用核磁共振“看”肺泡的科学家

文／刘佳

在胶州农村念书的时候，王成波没想到会考上清华大学；在清华读书的时候，没想到会出国留学；出国留学的时候，没想到能做到名校教授，能获得国际大奖。正因为他的聪明和睿智，加上他吃苦耐劳、刻苦钻研的精神，他的生活和学习里总是充满很多惊喜。年轻的王成波总是能遇到各种各样的机会，在机会来临的时候，他能主动抓住机会，并且努力去争取，最终带给自己成就和荣誉。

获得青年科学家临床医学奖

有些人做了梦却为梦而惋惜，有些人却能把梦变成现实，创造一个惊人的奇迹。比如王成波……

王成波首次开发出了长弥散时间超极化气体核磁共振弥散测量技术，证明了氦气的弥散与弥散时间紧密关联，首次证实了被动吸烟引起肺部深层组织病变，首次证明了哮喘疾病可以诱发类似的结构变化……

他涉猎多个不同的核磁物理和临床医学领域，每一次总能够掌握领域中最重要的问题，给出简单而精巧实用的测量技术，在核磁物理学、肺部疾病诊断和核磁共振序列开发等方向取得一系列世界领先的重要成就。

2008年，在加拿大举行的第十六届国际医学核磁共振学会年会上，王成波被授予青年科学家临床医学奖(W.S. Moore Award)，学会主席薇薇安·李博士(Dr. Vivian Lee)介绍道：“今年的青年科学家竞赛尤其激烈，学会收到了创纪录数字的申请，王成波博士的工作以其创新的设计和出色的科学汇报脱颖而出。”

这次获奖也是中国学者首次获得该奖项，此外，王成波还获得过北美放射协会“研究员研究奖”、国际核磁共振学会论文展报竞赛第一名等众多奖项。

从山东农村到首都北京

事业上的创新进取、渊博的学识、睿智的话语、为人处世的乐观和机智、洒脱和亲切……这些体现在王成波身上就是一种人格的魅力。

1975年，王成波出生于山东胶州，从小在农村长大。父亲是乡村小学教师，体弱的母亲身患重病，王成波有1个哥哥2个姐姐，勤劳的大姐承担了大部分农活儿。王家4个孩子的学习成绩在乡里乡外都小有名气。王成波自小喜欢读书，哥哥姐姐们的高年级课本作业也成了他的课外读物。那时候，他最喜欢的杂志是《世界博览》，广泛的阅读大大开拓了他的视野。上小学的时候，王成波学习并不算努力，他还迷上了武侠小说，上课的时候在桌下偷偷看小说，经常被老师们抓到。那时候晚上自习的时候经常点蜡烛，武侠小说加上蜡烛烟熏，让王成波在六年级的时候就戴上了眼镜。

上中学之后，王成波开始懂事了，出生在农村，考大学是跳出“农门”的最好途径。从初中开始，他就开始住校，自己洗衣服，管理伙食，过早的独立生活和艰苦的生活环境培养了他坚忍不拔的性格。从初中到高中，6年的时间，大大小小考试，他从来都是学校总分第一，最高的时候可以超出全校第二名80多分，他连续获得数学、物理，化学和生物竞赛的多个全国奖。他高中的班主任曾经说过：王成波以后肯定会是个有出息的孩子。就是这位老师成为他人生转折点的指路人。高考填报志愿时，父亲希望他能子承父业，报考北京师范大学。他的班主任亲自家访，说服了家里人，让他报考了清华大学。他选择生物医学作为自己的专业，也是偶然中的必然。他是个孝顺孩子，看见母亲身患重病，他就特别注意看医学书籍，想着从哪里能找到治疗母亲疾病的药方。那时的他把家里一本厚厚的《赤脚医生》给翻了个遍，竟然喜欢上了医学。上了中学，他又迷上了生物和计算机。

1994年，王成波以优异的成绩考入清华大学，成为胶州实验高中第一位考入清华的学生。

5年的清华大学本科学习，给王成波打下了深厚的理论和实践基础，也培养出了他对医学成像的爱好，在实验动手环节上，他总是排在班级的前几名。在大三的时候，他选择了微循环成像作为他的第一个研究方向，本科毕业设计，他自己编写了一个微循环图像处理软件，这也帮助他拿到了优秀毕业设计的奖励。本科毕业时，他选择了免试直读研究生。

独立研究的起步

心有多大，舞台就有多大。

2001年，在和留学美国的本科同学返校畅谈时，王成波恍然才发现自己已经落后了。仅仅1年的时间，国外的同学已经在知识结构、科学眼光上远远超出了自己。这大大剌激了王成波，他开始有了出国的想法，他用半年的时间考完了托福和GRE，加入了申请留学的行列。2002年，他获得了工学硕士学位，并且获得多家北美大学的邀请。最终，他选择了弗吉尼亚大学，把梦想的舞台从祖国延伸到大洋的彼岸。

出于对肺部疾病和核磁共振技术的兴趣，王成波加入了氦气核磁共振肺部成像中心，用2年的时间完成了最为重要的核磁物理学的学习，并且研读了本领域相关的几百篇论文。广泛的阅读和扎实的理论功底，让他对于这个领域有了深刻而清晰的认识。

肺部成像和肺部疾病诊断长久以来远远落后于身体其他部分的成像研究。其主要技术难点在于：1. 肺部充满空气，大部属空腔组织，成像信号弱；2.频繁的呼吸和心跳，运动干扰大；3.大量的组织与空气交界，信号衰减快。目前临床标准肺部成像采用X光片和X射线CT。X射线对人体有极大的副作用，尤其是对于婴幼儿和儿童。另外，X射线成像敏感性依然很差，对患上很多肺部呼吸疾病的诊断无能为力。

根据美国国立卫生研究院报告，近20年来肺病仍保持着持续上升的趋势。根据我国国内的统计数据，慢性阻塞性肺病已经是中国农村地区第一致死疾病和中国城市地区的第四致死疾病。肺部疾病与吸烟和空气污染有着紧密的关联，中国有超过3亿人在吸烟，是世界上最大的烟民群体，还有很大一部分非烟民处于被动吸烟的环境。保守估计，中国已经有 1500万慢性阻塞性疾病患者，每年超过100万人死于该病，因此而致残的人数每年达500～1000万。吸烟引起的肺部损害是一个慢性且长期的过程，可以预测，10～30年，当前的烟民群体进入中老年之时，肺部疾病的发病率会大大上升。最新科研成果表明，超过25%的烟民会诱发慢性阻塞性肺病。慢性阻塞性肺病患者呼吸短促，轻微活动就会引起气促、咳嗽、咳痰，一旦病情加重，很容易引发心脏、呼吸衰竭等并发症。肺病已经给中国的医疗保健事业造成极大的困扰，并且这种影响会随着时间的增加和中国社会的老龄化而出现明显增长。

对这些知识的深入了解，给了王成波极大的研究动力。弗吉尼亚大学在氦气核磁共振技术上全世界领先。氦气，一种安全无副作用的惰性气体。在这里，他们使用了一种类似的气体氦气-3作为核磁共振成像的介质气体。氦气核磁共振成像在1994年由美国普林斯顿大学的研究人员首先发明，经过十几年的发展，该成像方法已经成为新兴的科学领域。在采片激光极化之后，氦气-3在磁体之外即可使其核磁共振信号增强上万倍到上百万倍，然后让病人吸入这种气体，高强度的信号克服了气体低密度的障碍，肺部成像一下了变得简单而直接。因其诱人的临床应用前景，美国和欧洲在此领域投入了大量资金。

王成波选择了一个当时最困难的研究方向——长弥散时间氦气弥散成像。弥散成像是核磁成像中最为成功的成像技术之一，其基木原理是使分子自由地弥散，当分子弥散受到局部结构限制时，相应的弥散会变慢。使用核磁共振弥散成像技术可以测量分子的弥散速度，从而间接估计局部的微结构信息。氦气弥散成像技术与此类似，如果肺泡（肺部最小的气体交换组织，其直径大概只有0.25毫米）的壁被吸入的烟雾破坏，如产生穿孔等，测量到的气体弥散速度就会加快。以前的氦气弥散成像技术所控制的弥散时间限制在l毫秒左右，敏感度不够高，而高敏感度是早期肺病诊断的关键。2002年，圣路易华盛顿大学的研究人员开发了一种方法，使用条纹调制的方法，观测条纹的衰减速度，他们宣称该方法大大提高敏感度。这种方法引起了很多研究中心的关注。王成波因此将研究注意力转移到这个方向上。世界上陆续有不同的研究团队对华盛顿大学的研究提出改进方法，但是一些基本的问题始终没有得到解决，即使使用了大剂量的氦气，结果仍然不稳定。这些改进方法不能精确确定弥散时间，不能做真正的点阵成像。

在重复华盛顿大学的研究方法的过程中，王成波陆续发现了很多问题。解决这些问题的过程，也正是他独立科研能力成长和成熟的过程。也正是在这个过程中，王成波的实验技术、序列开发技术都逐渐成熟起来，并产生了被以后研究证实是准确无误的科学假想：氦气的弥散速度是取决于弥散时间的。在此期间，王成波获得参加当年的国际医学核磁共振学会年会的机会。在美国迈阿密与同行的交流中大大拓展了他的视野，思想的碰撞产生了无数智慧的火花。王成波意识到，自己已经站在一个新发现的门槛上。 

事业的腾飞

从年会回到实验室之后的1个月里，王成波开始了紧张而忙碌的研究工作。确定了新的研究思路，在1个月的时间内，王成波独自编写了接近100个计算机仿真程序，建立了十几个不同的序列，试图找出最好的序列，完成了计算机仿真和模型试验，并且在紧接其后的3个月中完成了一系列的人体试验。这项研究成果使他获得了西雅图国际核磁共振学会年会的论文展报竞赛第一名。

这个成果也使王成波作为第一和主要作者获得一项美国专利。西班牙的马德里大学、美国的哈佛大学、圣路易华盛顿大学和宾西法尼亚大学的研究中心都开始追随他的研究。

2007年，王成波获得博士学位，并被著名的费城儿童医院放射科聘为核磁物理师，在这一年中，他致力于把该核磁成像序列推广到临床实验，取得了一系列重要发现。

王成波多次在健康的吸烟人群中检测出吸烟对肺部的损害，证实了新方法的敏感度。鉴于新方法极具敏感度，王成波设想使用新方法也可以检测被动吸烟对于肺部微细胞结构的影响。他们的研究首次证明了被动吸烟可以诱发肺部结构损害，实验证实了新技术的可靠性，具有成为一种新的肺部疾病诊断评估平台的潜力。

毕业之后短短半年的时间，王成波已经取得了突破性的进展。他毕业的弗吉尼亚大学医学院决定，加强他们这个方向的领先优势，王成波被聘为医学院成像中心的助理教授，开始了新的研究历程。

在肺气肿疾病取得丰硕成果的同时，王成波开始使用新方法形容哮喘疾病。他首次识别出了哮喘病人中的深层肺部结构损害，在2008年的国际核磁共振学会年会上，他公布了这个结果，并被授予了W. S. Moore Award（青年科学家临床医学奖）。

目前，王成波正在加快对于这个新技术的研究，一些大学的研究中心也开始追随这项研究，并已经证实该方法的可行性。默克（Merck）和葛兰素史克（GSK）等世界大制药公司都已经邀请他们做专题报告，正讨论如何开展合作。他们认为，这种新方法会对于新药物治疗效果评估和新药设计产生巨大的促进作用。同时，这项研究也在临床医学研究领域引起很大的反响。

心怀祖国

青青子衿，悠悠我心，但为君故，沉吟至今。

考虑到中国的3亿吸烟人口和严重的空气污染，肺部疾病的高发病率已成现实，王成波认为如果该项新技术能够在中国获得应用，无疑会产生不可估量的经济和社会效益。尤其需要特别指出的是，不同于普遍的核磁共振成像技术，氦气核磁成像技术中的氦气信号极化是在磁场外完成的，其信号不依赖于成像磁场的强度。因此，在低磁场上，氦气成像应该同样具有很好的成像效果。而低磁场核磁共振成像仪正是中国核磁工业的拳头强项，两者结合，一定会产生巨大的经济效益。同时，会极大促进中国肺病治疗药物的快速发展。

国际的核磁共振成像市场主要被三个大公司把持，通用电气、西门子和飞利浦。在1.5T以上的高端市场，磁体主要采用超导磁体。这三大公司的产品覆盖了大部分市场，中国本土也有20多家厂家在开发核磁共振产品，但是主线产品基本都在0.5T以下，这种永磁体磁场是中国的强项。但是这个市场的70%也被西门子在深圳的“迈迪特”占据。对比国外三大公司，中国的主要强项在于永磁体的制造，弱势在于软件开发、操作序列的开发。三大公司资本雄厚，具有极强的市场操作能力和技术储备，他们和世界大多数主要的医学核磁共振研究中心建立了的合作关系，外部产品很难进入他们的市场。

中国国内的核磁共振研究主要差距在于软件，也就是序列开发部分。序列开发能力需要出色的具备综合学科知识的核磁物理科学家进行大量的研究才能获得。美国这方面的研究主要由国立卫生研究院支持，向下一代核磁物理学家的传承和未来的知识储备和开发主要由大学承担。王成波认为：中国若要赶超，首先需要引进一批本学科的学术带头人，他们需要深刻了解国际核磁共振科学研究现状，了解国际研究前沿，在国内建立核磁共振研究学科，开展深入地研究，培养中国自己的科研队伍和研究人才库。这样才能建立有效的人才培养机制和软件开发能力，为中国核磁共振事业的发展储备力量。

在核磁共振成像领域，新的发展思路层出不穷，中国在永磁制造方面具有突出的长处，结合最新的超极化技术，利用中国相对灵活的政策，发展出一套具有自己特色的产品。相信中国的核磁共振必然会在世界市场上占有一席之地。王成波也很希望自己能够为这个发展进步过程贡献一份自己的力量。

王成波， 1975年出生，1999年、2002年在清华大学获得学士和硕士学位，2007年获美国弗吉尼亚大学生物医学工程博士学位并任美国费城儿童医院核磁物理师，2008年任弗吉尼亚大学放射系助理教授。