GCR: Meta-Optical Angioscopes for Image-Guided Therapies in Previously Inaccessible Locations

GCR:元光学血管镜,用于在以前无法到达的位置进行图像引导治疗

基本信息

  • 批准号:
    2120774
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 360万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-10-01 至 2026-09-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Angioscopes are ultrathin and flexible forward-viewing optical imaging devices that guide clinical procedures in the cardiovascular system. Cardiovascular disease, led by heart attack and stroke, are the leading cause of death in the US and globally. Due to basic limitations of conventional optics, these angioscopes are currently made with a bundle of over a thousand glass optical fibers, a 50-year-old technology that provides resolution that is too low and a stiffness that is too high for important potential applications. To reach clinically significant targets in the brain and heart, the angioscope needs to be more flexible and the rigid tip length must be reduced to only a few times the width of a human hair. Such an incredibly agile angioscope in the hands of a neurosurgeon could snake its way deep into the brain to remove blood clots, which can help a stroke patient. Further, a cardiologist could use this device to pass vessel-clogging plaque deposits and accurately apply a range of therapies in coronary arteries in response to heart attacks. The potential to reduce morbidity and mortality from stroke and heart attacks could benefit many individuals. This research project at the interface between nanophotonics and bioengineering aims to develop the technology that could enable such ultra-miniature agile angioscopes by using emerging optical hardware and artificial intelligence-enabled software image reconstruction. The project brings together scientists and engineers from academia and startup companies with medical professionals to solve this high-impact problem. Ultrathin and flexible forward-viewing endoscopes, also known as angioscopes, are of critical importance for treating many cardiovascular diseases, including stroke and heart attacks, both of which are among the leading causes of death in the United States. Current medical instruments based on traditional refractive optics are too bulky to be used deep in the brain and in diseased coronary arteries. To reach locations of stroke in the brain, the rigid tip length in an angioscope must be reduced to sub-millimeter length scale. Emerging nanophotonics and metamaterial technology have the potential to achieve such clinically significant miniaturization. Meta-optics provide many degrees of freedom to design completely new types of optical elements. Multi-scale electromagnetic simulation coupled with optimization techniques have already enabled design of a meta-optic combining functionalities of multiple optical elements. In conjunction with a computational backend, meta-optics that also capture aberration-free images in full color should be possible. Combining computational inverse methods based on machine learning, semiconductor nanomanufacturing, and techniques from medical instrumentation, including advanced saline flushing, this project aims to create a micro-imaging system with 250-micron aperture and 100-micron rigid tip thickness, which will capture full-color images in a 100-degree field of view with cellular resolution. Along with academic researchers from basic science and engineering disciplines, this project includes partners associated with startups commercializing meta-optics and endoscopes as well as minimally invasive, interventional surgeons specializing in cardiovascular diseases.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
血管内窥镜是一种灵活的前视光学成像设备,用于指导心血管系统的临床手术。以心脏病发作和中风为首的心血管疾病是美国和全球的主要死亡原因。由于传统光学器件的基本限制,这些血管镜目前是由一束超过一千根玻璃光纤制成的,这是一项已有50年历史的技术,对于重要的潜在应用来说,分辨率太低,刚度太高。为了达到大脑和心脏中的临床重要目标,血管镜需要更灵活,刚性尖端长度必须减少到只有人类头发宽度的几倍。神经外科医生手中的这种令人难以置信的灵活的血管镜可以深入大脑以清除血栓,这可以帮助中风患者。此外,心脏病专家可以使用该设备通过血管堵塞斑块沉积物,并准确地在冠状动脉中应用一系列治疗以应对心脏病发作。降低中风和心脏病发作的发病率和死亡率的潜力可以使许多人受益。该研究项目位于纳米光子学和生物工程之间的接口,旨在开发一种技术,通过使用新兴的光学硬件和人工智能软件图像重建来实现这种超小型敏捷血管镜。该项目汇集了来自学术界和初创公司的科学家和工程师以及医疗专业人士,以解决这个影响巨大的问题。超薄和灵活的前视内窥镜,也称为血管镜,对于治疗许多心血管疾病至关重要,包括中风和心脏病发作,这两者都是美国的主要死亡原因。目前基于传统折射光学的医疗仪器体积太大,无法在大脑深处和病变的冠状动脉中使用。为了到达脑中的中风位置,血管镜中的刚性尖端长度必须减小到亚毫米长度尺度。新兴的纳米光子学和超材料技术有可能实现这种临床意义上的微型化。元光学为设计全新类型的光学元件提供了许多自由度。多尺度电磁仿真与优化技术相结合,已经能够设计出多个光学元件的元光学组合功能。结合计算后端,也可以捕获全色无像差图像的元光学应该是可能的。结合基于机器学习的计算逆方法,半导体纳米制造和医疗仪器的技术,包括先进的盐水冲洗,该项目旨在创建一个具有250微米孔径和100微米刚性尖端厚度的微成像系统,该系统将在100度视野中捕获细胞分辨率的全色图像。沿着的是基础科学和工程学科的学术研究人员,包括与将超光学和内窥镜商业化的创业公司相关的合作伙伴,以及专门从事心血管疾病的微创介入外科医生。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Dual Band Computational Infrared Spectroscopy via Large Aperture Meta-Optics
  • DOI:
    10.1021/acsphotonics.2c01017
  • 发表时间:
    2022-09-19
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7
  • 作者:
    Froch, Johannes E.;Colburn, Shane;Majumdar, Arka
  • 通讯作者:
    Majumdar, Arka
Software-defined meta-optics
  • DOI:
    10.1063/5.0164387
  • 发表时间:
    2023-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Romil Audhkhasi;Johannes E. Fröch;A. Zhan;S. Colburn;A. Majumdar
  • 通讯作者:
    Romil Audhkhasi;Johannes E. Fröch;A. Zhan;S. Colburn;A. Majumdar
Partially Coherent Double-Phase Holography in Visible Wavelength Using Meta-Optics
  • DOI:
    10.1021/acsphotonics.2c02016
  • 发表时间:
    2023-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7
  • 作者:
    Saswata Mukherjee;Quentin A. A. Tanguy-Quentin-A.-A.-Tanguy-15704552;Johannes E. Fröch;A. Shanker;K. Böhringer;S. Brunton;A. Majumdar
  • 通讯作者:
    Saswata Mukherjee;Quentin A. A. Tanguy-Quentin-A.-A.-Tanguy-15704552;Johannes E. Fröch;A. Shanker;K. Böhringer;S. Brunton;A. Majumdar
Inverse‐Designed Meta‐Optics with Spectral‐Spatial Engineered Response to Mimic Color Perception
  • DOI:
    10.1002/adom.202200734
  • 发表时间:
    2022-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9
  • 作者:
    Christopher Munley;Wen-Hai Ma;Johannes E. Fröch;Quentin A. A. Tanguy-Quentin-A.-A.-Tanguy-15704552;E. Bayati;K. Böhringer;Zin Lin;R. Pestourie;Steven G. Johnson;A. Majumdar
  • 通讯作者:
    Christopher Munley;Wen-Hai Ma;Johannes E. Fröch;Quentin A. A. Tanguy-Quentin-A.-A.-Tanguy-15704552;E. Bayati;K. Böhringer;Zin Lin;R. Pestourie;Steven G. Johnson;A. Majumdar
Large area optimization of meta-lens via data-free machine learning
  • DOI:
    10.1038/s44172-023-00107-x
  • 发表时间:
    2022-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    M. Zhelyeznyakov;Johannes E. Fröch;A. Wirth-Singh;Jae-Eok Noh;J. Rho;Steve Brunton;A. Majumdar
  • 通讯作者:
    M. Zhelyeznyakov;Johannes E. Fröch;A. Wirth-Singh;Jae-Eok Noh;J. Rho;Steve Brunton;A. Majumdar
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Full color Imaging with Large-Aperture Meta-Optics
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    10.1038/s41377-025-01888-w
  • 发表时间:
    2025-06-18
  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Johannes E. Fröch;Luocheng Huang;Zhihao Zhou;Virat Tara;Zhuoran Fang;Shane Colburn;Alan Zhan;Minho Choi;Arnab Manna;Andrew Tang;Zheyi Han;Karl F. Böhringer;Arka Majumdar
  • 通讯作者:
    Arka Majumdar
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  • 发表时间:
    2024
  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Rui Chen;Virat Tara;Jayita Dutta;Zhuoran Fang;Jiajiu Zheng;Arka Majumdar
  • 通讯作者:
    Arka Majumdar
Ultra-low power fiber-coupled gallium arsenide photonic crystal cavity electro-optic modulator.
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    G. Shambat;B. Ellis;M. Mayer;Arka Majumdar;E. E. Haller;J. Vučković
  • 通讯作者:
    J. Vučković

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Collaborative Research: Moire Exciton-polariton for Analog Quantum Simulation
合作研究:用于模拟量子模拟的莫尔激子极化
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    1708579
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    2017
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基于Meta分析、数据挖掘和网络药理学探讨中成药治疗广泛性焦虑症的疗效、用药规律和机制
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    2025A01004
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Development of meta-surface beam forming optical element for uniform distribution of irradiation light at multiple points
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    CE200100010
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    2021
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Collaborative Research: OP: Meta-optical Computational Image Sensors
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    2127235
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    2021
  • 资助金额:
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Simultaneous and independent control of amplitude, phase, and polarization of the optical wave by double phase meta-hologram using dielectric meta-atom
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    21H01838
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元纤维:具有元表面的光纤,用于通过针进行先进的光学活检
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    MR/T041951/1
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    $ 360万
  • 项目类别:
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  • 批准号:
    2127331
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    2021
  • 资助金额:
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主动二维光学超表面
  • 批准号:
    2607839
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 360万
  • 项目类别:
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  • 批准号:
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  • 批准号:
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  • 财政年份:
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  • 资助金额:
    $ 360万
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使用尖端形成超表面的光纤进行超精密纳米传感
  • 批准号:
    16H04342
  • 财政年份:
    2016
  • 资助金额:
    $ 360万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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知道了