馬騁：東望清華信馬歸

方方　杜月嬌

“新的科學方向常源于新的工具，而不是新的概念。概念驅動的利學革命只是用新方法解釋舊事物，而工具驅動的科學革命是去發現需要闡明的新事物。”

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

“第一是深層組織，第二是光學成像。”4個月后，他在入秋的清華園接受了記者的訪問。這時的他，十年復來歸，已經成為清華大學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、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，其醫療支出都呈現出明顯的上漲趨勢。”馬騁很樂于看到這樣的變化。隨著社會對健康和醫療的重視，一些問題也逐漸彰顯出來。

以醫學成像為例。在醫院的診斷和治療過程中，醫學成像技術發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。“核磁共振，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。”馬騁悉心講述著傳統成像方式的工作原理，傳統方式主要是在提取生物組織的結構信息，而如何獲取物質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，相當于物質的“指紋”，每一個分子都有其獨一無二的“指紋”。此時的成像，馬騁更習慣將之視為提取分子指紋的過程。“光子的能量剛好可以引起能級之間的躍遷。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。”

“光學成像的好處，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。當然了，紫外線是不行的，我們一般是應用可見光及紅外波段，這是安全的，對人體沒有傷害。”

更重要的是，有了光學成像，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，光學成像提供的信息，是其他方式不可同日而語的。”馬騁說。

但光學成像也不是十全十美的。很長一段時間里，科學家認為光學顯微鏡有一個極限，即光學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年諾貝爾化學獎的三位獲得者，巧妙地突破了這種極限，將光學顯微鏡帶入了納米維度。同樣的，隨著衍射極限的突破，生物光子學所面臨的最大挑戰，就成了由于生物組織強烈散射所導致的光子散射極限。

“激光筆發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。”在馬騁的例子里，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，比如無需外源標記物的相干拉曼散射和光學相干斷層掃描，以及利用熒光標記的多光子激發顯微和非線性結構光照明等。由于穿透深度淺，這些先進的影像技術對臨床應用來說，在很多場合是遠遠不夠的。

“我們的目標是，能夠讓光子穿透若干個厘米，在很深的位置實現光學成像。”馬騁知道，要突破散射極限很難，可一旦成功，就能夠拓展光學成像的應用范圍，使其可以在生物組織的深層位置成像，具有極其可觀的應用前景。這也是他近年來執著于此的原因。挑戰散射極限

2012年，馬騁拿到弗吉尼亞理工大學電氣工程專業博士學位，來到位于圣路易斯的華盛頓大學，開始了博士后研究。“這一階段，我主要做的就是怎么把光聚焦到散射介質里。”

當時，華盛頓大學汪立宏（Lihong V.Wang）教授團隊正在從事的波前工程項目，是生物光子學領域的前沿方向之一，他們的目標就是希望能夠大幅度加深光子在生物組織內部的穿透深度。早在2011年，Nature Photonics就發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散射微弱的特質，結合聲光移頻效應，借助相位共軛晶體，完成了有選頻功能的時間反演，進而實現在散射介質內部通過聚焦超聲波導引的光聚焦。

“這一研究完善了超聲波導引的時間反演光聚焦技術，但仍面臨兩大難題。”馬騁說，其一是由于晶體的固有性質所造成的低聚焦功率以及增益；其二是該技術亞秒量級的響應時間無法滿足活體應用的要求。進入汪立宏團隊后，他就圍繞這兩大難題展開了工作，通過對晶體瞬態響應的嚴格理論分析，提出了利用脈寬小于非線性光折變晶體響應時間的短激光脈沖進行全息圖讀取的方法。經實驗驗證，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，其成果發表在《自然》雜志旗下的《科學報道》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。“桌椅可以恒久不動，但生物組織都是善變的，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部實現光聚焦以及成像的項目完成后，他們甚至可以在5毫秒之內完成整個光聚焦過程，從而證明了透過血流（相關時間為毫秒量級）進行精確光控制的能力，使散射介質內部聚焦、成像技術向臨床應用邁進一大步。2015年1月，這一成果發表在《自然一通訊》雜志上，馬騁為第三作者。同時，“快速超聲導引的光學時間反演在動態散射介質內部的近紅外光聚焦”也獲得2014年度國際光學工程學會（SPIE）頒發的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。在超聲波導引的時間反演光聚焦技術成功突破之前，他就在時變目標導引的時間反演光聚焦技術上有了優秀的進展。

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

為了解決這一亟待解決的難題，馬騁提出了利用內源性折射率及吸收的動態變化作為信標星的創意。如此一來，就可以實現無創、非接觸式、在散射介質內部的聚焦以及對運動目標的追蹤、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，傳統的光學聚焦以及成像設備早已失效。

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

以此為基礎，馬騁與合作者進一步發明了利用單次曝光及二元空間光相位調制的光學時間反演技術。在該技術中，他實現了目前最快的數字式在散射介質內部的聚焦，又一舉數得，同時滿足相位圖合成時間1ms，空間有效模式數500000，功率增益>1000的優良系統特性。由于實現了在動態散射介質內部對時變目標的追蹤聚焦，以及深層血流流速的測定等優質目標。2015年，該技術被光學學會旗艦期刊Optica發表，引起了學術界的高度重視。

汪立宏團隊在光聲成像領域也享有國際聲譽。光聲效應可以將被物質吸收的光子轉換成聲子，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用前景的深層組織光學影像手段，并積極參與到小動物光聲造影系統的研究中。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，在不提高計算復雜度的前提下大幅度提高圖像質量，去除偽影。他參與搭建的小動物光聲造影平臺從各個指標上衡量都處于世界領先水平。

順其自然的轉折

馬騁并不是從一開始就瞄準深層生物組織光學成像的。2006年，接到美國弗吉尼亞理工大學的offer后，他進入王安波教授團隊，開展起光纖傳感研究。數年積累，2010年，他連續在OpticsLetters上發表了兩項成果：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；二是發明基于全光微納結構光力學諧振腔的生物、化學傳感。

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、結構優化、制造以及信號解調發起了系統性地探索。此后幾年，他連續在國際著名期刊上發表數篇文章，包括利用漸變折射率光學自聚焦實現光纖內腔法—珀白光干涉儀的級聯，建立光纖外腔干涉儀的普適理論模型，預測干涉儀信號解調精度的理論極限并理論闡釋、實驗抑制干涉儀的解調跳變。

這么多發現，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實驗室進行傳感器現場測試的機會。時隔5年，他仍然記得當時的場面。按照慣例，整個測試過程要持續一天，除了項目的資助者和負責人，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。作為該項目的技術執行人，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境里”，就在馬騁帶著幾位伙伴緊張有序地安裝時，一個不經意的動作，導致了傳感器的損壞。此時，距離測試開始的時間已經所剩無幾了。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。

“第一次還是經驗不足，幾個月后，我們再對另一個不同結構的傳感器做現場測試時，就非常成功了，沒有遇到任何問題。”這兩次測試結果，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實驗室年會，并作專題報告。

“這是我非常難忘的一個經歷”，馬騁再次強調。能夠完成一場工程領域的現場測試，需要他能夠獨當一面，帶領團隊去完成這個嚴峻的任務。“在實驗室做實驗，也許產生一些數據就可以了。但是到了現場測試的環境下，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“磨合”，力求達到天衣無縫，以保證現場測試的正常運轉。這種磨礪，對他來說，是一種寶貴的財富。

馬騁在成長。隨著在光纖傳感領域的深入，他的研究興趣有了轉變。“和光學成像一樣，光纖傳感其實也是一個獲取信息的過程。”馬騁說。到了博士研究的后期，他已經向光學成像傾斜了。“光纖傳感獲得的信息是點狀的或者一維的，光學成像獲得的信息是多維的。更重要的是，光學成像的生物應用非常有意思，一方面可以應用到醫療中造福人類，另一方面可以做的東西非常多。”

在馬騁看來，這是一個非常自然的轉變，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，他在創新、理論分析、實驗技能、撰寫文章等各個科研環節上都接受了良好的訓練，科研能力日漸成熟。“尤其是創新”，他補充道，“導師們都會鼓勵你大膽地去想，哪怕是異想天開也沒關系。”

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驗以及科研資源。曾經度過數年的兩所學校，以及汪立宏教授目前就職的加州理工學院等，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時，他就產生了濃郁的思鄉情緒，即使出國是他謹慎做出的決定。“弗吉尼亞理工大學坐落在風景名勝藍嶺（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。”心有所感，馬騁提筆寫下一首小詩：清明望斷異鄉天，百烏聲聲花滿川。此時家鄉春正好，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。”從那一刻起，馬騁就決定一定要回來。2015年6月，清華大學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成像上。目前，他還是想繼續深入研究波前整形和光聲成像兩種方法，拓展生物光子學的穿透深度，在生物學基礎研究范疇內提供基于活體的、深層組織高分辨率光學成像及控制。“以后可能會開拓完全不一樣的更嶄新的領域，但當下，我還是想扎扎實實地推動這兩個方法的實用化，在臨床醫學范疇內提供基于光子學的診斷、治療以及微創手術技術，并最終實現產業化。”

當然，即使有了青年千人計劃的資助，有了清華大學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。買設備、建實驗室、組團隊、招收博士生……他已經做好充分的準備從頭做起。

“博士后階段，我指導過一些博士生，但和自己真正帶學生還是不同。”作為一位“準導師”，馬騁已經開始思考要如何有啟發性地讓學生去發揮創造力了。“我要培養的應該是一個人才，而不是一個專業技術人員。除了科研素質，還包括做事是不是專業，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，也希望作為導師的自己能夠讓學生愛上科研，讓自己的嚴格要求建立在不“剝奪”學生快樂的基礎之上。

生性樂觀的他，視科研如登山，相信沒有過不去的難關。“在山腳下看山頂會覺得遙不可及，可當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。站在山頂看風景只是一部分，最重要的是享受過程，過程走好了，結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。但他已經整理好這些年的經驗，投入到今后的團隊組建和學生培養中去。科研之外，馬騁喜歡彈鋼琴，喜歡古典音樂。在馬騁心里，科學能從藝術里得到靈感，兩者都是在追求純粹的真理和美。“我也會鼓勵學生一定要在科研過程中追求美感，比如實驗結果一定要美，文章一定要賞心悅目。這是我一直追求的科研上的狀態。”他說。