【X-Doctor】2024，iCANX推出X-Doctor专栏，聚焦iCANX上独辟蹊径用科技创新改变世界的科学家和他们的科学发现，每期揭秘一位科学家和他/她的探索之路，独家报道、干货满满。欢迎大家一同感受科学的魅力，见证这些创新的力量。

第一期，X-Doctor将带你走进杜克大学姚俊杰博士开创的光影新天地。

在杜克大学的生物医学工程系，姚俊杰博士凭借其独特的专业知识和创新精神而声名鹊起。作为一名青年科学家，他在光声层析成像（PAT）技术方面的研究不仅推动了该领域的边界，也为全球科学界带来了重大影响。PAT技术是一种结合光学和声学的成像方法，被广泛应用于功能性脑成像和早期癌症诊断及治疗[1]。

姚博士不仅是生物医学工程的副教授，还是神经学的副教授。他同时也是杜克大学脑科学研究所的成员以及杜克大学癌症研究所的成员，这些多重身份显示了他跨学科合作的广度和深度 [2]。

姚博士的早年生涯充满了对科学的好奇和对工程与生物学结合的潜在健康应用的兴趣。这种对科学的热爱始于他的童年，延续到他的学术生涯。姚博士在华盛顿大学圣路易斯分校师从美国工程院院士汪立宏教授。完成他的博士学位后，姚博士在生物医学工程领域取得了卓越的成就，特别是在他加入杜克大学后，他的研究工作继续聚焦于光声层析成像（PAT）技术 [3] 。

他的研究兴趣包括开发新的PAT技术和将这些技术转化为诊断和治疗应用，特别是在功能性脑成像和早期癌症诊断方面。PAT技术因其高灵敏度和在多种空间尺度上成像丰富的光学吸收对比，而被认为是最敏感的成像方式之一。这项技术能够提供从细胞器、细胞、组织、器官到小型动物和人类的高分辨率图像，揭示组织的解剖、功能、代谢和甚至组织学特性，并具有分子和神经元特异性 [1]。

姚博士的团队PI-Lab，正致力于开发具有新颖和先进成像性能的PAT技术。这些技术在空间分辨率、成像速度、穿透深度、检测灵敏度和功能性方面均有突破。姚博士对PAT技术创新的所有方面都充满兴趣，包括高效的光照明、高灵敏度的超声检测、超分辨率PAT、高速成像采集、新型光遗传对比和精确的图像重建 [1]。

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iCANX演讲：基本原理，技术特点

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2023年12月8日北京时间晚8点，姚俊杰在iCANX上和北卡罗来纳大学的Matthew Ryen Lockett、女王大学的Bhavin J. Shastri等三位青年科学家共同完成了iCANX Talks 第173期。

在此次分享中，他主要介绍了光声层析成像（PAT）及其在生物医学研究中的应用。演讲从多个角度详细阐述了光声成像的基本原理、技术特点、应用场景以及未来发展的可能性。

光声成像的基本原理与技术特点

1.原理概述：光声成像是一种利用光和声波的特性进行成像的技术。它将光子（光）转换成声波（声），再通过检测声波信号来重建图像。该技术结合了光学成像的高对比度和超声成像的深层穿透能力。

2.工作过程：光声成像过程包括光子被生物组织吸收，激发电子从基态到激发态，然后在返回基态时，能量转换为热效应。这种热效应导致局部温度上升，产生热弹性效应，从而产生可检测的声波（超声信号）。

3.技术特点：光声成像兼具光学成像的优异对比度和超声成像的深层组织穿透能力。它能提供功能性和分子层面的成像信息，具有较高的空间分辨率。

应用场景与研究方向

1.生物分子成像：光声成像能够检测生物组织中自然吸收光的分子，如血红蛋白和黑色素。它还可以用于研究细胞、组织和器官的功能状态和生物过程。

2.临床应用：光声成像在肿瘤检测、心血管疾病评估和皮肤病变诊断中具有潜在应用价值。例如，它可以用于评估肿瘤的血管分布和氧合状态。

3.演讲中提到了一些创新的研究方向，如利用光声成像研究酒精对胎儿发育的影响、探索动物模型中的透明性变化等。

最后，在演讲中，姚博士提到了光声成像技术的未来发展方向，特别是在提高成像深度和灵敏度方面的进展。他们探讨了使用新型探测材料来增强光声成像技术的效果，这些材料可能使光声成像能够更深入地探测到组织内部，提供更高的成像质量和分辨率。这样的发展将极大地拓宽光声成像在医学研究和临床应用中的潜力，尤其是在对深层组织的成像和治疗方面。

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PAT技术的主要应用

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通过这些技术的发展，姚博士和他的团队正努力服务于广泛的生命科学和医学界，并为各种研究和临床需求提供匹配的PAT系统。由于其独特的对比机制、高可扩展性和固有的功能性及分子成像能力，PAT技术在多种临床前应用中非常适用，尤其是在研究肿瘤血管生成、癌症缺氧和脑疾病方面；同时，它也是癌症筛查、黑色素瘤分期和内窥镜检查等临床程序中的有前途的工具 [1]。

1.临床应用：PAT技术在临床应用方面显示出巨大的潜力。例如，在肿瘤学领域，这项技术可用于肿瘤的早期诊断和治疗监测，特别是在研究肿瘤血管生成和癌症缺氧方面。姚博士的研究可能促进了抗血管生成药物的研制和肿瘤治疗机制的研究 [4]。

如图是异型移植肿瘤的小鼠体内肿瘤血管系统成像，可以清晰的看出血管直径的变化，血管扭曲，潜在的血流库，血管分流等。

2.脑成像：在脑功能成像方面，姚博士的工作有助于提供关于脑血氧动态变化的信息，这对于理解脑功能和研究神经病理学至关重要。PAT技术能够提供关于氧化型和还原型血红蛋白的分布特性，从而提供更加完整的脑部血氧含量水平的分布图像 [4] 。

姚博士应用光声成像技术清晰地探测到活体小鼠脑血管的分布及颅内小脑、海马、侧室等结构, 并得到了脑实质病损的得到了清晰成像; 同时还通过刺激老鼠得到了该大脑皮层中枢的脑血管血流动力学改变的图像。上图所示即为中风后老鼠大脑受损区域血氧饱和度的改变。

3.技术突破：姚博士的研究涉及了利用内部光传输来克服传统PAT成像的穿透极限，实现了临床相关深度超过10厘米的深部器官成像。此外，他们的创新技术在加快高分辨率PAT成像速度方面取得了显著进步，使得监测高动态生物过程成为可能 。姚博士的团队利用高速PAT首次发现了玻璃蛙通过隐藏其红细胞来实现透明的新机制， 如下图所示。

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深度探索：研究成就与价值观

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姚博士的研究成就不仅局限于学术论文和专业会议上的发表。他对科学的热情体现在对技术革新的不懈追求和对社会健康的深切关怀上。姚博士深信，将工程和医学相结合可以带来革命性的变革，特别是在疾病诊断和治疗方面。这种信念促使他不断探索和发展光声层析成像技术，以期望能为早期癌症诊断和脑功能研究提供更精确、更安全的方法 [1] 。

在姚博士的领导下，PI-Lab致力于开发和优化PAT技术。该实验室的研究覆盖了从高效光照明到高灵敏度超声检测的各个方面，旨在提高成像速度、穿透深度和功能性。这些技术的进步为医学诊断和治疗提供了新的视角，尤其是在肿瘤血管生成和脑疾病的研究中[1] 。

姚博士的价值观不仅体现在他对科学的贡献上，还体现在他对教育的投入上。作为一名教授，他教授了多门课程，包括“现代诊断成像系统”、“生物医学工程项目”和“深层组织光学”等。通过这些课程，他不仅传授知识，更激发学生们对科学探索的热情和创新思维[1] 。

此外，姚博士的工作也得到了国家科学基金会的认可，他荣获了IEEE 和NSF 早期职业发展奖（CAREER Award）。这项奖项为他提供了资金支持，用于发展新的光声成像技术，以可视化大脑如何消耗氧气。这一研究对于理解大脑功能和神经疾病具有重要意义[5]。

姚博士获得2019 IEEE Photonics Young Investigator Award.

姚博士的工作不仅对科学领域产生了显著影响，也对社会产生了深远影响。他的研究成果在提高医疗诊断的精确度和安全性方面具有重要价值，尤其是在诸如癌症和脑功能障碍等重大健康问题的早期诊断和治疗中。

通过他的工作，姚博士也成为了生物医学工程和神经学领域的一位杰出代表。他的跨学科研究方法不仅拓宽了科学研究的视野，也为未来的科学家和工程师树立了榜样，展示了如何通过创新技术解决复杂的医学问题。

在杜克大学和更广泛的科学界，姚博士被认为是一位热情的研究者和灵感的源泉。他的工作不仅展示了科学研究的力量，也强调了科学家在推动社会进步中的关键作用。通过他的努力，他不仅推动了技术的发展，还激励了下一代科学家追求创新和卓越。

姚博士的工作在科学和社会两个层面上都产生了深远的影响。他的成就不仅在于他在光声成像领域的技术创新，还在于他对教育的贡献、对学生的激励以及他对社会健康的深切关怀。通过他的工作，我们可以看到科学和技术如何转化为社会的实际利益，为人类的健康和福祉做出重大贡献。

姚博士在社区高中普及科学知识

参考资料：

1.https://bme.duke.edu/faculty/junjie-yao 

2.https://neurology.duke.edu/profile/junjie-yao

3.https://neurology.duke.edu/news/faculty-spotlight-junjie-yao-phd

4.https://oncol.dxy.cn/article/12809

5.https://pratt.duke.edu/about/news/yao-receives-nsf-career-award-monitor-brain-using-photoacoustic-imaging  

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