現(xiàn)代醫(yī)學(xué)一定程度上是西方醫(yī)學(xué)，歐美在醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面確實較為發(fā)達。而前沿科技研發(fā)往往來自高校院所醫(yī)工交叉合作，全球領(lǐng)先的實驗室在研究什么。那是醫(yī)療科技不遠的未來。
約翰斯霍普金斯大學(xué)計算機感知和機器人實驗室
基本介紹
約翰斯霍普金斯大學(xué)Johns Hopkins University是美國第一所研究型大學(xué)，美國國家科學(xué)基金會連續(xù)33年將該校列為全美科研經(jīng)費開支最高的大學(xué)。JHU有29名諾貝爾獎獲得者，目前在校任教的有4位，包括分子生物學(xué)家Peter Agre和Carol Greider，遺傳學(xué)家Gregg Semenza和天體物理學(xué)家Adam Riess。JHU有全美頂尖醫(yī)院，疫情期間美國數(shù)據(jù)就來自這里，可以看思宇醫(yī)械前期報道。
連續(xù)三十年入選全美頂級醫(yī)院名單！約翰斯霍普金斯醫(yī)院到底有多牛？
計算機感知和機器人實驗室LCSR（The Laboratory for Computational Sensing and Robotics）由來自懷廷工學(xué)院（WSE）、約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院（SOM）、應(yīng)用物理實驗室（APL），肯尼迪克里格研究所、彭博公共衛(wèi)生學(xué)院、克里格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的研究人員組成，是醫(yī)療機器人、自主系統(tǒng)和生物傳感領(lǐng)域的國際領(lǐng)導(dǎo)者，是世界上規(guī)模最大、技術(shù)最先進的機器人研究中心之一。
LCSR目前從事許多研究領(lǐng)域，包括：
今年報道的機器人獨立完成腹腔鏡手術(shù)，就來自LCSR的成果。
首例機器人獨立完成腹腔鏡手術(shù)，自動化時代的曙光
LCSR歷程：
約翰霍普金斯大學(xué)機器人研究可以追溯到20世紀60年代初（機器人技術(shù)作為一門工程學(xué)科領(lǐng)域，始于第二次世界大戰(zhàn)中用于操縱放射性材料的遠程操作系統(tǒng)）。
當時約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室（JHU APL）的研究人員開發(fā)了約翰霍普金斯野獸，這是一種輪式移動機器人，可以導(dǎo)航走廊并自動定位并連接到墻壁插座，以自動為其電池充電。
懷廷工學(xué)院（WSE）的機器人研究始于1990年代中期，1992年Gregory Chirikjian，1995年Louis Whitcomb和Russell Taylor的到來推動了機器人發(fā)展。隨后，1998年NSF計算機集成手術(shù)系統(tǒng)與技術(shù)工程研究中心（CISST ERC）的成立推動了機器人項目的顯著增長，重點是醫(yī)療機器人。
計算傳感和機器人實驗室（LCSR）成立于2007年，旨在為機器人研究的廣泛跨學(xué)科項目提供基礎(chǔ)設(shè)施。約翰霍普金斯大學(xué)被廣泛認為是世界上頂級機器人研究機構(gòu)之一，在醫(yī)療機器人領(lǐng)域排名第一。
LCSR的醫(yī)療機器人研究方向盤點（實驗室名稱和負責人）：
1.?計算機集成手術(shù)系統(tǒng)（CIIS）實驗室 –?Russell Taylor
Russell Taylor教授是計算機集成介入系統(tǒng)（CIIS）實驗室的負責人。該實驗室的存在是為了開發(fā)集成新型計算機和人機界面技術(shù)的手術(shù)系統(tǒng)，這些技術(shù)將徹底改變外科手術(shù)程序，擴展外科醫(yī)生的能力，以更低的成本實現(xiàn)更好的結(jié)果。最近的一些研究項目包括機器人輔助顯微外科（穩(wěn)定手眼機器人），手術(shù)控制和計劃，蛇形機器人，可變形人體解剖模型，智能手術(shù)器械，放射腫瘤學(xué)治療計劃優(yōu)化，圖像疊加，腹腔鏡輔助機器人系統(tǒng)，機器人輔助超聲波和MRI兼容機器人。
2. 光聲和超聲波系統(tǒng)工程（PULSE）實驗室 – Muyinatu Bell
PULSE實驗室整合了光、聲波和機器人，以開發(fā)創(chuàng)新的生物醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，同時解決未滿足的臨床需求并改善患者護理。重點是診斷和手術(shù)超聲和光聲技術(shù)，應(yīng)用于神經(jīng)外科癌癥檢測和治療以及女性健康。
3.醫(yī)學(xué)超聲成像和干預(yù)協(xié)作（MUSiiC） - Emad Boctor
MUSiiC研究實驗室為醫(yī)療應(yīng)用開發(fā)創(chuàng)新的超聲技術(shù)，從前列腺癌和乳腺癌治療到肝臟消融和近距離放射治療等。?
4.觸覺和醫(yī)療機器人實驗室（HAMR） – Jeremy Brown
HAMR實驗室旨在擴展圍繞人類對觸摸的感知的現(xiàn)有知識，特別是因為它涉及人機交互和協(xié)作的應(yīng)用。在微創(chuàng)手術(shù)機器人、上肢假肢設(shè)備和康復(fù)機器人中都涉及感知，研究應(yīng)用了人類感知、人類運動控制、神經(jīng)力學(xué)和控制理論的技術(shù)。
?5.機械和生物系統(tǒng)中的運動（LIMBS） – Noah Cowan
由Noah J. Cowan領(lǐng)導(dǎo)的LIMBS實驗室致力于揭示動物和機器人感官引導(dǎo)的原理。對于動物來說，這是一個分析問題：對動物運動背后的生物力學(xué)和神經(jīng)控制原理進行逆向工程。對于機器人技術(shù)來說，這是一個設(shè)計問題：結(jié)合生物靈感和工程見解來綜合機器人控制的新方法。該研究計劃包括機器人和動物（包括人類）傳感，導(dǎo)航和控制方面的幾個項目。
6.計算交互和機器人實驗室（CIRL） – Gregory Hager
由Gregory Hager博士領(lǐng)導(dǎo)的計算交互和機器人實驗室致力于研究涉及成像，機器人和人機交互交叉點的動態(tài)空間相互作用的問題。該實驗室在這一領(lǐng)域有許多正在進行的項目。運動語言項目正在尋求開發(fā)新的方法來識別和評估熟練的人為操作，特別強調(diào)手術(shù)。數(shù)據(jù)使用達芬奇手術(shù)機器人收集，并處理成基于手勢的模型，以支持技能評估，訓(xùn)練和人機協(xié)作任務(wù)執(zhí)行。同時操縱和感知（MAPS）項目旨在將計算機視覺原理應(yīng)用于觸覺傳感，目的是開發(fā)觸覺物體識別的新方法。該實驗室最近的工作旨在開發(fā)通用感知，以支持對物理世界中物體的通用操作。該實驗室還在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域開展工作?；趫D像的交互式計算機輔助診斷系統(tǒng)也是一個感興趣的領(lǐng)域。
7.生物力學(xué)和圖像引導(dǎo)手術(shù)系統(tǒng)（BIGSS）實驗室 – Mehran Armand
生物力學(xué)和圖像引導(dǎo)手術(shù)系統(tǒng)（BIGSS）實驗室專注于開發(fā)創(chuàng)新的計算機輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，涉及新型機器人、高級成像和實時生物力學(xué)評估，以改善手術(shù)結(jié)果。
8.直覺計算實驗室 –?Chien-Ming Huang
直觀計算實驗室旨在創(chuàng)新交互式機器人系統(tǒng)，為具有各種特征和需求的人提供個性化的物理，社交和行為支持。跨學(xué)科的團隊設(shè)計，構(gòu)建和研究機器人系統(tǒng)的直觀交互功能，以改善其實用性和用戶體驗。在研究中借鑒了人機交互、機器人和機器學(xué)習(xí)的原則和技術(shù)，來解決醫(yī)療保健、教育和協(xié)作制造領(lǐng)域的問題。
9.先進醫(yī)療儀器和機器人（AMIRo） – Iulian Iordachita
由Iulian Iordachita博士領(lǐng)導(dǎo)的先進醫(yī)療儀器和機器人研究實驗室（AMIRo）進行研究，以幫助和支持機器人輔助醫(yī)療技術(shù)，包括醫(yī)學(xué)診斷和治療以及臨床研究。主要目標是創(chuàng)造未來的醫(yī)療機器人和設(shè)備，幫助臨床醫(yī)生以更低的成本和更短的時間提供早期診斷和更少的侵入性治療。應(yīng)用領(lǐng)域包括機器人輔助顯微外科手術(shù)、MRI兼容機電一體化系統(tǒng)、圖像引導(dǎo)程序、基于光纖的力和形狀傳感以及小動物研究平臺。
10.傳感、操縱和實時系統(tǒng)實驗室（SMARTS實驗室）——Peter Kazanzides
Peter Kazanzides博士領(lǐng)導(dǎo)SMARTS實驗室，該實驗室致力于在極端環(huán)境中用于計算機輔助手術(shù)和機器人技術(shù)的組件和集成系統(tǒng)。這包括混合現(xiàn)實用戶界面的開發(fā)和實時傳感的集成，以便在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中提供機器人輔助，例如微創(chuàng)手術(shù)，顯微外科手術(shù)和外太空。組件技術(shù)的研究包括高性能電機控制、傳感、傳感器融合和頭戴式顯示器。該實驗室還進行系統(tǒng)架構(gòu)研究，應(yīng)用基于組件的軟件工程概念，為多線程、多進程和多處理器系統(tǒng)提供統(tǒng)一的編程模型。
11.自主系統(tǒng)、控制和優(yōu)化實驗室 （ASCO） – Marin Kobilarov
由Marin Kobilarov博士領(lǐng)導(dǎo)的自主系統(tǒng)，控制和優(yōu)化實驗室（ASCO）旨在開發(fā)智能機器人車輛，這些車輛可以在不確定，動態(tài)和高度受限的環(huán)境中感知，導(dǎo)航和完成具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。該實驗室在不確定性下的力學(xué)，控制，運動規(guī)劃和推理的分析和計算方法以及新型機制和嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計和集成方面進行研究。應(yīng)用領(lǐng)域包括移動機器人、飛行器和納米衛(wèi)星。
12.智能醫(yī)療機器人系統(tǒng)與設(shè)備實驗室（IMERSE） – Axel Krieger
工作重點是基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化研究，以開發(fā)用于醫(yī)療機器人的新型工具，成像和機器人控制技術(shù)。具體而言，（i）提高智能性和自主性以及（ii）改善醫(yī)療機器人的圖像引導(dǎo)以執(zhí)行以前不可能的任務(wù)，提高效率并改善患者預(yù)后的方法。
13.動力學(xué)實驗室 – Chen Li
空氣動力學(xué)和流體動力學(xué)幫助人類了解動物如何飛行和游泳，并開發(fā)出在空氣和水中快速，敏捷和高效地移動的空中和水上車輛。相比之下，我們對陸生動物如何在自然界中移動得如此之好知之甚少，即使是最好的機器人仍然在復(fù)雜的地形中掙扎，如建筑瓦礫，森林地板，山體巨石和雜亂的室內(nèi)環(huán)境。本實驗室正在開發(fā)實驗工具和理論模型，以創(chuàng)建描述復(fù)雜運動 - 地形相互作用的地球動力學(xué)新領(lǐng)域，并使用地球動力學(xué)來更好地了解動物運動并推進機器人在復(fù)雜地形中的運動。
14.計算機輔助醫(yī)療程序（CAMP） - Nassir Navab
CAMP實驗室旨在為計算機輔助干預(yù)開發(fā)下一代解決方案。手術(shù)環(huán)境的復(fù)雜性要求我們研究，建模和監(jiān)測手術(shù)工作流程，從而能夠開發(fā)新的患者和過程特定的成像和可視化方法。由于對靈活性和可靠性的要求，致力于新型的機器人化多模態(tài)成像解決方案，為了滿足具有挑戰(zhàn)性的可用性要求。專注于增強現(xiàn)實環(huán)境中的數(shù)據(jù)融合及其交互式表示。
15.高級機器人和計算增強環(huán)境（ARCADE）實驗室 - Mathias Unberath
ARCAD實驗室在計算機視覺，機器學(xué)習(xí)，增強現(xiàn)實和醫(yī)學(xué)成像方面進行開創(chuàng)性研究，以創(chuàng)新協(xié)作系統(tǒng)，為醫(yī)療保健領(lǐng)域的臨床專業(yè)人員提供幫助。與護理提供者密切合作，了解臨床工作流程，識別機會和限制，并促進轉(zhuǎn)化。
16.動力系統(tǒng)與控制實驗室（DSCL） – Louis Whitcomb
Louis Whitcomb教授指導(dǎo)DSCL實驗室，其研究重點是線性和非線性動力系統(tǒng)的導(dǎo)航，動力學(xué)和控制問題，觀察者，非線性系統(tǒng)分析，建模和傳感，與在極端環(huán)境中動態(tài)交互的機器人相關(guān)。專注于由幾個應(yīng)用領(lǐng)域驅(qū)動的問題，這些應(yīng)用領(lǐng)域共享一個共同的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)框架，包括水下機器人、太空遠程機器人和醫(yī)療機器人。實驗室主任Louis Whitcomb和他的學(xué)生參與了眾多水下航行器的開發(fā)，用于海洋科學(xué)任務(wù)，包括2009年潛入馬里亞納海溝底部的Nereus混合水下航行器，以及2016年部署在北緯87度北極海冰下的Nereid冰下（NUI）混合水下航行器。
17.計算感覺運動系統(tǒng)實驗室（CSMS） –Ralph Etienne-Cummings
Ralph Etienne-Cummings博士指導(dǎo)CSMS實驗室。該實驗室目前的研究包括各種實驗，以了解脊柱神經(jīng)回路的神經(jīng)生理學(xué)，與它們接口，解碼它們的感覺 - 運動關(guān)系，并利用這些關(guān)系來控制生物形態(tài)機器人。該實驗室正在開發(fā)類似大腦的計算系統(tǒng)，以模仿人類和靈長類動物中發(fā)現(xiàn)的物體檢測，識別和跟蹤。該計劃是繼續(xù)擴大這一研究領(lǐng)域，同時利用實驗室在VLSI電路和系統(tǒng)，視覺和聽覺信息處理，神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)和生物形態(tài)機器人方面的專業(yè)知識。
18.Networked and Spatially Distributed Systems （NSDS） – Dennice Gayme
由Dennice Gayme博士領(lǐng)導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)化和空間分布式系統(tǒng)（NSDS）小組致力于表征，預(yù)測和控制空間分布式和網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，以確保穩(wěn)定性和管理干擾，同時優(yōu)化效率和性能。這些系統(tǒng)通常表示為在圖形上相互作用的動力系統(tǒng)（例如運輸，通信或電力網(wǎng)絡(luò)）或偏微分方程（例如風力發(fā)電場，墻壁湍流和電力系統(tǒng)振蕩）。為動態(tài)系統(tǒng)、控制和流體力學(xué)的跨學(xué)科交叉點的應(yīng)用開發(fā)理論和計算方法，例如風電場的協(xié)調(diào)控制和可再生能源的電網(wǎng)整合。
19.光子學(xué)與光電子實驗室 – Jin U. Kang
光子學(xué)和光電子學(xué)實驗室由Jin U. Kang領(lǐng)導(dǎo)，在光子學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域進行實驗和理論研究，重點是開發(fā)用于醫(yī)療應(yīng)用的新型光纖成像和傳感器系統(tǒng)。具體而言，該實驗室開發(fā)了高速實時光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以指導(dǎo)外科手術(shù)程序，并使醫(yī)生能夠?qū)κ中g(shù)結(jié)果做出準確的預(yù)后。此外，還開發(fā)了一系列"智能手術(shù)工具"，使用光纖OCT遠端傳感器來確保安全和精確的手術(shù)操作。此外，還致力于開發(fā)一系列亞毫米內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許對清醒自由移動的小鼠的大腦活動進行成像。
20.圖像分析與通信實驗室（IACL） – Jerry Prince
研究重點是醫(yī)學(xué)成像和視頻處理中的圖像和信號處理。技術(shù)感興趣的特定領(lǐng)域包括濾波器組、小波、多變量系統(tǒng)、信號分解、時頻和時間尺度分析、有源輪廓和可變形幾何形狀、計算機斷層掃描、磁共振成像和光流。
21.泌尿外科機器人（URobotics） – Dan Stoianovici
泌尿外科機器人是一個研究和教育計劃，致力于推進泌尿外科中使用的技術(shù)。該實驗室的主要重點是開發(fā)用于實時圖像引導(dǎo)干預(yù)的機器人。實驗室技術(shù)的應(yīng)用范圍擴展到其他醫(yī)療專業(yè)和行業(yè)。該計劃基于一個由學(xué)生，工程師和臨床醫(yī)生組成的多學(xué)科綜合團隊，從工作臺到床邊合作。該實驗室專門從事外科機器人系統(tǒng)的開發(fā)，特別是用于圖像引導(dǎo)干預(yù)（IGI）的機器人技術(shù)。除泌尿外科外，實驗室中創(chuàng)建的儀器和系統(tǒng)還適用于更廣泛的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如介入放射學(xué)。該實驗室是布雷迪泌尿外科研究所（約翰霍普金斯醫(yī)學(xué)院泌尿科）的一部分，位于約翰霍普金斯灣景醫(yī)療中心。
22.視覺，動力學(xué)和學(xué)習(xí)實驗室（VDL） – Rene Vidal
研究涵蓋生物醫(yī)學(xué)成像、計算機視覺、動力學(xué)和控制、機器學(xué)習(xí)和機器人技術(shù)等廣泛領(lǐng)域。特別是幾何、動力學(xué)、光度測量和統(tǒng)計的推理問題，例如（1）從圖像（圖像/視頻分割和運動結(jié)構(gòu)），靜態(tài)數(shù)據(jù)（廣義PCA）或動態(tài)數(shù)據(jù)（混合系統(tǒng)的識別）推斷模型，
（2）使用這些模型來完成復(fù)雜的任務(wù)（降落直升機，追捕一組逃避者， 遵循一個陣型）。
