【儀表網 儀表人物】李剛，天津大學精密儀器與光電子工程學院教授，博士生導師。研究領域：生物醫學工程、信息檢測與處理、嵌入式計算機及其應用。主持和參與了40多項合作、國家自然科學基金、省部委以及企業合作項目。發表論文700多篇，其中EI檢索280多篇、SCI檢索170多篇。獲得國家發明100多項和已申請130多項。主編并出版教材和著作40余本。
 

　　生物醫學工程學是在電子學、微電子學、現代計算機技術，化學、高分子化學、力學、近代物理學、光學、射線技術、精密機械和近代高技術發展的基礎上，在與醫學結合的條件下發展起來的。它的發展過程與世界高技術的發展密切相關，同時它采用了幾乎所有的高技術成果，如航天技術，微電子技術等。隨著社會工業和經濟的發展，以及人類對自身認知和健康的追求，生物醫學工程正以更專業、更迅速的姿態向我們走來。作為有30多年的該領域教學和科研經驗的科技工作者，李剛教授也是“第一屆中國測試學術影響力人物”獲得者之一。因此，近期，因疫情影響，中國測試新聞中心以圖文形式對李剛教授進行了相關問題采訪。
 

　　中國測試新聞中心：1982年本科畢業，您參加了2年的計量工作后為什么選擇重返校園？
 

　　李剛教授：
 

　　當時雖然在中央計量室工作，工作環境也很好，但做的都是事務性工作。那時，一臺進口的大型工具顯微鏡發生了故障，經多方幾番檢查才發現問題所在，這件事，促使我的理想由當一個工程師轉變成做“科學研究”，進一步提高自己。再加上，我對探索有濃郁的興趣，熱愛電子。
 

　　中國測試新聞中心：當時我國精密儀器領域的發展水平如何？為什么會選擇這個方向作為自己一生的研究事業？
 

　　李剛教授：
 

　　整體而言，我國精密儀器發展落后很多，僅有極個別的工廠能夠生產較簡單的電動量儀(當時的稱呼)，大型、綜合性的光機電計量儀器連名稱都見不到，我國的工業基礎確實很差，也很不容易。
 

　　在本科學習時，費業泰等老師經常教導我們：測量不出來的就做不出來。這句話看似普通但寓意深刻，說明測量與儀器在生產上的重要性。當時也并無遠大理想，僅僅是想“學”，隨著認知的提升，也越來越感覺這是值得一生追求的事業。
 

　　儀器的作用就是測量。門捷列夫說過：科學是從測量開始的。偉人也說過：一門科學成熟的標志是數學的充分應用。我的理解是，除純數學外，在任何一門科學上使用數學時，每個變量只能靠“測量”得到，不可能憑空捏造的。現代科學的起源是“測量”，現代工業、現代國防、現代運輸……甚至是日常生活的方方面面都離不開測量。
 

　　其實，新的測量方法和一臺體現新的測量原理儀器是具“創新性”的，沒有之一。
 

　　我從學習幾何量測量到現在“人”的測量——生物醫學信息檢測與處理，陰差陽錯地闖進了測量領域好的方向——頂天立地，頂天：生命的奧秘是科學探索的目標；立地：治病救人是與人類同在的永恒事業。我提出的一句話：測量就是科學，測量就是診斷。試想一下，現在的醫生沒有儀器如何診斷病情？沒有儀器如何完成手術？現在想起來，如果沒有從事這一行，將會終身遺憾。
 

　　中國測試新聞中心：迄今為止，您獲得近200項，累計發表或參與發表了710多篇學術論文，其中SCI檢索論文200多篇，已經出版專著37本，取得眾多科研成果。作為科研工作者，能分享一下您對“科學研究”的看法嗎？
 

　　李剛教授：
 

　　概括說來，取得這些科研成果，一是基于我所研究的領域廣闊，二是因為我的學生眾多(已經畢業了40位博士和150多位碩士)，加上對學生的嚴要求，所以成果較多，特別是發表的論文，主要歸功于同學們的工作。
 

　　我一向熱衷于科研工作，一旦有想法就努力去實踐，每一個突破也都欣喜若狂。但這些又要受教師這個“職務”的影響，每個老師都希望研究生能夠從科研中學到知識、得到訓練，但要結合每個人自身的基礎，因材施教的培養，從而有利于他們未來的發展，這樣一來就有很大壓力。說到“專著”，我確實樂在其中，但凡有若干想法，抑或教學上或科研上有體會就寫上一本，不知不覺就寫了這么一些“專著”，有的也再版快十次。
 

　　簡而言之，做“科研”興趣很重要，教學過程更多的是自豪，當學生能夠掌握一定的真才實學，覺得所有的付出都值。
 

　　《生物醫學電子學》免費在線課程
 

 

《生物醫學電子學》是由李剛教授作為學術總策劃執導的智慧樹免費在線課程。
 

　　醫療儀器是永恒的產業，近幾十年來發達國家和我國的醫療儀器產業以年均25%的速度增長，在美國年薪水平居所有行業。醫療儀器也是保障人民幸福的關鍵，是醫療衛生水平提高的主要內容。同時，《生物醫學電子學》作為生命科學探索的基礎研究手段，幾乎覆蓋了所有的應用電子學內容。本著“學以致用、講究實效、實事求是”的教學宗旨，本課理論密切聯系實際，綜合運用各種手段和方式，達到“授之以漁”的目的。
 

　　中國測試新聞中心：人體組織的高光譜成像作為您處于先進水平的研究之一，能給讀者簡單介紹一下嗎？
 

　　李剛教授：
 

　　我們看的電視、計算機屏幕和彩色照片，這是三個光譜成像，即常說的三原色(成)像。是指每個像素點是發出(或反射)三個強度不同比率波長的光，人眼看過去就是五彩繽紛的圖像。但如果每個像素點發出(或反射、或透射)的波長數從幾十到幾千個，就形成高(多)光譜成像。通過光譜(成像)我們可以了解物質成分的含量、結構和狀態，看過去是同樣白色的鹽、糖、雪花等，他們的發射光譜、反射光譜和透射光譜就完全不同。但同樣的物質、同一種狀態、同一種結構時，發出(或反射、或透射)的光譜又是完全一樣，不會改變的，相當于每種物質，其狀態與結構一定時，都有自己獨特的光譜
 

　　其實，很多觀察衛星、軍事衛星、地球勘探衛星裝備的都是高(多)光譜成像儀，在農作物估產、病蟲害監測、地球資源探測、環境污染監測、軍事偵察(如觀察下面的等方面，應用極其廣泛。
 

　　我們課題組研究的主要方向是基于高光譜成像的“乳腺腫瘤”快速篩查和基于動態光譜的動脈血液成分無創分析。
 

 

　　乳腺腫瘤是女性所有的腫瘤中患病率高，死亡率排第五位。乳腺腫瘤有若干特點，一旦患病就發展迅速，但早期發現預后效果不錯，幾乎完全能夠治愈，后遺癥也很輕，但較晚發現死亡率就很高。如著名女演員陳曉旭、姚貝娜等，她們的痛苦和逝去在我的心頭存在陰影。目前的技術也能做到早期發現，如CT、鉬靶、核磁共振成像、正電子成像等，但這些技術也存在各自的一些問題，如放射線、需要注射顯影劑、價格昂貴、費時太多，難以做到經常性檢查。
 

　　多光譜圖成像一旦實現就將成為的保護婦女的理想，上述現有診斷儀器和設備的弊端很少，還能極大的降低成本，原來幾百至幾千元的檢測費用現在可以做到幾乎免費，并且操作簡單，在家花幾分鐘就可以完成。這種黑科技實際上是依靠現代光電技術、微電子技術、網絡技術、云計算和人工智能共同完成。
 

　　血液成分分析是臨床診斷基本的依據之一，不僅在醫院，在家庭糖尿病患者也需要經常進行檢查，甚至做到每日數次。但實際上頻次達不到這么多，這是由于現有的檢測都是有創的——抽血或扎血！痛苦不說，極容易感染。
 

　　如何實現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譜呢？動態光譜提出了解決這兩個似乎無法應對的一個方法。但從事測量的研究者們都知道：要測得的結果有意義、可靠、精度高，就需要知道這個測量(過程)存在哪些誤差(因素和來源)，我們又提出了“M+N”理論，為解決復雜測量提供了一個高效的理論和方法框架(有關動態光譜和“M+N”理論的論文近均發表在APPLIED SPECTROSCOPY REVIEWS上)。
 

　　如同傻瓜相機和手機相機，使用者隨手一拍就能得到高質量(不涉及藝術)的作品，隨手一測就能得到血液成分，其背后所需的“技術含量”可想而知有多“高大上”，或者說技術要求“有多難”！
 

　　中國測試新聞中心：生物醫學工程作為一門新興的邊緣學科，也涉及到眾多其他學科的高技術成果，在您看來，我國目前生物醫學工程的研究水平和發展趨勢如何？
 

　　李剛教授：
 

　　準確地說，生物醫學工程是一門綜合性的前沿學科，是用工程手段解決醫學診療問題和進行生命科學的探索。雖然像其他高科技產業一樣，在總體水平與上好水平還有差距，但我國的進步也越來越快，在個別領域也有的水平，如重慶醫科大學研究的高強度超聲波治療腹腔腫瘤的“超聲刀(海扶刀)”，不到一小時就可以完成腫瘤的切除，不出血、不需要專門的手術室和消毒等術前準備，做完手術就可以走回家。
 

　　中國測試新聞中心：生物醫學關系到人類健康，隨著當代社會生活水平的提高，人們對健康越來越重視，這種現實需求催生了該領域哪些研究？現目前存在哪些問題？
 

　　李剛教授：
 

　　這種現實需求的表現形式主要是穿戴式裝置、家庭健康物聯網。主要包括兩個方面的應用：
 

　　(1)早期診斷和慢病管理：早診斷早治療避免到嚴重的后期再進行治療。像“三高”慢病管理就需日常檢測。
 

　　(2)促進健康和延年益壽：如運動管理、健康狀態辨識，屬于治未病和保持健康狀態的范疇。
 

 

這兩個方面的共同問題是：
 

　　(1)生物醫學信息檢測：在醫院給出比較嚴苛的條件下都難以測準，在家庭條件下就更困難，還有嚴重的經濟制約。
 

　　(2)使用效益：由于這一類效益是長期使用才能有“效果”，很少有人能夠獲得這種“感覺”和收益。
 

　　(3)缺乏完善的支撐平臺：由于這類設備和應用難以得到高精度的數據，人們也思考到在一定的精度下可以發揮這一類數據的“多維”(多種信息)和動態長期記錄的優勢，以及潛在的使用者這樣一些“大數據”的優勢。建立不了這樣的平臺，就無法使穿戴式裝置和家庭健康物聯網的使用者有獲得感。
 

　　(4)建立上述平臺需要很大的資源(人力、財力)及其持續地投入。從資本的角度而言，不具備投資價值；從政府的角度，也缺乏動力和能力。
 

　　中國測試新聞中心：先進醫療儀器在我國醫院的普及情況如何？下一個研究突破口在哪里？
 

　　李剛教授：
 

　　目前幾乎所有種類的先進醫療儀器我國都能夠生產，而且中、低檔的醫療儀器生產量很大，在占據大部分產能，因此，先進醫療儀器在我國醫院基本上普及。
 

　　有兩點需要我們清楚地認識：
 

　　(1)診斷儀器“先進”的體現在早期、樣本微量或者無創(或微創)、快速便捷、成本低廉等方面，這就要求越來越依靠基礎科學，比如基礎物理、基礎化學、基礎材料、基礎生命科學等。先進的治療儀器主要依靠高科技產業的支撐。
 

　　(2)由(1)的邏輯推理：研發先進的醫療儀器取決于大團隊、大資金的持續積累。愛迪生的時代永遠地結束了。
 

　　因此，理論上在診斷儀器和治療儀器都存在突破的可能，但根據目前的情況，比較大的可能出現在基因和腫瘤早期診斷的儀器。
 

　　中國測試新聞中心：家庭健康物聯網不僅滿足人們對健康的需求，而且還是當下及未來智慧生活的體現，家庭健康物聯網涉及到比較核心的技術原理是什么？
 

　　李剛教授：
 

　　其實物聯網就是兩個方面：一個是生物醫學信息的傳感，一個是“網”，這里的網不僅僅是數據的傳輸，更重要的是數據分析與存儲。
 

 

　　手機一定會成為家庭健康物聯網的主角！因手機具備天生的網絡功能、人人寵愛和越來越強的“計算能力”。手機就是一個信息集散中心。本身配上或“外掛”各種傳感器，將成為威力無比的“健康伴侶”，呵護著人們的健康。
 

　　我們團隊的主要工作也基本上是圍繞上述內容展開。
 

　　“第一屆中國測試學術影響力人物”評選活動于2018年9月28日正式結束。中國測試技術研究院方正研究員、中國工程物理研究院高楊研究員、新疆計量測試研究院塔依爾·斯拉甫力教授、東南大學宋愛國教授、西安交通大學趙玉龍教授、天津大學李剛教授共6名專家獲得“第一屆中國測試學術影響力人物”獎。
 

　　“第一屆中國測試學術影響力人物”評選活動自2018年8月1日開展以來，受到全國各地計量測試技術機構、科研院所、高等院校的廣泛關注與支持。
 

　　活動共近百人參加，通過以學術論文、專著、、標準、規程規范、獲獎情況、科研項目及社會效益等為指標對學術成果進行嚴格評議，結合大眾網絡評選(以有效票數為計)，終產生6名“第一屆中國測試學術影響力人物”。他們秉持不斷探索、科學嚴謹、精益求精的科研精神，在計量測試工作領域發揮著創新創造熱情和模范帶頭作用，引導更多的計量測試工作者積極投身計量測試科學研究和創新型國家建設偉大實踐。
 

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