驱动X射线成像技术新变革——记清华大学工程物理系副教授王振天
时间：2023-02-27 14:15:08 来源：千叶帆 本文已影响人
刘玉杰
王振天攀登瑞士少女峰
1895年11月8日，德国的物理学家伦琴发现了X射线，为开创医疗影像技术铺平了道路。在之后100多年的时间里，传统的以吸收为基础的X射线成像技术在医学临床诊断、生物学、材料科学等领域得到广泛应用，与我们每一个人的生活和健康产生了密切联系。然而，随着其应用的展开，传统的X射线成像技术在应对轻元素为主的生物软组织（如早期肿瘤、血管）、高分子材料（如多孔塑料、碳纤维）时，只能得到模糊图像的弊端逐渐显现。与之相比，近十几年来发展起来的X射线相位衬度成像技术具有明显的优势。在这一技术的支撑下，一场X射线成像的“文艺复兴”随即展开。
X射线成像的变革与发展是时代的需要，也是历史的必然。清华大学工程物理系副教授王振天专注于X射线多特性成像及其应用研究多年，在此领域内积累了丰富经验，且在乳腺癌、肺癌等重大疾病治疗中开展了相关技术的临床应用探索。历经国内外十几载的科研创新旅程，这位人生与科学紧紧相连的青年科研人，回到了深爱的祖国，开始依托于清华大学的科研平台，开展一系列科研创新工作。马行千里，不洗沙尘。长期以来，他的心中一直有一个目标：率领团队从核心元件开始创新，打破国外的“卡脖子”限制，并将研究成果切实服务于祖国的大健康和新材料方向。为了早日补上这块短板，他一直为此奋斗。
2001年，怀着对工程研究的热爱，王振天踏入了清华大学的校门，正式开始了在清华大学工程物理系工程物理专业的学习，并最终于2010年7月，获得了清华大学工程物理系核科学与技术专业博士学位。
长期以来，清华大学工程物理系坚持产教融合、服务国家和社会发展战略，积极探索产学研一体的技术创新体制机制。在这里，王振天接受了从“物理”到“工程”为核心的科研系统训练，在实际的工程项目中得到了历练。这些经历，对王振天的科研理念形成产生了潜移默化的影响，并坚定了其“将科研技术做成产品”的决心与信念。
在清华大学9年的求学之旅中，学校“自强不息、厚德载物”的校训和“行胜于言”的校风，一直在影响着王振天的科研人生。不管在哪里，他对于科学的热爱都不骛于虚声，而是全都付诸自己的实践中。
从2010年9月到2021年8月，十多年的时间里，王振天都是在海外度过的。在强烈科研求知欲的牵引下，他先后在瑞士保罗谢勒研究所（Paul Scherrer Institute，简称PSI）、瑞士苏黎世理工大学生物医学工程系从事X射线成像的研究工作，并在这一阶段接触到了更多X射线多特性成像领域的前沿研究，特别是在X射线多特性成像在乳腺癌的诊断应用中，展开了一系列创新性探索。他在向着科学前沿深远开拓的道路上，取得了诸多亮眼的科研成果。
据报道，我国平均每76秒就有1人确诊乳腺癌。根据世卫组织国际癌症研究机构发布的数据显示，2020年，全球乳腺癌新增患者达226万，约占新发癌症病例的11.7%。乳腺癌首次超过肺癌成为全球第一大癌症。而且，中国乳腺癌发病率增速位居世界第一，是全球平均增速的两倍。在瑞士从事科研工作的十多年来，王振天的绝大部分工作都是针对乳腺癌的诊断而展开的。
科研技术的创新是以理论基础作为根基的。在此之前，传统的X射线成像主要基于物质对X射线的吸收，但是对于弱吸收的生物软组织，X射线的折射特性更能发挥效果，并有利于降低辐射剂量。
“因为乳腺本身就是一个软组织，因此X射线医学成像的质量相对较差。因为不同组织间X光发生折射的区别非常明显。而通过这种新的方法，就能大幅提高软组织成像的质量，对于乳腺癌的早期诊断十分适用。”王振天说。
除此之外，相关技术对于肺部疾病的诊断，也有着极大的应用前景。
从医学角度来讲，肺部气体较多，对X射线的吸收较少，因此传统的胸片拍摄看不到完整的肺部结构。但是在介观尺度的肺泡结构能够引起X射线很强的小角散射，利用X射线小角散射特性的新型成像方法能够完整地看到整个肺部结构对比图，图像质量也有了量级的提高，进而大大提升了肺癌疾病的早期诊断和筛查的精准度。在新冠肺炎疫情蔓延的今天，相关手段也能为患者的肺部状况检查提供科技助力。
对于王振天而言，将科研成果转化为生产力的喜悦，是从事科研的另一种幸福。一直以来，他都希望有朝一日自己研发的技术能够成为真正的产品，造福于人们的生活。
早在瑞士从事科研工作时，王振天就与飞利浦医疗和瑞士当地医院合作，实验验证了X射线多特性成像应用于乳腺检测的临床价值，为世界首台基于光栅成像的多特性乳腺样机在瑞士苏黎世大学医院的落地作出了关键性贡献。
为了将尖端技术进行推广和转化，王振天还于2017年作为联合创始人创立了依托瑞士保罗谢勒研究所（PSI）和苏黎世联邦理工学院的公司GratXray AG，并担任公司首席技术官。在公司平台的支撑下，他带领技术团队专注于光栅多特性成像的产业化发展，研制应用于乳腺成像的多特性CT，并已经实现了原理样机的设计和搭建。团队凭借多年来在新型X射线成像领域的贡献，获得了瑞士科技创新界的最高奖项“瑞士技术奖（Swiss Technology Awards）2017”，并于2022年2月获得了欧洲发明奖（European Inventor Award）提名，成为唯一入围的亚洲人。
在X射线多特性成像应用发展的关键时刻，王振天总是能做出具有前瞻性的决策。
随着增材制造的火热发展，以及航空航天、汽车制造等行业对于更轻、更坚固、更低成本的材料需求，新型结构材料的设计和性能研究对影像学工具提出了新的挑战。而如何在这一行业大背景下，结合自己的研究领域，开拓一个新的研究方向，王振天一直在不断尝试。
从发展的角度看，很多科研方法的创新所依托的都是核心元件的创新。在王振天看来，中国有开展元件创新的硬件基础，具有开展科研新方向的根基和底气。而他愿意投身相关研究中，作为一个推动者，从一个前人鲜少涉及的方向中开拓出一条新的道路。
行远自迩，笃行不怠。2021年9月，回到母校从事科研后，王振天开始依托清华大学工程物理系将自己的科研重点放在了X射线多特性成像在生物医学和材料科学的应用上，并成功开拓了“全角度散射成像在纤维复合材料成像和分析中的应用”这一方向。
王振天与同事参加越野跑
针对具有特定空间结构的纤维复合材料及各种超材料，传统的X射线吸收成像无法提供其微观空间结构和方向性信息，王振天团队开辟的研究方法可以在实验室条件下实现这些新型材料空间结构的定量分析，同时还可以实现大视场扫描，对完整的材料零件进行原位成像，弥补了现有技术上的空白。“将这一方法与CT技术相结合，可以为材料分析提供新颖的工具，在汽车零件制造和材料分析等方向具有广阔的研究前景。”对于研究领域的未来，王振天信心满满。
回国一年多来，王振天已经成功组建了一支属于自己的研究团队，并且在相关工艺上做了一些摸索。立足于当下，他还是希望能够尽快建立自己的实验室研究平台，尽自己所能将国内在相关领域的科研力量团结起来，真正从核心元件创新中，取得一些科研创新突破。
2022年，王振天成功入选了国家级青年人才项目。有了国家的肯定与支持，王振天的科研之路更多了一份坚定和底气。他深知，将一项新技术在航空航天、汽车制造或其他领域成功推广使用，这本身只是朝着最终目标迈进的一个过程，而要取得真正意义上的革命性创新效果，还需要长年的不懈努力。而他所要做的就是立足当下，脚踏实地一步一个脚印，在这一方向上竭力奋斗下去。
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