Dr. Tong Xu

Research Summary

Real-time motion tracking for medical procedures

Real-time motion tracking of a target (patient body, organ, tumour, endoscope, catheter etc.) has very wideapplications in medical care. For example, during external beam radiation therapy on pulmonary and abdominaltumours, delivering accurate radiation therapy is limited by the motion of the tumour as the patient breathes. Thesolution is to track the tumour’s location during radiotherapy, then compensate for the motion through respiratorygating or even adjust the beam to follow the tumour in real-time. We proposed to use implanted positron emissionmarkers for real-time tumor tracking (PeTrack). By implanting positron emission markers into the tumor, and usingpairs of position-sensitive detectors to detect the resulting annihilation gamma rays, the position of the tumor can betracked in real-time with high accuracy. We are also applying this technique to image guided surgery. By integratingthe PeTrack with surgical x-ray c-arm, we will be able to provide real-time feed-back of the position of the surgicalinstruments without constant x-ray imaging, thus reduce the radiation dose to patient and surgeons.

Dynamic Dual-energy x-ray imaging (dDEXI)

While x-ray fluoroscopy can be used to observe internal organ motion, automatic and accurate evaluation of themotion is usually hindered by the interference between bone and soft tissue signals. For example, during breathing,the regional lung density variation can be observed on the x-ray images, which may be used to diagnosisemphysema and chronic obstructive pulmonary diseases. However, due to the overlapping rib signal in the image,the accuracy of these analyses is questionable. Dual-Energy x-ray imaging can overcome this issue by separatingbone and soft-tissue images, taking advantage of their different attenuation coefficients as a function of x-ray energy.We have developed the dDEXI technique that acquires two image sequences simultaneously, thus, it is free ofmotion artifacts. We also propose using dDEXI for lung tumour motion assessment. The oncologist can use thisinformation to determine whether motion management is required during radiotherapy. dDEXI can be a faster,cheaper, low dose alternative to current motion assessment methods, such as MRI or 4D CT.

Publications/Presentations

1. T. Xu, J.T. Wong, S. Molloi., “Method and apparatus for real-time tumor tracking by detecting annihilationgamma rays from low activity position isotope fiducial markers”, U.S. Patent # 8447387. 2013

2. C. Mennessier, B. Spencer, R. Clackdoyle, and T. Xu. Distortion correction, geometric calibration, andvolume reconstruction for an isocentric c-arm x-ray system. In Conference Proceedings of the 2011 IEEENuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, 2011. p2943-2947

3. M Chamberland, R Wassenaar, B Spencer, and T Xu. "Performance evaluation of real-time motion trackingusing positron emission fiducial markers", Medical Physics 38 (2), 810-819 (2011).

4. T. Xu, JL Ducote, JT Wong, and S Molloi. “Dynamic dual-energy chest radiography: a potential tool for lungtissue motion monitoring and kinetic study” Phys. Med. Biol. 56 (2011) 1–15

5. Churchill NW, Chamberland M, Xu T. Algorithm and simulation for real-time positron emission basedtumor tracking using a linear fiducial marker. Med Phys. 2009 May;36(5):1576-86.

6. T. Xu, J.T. Wong, P.M. Shikhaliev, J.L. Ducote, M.S. Al-Ghazi, and S. Molloi, "Real-time tumor tracking usingimplanted positron emission markers: concept and simulation study", Med Phys, 33, 2598-609 (2006).

7. T. Xu, J.L. Ducote, J.T. Wong, and S. Molloi, "Feasibility of real time dual-energy imaging based on a flatpanel detector for coronary artery calcium quantification", Med Phys, 33, 1612-22(2006).

8. J.T. Wong, J.L. Ducote, T. Xu, M.T. Hassanein, and S. Molloi, "Automated technique for angiographicdetermination of coronary blood flow and lumen volume", Acad Radiol, 13, 186-94,(2006).

9. P.M. Shikhaliev, T. Xu, J.L. Ducote, B. Easwaramoorthy, J. Mukherjee, and S. Molloi, "Positronautoradiography for intravascular imaging: feasibility evaluation", Phys Med Biol,51, 963-79,(2006).

10. J.L. Ducote, T. Xu, and S. Molloi, "Optimization of a flat-panel based real time dual-energy system forcardiac imaging". Med Phys, 33, 1562-8,(2006).P.M. Shikhaliev, J.L. Ducote, T. Xu, and S. Molloi, Q"uantum efficiency of the MCP detector: Monte Carlo calculation", IEEE Transactions  on Nuclear Science, 52, 1257-1262,(2005).

11. P.M. Shikhaliev, T. Xu, and S. Molloi, "Photon counting computed  tomography: Concept and initial results",Medical Physics 32, 427-436,(2005).

12. T. Xu, P.M. Shikhaliev, G.R. Berenji, J. Tehranzadeh, F. Saremi, and S. Molloi, "Area beam equalization:optimization and performance of an automated prototype system for chest radiography", Acad. Radiol., 11,377-89(2004).

13. T. Xu, M.S. Al-Ghazi, and S. Molloi, "Treatment planning considerations of reshapeable automatic intensitymodulator for intensity modulated radiation therapy", Med Phys 31, 2344-55(2004).

14. J.T. Wong, T. Xu, A. Husain, H. Le, and S. Molloi, "Effect of area x-ray beam equalization on image qualityand dose in digital mammography", Phys Med Biol 49, 3539-57 (2004).