驅(qū)動(dòng)X射線成像技術(shù)新變革

劉玉杰

1895年11月8日，德國的物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，為開創(chuàng)醫(yī)療影像技術(shù)鋪平了道路。在之后100多年的時(shí)間里，傳統(tǒng)的以吸收為基礎(chǔ)的X射線成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床診斷、生物學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，與我們每一個(gè)人的生活和健康產(chǎn)生了密切聯(lián)系。然而，隨著其應(yīng)用的展開，傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)在應(yīng)對(duì)輕元素為主的生物軟組織（如早期腫瘤、血管）、高分子材料（如多孔塑料、碳纖維）時(shí)，只能得到模糊圖像的弊端逐漸顯現(xiàn)。與之相比，近十幾年來發(fā)展起來的X射線相位襯度成像技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。在這一技術(shù)的支撐下，一場X射線成像的“文藝復(fù)興”隨即展開。

X射線成像的變革與發(fā)展是時(shí)代的需要，也是歷史的必然。清華大學(xué)工程物理系副教授王振天專注于X射線多特性成像及其應(yīng)用研究多年，在此領(lǐng)域內(nèi)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，且在乳腺癌、肺癌等重大疾病治療中開展了相關(guān)技術(shù)的臨床應(yīng)用探索。歷經(jīng)國內(nèi)外十幾載的科研創(chuàng)新旅程，這位人生與科學(xué)緊緊相連的青年科研人，回到了深愛的祖國，開始依托于清華大學(xué)的科研平臺(tái)，開展一系列科研創(chuàng)新工作。馬行千里，不洗沙塵。長期以來，他的心中一直有一個(gè)目標(biāo)：率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從核心元件開始創(chuàng)新，打破國外的“卡脖子”限制，并將研究成果切實(shí)服務(wù)于祖國的大健康和新材料方向。為了早日補(bǔ)上這塊短板，他一直為此奮斗。

十多年的海內(nèi)外科研積淀

2001年，懷著對(duì)工程研究的熱愛，王振天踏入了清華大學(xué)的校門，正式開始了在清華大學(xué)工程物理系工程物理專業(yè)的學(xué)習(xí)，并最終于2010年7月，獲得了清華大學(xué)工程物理系核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位。

長期以來，清華大學(xué)工程物理系堅(jiān)持產(chǎn)教融合、服務(wù)國家和社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略，積極探索產(chǎn)學(xué)研一體的技術(shù)創(chuàng)新體制機(jī)制。在這里，王振天接受了從“物理”到“工程”為核心的科研系統(tǒng)訓(xùn)練，在實(shí)際的工程項(xiàng)目中得到了歷練。這些經(jīng)歷，對(duì)王振天的科研理念形成產(chǎn)生了潛移默化的影響，并堅(jiān)定了其“將科研技術(shù)做成產(chǎn)品”的決心與信念。

在清華大學(xué)9年的求學(xué)之旅中，學(xué)?！白詮?qiáng)不息、厚德載物”的校訓(xùn)和“行勝于言”的校風(fēng)，一直在影響著王振天的科研人生。不管在哪里，他對(duì)于科學(xué)的熱愛都不騖于虛聲，而是全都付諸自己的實(shí)踐中。

從2010年9月到2021年8月，十多年的時(shí)間里，王振天都是在海外度過的。在強(qiáng)烈科研求知欲的牽引下，他先后在瑞士保羅謝勒研究所（Paul?Scherrer?Institute，簡稱PSI）、瑞士蘇黎世理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系從事X射線成像的研究工作，并在這一階段接觸到了更多X射線多特性成像領(lǐng)域的前沿研究，特別是在X射線多特性成像在乳腺癌的診斷應(yīng)用中，展開了一系列創(chuàng)新性探索。他在向著科學(xué)前沿深遠(yuǎn)開拓的道路上，取得了諸多亮眼的科研成果。

X射線多特性成像與癌癥篩查結(jié)合

據(jù)報(bào)道，我國平均每76秒就有1人確診乳腺癌。根據(jù)世衛(wèi)組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年，全球乳腺癌新增患者達(dá)226萬，約占新發(fā)癌癥病例的11.7%。乳腺癌首次超過肺癌成為全球第一大癌癥。而且，中國乳腺癌發(fā)病率增速位居世界第一，是全球平均增速的兩倍。在瑞士從事科研工作的十多年來，王振天的絕大部分工作都是針對(duì)乳腺癌的診斷而展開的。

科研技術(shù)的創(chuàng)新是以理論基礎(chǔ)作為根基的。在此之前，傳統(tǒng)的X射線成像主要基于物質(zhì)對(duì)X射線的吸收，但是對(duì)于弱吸收的生物軟組織，X射線的折射特性更能發(fā)揮效果，并有利于降低輻射劑量。

“因?yàn)槿橄俦旧砭褪且粋€(gè)軟組織，因此X射線醫(yī)學(xué)成像的質(zhì)量相對(duì)較差。因?yàn)椴煌M織間X光發(fā)生折射的區(qū)別非常明顯。而通過這種新的方法，就能大幅提高軟組織成像的質(zhì)量，對(duì)于乳腺癌的早期診斷十分適用?！蓖跽裉煺f。

除此之外，相關(guān)技術(shù)對(duì)于肺部疾病的診斷，也有著極大的應(yīng)用前景。

從醫(yī)學(xué)角度來講，肺部氣體較多，對(duì)X射線的吸收較少，因此傳統(tǒng)的胸片拍攝看不到完整的肺部結(jié)構(gòu)。但是在介觀尺度的肺泡結(jié)構(gòu)能夠引起X射線很強(qiáng)的小角散射，利用X射線小角散射特性的新型成像方法能夠完整地看到整個(gè)肺部結(jié)構(gòu)對(duì)比圖，圖像質(zhì)量也有了量級(jí)的提高，進(jìn)而大大提升了肺癌疾病的早期診斷和篩查的精準(zhǔn)度。在新冠肺炎疫情蔓延的今天，相關(guān)手段也能為患者的肺部狀況檢查提供科技助力。

對(duì)于王振天而言，將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的喜悅，是從事科研的另一種幸福。一直以來，他都希望有朝一日自己研發(fā)的技術(shù)能夠成為真正的產(chǎn)品，造福于人們的生活。

早在瑞士從事科研工作時(shí)，王振天就與飛利浦醫(yī)療和瑞士當(dāng)?shù)蒯t(yī)院合作，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了X射線多特性成像應(yīng)用于乳腺檢測的臨床價(jià)值，為世界首臺(tái)基于光柵成像的多特性乳腺樣機(jī)在瑞士蘇黎世大學(xué)醫(yī)院的落地作出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。

為了將尖端技術(shù)進(jìn)行推廣和轉(zhuǎn)化，王振天還于2017年作為聯(lián)合創(chuàng)始人創(chuàng)立了依托瑞士保羅謝勒研究所（PSI）和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的公司GratXray?AG，并擔(dān)任公司首席技術(shù)官。在公司平臺(tái)的支撐下，他帶領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)專注于光柵多特性成像的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，研制應(yīng)用于乳腺成像的多特性CT，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和搭建。團(tuán)隊(duì)?wèi){借多年來在新型X射線成像領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，獲得了瑞士科技創(chuàng)新界的最高獎(jiǎng)項(xiàng)“瑞士技術(shù)獎(jiǎng)（Swiss?Technology?Awards）2017”，并于2022年2月獲得了歐洲發(fā)明獎(jiǎng)（European?Inventor?Award）提名，成為唯一入圍的亞洲人。

開拓應(yīng)用創(chuàng)新新方向

在X射線多特性成像應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)刻，王振天總是能做出具有前瞻性的決策。

隨著增材制造的火熱發(fā)展，以及航空航天、汽車制造等行業(yè)對(duì)于更輕、更堅(jiān)固、更低成本的材料需求，新型結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)和性能研究對(duì)影像學(xué)工具提出了新的挑戰(zhàn)。而如何在這一行業(yè)大背景下，結(jié)合自己的研究領(lǐng)域，開拓一個(gè)新的研究方向，王振天一直在不斷嘗試。

從發(fā)展的角度看，很多科研方法的創(chuàng)新所依托的都是核心元件的創(chuàng)新。在王振天看來，中國有開展元件創(chuàng)新的硬件基礎(chǔ)，具有開展科研新方向的根基和底氣。而他愿意投身相關(guān)研究中，作為一個(gè)推動(dòng)者，從一個(gè)前人鮮少涉及的方向中開拓出一條新的道路。

行遠(yuǎn)自邇，篤行不怠。2021年9月，回到母校從事科研后，王振天開始依托清華大學(xué)工程物理系將自己的科研重點(diǎn)放在了X射線多特性成像在生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)的應(yīng)用上，并成功開拓了“全角度散射成像在纖維復(fù)合材料成像和分析中的應(yīng)用”這一方向。

針對(duì)具有特定空間結(jié)構(gòu)的纖維復(fù)合材料及各種超材料，傳統(tǒng)的X射線吸收成像無法提供其微觀空間結(jié)構(gòu)和方向性信息，王振天團(tuán)隊(duì)開辟的研究方法可以在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)這些新型材料空間結(jié)構(gòu)的定量分析，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)大視場掃描，對(duì)完整的材料零件進(jìn)行原位成像，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)上的空白?！皩⑦@一方法與CT技術(shù)相結(jié)合，可以為材料分析提供新穎的工具，在汽車零件制造和材料分析等方向具有廣闊的研究前景?！睂?duì)于研究領(lǐng)域的未來，王振天信心滿滿。

回國一年多來，王振天已經(jīng)成功組建了一支屬于自己的研究團(tuán)隊(duì)，并且在相關(guān)工藝上做了一些摸索。立足于當(dāng)下，他還是希望能夠盡快建立自己的實(shí)驗(yàn)室研究平臺(tái)，盡自己所能將國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的科研力量團(tuán)結(jié)起來，真正從核心元件創(chuàng)新中，取得一些科研創(chuàng)新突破。

2022年，王振天成功入選了國家級(jí)青年人才項(xiàng)目。有了國家的肯定與支持，王振天的科研之路更多了一份堅(jiān)定和底氣。他深知，將一項(xiàng)新技術(shù)在航空航天、汽車制造或其他領(lǐng)域成功推廣使用，這本身只是朝著最終目標(biāo)邁進(jìn)的一個(gè)過程，而要取得真正意義上的革命性創(chuàng)新效果，還需要長年的不懈努力。而他所要做的就是立足當(dāng)下，腳踏實(shí)地一步一個(gè)腳印，在這一方向上竭力奮斗下去。

（責(zé)編：張聞）