MEMS-VCSEL可变波长光源提升光学相干断层扫描速度

原创 MEMS 2021-05-25 00:00

据麦姆斯咨询介绍,光学干涉法是一种高灵敏度的无创技术,基于此技术的光学相干断层扫描(OCT)成为一种非常有价值的临床诊断工具。OCT将光引导到目标组织,检测反射信号并进行处理以重建皮下结构图像。尽管OCT功能强大,但获取图像时间长,导致一些内窥镜成像变得不切实际或无法实现。


启用新应用的关键是提高“A扫描”的速度——在某个位置获取深度剖面的速度。在扫频OCT(SS-OCT)中,光束扫过一定范围的波长,并对反射信号进行处理以重建该点的深度轮廓。在感兴趣区域扫描该点以生成皮下组织的3D描述图。SS-OCT的速度受波长扫描速率的限制。麻省理工学院的研究人员领导了一项多学科的开发工作,该工作将快速扫频的激光源集成到理论验证过的多兆赫兹SS-OCT系统中,展示了全新的临床成像功能,并为低成本“交钥匙”的商业系统铺平了道路。


(a)光纤耦合内窥镜探头可通过兆赫兹级MEMS-VCSEL可变波长光源高速扫描周围组织。(b)快速扫描可不使用任何造影剂就能进行血管造影成像,图片为猪食道血管系统图像。


波长扫描:仅仅是开始

在美国国立卫生研究院小企业创新与研究基金会的资助下,总部位于美国加州圣塔芭芭拉的Praevium Research公司开发了一种“微机电系统-垂直腔表面发射激光器(MEMS-VCSEL)”。该激光器有一个悬挂于支柱上的MEMS腔反射镜,下面是增益带宽光泵浦有源区。悬挂的MEMS腔反射镜采用静电驱动方式,由支柱提供恢复力。该器件设计的支柱非常可靠,可支持高达1.5MHz的振荡频率。反射镜的运动会改变谐振腔,从而导致波长扫描超过100nm。

在SS-OCT中,激光束分成几束,部分光束指向目标组织中折射率变化(例如在细胞和组织边界处)的位置并反射回来。瞬时返回信号是从不同深度反射的信号的叠加。光束的另一部分穿过参考臂。当反射光束和参考光束重新组合时,所得强度是所有相长信号或相消信号的总和。随着波长的扫描,净强度随着该波长的相长干涉和相消干涉发生变化,从而形成干涉图信号。

在麻省理工学院的演示中,干涉图信号以固定的采样率收集。如果波长扫描的波数相对于时间是完全线性的,则可以通过傅立叶变换将信号转换为强度与深度的关系曲线,这称为A扫描。实际上,扫描线性度的细小偏差变得更重要,尤其是在高数据速率时,例如采用每秒2千兆样本的速度为该应用提供所需的成像范围。因此,在傅立叶变换之前,需要测量波数k与时间的关系来校准信号。

该测量通过集成马赫曾德尔干涉仪(MZI)完成,其信号与OCT数据同时被捕获。虽然计算量很大,但据新泽西州牛顿市的研究科学家、麻省理工学院访问科学家Ben Potsaid介绍:“加速数字处理技术图形处理单元(GPU)的改进,正在实现以合适的成本对输入的数据流进行实时处理。”

正如任何工程系统某一部分被更改,迫使其他部分也需要更改一样,工程人员必须进行权衡。MEMS-VCSEL具有更快的波长扫描重复率,从而迫使采用具有双通道采集功能的集成马赫曾德尔干涉仪,而额外的数据则只能由GPU处理。高采集速率还需要由定制设计的Thorlabs增强型光放大器提供的更高功率输出。

A扫描更快,OCT功能更丰富

为了进行此演示,研究团队将2.4MHz和3MHz的OCT扫描速率与三种不同光学探头结合使用。Potsaid说:“以前需要长时间采集数据的结构难以成像,如今更快的成像速度让其成为可能。”例如,OCT血管造影需要快速重复扫描以检测可能与疾病有关的血管流动模式,非常具有挑战性。该探头使用稳定的无刷滚珠式直流电动机,以600Hz的频率旋转棱镜。例如,这将对猪下胃肠道的血管进行全周扫描,其轴向分辨率约为12µm,横向分辨率约为30µm,深度约为1.5mm。

麻省理工学院的博士生Jason Zhang说:“我们的初步成果说明了多兆赫兹OCT和OCT血管造影术的可行性,并为未来基于MEMS-VCSEL技术的低成本小型化OCT系统提供了方法。”


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