方方　杜月嬌

“新的科學(xué)方向常源于新的工具，而不是新的概念。概念驅(qū)動的利學(xué)革命只是用新方法解釋舊事物，而工具驅(qū)動的科學(xué)革命是去發(fā)現(xiàn)需要闡明的新事物?！?/p>

2016年5月，在清華大學(xué)電子工程系第十七屆青年學(xué)術(shù)論壇上，來自華盛頓大學(xué)的馬騁博士在報告中引用著名物理學(xué)家Freeman Dyson的這句話來強調(diào)生物醫(yī)學(xué)成像的重要性.并深入淺出地介紹了他的研究方向——深層生物組織光學(xué)成像。

“第一是深層組織，第二是光學(xué)成像。”4個月后，他在入秋的清華園接受了記者的訪問。這時的他，十年復(fù)來歸，已經(jīng)成為清華大學(xué)電子工程系助理教授，即將就這一方向開始新的布局。打造一把“光鑰”

人的一生什么最重要？是事業(yè)、夢想，還是親情、愛情、友情？談到這個話題，每個人都可以列出一張長長的清單，然而不論對誰而言，要守護好這張“清單”，一個健康的身體都是必不可少的。

“無論美國，還是中國，隨著時代的變遷，其醫(yī)療支出都呈現(xiàn)出明顯的上漲趨勢?！瘪R騁很樂于看到這樣的變化。隨著社會對健康和醫(yī)療的重視，一些問題也逐漸彰顯出來。

以醫(yī)學(xué)成像為例。在醫(yī)院的診斷和治療過程中，醫(yī)學(xué)成像技術(shù)發(fā)揮著非常重要的作用，如核磁共振、CT、超聲等都離不開這一技術(shù)?！昂舜殴舱?，是以一個很強的磁場再加上微波去探測；超聲是直接利用超聲波；CT是通過X光，但對生物組織有殺傷性?！瘪R騁悉心講述著傳統(tǒng)成像方式的工作原理，傳統(tǒng)方式主要是在提取生物組織的結(jié)構(gòu)信息，而如何獲取物質(zhì)分子層面的信息已成為近年來的研究熱點。

每種生物分子都存在特定的能級分布，而這些能級，相當(dāng)于物質(zhì)的“指紋”，每一個分子都有其獨一無二的“指紋”。此時的成像，馬騁更習(xí)慣將之視為提取分子指紋的過程?！肮庾拥哪芰縿偤每梢砸鹉芗壷g的躍遷。如果說指紋信息是一把鎖，那利用光，我就有了一把可以開鎖的鑰匙?！?/p>

“光學(xué)成像的好處，首先是安全”，馬騁戲言，“我們每天都曬太陽，可曬再多的太陽，也不會得癌癥。當(dāng)然了，紫外線是不行的，我們一般是應(yīng)用可見光及紅外波段，這是安全的，對人體沒有傷害?！?/p>

更重要的是，有了光學(xué)成像，就可以直接提取分子層面以及細胞層面的信息。比如，從DNA、RNA、血糖、纖維素、脂肪中提取各種各樣的信息，進行實時活體成像，進而對血紅蛋白的濃度、血氧飽和度和代謝率等進行深入的分析。“可以說，光學(xué)成像提供的信息，是其他方式不可同日而語的?！瘪R騁說。

但光學(xué)成像也不是十全十美的。很長一段時間里，科學(xué)家認為光學(xué)顯微鏡有一個極限，即光學(xué)顯微鏡無法獲得比半光波長更好的分辨率。這就是所謂的“光子衍射極限”。2014年諾貝爾化學(xué)獎的三位獲得者，巧妙地突破了這種極限，將光學(xué)顯微鏡帶入了納米維度。同樣的，隨著衍射極限的突破，生物光子學(xué)所面臨的最大挑戰(zhàn)，就成了由于生物組織強烈散射所導(dǎo)致的光子散射極限。

“激光筆發(fā)出的光束可以很輕易地穿透一杯水，但如果換成牛奶，這束光就穿不過去?！痹隈R騁的例子里，人體組織與牛奶一樣，都具有極強的散射性，以至于光子無法在其中“暢行”。“你可以想象在人體組織里有很多各種各樣的‘小球，本來你想讓光徑直去一個目的地，可在路上就被這些‘小球阻擋，散射開了。”

散射極限到底會導(dǎo)致什么？通俗地說，如果不抑制散射，光子的穿透深度只有1毫米左右，只能對生物組織的淺層進行成像。如今的高分辨率光子成像方式多種多樣，比如無需外源標(biāo)記物的相干拉曼散射和光學(xué)相干斷層掃描，以及利用熒光標(biāo)記的多光子激發(fā)顯微和非線性結(jié)構(gòu)光照明等。由于穿透深度淺，這些先進的影像技術(shù)對臨床應(yīng)用來說，在很多場合是遠遠不夠的。

“我們的目標(biāo)是，能夠讓光子穿透若干個厘米，在很深的位置實現(xiàn)光學(xué)成像?！瘪R騁知道，要突破散射極限很難，可一旦成功，就能夠拓展光學(xué)成像的應(yīng)用范圍，使其可以在生物組織的深層位置成像，具有極其可觀的應(yīng)用前景。這也是他近年來執(zhí)著于此的原因。挑戰(zhàn)散射極限

2012年，馬騁拿到弗吉尼亞理工大學(xué)電氣工程專業(yè)博士學(xué)位，來到位于圣路易斯的華盛頓大學(xué)，開始了博士后研究?！斑@一階段，我主要做的就是怎么把光聚焦到散射介質(zhì)里?！?/p>

當(dāng)時，華盛頓大學(xué)汪立宏（Lihong V.Wang）教授團隊正在從事的波前工程項目，是生物光子學(xué)領(lǐng)域的前沿方向之一，他們的目標(biāo)就是希望能夠大幅度加深光子在生物組織內(nèi)部的穿透深度。早在2011年，Nature Photonics就發(fā)表了汪立宏團隊的一項成果，他們利用聚焦超聲波在生物組織內(nèi)散射微弱的特質(zhì)，結(jié)合聲光移頻效應(yīng)，借助相位共軛晶體，完成了有選頻功能的時間反演，進而實現(xiàn)在散射介質(zhì)內(nèi)部通過聚焦超聲波導(dǎo)引的光聚焦。

“這一研究完善了超聲波導(dǎo)引的時間反演光聚焦技術(shù)，但仍面臨兩大難題?！瘪R騁說，其一是由于晶體的固有性質(zhì)所造成的低聚焦功率以及增益；其二是該技術(shù)亞秒量級的響應(yīng)時間無法滿足活體應(yīng)用的要求。進入汪立宏團隊后，他就圍繞這兩大難題展開了工作，通過對晶體瞬態(tài)響應(yīng)的嚴(yán)格理論分析，提出了利用脈寬小于非線性光折變晶體響應(yīng)時間的短激光脈沖進行全息圖讀取的方法。經(jīng)實驗驗證，該方法下聚焦功率增益>33000，聚焦功率密度>6400W/cm²，打破了早先聚焦功率增益遠小于1的限制，其成果發(fā)表在《自然》雜志旗下的《科學(xué)報道》上。

從起初的提出想法，到最后的實驗驗證，馬騁和整個團隊花費了很多心思?！白酪慰梢院憔貌粍樱锝M織都是善變的，肌肉組織的移動乃至血液流動都會造成一個退相干的過程。也就是說，你本來想聚焦到某個位置對某個組織進行成像，可當(dāng)你測量好了信息真正去聚焦的時候，之前測量好的信息已經(jīng)過時了。”

既然如此，馬騁團隊只能和生物組織的“變”來搶時間。到后來，馬騁參與的利用快速光折變晶體在活體內(nèi)部實現(xiàn)光聚焦以及成像的項目完成后，他們甚至可以在5毫秒之內(nèi)完成整個光聚焦過程，從而證明了透過血流（相關(guān)時間為毫秒量級）進行精確光控制的能力，使散射介質(zhì)內(nèi)部聚焦、成像技術(shù)向臨床應(yīng)用邁進一大步。2015年1月，這一成果發(fā)表在《自然一通訊》雜志上，馬騁為第三作者。同時，“快速超聲導(dǎo)引的光學(xué)時間反演在動態(tài)散射介質(zhì)內(nèi)部的近紅外光聚焦”也獲得2014年度國際光學(xué)工程學(xué)會（SPIE）頒發(fā)的Seno Medical Best Poster Award，馬騁同樣是第三完成人。

馬行千里，非一步之功。馬騁也是在慢慢靠近自己的目標(biāo)。在超聲波導(dǎo)引的時間反演光聚焦技術(shù)成功突破之前，他就在時變目標(biāo)導(dǎo)引的時間反演光聚焦技術(shù)上有了優(yōu)秀的進展。

認識到在光學(xué)散射介質(zhì)（諸如生物組織）中進行光傳輸及聚焦的重要性之后，馬騁發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家一般是通過植入式或表面聲學(xué)接觸引入的信標(biāo)星作為導(dǎo)引源，實現(xiàn)在散射介質(zhì)內(nèi)部或背面的光聚焦。可與之相對的是，植入式或接觸式信標(biāo)星也會帶來應(yīng)用的局限性。

為了解決這一亟待解決的難題，馬騁提出了利用內(nèi)源性折射率及吸收的動態(tài)變化作為信標(biāo)星的創(chuàng)意。如此一來，就可以實現(xiàn)無創(chuàng)、非接觸式、在散射介質(zhì)內(nèi)部的聚焦以及對運動目標(biāo)的追蹤、成像。在后來的驗證中.馬騁的方法能夠在生物組織內(nèi)聚焦深度超過25個散射平均自由程，而同樣的穿透深度下，傳統(tǒng)的光學(xué)聚焦以及成像設(shè)備早已失效。

2014年12月，《自然—光子學(xué)》雜志刊登了這一技術(shù)方法。隨即，該方法被Physics World，Medical Physics，Science Daily等多家媒體報道。馬騁也受劍橋大學(xué)出版社之邀，參與到權(quán)威性著作Wavefront Shaping for Biomedical Imaging（尚未出版）的撰寫當(dāng)中，對這一技術(shù)進行具體闡述。該技術(shù)被認為，不但解決了在散射介質(zhì)內(nèi)部對時變物體的追蹤成像、利用組織內(nèi)源性運動（如血流）進行對整體目標(biāo)的光聚焦等難題，還可與其他多種技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)深層組織成像、光遺傳學(xué)控制、光動力療法以及無創(chuàng)手術(shù)等。

以此為基礎(chǔ)，馬騁與合作者進一步發(fā)明了利用單次曝光及二元空間光相位調(diào)制的光學(xué)時間反演技術(shù)。在該技術(shù)中，他實現(xiàn)了目前最快的數(shù)字式在散射介質(zhì)內(nèi)部的聚焦，又一舉數(shù)得，同時滿足相位圖合成時間1ms，空間有效模式數(shù)500000，功率增益>1000的優(yōu)良系統(tǒng)特性。由于實現(xiàn)了在動態(tài)散射介質(zhì)內(nèi)部對時變目標(biāo)的追蹤聚焦，以及深層血流流速的測定等優(yōu)質(zhì)目標(biāo)。2015年，該技術(shù)被光學(xué)學(xué)會旗艦期刊Optica發(fā)表，引起了學(xué)術(shù)界的高度重視。

汪立宏團隊在光聲成像領(lǐng)域也享有國際聲譽。光聲效應(yīng)可以將被物質(zhì)吸收的光子轉(zhuǎn)換成聲子，基于此，光聲成像通過探測超聲波對生物組織的光學(xué)吸收特性進行三維造影。馬騁認為光聲成像是除波前工程以外另一個非常有應(yīng)用前景的深層組織光學(xué)影像手段，并積極參與到小動物光聲造影系統(tǒng)的研究中。他在其中最得意的貢獻之一是對已有的圖像重建方法進行改進，在不提高計算復(fù)雜度的前提下大幅度提高圖像質(zhì)量，去除偽影。他參與搭建的小動物光聲造影平臺從各個指標(biāo)上衡量都處于世界領(lǐng)先水平。

順其自然的轉(zhuǎn)折

馬騁并不是從一開始就瞄準(zhǔn)深層生物組織光學(xué)成像的。2006年，接到美國弗吉尼亞理工大學(xué)的offer后，他進入王安波教授團隊，開展起光纖傳感研究。數(shù)年積累，2010年，他連續(xù)在OpticsLetters上發(fā)表了兩項成果：一是利用多孔石英及藍寶石光子晶體光纖進行高溫、高壓下氣體光譜分析；二是發(fā)明基于全光微納結(jié)構(gòu)光力學(xué)諧振腔的生物、化學(xué)傳感。

初出茅廬的亮相之后，他再接再厲，圍繞微尺度法一珀白光干涉儀的建模、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造以及信號解調(diào)發(fā)起了系統(tǒng)性地探索。此后幾年，他連續(xù)在國際著名期刊上發(fā)表數(shù)篇文章，包括利用漸變折射率光學(xué)自聚焦實現(xiàn)光纖內(nèi)腔法—珀白光干涉儀的級聯(lián)，建立光纖外腔干涉儀的普適理論模型，預(yù)測干涉儀信號解調(diào)精度的理論極限并理論闡釋、實驗抑制干涉儀的解調(diào)跳變。

這么多發(fā)現(xiàn)，好用嗎？馬騁從來都不滿足于紙上談兵。2011年，他得到了第一次在美國能源部國家能源技術(shù)實驗室進行傳感器現(xiàn)場測試的機會。時隔5年，他仍然記得當(dāng)時的場面。按照慣例，整個測試過程要持續(xù)一天，除了項目的資助者和負責(zé)人，美國能源部的一些高級官員也會到場觀看。對于高效燃氣輪機內(nèi)部接觸式精密溫度測量來說，差之毫厘，失之千里。作為該項目的技術(shù)執(zhí)行人，馬騁十分忐忑。

“測試前一天，我們就要把傳感器安裝到測試環(huán)境里”，就在馬騁帶著幾位伙伴緊張有序地安裝時，一個不經(jīng)意的動作，導(dǎo)致了傳感器的損壞。此時，距離測試開始的時間已經(jīng)所剩無幾了。幸好，他們之前做了備份，又趕緊取來，連夜裝到測試環(huán)境里。是真的“連夜”，幾個人整整安裝了一宿，都沒顧得上睡覺。

“第一次還是經(jīng)驗不足，幾個月后，我們再對另一個不同結(jié)構(gòu)的傳感器做現(xiàn)場測試時，就非常成功了，沒有遇到任何問題。”這兩次測試結(jié)果，得到了美國能源部和國際同行的好評，馬騁也兩次受邀參加美國能源部國家能源技術(shù)實驗室年會，并作專題報告。

“這是我非常難忘的一個經(jīng)歷”，馬騁再次強調(diào)。能夠完成一場工程領(lǐng)域的現(xiàn)場測試，需要他能夠獨當(dāng)一面，帶領(lǐng)團隊去完成這個嚴(yán)峻的任務(wù)?！霸趯嶒炇易鰧嶒灒苍S產(chǎn)生一些數(shù)據(jù)就可以了。但是到了現(xiàn)場測試的環(huán)境下，可能一個螺絲釘沒弄好都會出大問題。”馬騁開始與各種細節(jié)“磨合”，力求達到天衣無縫，以保證現(xiàn)場測試的正常運轉(zhuǎn)。這種磨礪，對他來說，是一種寶貴的財富。

馬騁在成長。隨著在光纖傳感領(lǐng)域的深入，他的研究興趣有了轉(zhuǎn)變?！昂凸鈱W(xué)成像一樣，光纖傳感其實也是一個獲取信息的過程?！瘪R騁說。到了博士研究的后期，他已經(jīng)向光學(xué)成像傾斜了?！肮饫w傳感獲得的信息是點狀的或者一維的，光學(xué)成像獲得的信息是多維的。更重要的是，光學(xué)成像的生物應(yīng)用非常有意思，一方面可以應(yīng)用到醫(yī)療中造福人類，另一方面可以做的東西非常多?！?/p>

在馬騁看來，這是一個非常自然的轉(zhuǎn)變，無需刻意選擇，就像他的回國，也從來不是一道選擇題。

“獨望藍嶺念香山”

從2006年到2016年，馬騁在美國待了十年。

這十年中，他在創(chuàng)新、理論分析、實驗技能、撰寫文章等各個科研環(huán)節(jié)上都接受了良好的訓(xùn)練，科研能力日漸成熟?！坝绕涫莿?chuàng)新”，他補充道，“導(dǎo)師們都會鼓勵你大膽地去想，哪怕是異想天開也沒關(guān)系。”

這十年中，他在王安波教授和汪立宏教授的團隊中，積累了豐富的合作經(jīng)驗以及科研資源。曾經(jīng)度過數(shù)年的兩所學(xué)校，以及汪立宏教授目前就職的加州理工學(xué)院等，都是他日后重要的國際合作對象。

而這些底蘊，于他而言，也不過是為了回國而做出的積累。早在初到弗吉尼亞理工大學(xué)時，他就產(chǎn)生了濃郁的思鄉(xiāng)情緒，即使出國是他謹(jǐn)慎做出的決定。“弗吉尼亞理工大學(xué)坐落在風(fēng)景名勝藍嶺（Blue Ridge）腳下。到美國的第一個清明，望著連綿的群山，就好像還在清華園里，還可以遠眺香山一樣?！毙挠兴?，馬騁提筆寫下一首小詩：清明望斷異鄉(xiāng)天，百烏聲聲花滿川。此時家鄉(xiāng)春正好，獨望藍嶺念香山。

“可能很多人都有這樣的感覺，出國之后反而覺得故土難離，一直想著要回國?！睆哪且豢唐?，馬騁就決定一定要回來。2015年6月，清華大學(xué)提交了推薦他入圍第12批青年千人計劃的申報書，他也開始準(zhǔn)備歸來。2016年9月2日，他正式重歸清華園。

“在國外總感覺自己是個過客，回來做事才更踏實。”在馬騁的計劃里，回國后的主要工作將依然集中在深層生物組織光學(xué)成像上。目前，他還是想繼續(xù)深入研究波前整形和光聲成像兩種方法，拓展生物光子學(xué)的穿透深度，在生物學(xué)基礎(chǔ)研究范疇內(nèi)提供基于活體的、深層組織高分辨率光學(xué)成像及控制。“以后可能會開拓完全不一樣的更嶄新的領(lǐng)域，但當(dāng)下，我還是想扎扎實實地推動這兩個方法的實用化，在臨床醫(yī)學(xué)范疇內(nèi)提供基于光子學(xué)的診斷、治療以及微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)，并最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?！?/p>

當(dāng)然，即使有了青年千人計劃的資助，有了清華大學(xué)的科研啟動金以及電子工程系的支持，此時此刻，在馬騁面前還是一張白紙。買設(shè)備、建實驗室、組團隊、招收博士生……他已經(jīng)做好充分的準(zhǔn)備從頭做起。

“博士后階段，我指導(dǎo)過一些博士生，但和自己真正帶學(xué)生還是不同?！弊鳛橐晃弧皽?zhǔn)導(dǎo)師”，馬騁已經(jīng)開始思考要如何有啟發(fā)性地讓學(xué)生去發(fā)揮創(chuàng)造力了。“我要培養(yǎng)的應(yīng)該是一個人才，而不是一個專業(yè)技術(shù)人員。除了科研素質(zhì)，還包括做事是不是專業(yè)，為人是不是樂觀，能不能很好地融入團隊等，人格魅力也很重要。”以己度人，他認為博士期間的5年也是他精力最充沛、人生最精彩的時候，他自己熱愛科研，也希望作為導(dǎo)師的自己能夠讓學(xué)生愛上科研，讓自己的嚴(yán)格要求建立在不“剝奪”學(xué)生快樂的基礎(chǔ)之上。

生性樂觀的他，視科研如登山，相信沒有過不去的難關(guān)?！霸谏侥_下看山頂會覺得遙不可及，可當(dāng)你每天都扎扎實實地邁一步，不用走多快，也能不知不覺到達山頂。站在山頂看風(fēng)景只是一部分，最重要的是享受過程，過程走好了，結(jié)果也不會真的差到哪兒去。”

相對來說，生于1982年的馬騁，研齡并不長。但他已經(jīng)整理好這些年的經(jīng)驗，投入到今后的團隊組建和學(xué)生培養(yǎng)中去。科研之外，馬騁喜歡彈鋼琴，喜歡古典音樂。在馬騁心里，科學(xué)能從藝術(shù)里得到靈感，兩者都是在追求純粹的真理和美。“我也會鼓勵學(xué)生一定要在科研過程中追求美感，比如實驗結(jié)果一定要美，文章一定要賞心悅目。這是我一直追求的科研上的狀態(tài)?！彼f。