本刊记者  方 方  杜月娇

“新的科学方向常源于新的工具，而不是新的概念。概念驱动的科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Freeman Dyson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，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，具有极其可观的应用前景。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里。”

当时，华盛顿大学汪立宏（Lihong V. 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，Nature Photonics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，他就围绕这两大难题展开了工作，通过对晶体瞬态响应的严格理论分析，提出了利用脉宽小于非线性光折变晶体响应时间的短激光脉冲进行全息图读取的方法。经实验验证，该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远小于1的限制，其成果发表在《自然》杂志旗下的《科学报道》上。

从起初的提出想法，到最后的实验验证，马骋和整个团队花费了很多心思。“桌椅可以恒久不动，但生物组织都是善变的，肌肉组织的移动乃至血液流动都会造成一个退相干的过程。也就是说，你本来想聚焦到某个位置对某个组织进行成像，可当你测量好了信息真正去聚焦的时候，之前测量好的信息已经过时了。”

既然如此，马骋团队只能和生物组织的“变”来抢时间。到后来，马骋参与的利用快速光折变晶体在活体内部实现光聚焦以及成像的项目完成后，他们甚至可以在5毫秒之内完成整个光聚焦过程，从而证明了透过血流（相关时间为毫秒量级）进行精确光控制的能力，使散射介质内部聚焦、成像技术向临床应用迈进一大步。2015年1月，这一成果发表在《自然—通讯》杂志上，马骋为第三作者。同时，“快速超声导引的光学时间反演在动态散射介质内部的近红外光聚焦”也获得2014年度国际光学工程学会（SPIE）颁发的Seno Medical Best Poster Award，马骋同样是第三完成人。

马行千里，非一步之功。马骋也是在慢慢靠近自己的目标。在超声波导引的时间反演光聚焦技术成功突破之前，他就在时变目标导引的时间反演光聚焦技术上有了优秀的进展。

认识到在光学散射介质（诸如生物组织）中进行光传输及聚焦的重要性之后，马骋发现，科学家一般是通过植入式或表面声学接触引入的信标星作为导引源，实现在散射介质内部或背面的光聚焦。可与之相对的是，植入式或接触式信标星也会带来应用的局限性。

为了解决这一亟待解决的难题，马骋提出了利用内源性折射率及吸收的动态变化作为信标星的创意。如此一来，就可以实现无创、非接触式、在散射介质内部的聚焦以及对运动目标的追踪、成像。在后来的验证中，马骋的方法能够在生物组织内聚焦深度超过25个散射平均自由程，而同样的穿透深度下，传统的光学聚焦以及成像设备早已失效。

2014年12月，《自然—光子学》杂志刊登了这一技术方法。随即，该方法被Physics World，Medical Physics，Science Daily等多家媒体报道。马骋也受剑桥大学出版社之邀，参与到权威性著作Wavefront Shaping for Biomedical Imaging（尚未出版）的撰写当中，对这一技术进行具体阐述。该技术被认为，不但解决了在散射介质内部对时变物体的追踪成像、利用组织内源性运动（如血流）进行对整体目标的光聚焦等难题，还可与其他多种技术结合实现深层组织成像、光遗传学控制、光动力疗法以及无创手术等。

以此为基础，马骋与合作者进一步发明了利用单次曝光及二元空间光相位调制的光学时间反演技术。在该技术中，他实现了目前最快的数字式在散射介质内部的聚焦，又一举数得，同时满足相位图合成时间1ms，空间有效模式数500000，功率增益>1000的优良系统特性。由于实现了在动态散射介质内部对时变目标的追踪聚焦，以及深层血流流速的测定等优质目标。2015年，该技术被光学学会旗舰期刊Optica发表，引起了学术界的高度重视。

汪立宏团队在光声成像领域也享有国际声誉。光声效应可以将被物质吸收的光子转换成声子，基于此，光声成像通过探测超声波对生物组织的光学吸收特性进行三维造影。马骋认为光声成像是除波前工程以外另一个非常有应用前景的深层组织光学影像手段，并积极参与到小动物光声造影系统的研究中。他在其中最得意的贡献之一是对已有的图像重建方法进行改进，在不提高计算复杂度的前提下大幅度提高图像质量，去除伪影。他参与搭建的小动物光声造影平台从各个指标上衡量都处于世界领先水平。

顺其自然的转折

马骋并不是从一开始就瞄准深层生物组织光学成像的。2006年，接到美国弗吉尼亚理工大学的offer后，他进入王安波教授团队，开展起光纤传感研究。数年积累，2010年，他连续在Optics Letters上发表了两项成果：一是利用多孔石英及蓝宝石光子晶体光纤进行高温、高压下气体光谱分析；二是发明基于全光微纳结构光力学谐振腔的生物、化学传感。

初出茅庐的亮相之后，他再接再厉，围绕微尺度法—珀白光干涉仪的建模、结构优化、制造以及信号解调发起了系统性地探索。此后几年，他连续在国际著名期刊上发表数篇文章，包括利用渐变折射率光学自聚焦实现光纤内腔法—珀白光干涉仪的级联，建立光纤外腔干涉仪的普适理论模型，预测干涉仪信号解调精度的理论极限并理论阐释、实验抑制干涉仪的解调跳变。

这么多发现，好用吗？马骋从来都不满足于纸上谈兵。2011年，他得到了第一次在美国能源部国家能源技术实验室进行传感器现场测试的机会。时隔5年，他仍然记得当时的场面。按照惯例，整个测试过程要持续一天，除了项目的资助者和负责人，美国能源部的一些高级官员也会到场观看。对于高效燃气轮机内部接触式精密温度测量来说，差之毫厘，失之千里。作为该项目的技术执行人，马骋十分忐忑。

“测试前一天，我们就要把传感器安装到测试环境里”，就在马骋带着几位伙伴紧张有序地安装时，一个不经意的动作，导致了传感器的损坏。此时，距离测试开始的时间已经所剩无几了。幸好，他们之前做了备份，又赶紧取来，连夜装到测试环境里。是真的“连夜”，几个人整整安装了一宿，都没顾得上睡觉。

“第一次还是经验不足，几个月后，我们再对另一个不同结构的传感器做现场测试时，就非常成功了，没有遇到任何问题。”这两次测试结果，得到了美国能源部和国际同行的好评，马骋也两次受邀参加美国能源部国家能源技术实验室年会，并作专题报告。

“这是我非常难忘的一个经历”，马骋再次强调。能够完成一场工程领域的现场测试，需要他能够独当一面，带领团队去完成这个严峻的任务。“在实验室做实验，也许产生一些数据就可以了。但是到了现场测试的环境下，可能一个螺丝钉没弄好都会出大问题。”马骋开始与各种细节“磨合”，力求达到天衣无缝，以保证现场测试的正常运转。这种磨砺，对他来说，是一种宝贵的财富。

马骋在成长。随着在光纤传感领域的深入，他的研究兴趣有了转变。“和光学成像一样，光纤传感其实也是一个获取信息的过程。”马骋说。到了博士研究的后期，他已经向光学成像倾斜了。“光纤传感获得的信息是点状的或者一维的，光学成像获得的信息是多维的。更重要的是，光学成像的生物应用非常有意思，一方面可以应用到医疗中造福人类，另一方面可以做的东西非常多。”

在马骋看来，这是一个非常自然的转变，无需刻意选择，就像他的回国，也从来不是一道选择题。

“独望蓝岭念香山”

从2006年到2016年，马骋在美国待了十年。

这十年中，他在创新、理论分析、实验技能、撰写文章等各个科研环节上都接受了良好的训练，科研能力日渐成熟。“尤其是创新”，他补充道，“导师们都会鼓励你大胆地去想，哪怕是异想天开也没关系。”

这十年中，他在王安波教授和汪立宏教授的团队中，积累了丰富的合作经验以及科研资源。曾经度过数年的两所学校，以及汪立宏教授目前就职的加州理工学院等，都是他日后重要的国际合作对象。

而这些底蕴，于他而言，也不过是为了回国而做出的积累。早在初到弗吉尼亚理工大学时，他就产生了浓郁的思乡情绪，即使出国是他谨慎做出的决定。“弗吉尼亚理工大学坐落在风景名胜蓝岭（Blue Ridge）脚下。到美国的第一个清明，望着连绵的群山，就好像还在清华园里，还可以远眺香山一样。”心有所感，马骋提笔写下一首小诗：清明望断异乡天，百鸟声声花满川。此时家乡春正好，独望蓝岭念香山。

“可能很多人都有这样的感觉，出国之后反而觉得故土难离，一直想着要回国。”从那一刻起，马骋就决定一定要回来。2016年9月2日，他正式重归清华园。

“在国外总感觉自己是个过客，回来做事才更踏实。”在马骋的计划里，回国后的主要工作将依然集中在深层生物组织光学成像上。目前，他还是想继续深入研究波前整形和光声成像两种方法，拓展生物光子学的穿透深度，在生物学基础研究范畴内提供基于活体的、深层组织高分辨率光学成像及控制。“以后可能会开拓完全不一样的更崭新的领域，但当下，我还是想扎扎实实地推动这两个方法的实用化，在临床医学范畴内提供基于光子学的诊断、治疗以及微创手术技术，并最终实现产业化。”

有了清华大学的科研启动金以及电子工程系的支持，此时此刻，在马骋面前还是一张白纸。买设备、建实验室、组团队、招收博士生……他已经做好充分的准备从头做起。

“博士后阶段，我指导过一些博士生，但和自己真正带学生还是不同。”作为一位“准导师”，马骋已经开始思考要如何有启发性地让学生去发挥创造力了。“我要培养的应该是一个人才，而不是一个专业技术人员。除了科研素质，还包括做事是不是专业，为人是不是乐观，能不能很好地融入团队等，人格魅力也很重要。”以己度人，他认为博士期间的5年也是他精力最充沛、人生最精彩的时候，他自己热爱科研，也希望作为导师的自己能够让学生爱上科研，让自己的严格要求建立在不“剥夺”学生快乐的基础之上。

生性乐观的他，视科研如登山，相信没有过不去的难关。“在山脚下看山顶会觉得遥不可及，可当你每天都扎扎实实地迈一步，不用走多快，也能不知不觉到达山顶。站在山顶看风景只是一部分，最重要的是享受过程，过程走好了，结果也不会真的差到哪儿去。”