马骋：东望清华信马归

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1、马骋：东望清华信马归　　“新的科学方向常源于新的工具，而不是新的概念。概念驱动的利学革命只是用新方法解释旧事物，而工具驱动的科学革命是去发现需要阐明的新事物。”　　2016年5月，在清华大学电子工程系第十七届青年学术论坛上，来自华盛顿大学的马骋博士在报告中引用著名物理学家FreemanDyson的这句话来强调生物医学成像的重要性.并深入浅出地介绍了他的研究方向――深层生物组织光学成像。　　“第一是深层组织，第二是光学成像。”4个月后，他在入秋的清华园接受了记者的访问。这时的他，十年复来归，已经成为清华大学电子工程系助理教授，即将就这一方向开始新的布局。打

2、造一把“光钥”　　人的一生什么最重要？是事业、梦想，还是亲情、爱情、友情？谈到这个话题，每个人都可以列出一张长长的清单，然而不论对谁而言，要守护好这张“清单”，一个健康的身体都是必不可少的。　　“无论美国，还是中国，随着时代的变迁，其医疗支出都呈现出明显的上涨趋势。”马骋很乐于看到这样的变化。随着社会对健康和医疗的重视，一些问题也逐渐彰显出来。　　以医学成像为例。在医院的诊断和治疗过程中，医学成像技术发挥着非常重要的作用，如核磁共振、CT、超声等都离不开这一技术。“核磁共振，是以一个很强的磁场再加上微波去探测；超声是直接利用超声波；CT是通过X光，但对生

3、物组织有杀伤性。”马骋悉心讲述着传统成像方式的工作原理，传统方式主要是在提取生物组织的结构信息，而如何获取物质分子层面的信息已成为近年来的研究热点。　　每种生物分子都存在特定的能级分布，而这些能级，相当于物质的“指纹”，每一个分子都有其独一无二的“指纹”。此时的成像，马骋更习惯将之视为提取分子指纹的过程。“光子的能量刚好可以引起能级之间的跃迁。如果说指纹信息是一把锁，那利用光，我就有了一把可以开锁的钥匙。”　　“光学成像的好处，首先是安全”，马骋戏言，“我们每天都晒太阳，可晒再多的太阳，也不会得癌症。当然了，紫外线是不行的，我们一般是应用可见光及红外波段

4、，这是安全的，对人体没有伤害。”　　更重要的是，有了光学成像，就可以直接提取分子层面以及细胞层面的信息。比如，从DNA、RNA、血糖、纤维素、脂肪中提取各种各样的信息，进行实时活体成像，进而对血红蛋白的浓度、血氧饱和度和代谢率等进行深入的分析。“可以说，光学成像提供的信息，是其他方式不可同日而语的。”马骋说。　　但光学成像也不是十全十美的。很长一段时间里，科学家认为光学显微镜有一个极限，即光学显微镜无法获得比半光波长更好的分辨率。这就是所谓的“光子衍射极限”。2014年诺贝尔化学奖的三位获得者，巧妙地突破了这种极限，将光学显微镜带入了纳米维度。同样的，随

5、着衍射极限的突破，生物光子学所面临的最大挑战，就成了由于生物组织强烈散射所导致的光子散射极限。　　“激光笔发出的光束可以很轻易地穿透一杯水，但如果换成牛奶，这束光就穿不过去。”在马骋的例子里，人体组织与牛奶一样，都具有极强的散射性，以至于光子无法在其中“畅行”。“你可以想象在人体组织里有很多各种各样的‘小球’，本来你想让光径直去一个目的地，可在路上就被这些‘小球’阻挡，散射开了。”　　散射极限到底会导致什么？通俗地说，如果不抑制散射，光子的穿透深度只有1毫米左右，只能对生物组织的浅层进行成像。如今的高分辨率光子成像方式多种多样，比如无需外源标记物的相干拉

6、曼散射和光学相干断层扫描，以及利用荧光标记的多光子激发显微和非线性结构光照明等。由于穿透深度浅，这些先进的影像技术对临床应用来说，在很多场合是远远不够的。　　“我们的目标是，能够让光子穿透若干个厘米，在很深的位置实现光学成像。”马骋知道，要突破散射极限很难，可一旦成功，就能够拓展光学成像的应用范围，使其可以在生物组织的深层位置成像，具有?O其可观的应用前景。这也是他近年来执着于此的原因。挑战散射极限　　2012年，马骋拿到弗吉尼亚理工大学电气工程专业博士学位，来到位于圣路易斯的华盛顿大学，开始了博士后研究。“这一阶段，我主要做的就是怎么把光聚焦到散射介质

7、里。”　　当时，华盛顿大学汪立宏（LihongV.Wang）教授团队正在从事的波前工程项目，是生物光子学领域的前沿方向之一，他们的目标就是希望能够大幅度加深光子在生物组织内部的穿透深度。早在2011年，NaturePhotonics就发表了汪立宏团队的一项成果，他们利用聚焦超声波在生物组织内散射微弱的特质，结合声光移频效应，借助相位共轭晶体，完成了有选频功能的时间反演，进而实现在散射介质内部通过聚焦超声波导引的光聚焦。　　“这一研究完善了超声波导引的时间反演光聚焦技术，但仍面临两大难题。”马骋说，其一是由于晶体的固有性质所造成的低聚焦功率以及增益；其二是

8、该技术亚秒量级的响应时间无法满足活体应用的要求。进入汪立宏团队后，他就围绕这两大