o b i li s in g t h e p a t ie n t a n d o fc h e c k i n g t h e p a t i e n t ' s p o s i t i o n d u r i n g t r e a t m e n ts h o u l d b e u s e d " . U n f o r t u n a t e l y , n o g r e a t s t r i d e sh a v e b e e n m a d e i n t h i s d i r e c t i o n .

P r e c i s i o n i n r a d i o t h e r a p y i s r e q u i r e d a t d i f f e r e n ts t a g e s . T h e f i r s t i s t h e k n o w l e d g e o f t h e d o s e t op r e s c r i b e ; t h i s is c l e a r ly t h e r e s p o n s i b i l i t y o f t h e r a -d i o t h e r a p i s t. T h e p r e c is e d e t e r m i n a t i o n o f t h e t a r-g e t v o l u m e t o b e i r r a d i a t e d i s a l s o t h e r e s p o n s i b i l i tyo f th e r a d i o t h e r a p i s t . F o r m a n y y e a r s, t h e a i m o fr a d i o t h e r a p y w a s t o d e l iv e r a d o s e a s u n i f o r m a sp o s s ib l e t o t h e t a r g e t v o l u m e a n d a s lo w a s p o s s i b l et o t h e h e a l t h y t i s s u e s o u t s i d e t h i s v o l u m e . I n m a t h -e m a t i c a l t e r m s i t m e a n s t h a t t h e i d e a l p r o f i l e o f t h ed o s e d i s t r i b u t i o n t h r o u g h t h e t a r g e t v o l u m e i s a s -s u m e d t o b e r e c t a n g u l a r . S u c h a r e c t a n g u l a r d o s ed i s t r i b u t i o n a s s u m e s e i t h e r a r e c t a n g u l a r d i s t r i b u -t i o n o f t h e d e n s i ty o f m a l i g n a n t c e l ls t h r o u g h o u tt h e t a r g e t v o l u m e , o r t h e i g n o r a n c e o f th a t d i s tr i -b u t i o n . T h e e s t i m a t i o n o f t h e d e n s it y d i s t r ib u t i o no f t h e m a l i g n a n t c e ll s w e i g h t e d b y t h e i r r e s p e c t iv er a d i o s e n s i t i v i t i e s c o u l d b e a m o r e s e n s i b l e a p -p r o a c h ; i t i s t h e c o m m o n r e s p o n s i b il i ty o f t h e r a -d i o t h e r a p i s t a n d t h e r a d i o b i o l o g i s t to m a k e t h i s es -t i m a t i o n i n t h e f u t u r e .

T h e a c c u r a t e l o c a l is a t io n o f t h e t a r g e t v o l u m e ise s s e n t i a ll y a cl i n ic a l ta s k , b u t t e c h n i q u e s a r e n e e d e di n w h i c h t h e p h y s i c i s t i s n e c e s s a r i l y i n v o l v e d ( s i -m u l a t i o n , C T i m a g i n g , e t c . ) . I t i s a c h i e v e d m o s to f t e n b y c l o s e c o o p e r a t i o n b e t w e e n t h e r a d i o t h e r -a p i s t a n d t h e p h y s i c i s t .

A f u r t h e r r e q u i r e m e n t i n p r e c i s i o n m a y b e t h ee s t i m a t i o n o f t h e d i f f er e n c e b e t w e e n t h e p r e s c r i b e d

d o s e t o a r e f e r e n c e p o i n t i n t h e p a t i e n t ( i n g e n e r a lt h e t u m o u r c e n t e r ) , a n d t h e d o s e e f f e c t i v e ly d e l iv -e r e d t o t h a t p o i n t ; t h i s is th e r e s p o n s i b i l i t y o f t h ep h y s i c i s t. E r r o r s w h i c h c a n o c c u r in c l u d e t h e p h y s i -c a l a n d g e o m e t r ic a l p a r a m e t e r s o f t h e t r e a t m e n t a sw e ll as t h e d e t e r m i n a t i o n o f th e a b s o r b e d d o s e i na p h a n t o m .

I t i s g e n e r a l l y a s s u m e d t h a t t h e p h y s i c i s t h a s t oe n s u r e t h a t t h e d o s e d i s t r i b u t i o n a c h i e v e d is in g o o da g r e e m e n t w i t h t h e i n t e n d e d d o s e d i s t r i b u t io n . T w ok i n d s o f e r r o r s w h i c h c a n o c c u r a r e : e r r o r s l in k e dt o t h e c a l c u l a t io n o f t h e d o s e a n d t h o s e l i n k e d t ot h e s e t - u p o f t h e p a t i e n t f o r d a i l y t r e a t m e n t .

E r r o r s i n t h e d e t e r m i n a t i o n o f d o s e d i s t r i b u t io ni n v o l v e th o s e i n t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e b a si c d a t ao f t h e ra d i a t i o n b e a m , p a t i e n t d a t a a n d t h e c o m -p u t a t i o n p r o g r a m m e , w h i c h a r e t o o o f t e n n e g l e c t -e d . A l l t h e s e e r r o r s a r e t h e r e s p o n s i b i l i t y o f t h ephys i c i s t .

T h e s e t -u p o f th e p a t i e n t c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e es te p s: s e t t in g o f t h e m a c h i n e p a r a m e t e r s , p a t i e n tp o s i t i o n i n g a n d p a t i e n t i m m o b i l i s a t i o n d u r i n gt r e a t m e n t .

P r e c i s i o n d u r i n g t h e f i r s t s t e p i s c l e a r l y t h e r e -s p o n s i b i l i t y o f t h e p h y s i c i s t, b u t t h a t d u r i n g t h e t w oo t h e r s te p s is t h e c o m m o n r e s p o n s i b i li t y o f ra d i o -t h e r a p i s t s , p h y s i c i s t s a n d t e c h n i c i a n s .

t

~ / t2 :075

'tl It2[ , , , , , , 1 ~ ' I L e a L i l , , ~ ' ' ' J l . . . . . I ~ -7 14 21 28 35 42DaysFig. 1. Average regression of tonsil tumours for patients ran-domised into two groups A and B treated with dose fractions of2.23 and 2.46 grays, respectively, 3 tim es a wee k as a functionof the num ber of day s. The difference s statistically significantalthough the n umber of p atients treated is small (19 and 22 re-

spectively).


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Precis ion required in de termining the dose de l iveredt o t he pa t i e n tW a m b e r s ie e t a l. [ 3 5] a n d H e r r i n g a n d C o m p t o n[1 6] m a d e a n e s t i m a t i o n o f t h e d e g r e e o f p re c i s i o nr e q u i r e d i n t h e d o s e d e l i v e re d i n ra d i o t h e r a p y . H e r -r in g a n d C o m p t o n r e v i e w e d t h e p u b l i c a t i o n s t h a ts h o w e d s t e ep v a r i a t i o n s o f b i o l o g i c a l e ff ec t s o f d o s -e s , e i t h e r o n t h e t u m o u r [ 3 2,3 3] o r o n n o r m a l t i s s u e s[ 10 ,2 7 ,3 3 ]. T h e y c o n c l u d e d t h a t c h a n g e s i n t h e d o s eo f 1 0 % e i t h e r w a y c a n s i g n i f i c a n t l y c h a n g e t h ep r o b a b i l i t y o f e i th e r n e c r o s is o r l o c a l c o n t r o l , a n dt h e r e f o r e t h e u n c e r t a i n t y a s s o c i a t ed w i th d o s e d i s -t r i b u t i o n s h o u l d b e l e s s t h a n p l u s o r m i n u s 5 % .

T w o e x p e r ie n c e s f r o m t h e I n s ti t u t G u s t a v e R o u s -s y a r e w o r t h m e n t i o n i n g : o n e w a s r e la t e d t o t u m o u rr e g r e s s i o n a n d w a s p u b l i s h e d i n 1 9 6 7 [ 9 ] , t h e o t h e rr e l a t e d t o n o r m a l t i s s u e r e a c t i o n s b u t h a s u n f o r t u -n a t e l y n o t y e t b e e n p u b l i s h e d .

T h e f i r s t s t u d y , c a r r i e d o u t i n t h e e a r l y s i x t i e s ,w a s i n t e n d e d t o d e m o n s t r a t e t h a t h i g h e n e r g y p h o -t o n s o r e l e c t r o n s g iv e th e s a m e e f fe c t o n t u m o u r sf o r t h e s a m e d o s e . P a t i e n t s w i t h s q u a m o u s c e l l c a r -c i n o m a o f th e t o n s il w e r e ra n d o m i s e d a n d t h r e eo b s e r v e r s r e c o r d e d t h e t u m o u r r e g r e s s i o n d u r i n gt h e t r e a t m e n t . T o o u r g r e a t s u r p r i s e a s i g n i f i c a n td i f fe r e n c e a p p e a r e d b e t w e e n e l e c t r o n a n d p h o t o nt r e a t m e n t s n o m i n a l l y i d e n t ic a l i n d o s e ( 1 8 f r a c ti o n so f 2. 5 G y i n 4 0 d a y s) . A s m a l l n u m b e r o f p a t ie n t s ,2 0 in e a c h a r m o f t h e tr ia l , w a s e n o u g h t o s h o w ad e f i n i te l y s m a l l e r e f f i c ie n c y o f t h e e l e c t r o n t r e a t -m e n t ( F i g . 1 ) . T h i s l e a d t o t h e d i s c o n t i n u a t i o n o ft h e t ri al . A n e w c a l i b r a t io n o f th e d o s i m e t e r f o rb o t h p h o t o n s a n d e l e c t ro n s w a s a c h ie v e d w i t h f e r-r o u s s u l p h a t e d u r i n g t h e f o l lo w i n g m o n t h s a n ds h o w e d f o r t h e h ig h e n e r g y c a l ib r a t i o n , a d e p a r t u r ef r o m t h e c o b a l t - 6 0 c a l i b r a t io n w h i c h h a d b e e n u s e dd u r i n g t h e t r i a l . T h e n e w c a l i b r a t i o n l e a d t o a 7 %d i f fe r e n c e b e t w e e n t h e d o s e s o f e le c t r o n s a n d p h o -t o n s . T h i s c o u l d e x p l a i n t h e d i f f e re n c e o b s e r v e d i nt u m o u r r e g r e s s io n b e t w e e n t h e t w o k i n d s o f t re a t -m e n t .

T h e s e c o n d e x p e r i e n c e w a s d e s c r i b e d i n a n i n t e r-na l r e por t [ 6 ] a s f o l l ows :

T h e r a d i o t h e r a p i s t i n c h a r g e o f g y n a e c o l o g i c a lp a t i e n t s t r e a te d w i t h h i g h e n e r g y p h o t o n s ( 25 M V )

2 7 7o n t h e S a g i t t a i r e ( C G R M e V l i n a c ) m e n t i o n e d t ot h e p h y s i c s d e p a r t m e n t t h a t h e s u s p e c t e d a n e r r o ri n d o s i m e t r y b e c a u s e h e o b s e r v e d r e a c t i o n s o np a t i e n t s w h i c h w e r e m o r e s e v e r e t h a n u s u a l. T h e s ew e r e s k i n r e a c t i o n s o n t h e s k i n f o l d s a n d a l s o d i a r -r h o e a i n p a t i e n t s i r r a d i a t e d t o a p r e s c r i b e d t u m o u rd o s e e q u a l t o 5 0 0 0 r a d ( 5 0 G y ) o n t h e w h o l e p e lv i s5 ti m e s a w e e k f o r 5 w e e k s . A f t e r a c a r e f u l r e c h e c k -i n g o f t h e li n ac , w e f o u n d a n u n d e r e s t i m a t i o n o f th ec a l i b r a t i o n f a c t o r s o f th e m o n i t o r l e a d i n g t o a s y s-t e m a t i c o v e r d o s a g e o f t h e p a t ie n t s ; t h e r e a s o n w a st h e m i s u s e b y a j u n i o r p h y s i c is t o f t h e c o r r e c t i o nf a c t o r s a p p l i e d t o t h e i o n i z a t i o n c h a m b e r . T h eo v e r d o s a g e w a s e s t i m a t e d t o b e 1 0 % b e t w e e n S e p -t e m b e r a n d N o v e m b e r 1 9 70 a n d 7 % b e t w e e n N o -v e m b e r 1 9 70 a n d M a r c h 1 97 1. T h e n u m b e r o fp a t i e n t s w h o h a d b e e n o v e r d o s e d f o r a p a r t o r f o rt h e f u ll c o u r s e o f t h e ir t r e a t m e n t w a s 2 l b e t w e e nS e p t e m b e r a n d N o v e m b e r 1 97 0 a n d 6 7 b e t w e e nN o v e m b e r 1 97 0 a n d M a r c h 1 97 1. F i f t y p a t i e n t s o u to f t h e 8 8 o v e r d o s e d h a d f in i s he d t h e i r t r e a t m e n tc o u r s e o v e r 2 m o n t h s b e f o r e th e r a d i o t h e r a p i s t s u s-p e c t e d t h e e r ro r . N o s t ri k i n g r e a c t io n w a s o b s e r v e do n t h e o t h e r ( n o n - g y n a e c o l o g i c a l ) p a t i e n ts .

T h e s e t w o e x p e r i en c e s c o n c u r w i t h t h e c o n c l u -s io n s o f H e r r i n g a n d C o m p t o n , a n d e m p h a s i s e th en e e d f o r o v e r a l l p r e c i s i o n o n t h e t u m o u r d o s e o f5 % .Precis ion in de l iver ing the dose to the pres cr ibed tar-g e tE r r o r s o f l o c a li s a ti o n , p a t i e n t s e t - u p a n d d o s e d i s -t r i b u t i o n m a y a l l c o n t r i b u t e t o t h e u n d e r d o s a g e o fp a r t o f th e t a r g e t o r t o t h e o v e r d o s a g e o f h e a l t h yt is s ue s . T h e y m a y t h e r e f o r e le a d t o a m a r g i n a l r e -c u r r e n c e o r t o s e v e r e r e a c t i o n s o f c r i ti c a l o r g a n s r e -s p e c t iv e l y . T h e e f f e c t o f t h e s e e r r o r s o n t h e f i n a lp r e c i s i o n i s s i m i l ar , b u t t h e y s h o u l d b e c l e a r l y i d e n -t i f i e d b e c a u s e t h e i r d i f f e r e n t o r i g i n s r e q u i r e d i f -f e r e n t s o l u t i o n s .

E r r o r s i n p a t i e n t s e t - u p a s w e l l a s p a t i e n t m o v e -m e n t s d u r i n g t r e a t m e n t l e a d to a s m o o t h i n g o f t h ed o s e d i s t r ib u t i o n i n t h e m a r g i n o f t h e ta r g e t v o l u m ea n d i n t h e v i c i n it y o f th i s v o l u m e . T h e s e c r e a t e a ne n l a r g e m e n t o f t h e s o - c al le d p e n u m b r a r e g io n .


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278T o m y k n o w l e d g e , t h e r e a r e o n l y a f e w c l i n i c a l

d a t a l e a d i n g t o a s t a t i s ti c a l e v a l u a t i o n o f t h e d e g r e eo f p r e c i s i o n r e q u i r e d f o r t h e f i t t i n g o f t h e t r e a t e dv o l u m e t o t h e t a rg e t v o l u m e , a n d n o n e o n t h e d o s eu n i f o r m i t y re q u i r ed i n t h e t a r g e t v o l u m e .

C l i n ic a l s tu d i e s g e n e r a l l y a s s u m e t h a t e a c h t r e a t-m e n t b e a m a d e q u a t e l y t r a v e r s e s t h e d e s i r e d t a r g e tv o l u m e d u r i n g e v e r y se s si o n a n d t h a t t h e t o t a l a b -s o r b e d d o s e a t e a c h p o i n t o f t h e ta r g e t v o l u m e i se q u a l t o t h e p r e s c ri b e d d o s e . O n e q u e s t i o n c o u l d b ea s k ed a b o u t t h e d o s e h o m o g e n e i ty t h r o u g h o u t t h et a r g e t v o l u m e : w h a t s h o u l d b e t h e o p t i m a l d o s e d is -t r i b u t i o n i n t h e t a r g e t v o l u m e f o r a g i v e n t u m o u r ?

I t i s o b v i o u s t h a t t h e r e i s n o s i m p l e s o l u t i o n t ot h is c o m p l e x p r o b le m . T h e s o l u t i o n d e p e n d s u p o nt he c l i n i c a l a nd b i o l og i c a l c ha ra c t e r i s t i c s o f t het r e a te d t u m o u r : t h e m a g n i t u d e o f t h e a b s o r b e dd o s e t o b e d e l i v e r ed , t h e s i ze o f t h e t a r g e t v o l u m e ,t h e m a l i g n a n t - c e ll d e n s i t y d i s t r i b u t i o n , t h e r e l a t iv er a d i o s e n s i t iv i t y o f t h e c e ll s i n t h e v a r i o u s p a r t s o ft h e t a r g e t v o l u m e , t h e p r o x i m i t y o f c r it ic a l o r g a n s ,e tc . T h e v a r i e t y o f c h o i c e f o r t h e b e s t s o l u t i o n r e -g a r d i n g d o s e - u n i f o r m i t y i s i l lu s t r a t e d b y t h e t w of o l l o w i n g e x a m p l e s .

F i r s tl y , i n t r a c a v i t a r y t r e a t m e n t o f c e r v ic a l c a n c e ri m p l i e s a m u c h h i g h e r d o s e t o t h e c e n t r a l p a r t o ft h e t a r g e t v o l u m e t h a n t o i ts b o r d e r . T h i s l ar g e d o s ev a r i a t i o n i s n o t o n l y t o l e r a t e d b u t i s c o n s i d e r e d a st h e m o s t i m p o r t a n t f e a t u r e o f b r a c h y t h e r a p y . T h ed o s e t o b e d e l iv e r e d t o t h e t u m o u r i s in f a c t l im i t e db y t h e m a x i m u m d o s e w h i c h c a n b e t o l e r a t e d b yt he o rga ns a t r i sk .

S e c o n d l y , th e l o c a l o v e r d o s a g e o f t h e c e n t r a l p a r to f th e t u m o u r a t th e e n d o f t h e t r e a tm e n t , k n o w na s boos t , de l i be ra t e l y i n t e nds t o de l i ve r a h i ghe rd o s e t o t h e m o s t r e s is t a n t p a r t o f t h e t u m o u r .

T h e a c c u r a t e d e t e r m i n a t i o n o f th e n o n - u n i f o r md o s e d i s t r i b u t i o n s , w h e t h e r i n t e n d e d o r n o t , i s e s -s e n t i a l f o r t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e d o s e s a n dt he c l i n i c a l obse rva t i ons . I t i s t he on l y wa y t o he l pt h e c l in i c ia n t o d r a w a f i n a l j u d g e m e n t o n t h e u n i -f o r m i t y r e q u i r e d .

D i f f erent k i nds o f erro r

From random and systematic errors to mistakesI t is r e m a r k a b l e t h a t t h e a s s i g n m e n t o f a n u n c e r -t a i n t y * t o a p u b l i s h e d n u m e r i c a l v a l u e i s a r a t h e rn e w p r a c t i c e e v e n i n f u n d a m e n t a l s c i e n c e s . P r o b a -b i l it y c a l c u l a ti o n s w e r e f i r st p e r f o r m e d b y P a s c a l* *i n t h e m i d d l e o f t h e s e v e n t e e n t h c e n t u r y . H e e s t a b -l i she d t he ba s i s o f s t a t i s t i c s i n a p r i va t e c or re spon-d e n c e w i t h F e r m a t * * ; a d e t a i l e d a n a l y s i s o f t h et h e o r y w a s p u b l i s h e d 2 y e a r s la t e r, w i t h s u b s t a n t i a la d d i t i o n s b y H u y g e n s [ 18 ]. T h e t h e o r y o f e r r o r s w a sf u l l y d e v e l o p e d d u r i n g t h e n i n e t e e n t h c e n t u r y .H o w e v e r , p r o b a b i l i t i e s w e r e o n l y a p p l i e d s y s t e m -a t i c a l l y f o r u n c e r t a i n t y e s t i m a t i o n d u r i n g t h e l a s t5 0 y e a r s . B e f o r e t h a t t i m e n o e x p l i c i t m e n t i o n o ft he p re c i s i on w a s e ve r m a d e i n a s c i e n ti f ic pub l i -c a t io n , e v e n u n d e r t h e s i g n a tu r e o f t h e m o s t f a m o u ssc i e n ti s ts . A sc i e n t i s t ba se d h i s j ud ge m e n t o f t he r e -l i ab i l it y o f p u b l i s h e d r e s u lt s u p o n h i s k n o w l e d g e o ft h e p e r s o n a l i t y o f th e a u t h o r , s i m p l y b e c a u s e h em i g h t k n o w p e r s o n a l l y m o s t o f th e p e o p l e w o r k i n gi n h i s f i e l d , a s wa s po i n t e d ou t by Mf i l l e r [25] . Thera p i d i nc re a se i n t he numbe r o f s c i e n t i s t s ha s l e d t ot h e r e p u t a t i o n o f t h e s c i en t is t b e in g r e p l a c e d b y a no b j e c ti v e e v a l u a t i o n o f t h e p r e c is i o n .

I n t h e f i el d o f a s s es s in g u n c e r t a i n t y , m e d i c i n e a n dr a d i o t h e r a p y a p p e a r t o b e i n th e p o s i t io n t h a t f u n -da me nt a l s c i e nc e s we re i n 50 ye a r s a go . An e s t i -m a t e d u n c e r t a i n t y i s r a r e l y a s s o c i a t e d t o t h e d o s ede l i ve re d t o pa t i e n t s . In sp i t e o f t he l a rge use o fs t a t is t i c s fo r t he e s t i ma t i on o f t he r e su l t s o f a t r e a t -m e n t , s u c h a s c u r e - r a te , n u m b e r o f r ec u r r e n c e s ,e t c. , t h e a b s o r b e d d o s e t o t h e t u m o u r i s a l w a y s a s -s u m e d t o b e k n o w n e x a c t l y . I t i s c l e a r t h a t t h e r e -* As recommended by the "Bureau International des Poids etMesures" (B1PM, [4]), the words "unc ertainty"and "error" w illbe considered as syn onym s.So it is, with "precision" and "ac-curacy".** Blaise Pascal (1623 -1662) and Pierre de Fe rm at (1601 1665),French mathematicians.


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2 7 9l i a b il i ty o f a n y p u b l i s h e d d o s e - e f f e c t r e l a t i o n s h i pd e p e n d s u p o n t h e p r e s ti g e o f t h e I n s t it u t e o f o r i g i ni f n o t s p e ci fi c al ly u p o n t h e r e p u t a t i o n o f t h e r a -d i o t h e r a p i s t .

R a d i o t h e r a p i s t s h a v e m a n y e x c u s e s o r g o o dr e a s o n s f o r n o t a d m i t t i n g u n c e r ta i n t ie s . F i r s t t h ec l e a r s t a t e m e n t o f a n u n c e r t a i n t y r a i se s p s y c h o -l o g i c a l a n d l e g al d if fi c u lt ie s . N o n - r a d i o t h e r a p i s t c l i-n i c i a n s a s w e l l a s p a t i e n t s t h e m s e l v e s n e e d t o b er e a ss u r e d : t h e y b e l ie v e i n m a g i c n u m b e r s . T h e yw o u l d p r o b a b l y n o t t o l e r a t e t h e a c k n o w l e d g m e n to f an a c c e p t e d e r r o r . F u r t h e r m o r e , o n e s u s p e c tst h a t t h e r a d i o t h e r a p i s t s w o u l d b e i n c l i n e d t o u n -d e r s t a t e t h e e r r o r s b e c a u s e o f th e f e a r o f l e g a l s u i ts .A n o t h e r e x c u s e i s p r o b a b l y m o r e r e l e v a n t in t h a ti t i s m a i n l y t h e r e s p o n s i b i l i t y o f t h e p h y s i c i s t t o e s -t i m a t e e r r o r s .

T w o k i n d s o f e r ro r s a r e u s u a l ly c o n s i d e r e d , r a n -d o m a n d s y s t e m a t ic e rr o r s . Random errors c a n b ed e r i v e d f r o m r e p e a t e d m e a s u r e m e n t s o r r e p e a t e da d j u s t m e n t s o f a g iv e n p a r a m e t e r i n t h e s a m e c o n -d i t io n s : t h e y c a n b e e x p r e s s e d in t e r m s o f a s t a n d a r dd e v i a t i o n f o r s t a t i s t i c a l c o n s i d e r a t i o n s .

Systematic errors a r e in t r o d u c e d b y a p o o r m e a -s u r e m e n t p r o c e s s, a p o o r i n i ti a l a d j u s t m e n t , t h e d e -v i a t i o n w i th t i m e o f a p a r a m e t e r o r a n i n c o r r e c tp r o c e d u r e . S y s t e m a ti c e r r o rs a r e u n k n o w n b yn a t u r e . I t i s h o p e d t h a t w h e n a s y s t e m a t ic e r r o r isi d e n t i f i e d , i t c a n b e i m m e d i a t e l y e l i m i n a t e d . H o w -e v e r , t h is i s n o t p o s s i b l e f o r s y s t e m a t i c e r r o r s i n f u n -d a m e n t a l p h y s i c a l c o n s t a n t s . P o s s i b l e s y s t e m a t i ce r r o r s a r e s o m e t i m e s e x p r e s s e d i n t e r m s o f th e i r s u s -p e c t e d u p p e r l i m i t a n d m a y l e a d to a n o v e r e s t i m a -t i o n o f t h e t o t a l u n c e r t a i n t y .

B o t h a r a n d o m e r r o r a n d a s y s t e m a ti c e r r o r c a nb e a s s o c i a te d t o e a c h p a r a m e t e r . F o r i n s t a n c e , t h ed i s t a n c e f r o m t h e s o u r c e t o t h e p a t i e n t s k i n i s a d -j u s t e d e v e r y d a y b y t h e t e c h n i c i a n w i t h a g i v e n r a n -d o m e r r o r d u e t o t h e r e a d in g o f th e S S D - i n d i c at o ra n d t o t h e u n a v o i d a b l e m o v e m e n t s o f th e p a t i e n t( s u c h a s b r e a th i n g ) . I f th e S S D - i n d i c a t o r i s n o t c o r -r e c t l y c a l i b r a t e d , a s y s t e m a t i c e r r o r i s in c l u d e d ,w h i c h c a n b e m u c h l a rg e r th a n t h e r a n d o m e r r o ra n d l e ad s t o a c o n s t a n t e r r o r o n d o s e f o r e v e r yp a t i e n t t r e a t e d w i t h t h i s f a c i l i t y . H o w e v e r , t h i s s y s -t e m a t i c e r r o r h a s t o b e c o n s i d e r e d a s a r a n d o m e r -

r o r i n a n i n t e r c o m p a r i s o n b e t w e e n d i f f e r e n t r a d i o -t h e r a p y c e n t e r s * .

S y s t e m a t i c e r r o r s a r e o b v i o u s l y r e l a te d t o q u a l i t ya s s u r a n c e p r o g r a m m e s o f t h e th e r a p y c e n t r e i nw h i c h t h e t r e a t m e n t s a r e a c h ie v e d . T h e y m a y v a r yc o n s i d e r a b l y b e t w e e n c e n t e r s , d e p e n d i n g o n t h en u m b e r a n d t h e e x p e r i e n c e o f t h e st af f. I n a t o p -l e v e l c e n t r e , s y s t e m a t i c e r r o r s s h o u l d b e q u i t e n e g -l ig i b le i n c o m p a r i s o n t o r a n d o m e r r o rs . I n a s m a l lc e n t r e , s y s t e m a t i c e r r o r s m a y b e m u c h l a r g e r t h a nr a n d o m e r r o r s. O b v i o u s l y it is m u c h b e t t e r t o s p e n dt i m e c o r r e c ti n g e r r o r s r a t h e r t h a n e s t i m a t in g t h e m .A s y s t e m a t i c e r r o r w h i c h i s i d e n t i f i e d b u t n o t c o r -r e c t e d b e c o m e s a m i s t a k e .

H u m a n m i s ta k e s c a u se d b y i n a t t en t i o n , m i s u n -d e r s t a n d i n g o r m i s j u d g e m e n t a r e n o t c o n s i d e r e dh e r e . I n p r i n c i p l e, t h e y s h o u l d b e c o m p l e t e l y e li -m i n a t e d b y a p r o p e r s y s t e m o f c h e c k s a n d c r o s s -c h e c ks o f h u m a n p e r f o r m a n c e . H o w e v e r , i n p r ac -t ic e th e c o s t o f s u c h c h e c k s w o u l d b e v e r y h i g h .

T h e t o t al u n c e r t a i n t y m a y b e e s t i m a te d b y c o m -b i n i n g th e v a r i o u s u n c e r t a i n ti e s in q u a d r a t u r e . F o ri n s ta n c e , a s s u m i n g t h a t 1 0 p a r a m e t e r s i n t r o d u c es m a l l u n c e r t a i n t i e s e q u a l t o 0 . 2 % a n d t h a t o n ep a r a m e t e r i n t r o d u c e s a la r g e u n c e r t a i n t y o f 2 % , t h ec u m u l a t e d u n c e r t a i n t y is e q u a l t o 2 . 1 % i n w h i c ht h e c o n t r i b u t i o n o f t h e 1 0 s m a l l u n c e r ta i n t i e s isq u i t e n e g l ig i b le . T h e w e a k e s t p o i n t o f t h e c h a i n i so b v i o u s l y r e s p o n s i b l e f o r t h e t o t a l u n c e r t a i n t y .E v e r y p o s s i b l e e f f o r t s h o u l d t h e r e f o r e b e m a d e t or e d u c e t h e l a r g e s t u n c e r t a i n t i e s .

F o r m a n y y e a r s , sc ie n ti st s c o m b i n e d e r r o r s u s i n gc o m p l e x r u le s w h i c h d i f f e re d f r o m o n e c e n t r e t oa n o t h e r . T h e m o s t c o m m o n m e t h o d w a s to a d d l in -e a r l y t h e s y s t e m a t ic e r ro r s a n d t o c o m b i n e i n q u a d -r a t u r e t h e r a n d o m e r r o r s . S u c h a p r o c e d u r e l e d t oa n e s t i m a t e d m a x i m u m e r r o r , a s s u m i n g t h a t t h ee r r o r s a re a l w a y s a d d i ti v e . T h i s m a x i m u m e r r o r w a sg e n e r a l l y f a r f r o m r e a l i s t i c . T h e B u r e a u I n t e r n a -t i o n a l d e s P o i d s e t M e s u r e s [ 4 ] r e c e n t l y r e c o m -m e n d e d c o m b i n i n g u n c e r t a i n t i e s , w h e t h e r r a n d o mo r s y s t e m a t i c , i n q u a d r a t u r e t o o b t a i n t h e o v e r a l l

* T h i s i s o n e o f t h e r e a s o n s w h y B I P M [ 4] h a s s u g g e s t e d r e -p l a c in g t h e w o r d s " r a n d o m " a n d " s y s t e m a t i c u n c e r ta i n t i es " b y" c a t e g o r y A " a n d " c a t e g o r y B u n c e r ta i n t ie s " .


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280u n c e r t a i n t y . T h i s o v e r a l l u n c e r t a i n t y c o u l d b e m u l -t ip l i ed b y a c o n s t a n t f a c t o r w h i c h i s d e f i n e d b y t h ee x p e r i m e n t e r a c c o r d i n g t o t h e t y p e o f a p p l i c a t i o n .I t s n u m e r i c a l v a lu e s h o u l d v a r y b e t w e e n 1 a n d 3a n d b e c l e a r ly s t a te d .E v alua t ion o f t he ov e ra l l unc e r ta in t yE r r o r s a t v a r i o u s s ta g e s o f r a d i o t h e r a p y m a y b ee v a l u a t e d i n t w o w a y s : e v a l u a t i o n a p r i o r i f o l l o w i n gt h e o r e t i c a l c o n s i d e r a t i o n s t o g e t h e r w i t h t h e j u d g e -m e n t o f e x p e r i e n c e d p h y s ic i s ts , a n d e v a l u a t i o nb a s e d o n l a r g e i n t e r c o m p a r i s o n s .

E v alua t ion a pr ior i o f t he e r rors h a s b e e n m a d eb y L o e v i n g e r a n d L o f t u s [ 24 ] i n t w o e x t r e m e s i t u a -t i o n s , a t o p - l e v e l r a d i o t h e r a p y c e n t r e ( o p t i m a lm o d e l ) a n d a s m a l l c e n t r e ( m i n i m a l m o d e l ) . J o -h a n s s o n [ 2 ] c o n s i d e r e d a n o p t i m a l m o d e l i n w h i c hs y s t e m a t i c e r r o r s i n a g i v e n q u a n t i t y a r e a l w a y ss m a l l o r e v e n n e g l ig i b le c o m p a r e d w i t h r a n d o m e r -r o r s , w h e n t h e t w o c a t e g o r i e s o f e r r o r s a r e p r e s e n t .

E v a l u a t i o n b a s e d o n l a r g e i n t e r c o m p a r i s o n s b e-t w e e n r a d i o t h e r a p y c e n t r e s w e r e p e r f o r m e d b ySha l e k e t a l . [31] , G a g no n e t a l . [13] , Sa m ul sk i e t a l .[ 30 ] a n d J o h a n s s o n [ 2 1 ]. T h e y m e a s u r e d t h e e r r o rd i s t r i b u t i o n f o r s o m e i m p o r t a n t p a r a m e t e r s a n dc a l c u l a t e d t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n . T h i s i s c e r t a i n l yt h e m o s t s e n s ib l e w a y t o e s t i m a t e t h e s t a t e o f t h ea r t i n a g i v e n c o u n t r y a n d t o d e t e r m i n e t h e w e a k e s tp o i n t i n t h e c h a in . U n f o r t u n a t e l y t h e l a s t st e p s, i n -c l u d in g d e t e r m i n a t i o n o f p a t ie n t d a t a a n d p a t i e n ts e t t i n g - u p , a r e n o t i n c l u d e d i n t h e s e i n t e r c o m p a r i -s o n s. T h e a d e q u a c y o f t r e a t m e n t p o r t a l s t o t a r g e tv o l u m e a t t h e t i m e o f s im u l a t i o n a n d t r e a t m e n tp l a n n i n g [ 2 3] o r d u r i n g t h e c o u r s e o f t r e a t m e n t w a sn o t r e g u l a r l y c h e c k e d .

T h e f in a l j u d g e m e n t o n t h e t o t a l u n c e r t a i n t y i nr a d i o t h e r a p y i s d e r i v e d f r o m t h e s t a t i s t i c a l c o m -p a r i s o n o f c li n ic a l r e s u l ts f r o m r a d i o t h e r a p y c e n t r e su s i n g s i m i l a r r a d i o t h e r a p y p r o t o c o l s f o r a s e l e c t e dd i se a se; G a g no n e t a l. [13] a n d Ki nz i e e t a l . [23]h a v e s h o w n t h e i m p o r t a n c e o f s u c h w e l l- d o c u -m e n t e d s t u d i e s .

S o u r c e s o f e r r o r i n r a d i o t h e r a p yT h e s o u rc e s o f e r ro r i n r a d i o t h e r a p y w h i c h a r e t h er e s p o n s i b i l i t y o f t h e p h y s i c i s t c a n b e d i v i d e d i n t os ix di f fe rent sec t ions :( 1 ) T h e t r e a t m e n t u n i t p a r a m e t e r s ;( 2) t h e m e a s u r e m e n t o f t h e a b s o r b e d d o s e a t a r e f-

e r e n c e p o i n t i n a p h a n t o m ;( 3) t h e m e a s u r e m e n t o f th e d o s e d i s t r ib u t i o n ;(4 ) t he pa t i e n t ' s da t a ;( 5) t h e tr e a t m e n t p l a n n i n g ;(6) t he se t -up o f the pa t i e n t .

W h e n a n a l y s i n g t h e r e la ti v e im p o r t a n c e o f u n -c e r t a i n t i e s in e a c h se c t i on , t he phys i c i s t shou l d c on-s i d e r w h e t h e r t h e r e l a t e d e r r o r l e a d s e i t h e r t o a ne r r o r i n t h e d o s e d e l i v e r e d t o t h e p a t i e n t o r t o a ne r r o r i n t h e d o s e d i s t r i b u t i o n , o r p o s s i b l y b o t h . F o ri n s t a n c e , a s y s t e m a t i c e r r o r o f - 5 m m o n t h e co l -l i m a t o r s e t t i n g l e a d s t o a m i n o r e r r o r ( 0 . 5 t o 2 % )o n t h e d o s e d e l i v e r e d t o t h e t u m o u r a n d a l s o l e a d st o a s y s t e m a t ic u n d e r d o s a g e o f t h e 5 m m m a r g i n o ft h e t ar g e t v o lu m e : t h e n a r r o w e r t h e p e n u m b r a , t h eh i g h e r t h e u n d e r d o s a g e .T h e t r e a t m e n t u n i t p a r a m e t e r sThe se a re t he op t i c a l , d i g i t a l o r me c ha n i c a l de v i c e s :i . e . , S S D - i n d i c a t o r , p i n - a n d - a r c d e v i c e s , h e a d - r o -t a t i o n i n d i c a t o r , l i g h t l o c a l i z e r a n d c o l l i m a t o r - s i z ei n d i c a t o r . I n d i c a t i o n s o f t h e t r e a t m e n t - c o u c h p o s i -t i o n s h o u l d b e i n c l u d e d a m o n g t h e s e p a r a m e t e r sw h e n t h e y a r e u s e d t o p o s i t i o n t h e p a t i e n t , f o r e x -a m p l e , i n i s o c e n t r ic t e c h n i q u e s .

R a n d o m e r r o r s o n t h e s e p a r a m e t e r s h a v e t o b ec o n s i d e r e d d u r i n g t h r e e d i f f e r e n t s te p s :- t h e a b s o r b e d d o s e m e a s u r e m e n t a t t h e re f e r en c e

p o i n t i n r e f e r e n c e c o n d i t i o n s ;t h e v a r i a t i o n o f t h e a b s o r b e d d o s e a t t h e r e f e r-e n c e p o i n t i n r e l a t i o n t o t h o s e p a r a m e t e r s ;

- a n d a l s o t h e d a y - a f t e r - d a y a d j u s t m e n t o f t h ep a r a m e t e r s f o r p a t i e n t t r e a tm e n t . T h e r e f o r e , t h e yh a v e t o b e i n c l u d e d t h r e e t i m e s i n t h e c a l c u l a t i o no f t h e o v e r a l l u n c e r t a i n t y .


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On the other hand, systematic errors on theseparameters should be included only once in theoverall uncertainty because they are constant for agiven treatment unit during the full treatment pro-cess. The magnitude of the random uncertainties inthe setting of the treatment-unit parameters de-pends on the ability of the technicians to adjust thevarious parameters and should be estimated in eachradiotherapy department. The magnitude of thesystematic uncertainties depends on the quality-as-surance programme in use. The highest permissiblelimits of systematic uncertainties should be recom-mended and ensured by appropriate checks of eachitem described in the quality-assurance programme.

Table I shows uncertainties in some typicalparameters which were estimated by various au-thors: Johansson has estimated the random uncer-tainty in the parameters adjusted by physicists forthe measurement of the absorbed dose at a refer-ence point. Gagnon and Samulski have stated cri-teria and have determined the percentage of centresinside or outside each criterion. The large numberof centres which are outside the criterion (39, 12and 24% ) for the first three parameters of Table Ishows that the uncertainties estimated by Johans-son are not realistic. These data show that the sys-tematic uncertainties, probably related to inade-quate quality-assurance programmes, are ratherlarge. The last column of Table I shows the criteriaused in the quality-assurance programme of the In-TABLE ICriteria recommended for quality-assurance programme.

281stitut Gustave Roussy. These parameters arechecked systematically every month and the indi-cators are readjusted when the estimated error isequal to or larger than the accepted criterion.

A check and control system reduces the randomerrors to very small values and eliminates mistakes.However, it will not reduce the systematic errorsdetected by Gagnon and Samulski, and will lead tounderestimation of the risk of errors if it is not as-sociated with a high precision quality-assuranceprogramme. Bentley [3] reviewed three studies[12,22,28] on the subject of moni tor ing the set-upparameters of high energy radiotherapy machinesand the measu rement of the rate of mistakes. Theamount of mistakes among the thousands of set-ups in the three centres is roughly the same. Theerror rate varies between 0.I and 0.9% dependingupon the particular parameter checked and also themagnitud e o f error that is considered to be a mis-take. As a mistake made in one treatment fractionis generally rectified in the next, it therefore has anegligible effect on the whole course of treatment.This low rate o f mistakes is worth considering in anevaluation of a cost-benefit ratio.T h e m e a s u r e m e n t o f t h e a b s o r b e d d o se a t a r e fe r e n c e

p o i n t in a p h a n t o mThe magnitude of the random uncertainties in theabsorbed dose determination depends mainly on

Johansson [21] Ga gn on t al. [13] Samulskiet al. [30] Institut Gustave RoussySSD indicatorLight and radiation field coincidenceLight field size and indicator agreementArm rotation indicatorCollimator rotation indicatorCouch height indicator

1 mm 2 mm a1 m m 3 m m 3 mm

2 mm

2 mm

1-3 mmb1 3 m m b1o1o2 mm

a The criterion is the uncertainty which leads to a 0.5% variation of tumour dose: it is about 2 mm for a 80 cm SSD and 2.5 mm fora 100 cm SSD.b The criterion is 1 mm for a 5 5 cm field and 3 mm for a 30 30 cm field.


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282TABLE IIOverall unce rtainty in the absorbed dose at the reference point.

6~ X-rays Electrons(%) (%) (%)3.4halek [31]

Loevinger and Loftus [24]optimal 2.4minimal 4.4

Gagn on [13] 2-4~Samulski [30] 2.7Johansson [21]

estimated t .7determinedexperimentally 1.4

2.72.3 2.52.8 3.2

" In this intercomparison some chambers have been directlycalibrated in a Secondary Calibration Labo ratory and somehave not. Fo r the form er the standard deviation is only 2%but it is as large as 4% fo r the others. They correspond to theoptimal and minimal models of L0evinger and Loftus.

the accuracy of the various parameters used. Thequality of the dosimeters and that of the radio-therapy equipment used, leads to a general agree-ment on the random uncertainties to be considered,provided the physicist agrees to use a well-estab-lished and well-documented protocol [1,5,17,26].The systematic uncertainties are generally small be-cause the physicist is more naturally inclined to de-vote his efforts towards the more fundamental mea-surements. However, Johansson [21] has shownthat in some centres the largest systematic uncer-tainties in the measurement of the absorbed dosewere associated with the determinat ion of air pres-sure and temperature due to the poor calibration ofsome of the barometers and thermometers used.Table II shows the estimated overall uncertainty inthe absorbed dose at the reference point in a phan-tom. The uncertainty is larger for electron beamsthan for photon beams, mainly because of the un-certainty in the energy determination at the depthof measurement.The measurement of the dose distributionTwo types of uncertainties have to be considered:

the uncertainties in the measurement of the dosedistribution and the uncertainties in the reproduc-ibility of the dose distribution.

Errors in the dose distribution measurement in-clude errors in the detector response, in the positionof the detector and those due to the nature of thephantom. Systematic errors in the detector responseare mainly due to its dependence on radiat ion qual-ity and on dose-rate.

Errors in the position of the detector and thosedue to the nature of the phantom are usually smallrandom errors unless a mistake was made on thecorrections to be applied. These corrections werepublished in the various protocols.

Large systematic errors or mistakes could bemade when dose distributions are not measured forthe treatment unit in use. Dose distributions adop-ted can originate from an atlas, from literature orthey are supplied by the manufacturer with thetreatment unit. Lastly, they can be computed witha treatment planning console from basic data pro-vided by the programme author for another treat-ment unit. These dose distributions should bechecked carefully for a few representative beamconfigurations before being used for patient treat-ment planning. Depth doses are generally accuratefor cobalt-60 beams but large differences are oftenfound between linac X-ray beams of the same nom-inal energy. Larger differences are found in the pen-umbra region.

Electron beam dose distributions should, withoutexception, be measured for every linac because theygreatly depend upon the energy adjustment of thelinac and upon the mechanical and geometrical fea-tures of the collimator.

The overall uncertainty in the measured dose dis-tribution is smaller for cobalt-60 beams than forlinear accelerators, as demonstrated by Johansson[21] and it is also smaller for X-ray beams than forelectron beams.

The difference between cobalt-60 ~-ray beamsand X-ray beams is ever greater when the repro-ducibility of dose distribution is considered. Smallvariations in the direction of the emitted X-raybeam are amplified by the compensating filter lead-ing to large differences in dose distribution. Beam


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283s y m m e t r y h a s t o b e c h e c k e d a t r e g u l ar a n d f r e q u e n ti n t e rv a l s a t l e as t f o r t h e f o u r m a i n b e a m d i r e c t io n sb e c a u s e s p e ci fi c a d j u s t m e n t s m a y b e n e e d e d f o re a c h r o t a t i o n a n g l e o f t h e li n a c h e a d . F u r t h e r m o r e ,t h e b e a m q u a l i t y h a s t o b e c h e c k e d c a r e f u l ly in t h eq u a l i t y - a s s u r a n c e p r o g r a m m e .

E v e n i n c o b a l t - 6 0 y - r ay b e a m s , t h e u n i f o r m i t y o ft h e d o s e d i s t r i b u t i o n m u s t b e c h e c k e d a t r e g u l a ri n t e r v a l s i n o r d e r t o a d j u s t t h e c o l l i m a t i n g d e v i c e .

J o h a n s s o n e s t i m a t e d t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o nt h e d o s e a t a n y p o i n t r e l a t i v e t o t h e d o s e a t t h er e f e re n c e p o i n t . H e o n l y c o n s i d e r e d s q u a r e a n d r ec -t a n g u l a r f ie ld s a n d e s t i m a t e d t h e u n c e r t a i n t i e s t o b e2 . 6 , 3 .3 a n d 3 . 8 % f o r c o b a l t - 6 0 b e a m s , h i g h e n e r g yp h o t o n a n d e l e c t r o n b e a m s , r e s p ec t iv e l y .The patient ' s dataA c c u r a t e t r e a t m e n t p l a n n i n g r e q u i r e s a k n o w l e d g eo f c ro s s - s e c ti o n a l a n a t o m y f o r t h r e e m a i n r e as o n s :f ir s tl y , f o r d e t e r m i n a t i o n o f t h e e x t e n t o f t h e t u r n -o u r a n d i ts l o c a li s a t io n w i t h r e s p e c t t o s u r r o u n d i n gt i s s u e s , b o d y o u t l i n e a n d l a n d m a r k s ; s e c o n d l y , f o rd e t e r m i n a t i o n o f t h e p o s i t i o n a n d s iz e o f c r it i ca lo r g a n s w h i c h m a y n e e d t o b e p r o t e c t e d ; t h ir d l y , f o rq u a n t i t a t i v e i n f o r m a t i o n o n d e n s i t y d i s t r i b u t i o nt h r o u g h o u t t h e i r r a d i a t e d v o l u m e t o e n a b l e c o r r e c -t io n s t o b e m a d e f o r th e a t t e n u a t i o n o f X - r a y b e a m so r t h e a b s o r p t i o n o f e l e c tr o n b e a m s i n d i ff e r en tm a t e r i a l s .

M e c h a n i c a l m e t h o d s u s i n g l e a d w i re s o r c a li p e rsa r e t h e m o s t f r e q u e n t c o n t o u r i n g t e c h n i q u e s i n u s ei n r a d i o t h e r a p y d e p a r t m e n t s . U n f o r t u n a t e l y , t h e yc a n l e ad t o e r r o r s o f s e v e r al c e n t i m e t e r s p a r t i c u l a rl yi n t h e a b d o m e n a n d c h e s t . A m o r e s o p h i s t i c a t e dd e v i c e u s i n g a s e n s o r m e c h a n i c a l l y li n k e d t o a p e na l l o w s t h e p r ec i s e d r a w i n g o f t h e p a t i e n t ' s o u t l i n et o w i t h i n a f e w m i l l i m e t e r s. H o w e v e r , t h e d e t e r m i -n a t i o n o f i n t e r n a l s tr u c t u r e s m a k e s m a t t e r s m o r ec o m p l i c a t e d . O r t h o g o n a l r a d i o g r a p h s , w i t h l e a ds c a l e s t o d e t e r m i n e t h e m a g n i f i c a t i o n f a c t o r , a r e ag r e a t h e l p i n d e t e r m i n i n g t h e s i z e a n d l o c a t i o n o fo r g a n s , b u t o n l y t h e p r o j e c t e d d i m e n s i o n s o f t h ea n a t o m i c a l s t r u c t u r e s c a n b e d e t e r m i n e d b y t h i sm e t h o d .

A t t h e I n s t i t u t G u s t a v e R o u s s y t h e f i r s t d e t e r -

m i n a t i o n s o f a n a t o m i c a l c r o s s -s e c t io n s w e r e p e r -f o r m e d i n 1 9 5 4 w i t h c o n v e n t i o n a l a x i a l t o m o g r a -p h y o n s i t t i n g p a t i e n t s t r e a t e d w i t h t h e b e t a t r o n[ 1 1 ] . S i n c e 1 9 7 4 , a T o s h i b a t o m o g r a p h h a s b e e nu s e d o n l y in g p a ti e n t s . B o d y o u t l i n e is d e t e r m i n e db y m e a n s o f a s e t o f sm a l l l e a d w i r e s p l a c e d o n t h es k i n (F i g . 2) w i t h a n u n c e r t a i n t y o f 4 - 2 r a m . B o d ya n d o r g a n c o n t o u r s a r e re a d o u t a n d d i g i ti z e d b ym e a n s o f a c u r v e f o l lo w e r u s e d a s in p u t i n t h e c o m -p u t e r p r o g r a m m e . U n f o r t u n a t e l y , o n l y b o n es ,l u n g s a n d a f e w o p a q u e o r g a n s c o u l d b e l o c a li s edb e c a u s e o f t h e p o o r c o n t r a s t b e t w e e n t h e v a r i o u ss o f t t is s u e s. U n c e r t a i n t i e s o f a f e w m i l l im e t e r s c a nb e a c h i e v e d o n t h e l a t e ra l e d g e o f th e l u n g c o n t o u rb u t t h e y c a n a l s o b e a s l a rg e a s a f e w c e n t i m e t e r si n th e a n t e r i o r a n d p o s t e r i o r p a r t s o f t h e l u n g sw h e r e l a r g e a r t i f a c t s o c c u r .

T h e r e c e n t d e v e l o p m e n t o f C T s c an n e r s h a s p r o -v i d e d g o o d q u a l i t y i m a g e s o f p a t ie n t c r o s s - s ec t io n s .T h e c u r r e n t g e n e r a t i o n o f C T s c a n n e r s h a v e s p a t i a la n d c o n t r a s t r e s o l u t i o n s c a p a b l e o f c o v e r i n g t h en e e d s o f r a d i o t h e r a p y . H o w e v e r , t h e r e e x is t c e r t a inc a u s e s o f e r r o r i n t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e d i m e n -s i o n s o f o r g a n s o r t a r g e t - v o l u m e a n d a l so i n t h ed e t e r m i n a t i o n o f t h e d e n s i ti e s o f o r g a n s .C T s c a n n e r s a r e o p t i m i s e d f o r d i a g n o s t i c p u r -p o s e s a n d C T s c a ns a r e o f t e n o b t a i n e d i n t h e r a -d i o d i a g n o s t i c d e p a r t m e n t b e f o r e r a d i o t h e r a p y i sp l a n n e d . T h e p r i m a r y p r o b l e m w h i c h f a ce s a d i ag -

Fig. 2. Transverse om ographs of a prostrate patient. The leadwires placed on the skin sho w the bo dy contour. Tw o lead wiresidentify the table top .


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2 8 4n o s t i c ia n i s w h e t h e r o r n o t d i s e as e i s p r e s e n t a n d i fs o , w h a t s o r t o f d i s e a s e is it . T h e t h e r a p i s t , o n t h eo t h e r h a n d , i s s u p p o s e d t o k n o w o f th e t u m o u r ' se x i s t e n c e , b u t h e m u s t a l s o d e t e r m i n e i t s e x t e n t i na l l d i r e c t i o n s , t h e p o s i t i o n a n d s iz e o f a d j a c e n ts t r u c t u r e s a n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e o r g a n sa n d t h e e x t e r n a l l a n d m a r k s w h i c h a r e t o b e u s e df o r s e tt i n g - u p t h e p a t i e n t i n th e t r e a t m e n t r o o m .

A s o n l y a s m a l l c h a n g e i n t h e p o s i t io n o f t h ep a t i e n t m a y l e a d t o l a rg e v a r i a t i o n s i n t h e p o s i t i o no f o r g a n s w i t h r e s p e c t t o t h e b o d y o u t l i n e , it is e s-s e n t i a l t h a t t h e p a t i e n t s e t - u p b e i d e n t i c a l f o r t r e a t -m e n t a n d f o r C T s c a n n i n g ( F i g . 3 ) . T h e r e p r o d u c -i b il it y o f th e p a t i e n t 's p o s i t i o n c a n o n l y b e e n s u r e d

i f t h e r a d i o t h e r a p i s t , o r a w e l l -t r a in e d t h e r a p y t e c h -n i c i a n , a s s i s t s t h e d i a g n o s t i c i a n i n p o s i t i o n i n g t h ep a t i e n t o n t h e C T c o u c h . D i f fi c u l ti e s a r i s e f r o m t h ed i f fe r e n c es b e t w e e n t h e C T s c a n n e r a n d t h e t r e a t -m e n t u n i ts . T h e C T g a n t r y t u n n e l i s o f t e n t o o s m a l li n d i a m e t e r a n d t h i s m a k e s i t i m p o s s i b l e t o s e t t h ep a t i e n t i n t h e t r e a t m e n t p o s i t i o n . T h e C T c o u c h i sn a r r o w e r t h a n t h e u s u a l t r e a t m e n t c o u c h e s a n ds h o u l d b e f i a t a n d w i t h o u t a m a t t r es s . A l l s u p p o r td e v i c e s s h o u l d b e r e a s o n a b l y r a d i o t r a n s p a r e n t s oa s n o t t o p r o d u c e a r t i f a c t s .

T u r n i n g t h e p a t i e n t b a c k f r o m a s u p i n e t o ap r o n e p o s i t i o n t o t r e a t a n t e r i o r a n d p o s t e r i o r f ie ld s ,r e s p e c t i v e l y , r e s u l t s i n l a r g e v a r i a t i o n s i n t h e b o d y

~

b

Fig. 3. CT scans of a head. The position of the patient's headfor CT scans (a R eid's angle = 0) usually differs from the treat-ment position (b, Reid's angle = e).

(c and d ) Sh ow the large differencesobserved n CT scans per-form ed in pos itions a and b, respectively.


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c o n t o u r , i n t h e r e l a t iv e p o s i t i o n o f d i f fe r e n t o r g a n sa n d e v e n i n th e d e n s i t y o f t h e v a r i o u s p a r t s o f t h el u n g ( F i g. 4 ). T h e l u n g d e n s i t y c a lc u l a t e d f r o m C Tn u m b e r s u s u a l l y v a r i e s b y 3 0 t o 5 0 % b e t w e e n t h el o w e s t a n d t h e h i g h e s t p a r t o f t h e lu n g w h a t e v e r t h ep a t i e n t ' s p o s i t i o n : t h e h i g h e s t p a r t o f t h e l u n g i sa l w a y s m o r e t r a n s p a r e n t t h a n t h e lo w e s t p a r t . T h eb e n e f i t g a i n e d i n t h e a c c u r a t e d e t e r m i n a t i o n o f t h ep a t i e n t ' s d a t a w o u l d b e l o s t i f t h e p o s i t i o n o f th ep a t i e n t w a s m o d i f i e d w i t h c h a n g e s i n t h e b e a m d i -r e c t i o n .

A l t h o u g h t h e d u r a t i o n o f th e s c a n n i n g c y c l e h a sb e e n p r o g r e s s i v e ly r e d u c e d f r o m a b o u t 2 0 r a in t oa f e w s e c o n d s , t h e r e b y d e c r e a s i n g t h e e f f e c t o n t h ei m a g e o f p a t ie n t m o t i o n , a w h o l e e x a m i n a t i o n w i th2 0 a d j o i n i n g s e c t io n s o r m o r e l a st s a b o u t h a l f a nh o u r a n d a n y m o v e m e n t o f th e p a t i en t w ill m a k e

2 85t h e 3 - D r e c o n s t r u c t i o n o f t h e v o l u m e v e r y d i ff ic u lt .A n o t h e r d i ff ic u l ty m a y a r is e w i t h t h e p a t i e n t ' sb r e a t h i n g . W h e n t h e C T h a s a c y c l in g t i m e o f a fe ws e c o n d s , i t i s p o s s i b l e t o a s k t h e p a t i e n t ' s c o - o p e r a -t i o n i n h o l d i n g h i s / h e r b r e a t h d u r i n g t h e s c a n n i n g .H o w e v e r , t h e d u r a t i o n o f a r a d i o t h e r a p y s e s s io nm a k e s h o l d i n g o n e ' s b r e a t h i m p o s s ib l e , t h e r e f o r e i ts e e m s a d v i s a b l e t o a s s e ss t h e m o t i o n o f t is s u e s d u r -i n g t r e a t m e n t a n d t o a v e r a g e o u t t h e d i m e n s i o n sa n d d e n s i t i e s o v e r s e v e r a l r e s p i r a t o r y c y c l e s ( F i g s .5 a n d 6 ). L a r g e d i f fe r e n ce s m a y b e n o t i c e d b e t w e e ni m a g e s o b t a i n e d d u r i n g h o l d i n g o n e ' s b r e a t h a n di n n o r m a l b r e a t h i n g .

T h e o t h e r c a u s e s o f e r r o r h a v e b e e n w i d e l y a n a -l y s e d in t h e l i t e r a tu r e [ 8 ]. A n u n c o r r e c t c h o i c e o fw i n d o w l e v el a n d w i n d o w w i d t h m a y l e a d t o la r g ee r r o r s in t h e d i m e n s i o n s o f o r g a n s w h e n t h e y a r e

Fig. 4. C T scans of a patient in supine (a and b) and pron e (cand d) po sition. Large differencesare observed n both the bodycontour and the o rga n positions for the two sections shown,

abdom en (a and c) and thorax (b and d), when the position ofthe patien t is mod ified.


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2 86d e t e r m i n e d d i r e c t l y f r o m t h e i m a g e : t h e a u t o m a t i cd e t e r m i n a t i o n o f c o n t o u r s w i th a c o n v e n i e n t c o m -p u t e r p r o g r a m m e s u p p r e s se s t h a t c a u s e o f er r o r. Ap o o r c o r r e c t i o n o f th e C T n u m b e r s f o r t is s ue f i lt ra -t i o n m a y p r o d u c e a n e r r o r a s l a r g e a s 7 1 0 % o n t h et is s ue d e n s i t y o f d e e p o r g a n s c a l c u l a t e d f r o m t h eC T n u m b e r s : t h is e r r o r m a y b e m u c h l a r g e r th a nt h e e r r o r m a d e w h e n a s s ig n i n g a v e r a g e d e n si ti e s t oo r g a n s a s p u b l i s h e d i n t h e l i t e r a t u r e ; t h e o n l y e x -c e p t i o n i s t h e l u n g , t h e d e n s i t y o f w h i c h c a n v a r yf r o m 0 . 1 5 t o 1 d e p e n d i n g o n t h e a g e o f th e p a t i e n ta n d t h e f u n c t i o n a l s t a t u s o f th e l u n g .

S e v e r a l a u t h o r s h a v e u n d e r l i n e d t h e g r e a t p o t e n -t i al o f C T [ 7 ,1 4 ,1 5 ,3 4 ] f o r i m p r o v i n g r a d i a t i o n t h e r -a p y t h r o u g h a c c u r a te l o c a l is a ti o n o f t u m o u r a n dc r it ic a l n o r m a l s t r u c tu r e s , a s w e l l a s m o r e a c c u r a t ed e t e r m i n a t i o n o f o r g a n d e n s i ti e s.

T h e r e c e nt a d v a n c e s i n N M R i m a g i n g m a y c e r-

t a i n ly h e l p t o d e t e r m i n e t h e e x t e n t o f th e t u m o u r .H o w e v e r , i t i s n o t e x p e c t e d t o r e p l a c e C T i m a g i n gf o r t r e a t m e n t p l a n n i n g b e c a u s e th e N M R s ig n al sa r e n o t r e l a t e d t o t i s s u e d e n s i t i e s i n t h e s a m e w a ya s C T n u m b e r s a n d t h e r e f o r e c a n n o t b e u s e d d i -r e c t l y f o r d o s e c a l c u l a t i o n s .T h e t r e a t m e n t p l a n n i n gI t i s n o w c o m m o n p r a c t i c e t o u s e c o m p u t e r s f o rt r e a t m e n t p l a n n i n g . T h e a d d i t i o n o f r a d i a t i o nb e a m s i s a t a s k i d e a l l y s u i t e d t o c o m p u t e r t e c h -n i qu e s a n d m a n y w o r k e r s t h r o u g h o u t t he w o r l dh a v e c o n t r i b u t e d t o th e a n a l y s is o f t h e p r o b l e m a n dh a v e p ro p o s e d n u m e r o u s c o m p u t a t i o n m e t h o d s .

I n c o m p u t e r c a l c ul a ti o n s t he r a n d o m e r r o r s a rer e d u c e d t o a q u i t e n e g l i g i b l e l e v e l : t h e d o s e s c a n b ec a l c u l a t e d w i t h n i n e s i g n if i c a n t f i g u r e s a n d t h e r a n -

Fig. 5. CT scans of a patient breathing normally (a and b) andholding his/her breath (c an d d). Large differences are o bservedin both the body contour and the organ positions for the two

sections shown, abdomen (a and c) and thorax (b and d).Ima ges obtained w hile the patient is holding his/her breath ma ynot be u sed for accurate radiotherapy treatment planning.


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2 8 7

Fig. 6. Bod y contours for a patient in supine and prone posi-tions. The CT sca n of the pa tient in supine position (Fig. 4b) isprinted (life-size) and the contours tak en fro m the scan in proneposition (Fig. 4d) are superim posed show ing large differences,particularly in the me diastinal region.

d o r a u n c e r t a i n t y i s o n t h e n i n t h f i g u r e . B e c a u s e t h er a n d o m e r r o r i s s o s m a l l , p h y s i c i s t s a n d r a d i o t h e r -a p i s t s a r e i n c l i n e d t o c o n s i d e r t h e c a l c u l a t i o n s a se x a c t, a l t h o u g h l a rg e r i s ks o f e r r o r a r e a s s o c i a t e dw i t h e a c h s t e p o f th e c a l c u l a t i o n .

H a r d w a r e e r r o r s a r e e x c e p t i o n a l . F o r i n s t a n c e ,t h e r e m a y b e a n e r r o r i n m e m o r y a d d r e s s i n g o r as t r a y e l e c t r i c a l s i g n a l i n t e r p r e t e d b y t h e c o m p u t e ra s a c o d e : t h e r e s u l t i n g e r r o r s i n d o s e c a l c u l a t i o na r e g e n e r a l l y v e r y l a r g e a n d c a n t h e r e f o r e b e d e -t e c t e d e a s i l y . H o w e v e r , t h e r e i s a s m a l l c h a n c e o fa n u n d e t e c t e d e r r o r .

S o f t w a r e e r r o r s a r e m o r e f r e q u e n t . T h e y c a n o c -c u r , a t a n y t i m e , b e c a u s e o f a t y p i n g m i s t a k e o r a st h e r e su l t o f i n c o r re c t p r o g r a m m i n g b u t m o r e o f t e ni t is b e c a u s e o f m i s i n t e r p r e t a t i o n o f th e m e a n i n g o fs o m e t e r m s . T h e y c a n l e a d t o l a r g e e r r o r s i n d o s ec a l c u l a t i o n .

S a m u l s k i e t a l . [ 3 0 ] h a v e a s s e s s e d t h e a c c u r a c y o ft h e m e t h o d s u s e d b y r a d i o t h e r a p y c e n t r e s t o c a l -c u l a t e t h e t u m o u r d o s e a l o n g t h e b e a m a x i s f o rt h r e e r e f e r e n c e c a s e s : a r e c t a n g u l a r f i e l d , a w e d g ef i e l d a n d a n i r r e g u l a r m a n t l e f i e l d : T h e e r r o r s f o u n di n t h e c a l c u l a t i o n s e x c e e d e d t h e a c c e p t e d c r i t e r i o n( 5 % ) f o r 5 , 15 a n d 2 3 % o f th e p a r t i c i p a n t s f o r t h et h r e e r e f e r e n c e c a s e s , r e s p e c t i v e l y .

T h e u s e o f s o p h i s t ic a t e d t r e a t m e n t p l a n s i m p l ie st h a t g r e a t c a r e w a s t a k e n c h e c k i n g t h e m e t h o d su s e d f o r d o s e c a l c u l a t i o n .

T o p r e v e n t s u c h e r r o r s , a q u a l i t y - a s s u r a n c e p r o -

g r a m m e i n c l u d in g i n it ia l a n d s y s t e m a t i c c h ec k s , ism a n d a t o r y . I n i t ia l c h e c k s s h o u l d b e u s e d t o c o m -p a r e t h e d o s e d i s t r i b u t i o n o f s in g le b e a m s w i t h m e a -s u r e d d o s e d i s tr i b u t io n s a n d t o t es t t h e b e a m m o d e li n e x t r e m e c o n d i t i o n s s u c h a s v e r y s m a l l o r v e r yl a r g e f i e ld s , l a r g e o b l i q u i t i e s , u s e o f w e d g e f i l te r s , o rs h i e l d in g b l o c k s , e t c . R e p e a t e d s y s t e m a t i c c h e c k ss h o u l d b e c a r r i e d o u t f o r a f e w t y p i c a l t r e a t m e n tp l a n s t h a t a r e p r e p a r e d t o c o v e r a w id e s p e c t r u mo f n o r m a l c o n d i t i o n s a n d t h e se s h o u l d b e c a r e f u l lyk e p t i n o r d e r t o c h e c k t h e r e p r o d u c i b i l i t y o f th ec a l c u l a t i o n s .

O n e o f th e g r e a t e s t a d v a n t a g e s o f t h e u s e o f c o m -p u t e r s i s t o b e a b l e to p r o v i d e d o s e d i s t r i b u t i o n s f o rt r e a t m e n t c o n d i t i o n s f o r w h i c h m a n u a l c a l c u l a -t i o n s , s u c h a s t h r e e - d i m e n s i o n a l c a l c u l a t i o n o r i r -r e g u l a r f i e l d s ( F i g . 7 ) , a r e n o t f e a s i b l e . W i t h o u tc o m p u t e r s t h e d o s e s to t h e p a r t s o f t h e t a r g e t v o l -u m e d i s t a n t f r o m t h e c e n t r a l p l a n e o r t o t h e c r i ti c a lo r g a n s p r o t e c t e d b y s h i e l d i n g b l o c k s c o u l d o n l y b eg u e s se d . T h a n k s t o c o m p u t e r s t h e d o s e s c a n b e ca l -c u l a t e d w i t h p r e c i s i o n . H o w e v e r , t h e r e i s a g r e a td a n g e r i n c a re l e ss l y s u b s t i tu t i n g a n e r r o n e o u s b u ti m p r e s s i v e c o m p u t e r c a l c u l a t io n f o r t h e c o r r e c tg u e s s o f a n e x p e r i e n c e d r a d i o t h e r a p i s t .N o w a d a y s t h e u se o f a c o m p u t e r i s e d t r e a t m e n tp l a n n i n g s y s t e m i s o f t e n a s s o c i a t e d w i t h t h e p o s s i -b i li ty to u s e C T s c a n s as p a t i e n t d a t a . T h e C T - n u m -b e r d i s t ri b u t i o n c a n b e c o n v e r t e d i n t o e l e c t r o n - d e n -s i ty d i s t r i b u t i o n i n o r d e r t o c o r r e c t t h e d o s e f o r t h ep r e s e n c e o f l u n g, b u t t o m y k n o w l e d g e , d o s e d i s-t r i b u t i o n s w e r e n o t a n d p r o b a b l y a r e s t i l l n o t c o r -r e c t e d r o u t i n e l y f o r f a t a n d b o n e a n d t h e y a r e c e r -t a i n l y o n l y r a r e l y c o r r e c t e d f o r s o f t t i s su e d e n s i t ie s .T h e f i r s t q u e s t i o n w h i c h a r i s e s r e g a r d s t h e m a g n i -t u d e o f th e e r r o r e n c o u n t e r e d w h e n t is s u e s a i- e a s -s u m e d t o b e w a t e r - e q u i v a l e n t . F i g u r e 8 s h o w s t h ee r r o r s m a d e o n t h e a b s o r b e d d o s e a s a f u n c t i o n o ft h e t i s s u e t h i c k n e s s f o r t h r e e d i f f e r e n t b e a m e n e r -g i e s : t h e h i g h e r t h e e n e r g y , t h e s m a l l e r t h e e r r o r .

T a b l e I I I s h o w s th e e r r o rs m a d e o n t h e a b s o r b e dd o s e f o r t h r e e d i f f e r e n t b e a m e n e r g i e s a n d f o r t y p -i c a l e r r o r s i n d a t a c o n c e r n i n g t h e p a t i e n t . T h e e r -r o r s m a d e w h e n n o c o r r e c t i o n i s a p p l i e d f o r b o n ea n d f a t, c o m p e n s a t e a p p r o x i m a t e l y in t h a t ca s e , b u tt h e y w o u l d n o t n e c e s s a ri l y c o m p e n s a t e i n o t h e r


14/18

288

llqI 1 | ,

i ; l jr !

H

!r ei

C ~ .....F i g . 7 . 3 - D d o s e d i s t r i b u t i o n f o r a m a n t l e f i el d . A s e r i e s o f b o d yc o n t o u r s i s d r a w n i n ( a ) t o g e t h e r w i t h a s a g i t ta l p r o f i le o f t h ep a t i e n t . T h e a n t e r i o r a n d p o s t e r i o r m a n t l e f ie l d c o n t o u r s a r er e a d o u t f r o m t h e s i m u l a t i o n r a d i o g r a p h s ( b ) t a k i n g i n t o a c c o u n tt h e m a g n i f i c a t i o n o f t h e r a d i o g r a p h s . T h e y a r e a l s o s h o w n i n ap e r s p e c t i v e v i e w (c ). T h e d o s e d i s t r i b u t i o n c a n b e c o m p u t e d i na n y t r a n s v e r s e , f r o n t a l ( d ) o r s a g i t t a l ( e ) p l a n e f o r t h e l a s t 1 0y e a r s i n t h e I n s t i t u t G u s t a v e R o u s s y .


15/18

D o s e i n t i s s u e sD o s e i n w a t e r

_ _ C o 6 01 3C _ _ _ _ R X 5 5 t v lV

. . . . . R X 2 5 M V

1 0 5 i - 1 0 c m x 1 0 c m

/ /

1 0 C - ~ ' ~ - 2 " ~ / ' ~ . . . . . . . . . . . . . . .

Q 9 5

Ii x c mf a t/

b o n e1 c m

)raln- 1 ) c m

T o t a l d e p t h x ( c m )Fig. 8. The ratio o f absorbed dose to tissues and absorbed doseto w ater as a fun ction of depth in tissues for three beam qualities:cobalt-60 7-ray beam, 5.5 MV X-ra y beam and 25 M V X-raybeam. The h igher the energy, he smaller the dose modification.

s i t u a t i o n s a s i t i s d e m o n s t r a t e d f o r t h e h e a d i nFig. 8 .C l i n ic a l e x p e r ie n c e h a s b e e n g a i n e d t h r o u g h o u t

t h e w o r l d w i t h d o s e c a l c u l a t i o n s i n w a t e r . T u m o u rd o s e s s t a t e d i n t h e l i t e r a t u r e a r e s y s t e m a t i c a l l y i ne r r o r b y a f e w p e r c e n t b e c a u s e o f t h e f a c t t h a t t is -s u e s a r e n o t e q u i v a l e n t w i th w a t e r . P e r f o r m i n g i n -h o m o g e n e i t y c o r r e c t i o n s i n t h e p h y s i c s d e p a r t m e n tw i t h o u t g i v i n g th e r a d i o t h e r a p i s t i n c h a r g e o f th ep a t i e n t c l e a r w a r n i n g c o u l d l e a d t o s y s t e m a t i c o v e r -o r u n d e r d o s a g e o f t is s u es , a n d t h e n t o f a il u r e toc o n t r o l t h e p a t i e n t ' s d i s e as e . S y s t e m a t i c c o m p a r i -s o n s w i t h i n - w a t e r d o s e s s h o u l d b e p e r f o r m e d d u r -i n g a t r a n s i t io n a l p e r i o d . H o w e v e r , i f c o r r e c t i o n sa r e n o t p e r f o r m e d w h e n t h e n e c e s s a r y d a t a a n dm e t h o d s a r e a v a i l a b l e t h e d e s i r e d p r e c i s i o n i m -p r o v e m e n t w o u l d n o t b e a tt a in e d .The set-up of the patientI t i s a c o m p l i c a t e d m a t t e r t o e n s u r e a s t a b l e a n dr e p r o d u c i b l e p o s i t i o n o f t h e p a t i e n t d u r i n g t h e

2 89w h o l e t r e a t m e n t , f r o m t h e t r e a t m e n t s i m u l a t i o n t ot h e f ir s t s e t ti n g - u p o f th e p a t i e n t , a n d t h e n f r o m o n et r e a t m e n t s e ss i on t o t h e n e x t u n t i l t h e e n d o f t h et r e at m e n t . T o m a k e m a t t e r s m o r e c o m p l i c a t e d , th el o c a l i s a t i o n , s i m u l a t i o n , p l a n n i n g a n d t r e a t m e n ta r e d o n e w i t h d i f f e r e n t i n s t r u m e n t s , a t d i f f e r e n tt i m e s a n d b y d i f f e r e n t p e r s o n n e l . T h e f u l l b e n e f i t o ft h e s o p h i s t i c at e d m e t h o d s u s e d f o r p a t i e n t d a t a a c -q u i s i t i o n o r f o r t r e a t m e n t p l a n n i n g , w i l l b e l o s t i ft h i s i n f o r m a t i o n c a n n o t b e t r a n s f e r r e d a c c u r a t e l yt o t h e t h e r a p y u n i t .

T h e p o s i ti o n o f th e p a t i e n t m u s t b e c o m f o r t a b l ei n o r d e r t o b e r e p r o d u c i b l e ; t h e r e s h o u l d b e s p e c i als u p p o r t s u n d e r t h e k n e e s , t h e n e c k o r t h e s h o u l d e r s,a n d a l s o a r m h o l d e r s f o r b r e a s t c a n c e r . C h e c k s o ft h e c o r r e c t a l ig n m e n t o f th e w h o l e p a t i e n t w i t h l a s erb e a m s m a y h e l p t o e n s u r e t h e r e p r o d u c i b i l i t y o f t h ep o s i t i o n . C a r e f u l a n a l y s is o f th e t r e a t m e n t p o r t a lf i l m s m u s t b e u s e d , a s i n p r a c t i c e t h i s i s t h e o n l yw a y t o c h e c k t h e a d e q u a c y o f t h e r a d i a t i o n f i e ld st o t h e t a r g e t v o l u m e . P o r t a l f i l m s a r e e s s e n t i a l t oi m p r o v e t h e p r e c i s io n o f th e p a t i e n t s e t -u p a t t h et i m e o f t h e f i rs t s e ss i o n [2 3 ]. T h e y d o n o t , h o w e v e r ,h e l p t o s o l v e t h e d i f f ic u l ti e s a r i s in g f r o m p a t i e n tm o v e m e n t d u r i n g t r e a t m e n t a n d t h e i n a b i l i t y t o s e tt h e p a t i e n t i n t h e s a m e p o s i t i o n r e l a t i v e t o t h eb e a m , f r o m s e s s i o n t o s e s s i o n . T h e r e s u l t i n g e r r o r sa r e i n c lu d e d i n t h e c o n c e p t o f i m m o b i l i s a t io n e r r o r .I n v i v o d o s i m e t r y [ 2 , 2 9 ] - i s v e r y u s e f u l f o r t h e e s t i -m a t i o n o f t h e u n c e r t a in t i e s r e l a te d t o b o t h t h e s e t-u p o f t h e p a t i e n t a n d t h e t r e a t m e n t u n i t p a r a m e t e r s ,i n c l u d i n g t h e b e a m m o d i f i e r s s u c h a s w e d g e f i l t e r so r s h i e l d i n g b l o c k s .

V a r i o u s t e c h n i q u e s h a v e b e e n d e v e l o p e d t o g u a r -a n t e e a c c u r a t e a n d r e p r o d u c i b l e p o s i t i o n i n g o f t h ep a t i e n t . N o s in g le t e c h n i q u e c a n b e v a l id f o r e v e r yt u r n o u t l o c a l is a t io n , i. e. f o r h e a d a n d n e c k t u m o u r sa s w e l l a s f o r p e l v i s t u m o u r s . F u r t h e r m o r e , t h ep o s i t i o n o f a p a t i e n t w h o i s a n x i o u s d u r i n g t h e fi rs ts e s s i o n s , m a y b e d i f f e r e n t f r o m t h e p o s i t i o n l a t e r ,w h e n t h e p a t i e n t i s r e l a x e d .

I n a g o o d s t a n d a r d r a d i o t h e r a p y c e n t r e , w h e r e aq u a l i t y - a s s u r a n c e p r o g r a m m e i s r e g u l a r l y a p p l i e d ,t h e s e t t in g o f t h e p a t i e n t f o r m i s g e n e r a l l y t h e w e a k -e s t p o i n t o f t h e c h a i n a n d l a rg e l y c o n t r i b u t e s t o t h eo v e r a l l u n c e r t a i n t y .


16/18

2 9 0

T A B L E I I IE r r o r s i n t he t um our a bs o r be d dos e i nduc e d by e r r o r s i n pa t i e n t da t a ( t um our a t 10 c m de p t h , f i el d si ze 10 10 c m) .

E r r o r s i n p a t i e n t d a t a E r r o r s i n a b s o r b e d d o s e~ ~ 6 M V 2 5 M V( % ) ( % ) ( % )

Er ro r in 5:0.5 cm :1:2.8 4- 1.7 4- 1. Itum ou r dep th i 1 + 5 .7 4- 3 .5 4- 2 .3

M a x i l l a r y(1.5 cm , p = 1.65)No corre c t ion + 5 .5 + 3 .4 + 2 .2Err or in bo ne th ickn ess 4-0 .5 cm 4- 1 .8 4- 1 .1 Err or in bo ne dens i ty 4-0 .15 4- 1 .3 4- 0 .8 0 .5Il iac bone(3 cm, p = 1 .3)No corre c t ion + 5 .1 + 3 .2 + 2 .1Err or in bo ne th ickne ss 4-0 .5 cm 4-0 .9 4-0 .5 - t -0 .35Err or in bo ne dens i ty 4-0 .15 4-2 .6 + 1 .6 + IF at(5 cm , p = 0.91)No corre c t ion - 2 .6 - 1 .6 - - 1E r r o r i n f a t t h i ck n e s s + 0 . 5 c m + 0 . 3 + 0 . 2 4 -0 .1

I n t e n s i v e t r a i n i n g o f th e t e c h n i c a l s ta f f, s y s t e m -a t ic r e c h e c k i n g o f t h e a d e q u a c y o f t r e a t m e n t p o r -t a ls d u r i n g t h e c o u r s e o f t r e a t m e n t , t h e d e s i g n o fs p e c i a l d e v i c e s f o r p a t i e n t i m m o b i l i s a t i o n f o r e a c h

t y p e o f t u m o u r , a l l r e q u i r e a c o n s t a n t e f f o r t f r o mr a d i o t h e r a p i s t s a n d p h y s i c i s t s in o r d e r t o i m p r o v et h e o v e r a l l p r e c i s i o n i n t h e d o s e d e l i v e r e d t o t h ev a r i o u s p a r t s o f th e t u m o u r .

T A B L E I V

Or i g i n o f unc e r t a i n t i e s M a i n a c t i ons t o r e duc e unc e r t a i n t i e sT r e a t m e n t u n i t p a r a m e t e r s

s ys t e ma t i c unc e r t a i n t i e sr a n d o m u n c e r t a in t i e s o r m i s t a k e sA b s o r b e d d o s e m e a s u re m e n t

P a t i e n t d a t a

T r e a t m e n t p l a n n i n gS e t - u p o f t h e p a t i e n t

Q u a l i t y a s s u r a n c e p r o g r a m m eA u t o m a t i c c h e c k a n d c o n t r o l s y s te mP e r i o d ic a l r e c a li b r a t io n o f t h e i o n i s a t io n c h a m b e r a t a S e c o n d a r y S t a n d a r d L a b o r a t o r yU s e o f a p u b l i s h e d p r o t o c o lR e j e c t le a d w i re s f o r b o d y c o n t o u r d e t e r m i n a t i o nI d e n t i c a l p o s i t i o n o f t h e p a t i e n t f o r d a t a d e t e r m i n a t i o n a n d t r e a t m e n tU s e o f C T s c a n n e r f o r i n t e r n a l st r u c t u re s w h e n e v e r t h e p a t i e n t c a n b e s e t i n t r e a t m e n t p o s i t io nQ u a l i t y - as s u r a n c e p r o g r a m m e f o r t h e t r e a l m e n t p l a n n i n g c o m p u t e r u s e dI n t e ns i ve t r a i n i ng o f t he s t a f fV e r i f ic a t io n b y m e a n o f t r e a t m e n t p o r t a l sI n v i v o d o s i m e t r y


17/18

Conc lus ion

T h e g o a l o f r a d i o t h e r a p y i s t o e r a d i c a te a t u m o u rw i t h o u t c a u s i n g s e v e r e d a m a g e t o h e a l t h y t i s s u e s .A n o v e r a l l p r e c i s io n o f + 5 % o n t h e a b s o r b e d d o s e sa t a n y p o i n t i n t h e p a t i e n t i s r e q u i r e d t o m e e t t h i sg o a l . W h e n l o o k i n g i n t o t h e l o n g l i s t o f e r r o r s( T a b le I V ) w h i c h m a y b e e n c o u n t e r e d i n t h e c o u r s eo f r a d i o t h e r a p y , t h e r e d u c t i o n o f th e o v e r a l l u n c e r -t a i n t y t o t h e r e q u i r e d l e ve l a p p e a r s t o b e a c h a l l e n g ef o r t h e w h o l e t e a m o f t h e r a p i s t s , p h y s i c i s t s , e n g i -n e e r s a n d t e c h n i c ia n s . T o d i f f e r e n t ia t e b e t w e e n t h er e s p o n s ib i l it ie s o f t h e v a r i o u s m e m b e r s o f t h e t e a mi s n o t t h e p r o b l e m . I t i s m u c h m o r e i m p o r t a n t t oc o n v i n c e e v e r y o n e t h a t a c l o s e c o o p e r a t i o n i s a b -so l u t e l y e s se n t ia l i n o rde r t o a c h i e ve a s i gn i f i c a n td e c r e a s e o f t h e u n c e r t a i n t ie s .

I p e r s o n a l l y c o n s i d e r t h a t d e l i v e r i n g t h e p r e s e n tl e c tu r e i l l u st r a te s t h a t c o o p e r a t i o n .

References

1 A P M A p r o t o c o l f o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f a b s o r b e d d o s ef r o m h i g h - e n e r g y p h o t o n a n d e l e c t r o n b e a m s . T a s k g r o u p2 1, R a d i a t i o n T h e r a p y C o m m i t t e e . M e d . P h y s . 1 0 : 7 4 1 7 7 I ,1983.

2 Ba s c ua s , J . L . , Cha va ud r a , J . , Va u t h i e r , G . a nd Du t r e i x ,J . I n t 6 r ~ t de s me s u r e s i n v i vo s y s t6ma t i que s e n r a d i o t h6 r -apie . J . Radiol . Elec t ro l . 58:701 708, 1977.

3 Be n t l e y , R . E . A r e v ie w o f t h r e e st ud i e s t o me a s u r e t he r a t eo f m i s t a k e s i n r a d i o t h e r a p y t r e a t m e n t . I n : C o m p u t e r s i nR a d i a t i o n T h e r a p y , p p . 3 3 0 - 3 32 . E d i t o r : Y o i c h i r o U m e g a k i .K a w a s a k i a n d T o k y o , J a p a n , 1 9 8 0 .

4 B I P M B u r e a u I n t e r n a t i o n a l d e s P o i d s e t M e s u r e s ; w o r k i n gg r o u p o n t h e s t a t e m e n t o f u n c e r t a i n t ie s ( l s t m e e t in g ) . R e -p o r t t o t h e C o m i t ~ I n t e r n a t i o n a l d es P o i d s e t M e s u r e s. R .Ka a r l s , r a ppo r t e u r , 1980 .

5 C F M R I R e c o m m a n d a t i o n s p o u r la m e s u re d e l a d o s e a b -s o r b6e da ns l es f a i s c e a ux d ' 61ec t r ons e t de ph o t on s d ' ~ne r g i ec o m p r i s e e n tr e 1 e t 5 0 M e V . R a p p o r t n o . 2 . B u r e a u N a t i o n a lde M~trologie , Par is , 1984.

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