驅(qū)動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)學臨床診斷、生物學、材料科學等領(lǐng)域得到廣泛應用，與我們每一個人的生活和健康產(chǎn)生了密切聯(lián)系。然而，隨著其應用的展開，傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)在應對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，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“文藝復興”隨即展開。

X射線成像的變革與發(fā)展是時代的需要，也是歷史的必然。清華大學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用研究多年，在此領(lǐng)域內(nèi)積累了豐富經(jīng)驗，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的科研平臺，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目標：率領(lǐng)團隊從核心元件開始創(chuàng)新，打破國外的“卡脖子”限制，并將研究成果切實服務(wù)于祖國的大健康和新材料方向。為了早日補上這塊短板，他一直為此奮斗。

十多年的海內(nèi)外科研積淀

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

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

在清華大學9年的求學之旅中，學校“自強不息、厚德載物”的校訓和“行勝于言”的校風，一直在影響著王振天的科研人生。不管在哪里，他對于科學的熱愛都不騖于虛聲，而是全都付諸自己的實踐中。

從2010年9月到2021年8月，十多年的時間里，王振天都是在海外度過的。在強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生物醫(yī)學工程系從事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用中，展開了一系列創(chuàng)新性探索。他在向著科學前沿深遠開拓的道路上，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構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年，全球乳腺癌新增患者達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X射線的吸收，但是對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。

“因為乳腺本身就是一個軟組織，因此X射線醫(yī)學成像的質(zhì)量相對較差。因為不同組織間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)對于肺部疾病的診斷，也有著極大的應用前景。

從醫(yī)學角度來講，肺部氣體較多，對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肺部結(jié)構(gòu)對比圖，圖像質(zhì)量也有了量級的提高，進而大大提升了肺癌疾病的早期診斷和篩查的精準度。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，王振天就與飛利浦醫(yī)療和瑞士當?shù)蒯t(yī)院合作，實驗驗證了X射線多特性成像應用于乳腺檢測的臨床價值，為世界首臺基于光柵成像的多特性乳腺樣機在瑞士蘇黎世大學醫(yī)院的落地作出了關(guān)鍵性貢獻。

為了將尖端技術(shù)進行推廣和轉(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)邦理工學院的公司GratXray?AG，并擔任公司首席技術(shù)官。在公司平臺的支撐下，他帶領(lǐng)技術(shù)團隊專注于光柵多特性成像的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，研制應用于乳腺成像的多特性CT，并已經(jīng)實現(xiàn)了原理樣機的設(shè)計和搭建。團隊憑借多年來在新型X射線成像領(lǐng)域的貢獻，獲得了瑞士科技創(chuàng)新界的最高獎項“瑞士技術(shù)獎（Swiss?Technology?Awards）2017”，并于2022年2月獲得了歐洲發(fā)明獎（European?Inventor?Award）提名，成為唯一入圍的亞洲人。

開拓應用創(chuàng)新新方向

在X射線多特性成像應用發(fā)展的關(guān)鍵時刻，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)對于更輕、更堅固、更低成本的材料需求，新型結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計和性能研究對影像學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，作為一個推動者，從一個前人鮮少涉及的方向中開拓出一條新的道路。

行遠自邇，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工程物理系將自己的科研重點放在了X射線多特性成像在生物醫(yī)學和材料科學的應用上，并成功開拓了“全角度散射成像在纖維復合材料成像和分析中的應用”這一方向。

針對具有特定空間結(jié)構(gòu)的纖維復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，王振天團隊開辟的研究方法可以在實驗室條件下實現(xiàn)這些新型材料空間結(jié)構(gòu)的定量分析，同時還可以實現(xiàn)大視場掃描，對完整的材料零件進行原位成像，彌補了現(xiàn)有技術(shù)上的空白。“將這一方法與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。”對于研究領(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隊，并且在相關(guān)工藝上做了一些摸索。立足于當下，他還是希望能夠盡快建立自己的實驗室研究平臺，盡自己所能將國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的科研力量團結(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青年人才項目。有了國家的肯定與支持，王振天的科研之路更多了一份堅定和底氣。他深知，將一項新技術(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邁進的一個過程，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下，腳踏實地一步一個腳印，在這一方向上竭力奮斗下去。

（責編：張聞）