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復(fù)旦大學(xué)江雪:以聲為器,探索交叉領(lǐng)域的疆界


  來源: 復(fù)旦青年 時間:2023-10-07 編輯:儀器儀表WXF
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回顧自己多年的科研路,江雪覺得正反饋起了很大的推動作用。一步一步摸索走向科研,就像是徒手推動靜止的輪子,一開始需要花費很大的力氣,而一旦輪子開始轉(zhuǎn)動,只要用比較小的力,就能讓它越轉(zhuǎn)越快。


音樂廳中回蕩的美妙樂聲、孕檢B超圖顯示的小生命、深海探測與通信……人類的生產(chǎn)生活中,處處存在利用聲波的案例。


超聲波承載的信息與能量是聲學(xué)在醫(yī)學(xué)的應(yīng)用中“一個最好的突破點”。由于B超影像分辨率較低,一些疾病的早期癥狀在影像中表現(xiàn)并不顯著。倘若從物理學(xué)角度,利用聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)等技術(shù)提高超聲成像精度,就能為盡早發(fā)現(xiàn)異常增添一份可能。


針對醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的需求,復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授江雪用聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)對聲波進行精準(zhǔn)調(diào)控,實現(xiàn)了三維空間任意位置的精準(zhǔn)聚焦。她作為第一作者提出了三維亞波長分辨率超聲成像,實現(xiàn)了亞波長(0.58波長)分辨率,達到了納米量級。


作為聲學(xué)領(lǐng)域的研究者,江雪以聲為器,從物理學(xué)角度持續(xù)提出創(chuàng)新方案。


▲江雪在實驗室開展工作/圖源:江雪


讓一只螞蟻絆倒大象


聲波被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域,以超聲成像為例,因其安全無輻射、靈活度高、性價比高等特點,在常規(guī)體檢中被廣泛用于腹部臟器的檢查。然而,現(xiàn)有的絕大部分醫(yī)學(xué)器件都是以自然材料為基石設(shè)計的,受材料物理屬性的限制,超聲波在衍射成像過程中存在一個難以突破的衍射極限,影響了成像的精度,分辨率低成為無法忽略的硬傷。


成像清晰度在很多疾病的診斷中都起著關(guān)鍵作用。一些不太明顯的疾病表征,如瘤體直徑小于1厘米的微小肝癌,若僅采用B超檢查,很可能無法被檢測出來。B超漏診之后,普通體檢中的其他步驟很難將患者篩查出來,對小腫瘤更敏感的CT檢查便極易被略過。


因此,在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域,追求更高的空間分辨率一直是醫(yī)學(xué)超聲的研究重點。在實現(xiàn)高分辨率成像方面,聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)是從物理聲學(xué)領(lǐng)域跨界而來的“破局者”,它能夠突破自然材料的限制,幫助獲取超聲波在傳播過程中衰減的信息。


“這種物理屬性的突破不是從原子或分子尺度上構(gòu)造材料?!苯┙忉?,“而是通過結(jié)構(gòu)上的特殊設(shè)計,更精準(zhǔn)地控制聲波?!?


利用聲學(xué)人工結(jié)構(gòu),江雪及合作者實現(xiàn)了三維亞波長分辨率超聲成像。他們在傳統(tǒng)超聲超構(gòu)透鏡的基礎(chǔ)上人工構(gòu)造了一種超聲透鏡,使其具有寬頻、精準(zhǔn)、體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點,從而達到了三維空間任意位置的精準(zhǔn)聚焦。


在對聲波的控制與引導(dǎo)中,相比由自然材料構(gòu)成的聲學(xué)器件,聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)體積更小,性能更好,“就像一只螞蟻將大象絆倒”。在保證對聲波調(diào)控效果相同的前提下,利用聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)研發(fā)器件后,原本數(shù)十米的龐大自然材料器件就能夠被縮減到幾厘米甚至更小。體積上的縮小,極大提高了儀器在實際應(yīng)用場景中的靈活度。


“這項開創(chuàng)性的工作為超聲超材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用樹立了一個重要的里程碑?!蹦暇┐髮W(xué)聲學(xué)研究所教授程建春在同期評論文章中評價。


江雪以聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)為手段,攻克了醫(yī)學(xué)超聲和水下通信等國家重大領(lǐng)域與聲學(xué)的技術(shù)難點,在學(xué)科交叉領(lǐng)域持續(xù)探索。正是因為這些成果,江雪在31歲時入選2022“上海科技青年35人引領(lǐng)計劃”,在更廣闊的平臺上用創(chuàng)新素養(yǎng)繼續(xù)探索世界科技的前沿。


轉(zhuǎn)動科研的飛輪


回顧自己多年的科研路,江雪覺得正反饋起了很大的推動作用。一步一步摸索走向科研,就像是徒手推動靜止的輪子,一開始需要花費很大的力氣,而一旦輪子開始轉(zhuǎn)動,只要用比較小的力,就能讓它越轉(zhuǎn)越快。


起初,江雪只是覺得聲學(xué)很特別,“它既是一門科學(xué),又可以非常人文、非常藝術(shù),比如可以與音樂聲學(xué)、建筑設(shè)計等相關(guān)學(xué)科密切交織?!薄@是江雪在大二專業(yè)分流時對聲學(xué)的初印象。


作為一門與其他領(lǐng)域廣泛交叉的學(xué)科,物理聲學(xué)帶來了很多選擇與不確定。江雪坦言,與很多同學(xué)一樣,自己在本科階段的關(guān)鍵詞更多時候是迷茫,并不知道未來將去向何方。


大二下學(xué)期,江雪參加了南京大學(xué)為本科生開設(shè)的科創(chuàng)項目,第一次接觸到物理聲學(xué)領(lǐng)域的科研工作,并因此與科研結(jié)緣。在聲學(xué)實驗室里,她接受科學(xué)素養(yǎng)的培訓(xùn),鍛煉了科研能力,“更重要的是擴充了視野,覺得更有信心了”。


更大的鼓舞發(fā)生在大四,江雪作為第一作者發(fā)表的論文被刊登在SCI(Scientific Citation Index)索引收錄的期刊。這篇SCI論文的發(fā)表不僅是江雪個人的第一次,也是當(dāng)時南京大學(xué)物理學(xué)專業(yè)兩三百名本科生中的第一次,于她而言,是“比較重要的一個激勵”。


在那篇文章中,江雪設(shè)計并實驗了世界上首個聲場旋轉(zhuǎn)器。這一特殊的聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)能將在其中的聲波波陣面旋轉(zhuǎn)一個特定的角度,被美國物理聯(lián)合會(AIP)專文評價為“可幫助提高醫(yī)學(xué)超聲成像質(zhì)量,提升超聲器件的對比度并提高受損組織的成像質(zhì)量”。


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