现代医学一定程度上是西方医学，欧美在医疗设备的研发和产业化方面确实较为发达。而前沿科技研发往往来自高校院所医工交叉合作，因此思宇医械全球实验室系列帮助大家了解，全球领先的实验室在研究什么。那是医疗科技不远的未来。

 

约翰斯霍普金斯大学计算机感知和机器人实验室

JHU. LCSR

 

基本介绍

 

约翰斯霍普金斯大学Johns Hopkins University是美国第一所研究型大学，美国国家科学基金会连续33年将该校列为全美科研经费开支最高的大学。JHU有29名诺贝尔奖获得者，目前在校任教的有4位，包括分子生物学家Peter Agre和Carol Greider，遗传学家Gregg Semenza和天体物理学家Adam Riess。JHU有全美顶尖医院，疫情期间美国数据就来自这里，可以看思宇医械前期报道。

 

连续三十年入选全美顶级医院名单！约翰斯霍普金斯医院到底有多牛？

 

计算机感知和机器人实验室LCSR（The Laboratory for Computational Sensing and Robotics）由来自怀廷工学院（WSE）、约翰霍普金斯大学医学院（SOM）、应用物理实验室（APL），肯尼迪克里格研究所、彭博公共卫生学院、克里格艺术与科学学院的研究人员组成，是医疗机器人、自主系统和生物传感领域的国际领导者，是世界上规模最大、技术最先进的机器人研究中心之一。

 

LCSR目前从事许多研究领域，包括：

 

机器人和计算机辅助外科手术

 

极端环境中的机器人技术

 

感知和认知系统

 

建模、动态、导航和控制

 

人机协作系统

 

生物机器人

 

今年报道的机器人独立完成腹腔镜手术，就来自LCSR的成果。

 

首例机器人独立完成腹腔镜手术，自动化时代的曙光

 

LCSR历程：

 

约翰霍普金斯大学机器人研究可以追溯到20世纪60年代初（机器人技术作为一门工程学科领域，始于第二次世界大战中用于操纵放射性材料的远程操作系统）。

 

当时约翰霍普金斯大学应用物理实验室（JHU APL）的研究人员开发了约翰霍普金斯野兽，这是一种轮式移动机器人，可以导航走廊并自动定位并连接到墙壁插座，以自动为其电池充电。

 

怀廷工学院（WSE）的机器人研究始于1990年代中期，1992年Gregory Chirikjian，1995年Louis Whitcomb和Russell Taylor的到来推动了机器人发展。随后，1998年NSF计算机集成手术系统与技术工程研究中心（CISST ERC）的成立推动了机器人项目的显著增长，重点是医疗机器人。

 

计算传感和机器人实验室（LCSR）成立于2007年，旨在为机器人研究的广泛跨学科项目提供基础设施。约翰霍普金斯大学被广泛认为是世界上顶级机器人研究机构之一，在医疗机器人领域排名第一。

 

LCSR的医疗机器人研究方向盘点（实验室名称和负责人）：

 

1. 计算机集成手术系统（CIIS）实验室 – Russell Taylor

 

Russell Taylor教授是计算机集成介入系统（CIIS）实验室的负责人。该实验室的存在是为了开发集成新型计算机和人机界面技术的手术系统，这些技术将彻底改变外科手术程序，扩展外科医生的能力，以更低的成本实现更好的结果。最近的一些研究项目包括机器人辅助显微外科（稳定手眼机器人），手术控制和计划，蛇形机器人，可变形人体解剖模型，智能手术器械，放射肿瘤学治疗计划优化，图像叠加，腹腔镜辅助机器人系统，机器人辅助超声波和MRI兼容机器人。

 

2. 光声和超声波系统工程（PULSE）实验室 – Muyinatu Bell

 

PULSE实验室整合了光、声波和机器人，以开发创新的生物医学成像系统，同时解决未满足的临床需求并改善患者护理。重点是诊断和手术超声和光声技术，应用于神经外科癌症检测和治疗以及女性健康。

 

3.医学超声成像和干预协作（MUSiiC） - Emad Boctor

 

MUSiiC研究实验室为医疗应用开发创新的超声技术，从前列腺癌和乳腺癌治疗到肝脏消融和近距离放射治疗等。 

 

4.触觉和医疗机器人实验室（HAMR） – Jeremy Brown

 

HAMR实验室旨在扩展围绕人类对触摸的感知的现有知识，特别是因为它涉及人机交互和协作的应用。在微创手术机器人、上肢假肢设备和康复机器人中都涉及感知，研究应用了人类感知、人类运动控制、神经力学和控制理论的技术。

 

 5.机械和生物系统中的运动（LIMBS） – Noah Cowan

 

由Noah J. Cowan领导的LIMBS实验室致力于揭示动物和机器人感官引导的原理。对于动物来说，这是一个分析问题：对动物运动背后的生物力学和神经控制原理进行逆向工程。对于机器人技术来说，这是一个设计问题：结合生物灵感和工程见解来综合机器人控制的新方法。该研究计划包括机器人和动物（包括人类）传感，导航和控制方面的几个项目。

 

6.计算交互和机器人实验室（CIRL） – Gregory Hager

 

由Gregory Hager博士领导的计算交互和机器人实验室致力于研究涉及成像，机器人和人机交互交叉点的动态空间相互作用的问题。该实验室在这一领域有许多正在进行的项目。运动语言项目正在寻求开发新的方法来识别和评估熟练的人为操作，特别强调手术。数据使用达芬奇手术机器人收集，并处理成基于手势的模型，以支持技能评估，训练和人机协作任务执行。同时操纵和感知（MAPS）项目旨在将计算机视觉原理应用于触觉传感，目的是开发触觉物体识别的新方法。该实验室最近的工作旨在开发通用感知，以支持对物理世界中物体的通用操作。该实验室还在医学成像领域开展工作。基于图像的交互式计算机辅助诊断系统也是一个感兴趣的领域。

 

7.生物力学和图像引导手术系统（BIGSS）实验室 – Mehran Armand

 

生物力学和图像引导手术系统（BIGSS）实验室专注于开发创新的计算机辅助手术导航系统，涉及新型机器人、高级成像和实时生物力学评估，以改善手术结果。

 

8.直觉计算实验室 – Chien-Ming Huang

 

直观计算实验室旨在创新交互式机器人系统，为具有各种特征和需求的人提供个性化的物理，社交和行为支持。跨学科的团队设计，构建和研究机器人系统的直观交互功能，以改善其实用性和用户体验。在研究中借鉴了人机交互、机器人和机器学习的原则和技术，来解决医疗保健、教育和协作制造领域的问题。

 

9.先进医疗仪器和机器人（AMIRo） – Iulian Iordachita

 

由Iulian Iordachita博士领导的先进医疗仪器和机器人研究实验室（AMIRo）进行研究，以帮助和支持机器人辅助医疗技术，包括医学诊断和治疗以及临床研究。主要目标是创造未来的医疗机器人和设备，帮助临床医生以更低的成本和更短的时间提供早期诊断和更少的侵入性治疗。应用领域包括机器人辅助显微外科手术、MRI兼容机电一体化系统、图像引导程序、基于光纤的力和形状传感以及小动物研究平台。

 

10.传感、操纵和实时系统实验室（SMARTS实验室）——Peter Kazanzides

 

Peter Kazanzides博士领导SMARTS实验室，该实验室致力于在极端环境中用于计算机辅助手术和机器人技术的组件和集成系统。这包括混合现实用户界面的开发和实时传感的集成，以便在具有挑战性的环境中提供机器人辅助，例如微创手术，显微外科手术和外太空。组件技术的研究包括高性能电机控制、传感、传感器融合和头戴式显示器。该实验室还进行系统架构研究，应用基于组件的软件工程概念，为多线程、多进程和多处理器系统提供统一的编程模型。

 

11.自主系统、控制和优化实验室 （ASCO） – Marin Kobilarov

 

由Marin Kobilarov博士领导的自主系统，控制和优化实验室（ASCO）旨在开发智能机器人车辆，这些车辆可以在不确定，动态和高度受限的环境中感知，导航和完成具有挑战性的任务。该实验室在不确定性下的力学，控制，运动规划和推理的分析和计算方法以及新型机制和嵌入式系统的设计和集成方面进行研究。应用领域包括移动机器人、飞行器和纳米卫星。

 

12.智能医疗机器人系统与设备实验室（IMERSE） – Axel Krieger

 

工作重点是基础研究和转化研究，以开发用于医疗机器人的新型工具，成像和机器人控制技术。具体而言，（i）提高智能性和自主性以及（ii）改善医疗机器人的图像引导以执行以前不可能的任务，提高效率并改善患者预后的方法。

 

13.动力学实验室 – Chen Li

 

空气动力学和流体动力学帮助人类了解动物如何飞行和游泳，并开发出在空气和水中快速，敏捷和高效地移动的空中和水上车辆。相比之下，我们对陆生动物如何在自然界中移动得如此之好知之甚少，即使是最好的机器人仍然在复杂的地形中挣扎，如建筑瓦砾，森林地板，山体巨石和杂乱的室内环境。本实验室正在开发实验工具和理论模型，以创建描述复杂运动 - 地形相互作用的地球动力学新领域，并使用地球动力学来更好地了解动物运动并推进机器人在复杂地形中的运动。

 

14.计算机辅助医疗程序（CAMP） - Nassir Navab

 

CAMP实验室旨在为计算机辅助干预开发下一代解决方案。手术环境的复杂性要求我们研究，建模和监测手术工作流程，从而能够开发新的患者和过程特定的成像和可视化方法。由于对灵活性和可靠性的要求，致力于新型的机器人化多模态成像解决方案，为了满足具有挑战性的可用性要求。专注于增强现实环境中的数据融合及其交互式表示。

 

15.高级机器人和计算增强环境（ARCADE）实验室 - Mathias Unberath

 

ARCAD实验室在计算机视觉，机器学习，增强现实和医学成像方面进行开创性研究，以创新协作系统，为医疗保健领域的临床专业人员提供帮助。与护理提供者密切合作，了解临床工作流程，识别机会和限制，并促进转化。

 

16.动力系统与控制实验室（DSCL） – Louis Whitcomb

 

Louis Whitcomb教授指导DSCL实验室，其研究重点是线性和非线性动力系统的导航，动力学和控制问题，观察者，非线性系统分析，建模和传感，与在极端环境中动态交互的机器人相关。专注于由几个应用领域驱动的问题，这些应用领域共享一个共同的基础数学框架，包括水下机器人、太空远程机器人和医疗机器人。实验室主任Louis Whitcomb和他的学生参与了众多水下航行器的开发，用于海洋科学任务，包括2009年潜入马里亚纳海沟底部的Nereus混合水下航行器，以及2016年部署在北纬87度北极海冰下的Nereid冰下（NUI）混合水下航行器。

 

附属实验室

 

17.计算感觉运动系统实验室（CSMS） –Ralph Etienne-Cummings

 

Ralph Etienne-Cummings博士指导CSMS实验室。该实验室目前的研究包括各种实验，以了解脊柱神经回路的神经生理学，与它们接口，解码它们的感觉 - 运动关系，并利用这些关系来控制生物形态机器人。该实验室正在开发类似大脑的计算系统，以模仿人类和灵长类动物中发现的物体检测，识别和跟踪。该计划是继续扩大这一研究领域，同时利用实验室在VLSI电路和系统，视觉和听觉信息处理，神经形态计算系统和生物形态机器人方面的专业知识。

 

18.Networked and Spatially Distributed Systems （NSDS） – Dennice Gayme

 

由Dennice Gayme博士领导的网络化和空间分布式系统（NSDS）小组致力于表征，预测和控制空间分布式和网络化系统，以确保稳定性和管理干扰，同时优化效率和性能。这些系统通常表示为在图形上相互作用的动力系统（例如运输，通信或电力网络）或偏微分方程（例如风力发电场，墙壁湍流和电力系统振荡）。为动态系统、控制和流体力学的跨学科交叉点的应用开发理论和计算方法，例如风电场的协调控制和可再生能源的电网整合。

 

19.光子学与光电子实验室 – Jin U. Kang

 

光子学和光电子学实验室由Jin U. Kang领导，在光子学和光电子学领域进行实验和理论研究，重点是开发用于医疗应用的新型光纤成像和传感器系统。具体而言，该实验室开发了高速实时光学相干断层扫描系统，该系统可以指导外科手术程序，并使医生能够对手术结果做出准确的预后。此外，还开发了一系列"智能手术工具"，使用光纤OCT远端传感器来确保安全和精确的手术操作。此外，还致力于开发一系列亚毫米内窥镜成像系统，该系统允许对清醒自由移动的小鼠的大脑活动进行成像。

 

20.图像分析与通信实验室（IACL） – Jerry Prince

 

研究重点是医学成像和视频处理中的图像和信号处理。技术感兴趣的特定领域包括滤波器组、小波、多变量系统、信号分解、时频和时间尺度分析、有源轮廓和可变形几何形状、计算机断层扫描、磁共振成像和光流。

 

21.泌尿外科机器人（URobotics） – Dan Stoianovici

 

泌尿外科机器人是一个研究和教育计划，致力于推进泌尿外科中使用的技术。该实验室的主要重点是开发用于实时图像引导干预的机器人。实验室技术的应用范围扩展到其他医疗专业和行业。该计划基于一个由学生，工程师和临床医生组成的多学科综合团队，从工作台到床边合作。该实验室专门从事外科机器人系统的开发，特别是用于图像引导干预（IGI）的机器人技术。除泌尿外科外，实验室中创建的仪器和系统还适用于更广泛的医学领域，例如介入放射学。该实验室是布雷迪泌尿外科研究所（约翰霍普金斯医学院泌尿科）的一部分，位于约翰霍普金斯湾景医疗中心。

 

22.视觉，动力学和学习实验室（VDL） – Rene Vidal

 

研究涵盖生物医学成像、计算机视觉、动力学和控制、机器学习和机器人技术等广泛领域。特别是几何、动力学、光度测量和统计的推理问题，例如（1）从图像（图像/视频分割和运动结构），静态数据（广义PCA）或动态数据（混合系统的识别）推断模型，

 

（2）使用这些模型来完成复杂的任务（降落直升机，追捕一组逃避者， 遵循一个阵型）。