Low cost and high performance MEMS-VCSEL technology for next generation swept source optical coherence tomography and microscopy

用于下一代扫频源光学相干断层扫描和显微镜的低成本和高性能 MEMS-VCSEL 技术

基本信息

  • 批准号:
    10002348
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 72.37万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-09-17 至 2021-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This proposal aims to develop a new generation of high-­speed, low-­cost, microelectromechanical systems vertical cavity surface emitting lasers (MEMS-­VCSELs) for optical coherence tomography (OCT) at multi-­MHz axial scan rates. The proposed effort involves a collaboration between Praevium Research, with expertise in MEMS-­VCSEL development, and the Massachusetts Institute of Technology (MIT), a leader in OCT system integration and OCT imaging. These ultrahigh speed imaging systems enable new in vivo fundamental and clinical imaging applications, at larger fields of view and finer resolutions than were previously possible. Multi-­ MHz operation is particularly critical for advancing OCT in cancer studies, which require high speed for large volume imaging of microstructure, and dense sampling for angiographic imaging (OCTA) and optical coherence microscopy (OCM). The proposed low-­cost laser will make these high performance technologies widely available to the fundamental and clinical cancer research communities. Praevium Research will focus on the development of the new high-­speed, low-­cost MEMS-­VCSEL swept laser source. MEMS-­VCSELs have recently emerged as a near ideal laser for OCT. These devices offer a unique combination of wide tuning range, high and variable tuning speed, dynamic single mode operation enabling meter-­scale imaging range, and the potential for low-­cost, enabled by monolithic wafer-­scale fabrication and testing. The proposed work seeks to push MEMS-­VCSEL technology to 2-­5MHz axial scan rates in a monolithic design, with multiple approaches to actuator design and packaging to optimize laser speeds, tuning range, and sweep linearity. These efforts will significantly reduce manufacturing cost, providing the first volume-­scalable, commercially available swept source for multi-­MHz OCT, to enable a 10x-­40x speed improvement over existing commercial OCT instruments at a fraction of the cost of current swept source technologies. MIT will integrate the new light source with state of the art data acquisition and processing and with new endoscopic probe technology to demonstrate in vivo imaging in patients with gastrointestinal pathologies. New ultrahigh speed OCT system designs involving laser sweep multiplexing and linearization, and low latency OCT processing and display, will be investigated for performance and feasibility. Micromotor probes, tethered capsules, and piezoelectric scanners will be developed for compact and high-­precision optical imaging. MIT will demonstrate endoscopic applications of these technologies in pre-­clinical studies, while investigating system parameters and designs for optimized performance to establish workflow and imaging protocols for potential future clinical applications. In an existing collaboration with the Boston Veterans Affairs Medical Center, MIT will further demonstrate studies in patients with upper and lower gastrointestinal tract pathologies, assessing capabilities for wide field coverage of mucosal structure and vasculature, and cellular morphology. These efforts will motivate development in many other endoscopic, laparoscopic, or surgical applications.
该建议旨在开发新一代的高速,低成本,微电力系统 垂直腔表面发射激光器(mems-vcsels)用于光学连贯性层析成像(OCT) 轴向扫描速率。拟议的努力涉及Praevium研究之间的合作,并具有专业知识 MEMS-VCSEL Development和Massachusetts技术研究所(MIT),OCT系统的领导者 集成和OCT成像。这些超高速度成像系统使新的体内基本和 临床成像应用,在更大的视野和比以前更精细的分辨率上。多- MHz操作对于在癌症研究中推进OCT尤其重要,这需要大型大速 微观结构的体积成像,以及用于血管造影成像(八八)和光学连贯性的致密采样 显微镜(OCM)。拟议的低成本激光将使这些高性能技术广泛使用 到基本和临床癌症研究社区。 Praevium Research将重点介绍新的高速,低成本MEMS-VCSEL SCELP LASER的开发 来源。 MEMS-VCSEL最近成为OCT的接近理想激光。这些设备提供了独特的 宽度调谐范围,高和可变的调整速度,动态单模式操作的组合 仪表尺度的成像范围以及低成本的潜力,由整体摇摆尺度制造和 测试。拟议的工作旨在将MEMS-VCSEL技术推向整体上的2-5MHz轴向扫描速率 设计,采用多种执行器设计和包装方法,以优化激光速度,调整范围和 扫描线性。这些努力将大大降低制造成本,从而提供第一个卷量表 Multi-MHz OCT的市售扫描源,以使现有的10x-40x速度提高 商业OCT仪器的一小部分是当前扫描源技术的成本。 麻省理工学院将将新的光源与最先进的数据获取和处理以及新的 内窥镜探针技术可证明胃肠道病理患者体内成像。新的 超高速度OCT系统设计涉及激光扫描多路复用和线性化以及低潜伏期OCT 处理和显示,将研究性能和可行性。微型运动问题,束缚 将开发胶囊和压电扫描仪,用于紧凑和高精度的光学成像。麻省理工学院会 在研究系统时,证明了这些技术在临床前研究中的内窥镜应用 用于优化性能的参数和设计,以建立潜在的工作流程和成像协议 未来的临床应用。在与波士顿退伍军人事务医疗中心的现有合作中,麻省理工学院将 进一步证明了对胃肠道病理学上下患者的研究,评估 粘膜结构和脉管系统和细胞形态的广泛野外覆盖能力。这些努力 将在许多其他内窥镜,腹腔镜或手术应用中进行动机发展。

项目成果

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