光电论坛第一期
口述历史：光电工程与生物医学的整合
主讲：布立顿-强斯博士(Dr. Britton Chance)
时间：2008年4月7日下午4：00－5：30
报告人简介：布立顿•强斯博士(Dr. Britton Chance)生于1913年。1940年获美国宾夕法尼亚大学物理化学博士，1943年获剑桥大学生物学和生理学博士。他现任宾夕法尼亚大学教授，瑞典皇家科学院院士、美国国家科学院院士、英国皇家学会外籍院士和美国哲学学会会员。从17岁获得第一项美国专利开始，他发表了4000多篇论文或专著，被引用超过万次，被誉为20世纪最多产的科学家之一。
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| 今天很高兴能应骆清铭教授的盛情邀请来到这里给大家作报告。我自小就喜欢航海，但是在17岁那年，我厌倦了在航行过程中持续不断的掌舵过程，于是我的父亲就建议我发明一种船舶自动掌舵装置，用电子机器来替代人的双手的操作。为此我发明了一种装置――将光电子器件整合到传统的磁性罗盘上。我们都知道罗盘是中国的伟大发明，罗盘可以用来指示方向。我在罗盘上加上一个反射镜、一个棱镜和两个光探测单元，这样光束反射的位置信号就能反馈船体的方向信息，从而自动启动机器来控制船体的方向。这个发明是我在光电子领域最初步的尝试，并在19岁时用这项装置申请了我的第一项专利。 今天我想介绍的是电子学科的历史，创新和发展。电子学兴起于1931年，我可能是首次将电子技术应用到生物细胞与组织研究中的人，在此以后，总有一种强烈的情感驱使我在医学领域做出一点成果。1942年，我很荣幸地和300名杰出的青年科学家一起投身于雷达的研究中。后来，我还参与了电子计算机的研究，它的强大运算能力可以用来研究复杂的生物组织。那时困扰我很久的一个生物问题是酶是如何工作的。酶在人体里无处不在，并时刻发挥它的作用。了解酶的工作过程就需要求解酶作用动力学方程，众所周知这个方程是非线性的微分方程，在当时是很难求解的，但是用我们学校研制的电子计算机可以求解它。最早的电子计算机体积非常庞大，运用这个庞大的机器来求解这个非线性酶作用动力学微分方程是我人生中难忘的一段经历。 我在MIT从事了雷达的研制工作。1941年，我与Purcell、Pound、Ramsay、 Schwinger等几名物理学家一起加入了MIT辐射实验室，研究计划是如何击落德国的轰炸机，其中我负责设计了一个时间测量装置，并成功应用于防空雷达装置，用来计算和追踪飞行物的精确位置，从而击落它。此外，雷达还可以应用于飞机导航，机场对飞机的调度系统中。雷达中电路装置的开发也促进了数字电子计算机的发展。由于雷达的成功应用，我的好朋友艾森豪威尔总统邀请我到白宫加入总统科学顾问委员会。 对生物科学我一直抱有浓厚的兴趣，在二战以前我就参与了酶-底物络合物的研究。在剑桥大学攻读生物学与生理学博士期间，我与导师Glenn Millikan一起发明了一种新的停-流装置来鉴定并跟踪酶动力学过程，此外还采用计算机拟合方法来验证这种酶-底物络合物的动力学过程。二战结束后，我跟随诺贝尔奖获得者Hugo Theorell一起继续从事酶-底物络合物的研究。我们率先采用双束光谱的方法发现了酶-底物络合物不稳定构象的光谱变化，并定量测定了线粒体氧化磷酸化过程中呼吸链相关酶的活性与动态变化。我在光合反应中心与Don DeVault教授的合作研究中进一步发现线粒体呼吸链上的电子传递是一个很快速的过程，可能与电子隧穿机制有关，并且这种电子隧穿效应不受温度（如低温）的影响。 活体研究人体组织功能状态具有重要的意义，这也是我现在从事的主要研究领域。人体组织（如脑，肌肉等）中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的变化可以反映组织的功能活动和代谢信息。我们采用800nm左右的近红外三波长光谱成像技术来监测组织内血容量和血氧饱和度的变化。肿瘤组织相对于正常组织会募集更多的血流供应以及产生更高的代谢消耗。运用无损的光谱成像技术实现乳房肿瘤的早期诊断具有安全，快速，经济等优势。在思考时，我们的大脑处于活动状态，也会消耗更多的血氧供应。基于同样的原理，我们开发了近红外光谱脑功能成像器来研究不同任务下大脑前额叶部位的功能活动模式。比如，我们研究了不同难度的学习任务下前额叶脑区的兴奋模式，比较了不同语言（乌尔都语和英语）在不同脑区的处理机制。这个装置还可以进行测谎实验，测试对象在说真话和谎话的过程中前额叶区域激活的模式有明显差别，这是因为在说谎话时人要承受更多的压力以及增加一个编绘谎话的思考过程。在不久后，这种基于光电子器件的脑功能成像器将会更加小型化，远程化以及可佩带化，也可能会广泛应用于浅表皮肤下肿瘤的早期诊断，脑外伤、中风、小儿癫痫等神经系统疾病的诊断以及教育领域中。未来微光电子领域的发展将会为开发个人袖珍监护装置以及人体内组织功能诊疗装置提供良好的基础和光明的前景。 报告结束后与会听众提出了以下一些问题：光学成像方法在肿瘤诊断中的优势是什么；内窥镜技术在光学成像中的应用前景如何；温度因素对线粒体功能的影响；近红外光谱技术如何测量人体温度分布的变化；太赫兹技术是否能应用于远程脑成像器中；光学成像信号是否拥有足够的分辨率可使之应用于脑机接口领域；脑血流动力学过程成像光源的波长选择原则等。Britton Chance博士对以上问题一一进行了细致地回答和讲解，会场气氛非常热烈。
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