“90后”黄山学者李霄剑和他的“工大阅体”

近日，合工大“黄山学者”李霄剑研究员带领团队研制成功的基于3D腹腔镜的术中精准测量系统——工大阅体正式通过www.seethrough.com.cn开源发布，进入产业转化。

这套系统包含随腹腔镜视频的实时点云恢复模式和关键帧的高精度测量模式，能够有效帮助手术机器人更加精准识别体内病变的位置、形态以及周围组织的结构和分布，辅助医生制定微创手术方案，减少手术中的操作风险，从而大大减轻病患的痛苦。该系统对于推动微创手术的智能化发展具有重要意义。

提到3D技术，你是否会立即联想到坐在电影院里，戴上眼镜欣赏大片时身临其境的感觉？其实，3D技术的应用早已不是影视行业的“专利”，随着医疗科技的快速发展，借助3D技术成功完成腹腔镜一类的微创手术，不仅能够大大提高诊疗的精确度，而且可以有效缩短术后恢复时间。   

然而，人体是精妙而复杂的，如何提高手术机器人系统的体内适应性和智能化水平，为手术机器人的安全操作建构一个清晰准确的手术区域三维模型，实现更加精确、稳定、易操作的目标？为此，李霄剑带领团队开始了长期的探索和研究。在研究过程中，他提出了利用双目腔镜影像的对极几何约束，在不引入额外信息的情况下，让双目腔镜的左右目图像形成自我监督机制，从而将当前单帧双目影像既作为训练集又作为测试集。训练只针对该帧影像的深度估计网络模型，并反复训练至训练误差最小的过拟合状态，以此求取当前帧的深度估计结果，在消除算法泛化性影响的同时提升了算法精度。在这个思路基础上，利用轻量化深度估计网络、元学习初始化、稀疏光流辅助监督等技术，构建了可在体内环境中精准测量三维空间信息的自监督深度估计算法。

以该算法为核心，李霄剑主持研发了“工大阅体”系统。该系统可适配任意双目腔镜，具有实时深度估计和高精度尺寸测量两种工作模式。在实时深度估计模式下，系统可提供Abs_Rel小于4%并以18帧每秒进行刷新的高精度体内环境三维动态点云；而在高精度尺寸测量模式下，系统可以冻结腔镜视频并为医生提供直线、曲线和面积的精准测量工具，医生可以利用这些工具在冻结的画面下进行组织尺寸的精准测量，测量误差Abs_Rel小于3.5%。 

自2022年9月，该系统在四川大学华西医院投入临床使用以来，先后参与了肝胆胰外科和普外科，于肝胆手术、胆囊手术和胃肠手术等二十余场手术。经过检验，华西医院认为该系统能够有效支撑手术规划、术中导航、术中决策与临床科研，且具有轻巧便捷、简单易用等优点。

自动化智能化医疗机器人系统的研究与开发是李霄剑自博士阶段就坚持的研究方向。2018年，以黄山学者身份加入合工大管理学院后，他立即获得了学校在科研条件、团队建设、津贴奖励等各方面政策的全力支持，这使得他可以心无旁骛地沿着自己的研究志趣继续深入探索。围绕体内环境三维感知与重构、微创手术机器人自主控制、机器人人机协同操控等研究方向，李霄剑带领团队很快聚焦活体体内环境下医疗机器人环境感知与智能控制方面的关键科学问题，在医疗机器人体内复杂环境感知、微米机器人系统设计与精准导航控制、微创手术机器人的人机协同控制等方面取得了一系列创新性研究成果。先后主持包括国家自然科学基金重点项目、青年项目、安徽省自然科学基金杰青项目、安徽省科技重大专项项目等，在Science Robotics，Automatica，IEEE Transactions on Robotics、IEEE Transactions on Industrial Informatics、IEEE-ASME Transactions on Mechatronics等期刊发表多篇论文，还获得2019年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）科技进步一等奖（排名第6）和2021年度安徽省科学技术奖科技进步一等奖（排名第5）。

   作为一名“90”后博导，李霄剑的团队吸引了许多青年学生加入，他指导的学生团队先后获得“互联网+”创新创业大赛国赛银奖2项、省赛金奖3项、省赛银奖3项，“挑战杯”创业大赛省赛银奖1项。 

谈到自己入职以来的体会时，李霄剑说：“合工大深厚的历史文化底蕴和工业报国的初心使命深深感染了我。学校的建设发展始终与祖国的工业化进程同频共振，报国、强国的志向印刻在每一个工大人的心中。在管理学院，我感受到这个拼搏、奋发、实干集体带给我的改变。这里有全国领先的学术视野，有多学科交融的自由学术氛围，有强强联合的合作机会，有为共同事业一同拼搏的氛围和活力。在杨善林院士的带领和影响下，我深刻理解了科研工作要聚焦国家重大战略需求，坚持把论文写在祖国大地上，用优秀的创新成果彰显青年科研工作者对国家的热爱，对时代的贡献。”

作为土生土长的合肥人，2011年李霄剑从东南大学自动化专业毕业后，于2017年获得中科大控制科学与工程博士学位和香港城大机械与生物医学工程博士学位。此后，他在香港城市大学机械与生物医学工程学院从事了一年的博士后研究。

多年外地求学，如今能够回到正在加快建设宜居、韧性、智慧城市的家乡工作，李霄剑觉得十分幸运：“合肥市提出了建成全球科创新枢纽、区域发展新引擎、美丽中国新样板、城市治理新标杆、美好生活新天地的2035远景规划，让我这个合肥人感到十分振奋。合肥工业大学作为扎根安徽的教育部‘双一流’建设高校，长期以来为这座城市和区域的经济社会发展贡献了许多智慧和人才，能够成为一名光荣的合工大人，在这样的环境中安心科研、教书育人，我十分感谢学校。欢迎更多有梦想、有追求的年轻人加入我们，在未来的征程上，一起携手同行，共做时代追梦人。”

来源 | 人事处 校全媒体中心

图片 | 受访者提供

责编 | 卫婷婷 

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