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“如果没有从事这一行,将会终身遗憾”——访“第一届中国测试学术影响力人物”获得者李刚教授

1093    2020-04-24    发布者:中国测试杂志社    来源:原创

采访嘉宾:“第一届中国测试学术影响力人物”获得者——天津大学李刚教授

李刚,天津大学精密仪器与光电子工程学院教授,博士生导师。研究领域:生物医学工程、信息检测与处理、嵌入式计算机及其应用。主持和参与了40多项国际合作、国家自然科学基金、省部委以及企业合作项目。发表论文700多篇,其中EI检索280多篇、SCI检索170多篇。获得国家发明专利100多项和已申请130多项。主编并出版教材和著作40余本。

生物医学工程学是在电子学、微电子学、现代计算机技术,化学、高分子化学、力学、近代物理学、光学、射线技术、精密机械和近代高技术发展的基础上,在与医学结合的条件下发展起来的。它的发展过程与世界高技术的发展密切相关,同时它采用了几乎所有的高技术成果,如航天技术,微电子技术等。随着社会工业和经济的发展,以及人类对自身认知和健康的追求,生物医学工程正以更专业、更迅速的姿态向我们走来。作为有30多年的该领域教学和科研经验的科技工作者,李刚教授也是“第一届中国测试学术影响力人物”获得者之一。因此,近期,因疫情影响,中国测试新闻中心以图文形式对李刚教授进行了相关问题采访。

中国测试新闻中心:1982年本科毕业,您参加了2年的计量工作后为什么选择重返校园?

李刚教授:

当时虽然在中央计量室工作,工作环境也很好,但做的都是事务性工作。那时,一台进口的大型工具显微镜发生了故障,经多方几番检查才发现问题所在,这件事,促使我的理想由当一个工程师转变成做“科学研究”,进一步提高自己。再加上,我对探索有浓郁的兴趣,热爱电子。

中国测试新闻中心:当时我国精密仪器领域的发展水平如何?为什么会选择这个方向作为自己一生的研究事业?

李刚教授:

整体而言,我国精密仪器发展落后很多,仅有极个别的工厂能够生产较简单的电动量仪(当时的称呼),大型、综合性的光机电计量仪器连名称都见不到,我国的工业基础确实很差,也很不容易。

在本科学习时,费业泰等老师经常教导我们:测量不出来的就做不出来。这句话看似普通但寓意深刻,说明测量与仪器在生产上的重要性。当时也并无远大理想,仅仅是想“学”,随着认知的提升,也越来越感觉这是值得一生追求的事业。

仪器的作用就是测量。门捷列夫说过:科学是从测量开始的。伟人马克思也说过:一门科学成熟的标志是数学的充分应用。我的理解是,除纯数学外,在任何一门科学上使用数学时,每个变量只能靠“测量”得到,不可能凭空捏造的。现代科学的起源是“测量”,现代工业、现代国防、现代运输……甚至是日常生活的方方面面都离不开测量。

其实,新的测量方法和一台体现新的测量原理仪器是最具“创新性”的,没有之一。

我从学习几何量测量到现在“人”的测量——生物医学信息检测与处理,阴差阳错地闯进了测量领域最好的方向——顶天立地,顶天:生命的奥秘是科学探索的终极目标;立地:治病救人是与人类同在的永恒事业。我提出的一句话:测量就是科学,测量就是诊断。试想一下,现在的医生没有仪器如何诊断病情?没有仪器如何完成手术?现在想起来,如果没有从事这一行,将会终身遗憾。

中国测试新闻中心:迄今为止,您获得专利近200项,累计发表或参与发表了710多篇学术论文,其中SCI检索论文200多篇,已经出版专著37本,取得众多科研成果。作为科研工作者,能分享一下您对“科学研究”的看法吗?

李刚教授:

概括说来,取得这些科研成果,一是基于我所研究的领域广阔,二是因为我的学生众多(已经毕业了40位博士和150多位硕士),加上对学生的严要求,所以成果较多,特别是发表的论文,主要归功于同学们的工作。

我一向热衷于科研工作,一旦有想法就努力去实践,每一个突破也都欣喜若狂。但这些又要受教师这个“职务”的影响,每个老师都希望研究生能够从科研中学到知识、得到训练,但要结合每个人自身的基础,因材施教的培养,从而有利于他们未来的发展,这样一来就有很大压力。说到“专著”,我确实乐在其中,但凡有若干想法,抑或教学上或科研上有体会就写上一本,不知不觉就写了这么一些“专著”,有的也再版快十次。

简而言之,做“科研”兴趣很重要,教学过程更多的是自豪,当学生能够掌握一定的真才实学,觉得所有的付出都值。

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医疗仪器是永恒的产业,近几十年来全世界发达国家和我国的医疗仪器产业以年均25%的速度增长,在美国年薪水平居所有行业之首。医疗仪器也是保障人民幸福的关键,是医疗卫生水平提高的主要内容。同时,《生物医学电子学》作为生命科学探索的基础研究手段,几乎覆盖了所有的应用电子学内容。本着“学以致用、讲究实效、实事求是”的教学宗旨,本课理论密切联系实际,综合运用各种手段和方式,达到“授之以渔”的目的。

中国测试新闻中心:人体组织的高光谱成像作为您处于先进水平的研究之一,能给读者简单介绍一下吗?

李刚教授:

我们看的电视、计算机屏幕和彩色照片,这是三个光谱成像,即常说的三原色(成)像。是指每个像素点是发出(或反射)三个强度不同比率波长的光,人眼看过去就是五彩缤纷的图像。但如果每个像素点发出(或反射、或透射)的波长数从几十到几千个,就形成高(多)光谱成像。通过光谱(成像)我们可以了解物质成分的含量、结构和状态,看过去是同样白色的盐、糖、雪花等,他们的发射光谱、反射光谱和透射光谱就完全不同。但同样的物质、同一种状态、同一种结构时,发出(或反射、或透射)的光谱又是完全一样,不会改变的,相当于每种物质,其状态与结构一定时,都有自己独特的光谱“身份证”。

其实,很多观察卫星、军事卫星、地球勘探卫星装备的都是高(多)光谱成像仪,在农作物估产、病虫害监测、地球资源探测、环境污染监测、军事侦察(如观察伪装下面的武器)等方面,应用极其广泛。

我们课题组研究的主要方向是基于高光谱成像的“乳腺肿瘤”快速筛查和基于动态光谱的动脉血液成分无创分析。

乳腺肿瘤是女性所有的肿瘤中患病率最高,死亡率排第五位。乳腺肿瘤有若干特点,一旦患病就发展迅速,但早期发现预后效果不错,几乎完全能够治愈,后遗症也很轻,但较晚发现死亡率就很高。如著名女演员陈晓旭、姚贝娜等,她们的痛苦和逝去在我的心头存在阴影。目前的技术也能做到早期发现,如CT、钼靶、核磁共振成像、正电子成像等,但这些技术也存在各自的一些问题,如放射线、需要注射显影剂、价格昂贵、费时太多,难以做到经常性检查。

多光谱图成像一旦实现就将成为的保护妇女的理想武器,上述现有诊断仪器和设备的弊端很少,还能极大的降低成本,原来几百至几千元的检测费用现在可以做到几乎免费,并且操作简单,在家花几分钟就可以完成。这种黑科技实际上是依靠现代光电技术、微电子技术、网络技术、云计算和人工智能共同完成。

血液成分分析是临床诊断最基本的依据之一,不仅在医院,在家庭糖尿病患者也需要经常进行检查,甚至做到每日数次。但实际上频次达不到这么多,这是由于现有的检测都是有创的——抽血或扎血!痛苦不说,极容易感染。

如何实现不抽血就能分析血液成分呢?不抽血如何能得到血液的吸收光谱呢?动态光谱提出了解决这两个似乎无法应对的一个方法。但从事测量的研究者们都知道:要测得的结果有意义、可靠、精度高,就需要知道这个测量(过程)存在哪些误差(因素和来源),我们又提出了“M+N”理论,为解决复杂测量提供了一个高效的理论和方法框架(有关动态光谱和“M+N”理论的论文最近均发表在APPLIED SPECTROSCOPY REVIEWS上)。

如同傻瓜相机和手机相机,使用者随手一拍就能得到高质量(不涉及艺术)的作品,随手一测就能得到血液成分,其背后所需的“技术含量”可想而知有多“高大上”,或者说技术要求“有多难”!

中国测试新闻中心:生物医学工程作为一门新兴的边缘学科,也涉及到众多其他学科的高技术成果,在您看来,我国目前生物医学工程的研究水平和发展趋势如何?

李刚教授:

准确地说,生物医学工程是一门综合性的前沿学科,是用工程手段解决医学诊疗问题和进行生命科学的探索。虽然像其他高科技产业一样,在总体水平与国际上最好水平还有差距,但我国的进步也越来越快,在个别领域也有领跑的水平,如重庆医科大学研究的高强度超声波治疗腹腔肿瘤的“超声刀(海扶刀)”,不到一小时就可以完成肿瘤的切除,不出血、不需要专门的手术室和消毒等术前准备,做完手术就可以走回家。

中国测试新闻中心:生物医学关系到人类健康,随着当代社会生活水平的提高,人们对健康越来越重视,这种现实需求催生了该领域哪些研究?现目前存在哪些问题?

李刚教授:

这种现实需求的表现形式主要是穿戴式装置、家庭健康物联网。主要包括两个方面的应用:

(1)早期诊断和慢病管理:早诊断早治疗避免到严重的后期再进行治疗。像“三高”慢病管理就需日常检测。

(2)促进健康和延年益寿:如运动管理、健康状态辨识,属于治未病和保持最佳健康状态的范畴。

这两个方面的共同问题是:

(1)生物医学信息检测:在医院给出比较严苛的条件下都难以测准,在家庭条件下就更困难,还有严重的经济制约。

(2)使用效益:由于这一类效益是长期使用才能有“效果”,很少有人能够获得这种“感觉”和收益。

(3)缺乏完善的支撑平台:由于这类设备和应用难以得到高精度的数据,人们也思考到在一定的精度下可以发挥这一类数据的“多维”(多种信息)和动态长期记录的优势,以及潜在的使用者这样一些“大数据”的优势。建立不了这样的平台,就无法使穿戴式装置和家庭健康物联网的使用者有获得感。

(4)建立上述平台需要很大的资源(人力、财力)及其持续地投入。从资本的角度而言,不具备投资价值;从政府的角度,也缺乏动力和能力。

中国测试新闻中心:先进医疗仪器在我国医院的普及情况如何?下一个研究突破口在哪里?

李刚教授:

目前几乎所有种类的先进医疗仪器我国都能够生产,而且中、低档的医疗仪器生产量很大,在全世界占据大部分产能,因此,先进医疗仪器在我国医院基本上普及。

有两点需要我们清楚地认识:

(1)诊断仪器“先进”的体现在早期、样本微量或者无创(或微创)、快速便捷、成本低廉等方面,这就要求越来越依靠基础科学,比如基础物理、基础化学、基础材料、基础生命科学等。先进的治疗仪器主要依靠高科技产业的支撑。

(2)由(1)的逻辑推理:研发先进的医疗仪器取决于大团队、大资金的持续积累。爱迪生的时代永远地结束了。

因此,理论上在诊断仪器和治疗仪器都存在突破的可能,但根据目前的情况,比较大的可能出现在基因和肿瘤早期诊断的仪器。

中国测试新闻中心:家庭健康物联网不仅满足人们对健康的需求,而且还是当下及未来智慧生活的体现,家庭健康物联网涉及到比较核心的技术原理是什么?

李刚教授:

其实物联网就是两个方面:一个是生物医学信息的传感,一个是“网”,这里的网不仅仅是数据的传输,更重要的是数据分析与存储。

手机一定会成为家庭健康物联网的主角!因手机具备天生的网络功能、人人宠爱和越来越强的“计算能力”。手机就是一个信息集散中心。本身配上或“外挂”各种传感器,将成为威力无比的“健康伴侣”,呵护着人们的健康。

我们团队的主要工作也基本上是围绕上述内容展开。


“第一届中国测试学术影响力人物”评选活动于2018年9月28日正式结束。中国测试技术研究院方正研究员、中国工程物理研究院高杨研究员、新疆计量测试研究院塔依尔·斯拉甫力教授、东南大学宋爱国教授、西安交通大学赵玉龙教授、天津大学李刚教授共6名专家获得“第一届中国测试学术影响力人物”奖。

“第一届中国测试学术影响力人物”评选活动自2018年8月1日开展以来,受到全国各地计量测试技术机构、科研院所、高等院校的广泛关注与支持。

活动共近百人参加,通过以学术论文、专著、专利、标准、规程规范、获奖情况、科研项目及社会效益等为指标对学术成果进行严格评议,结合大众网络评选(以有效票数为计),最终产生6名“第一届中国测试学术影响力人物”。他们秉持不断探索、科学严谨、精益求精的科研精神,在计量测试工作领域发挥着创新创造热情和模范带头作用,引导更多的计量测试工作者积极投身计量测试科学研究和创新型国家建设伟大实践。


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