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

Praevium Research, Inc., Santa Barbara CA

Investigators

Linked publications, trials & patents

Abstract

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.