專利名稱：用于采集和植入毛囊單位的自動化系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及用于執(zhí)行精確診斷和治療醫(yī)學(xué)程序的圖像引導(dǎo)機(jī)器人學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
毛發(fā)移植程序是眾所周知的，且通常涉及(例如，在具有男性型脫發(fā)的患者中)從 患者頭皮的側(cè)邊和后部邊緣區(qū)域(“供體區(qū)域”)采集供體毛發(fā)移植體，以及將所采集的毛 囊單位植入在禿頂區(qū)域(“受體區(qū)域”)中。歷史上，所采集的移植體相對較大(3到5mm)， 但近些年來，供體移植體可以是單個(gè)毛囊單位，其是隨機(jī)分布在頭皮表面上的具有1到3個(gè) (且在很少情況下為4到5個(gè))緊密間隔的毛發(fā)毛囊的天然生成集合體。在一個(gè)眾所周知的過程中，使用解剖刀向下切割到脂肪皮下組織中來從供體區(qū)域 移除頭皮的線性部分。(在顯微鏡下)將所述條帶切成多個(gè)組成毛囊單位，接著將所述毛囊 單位植入到受體區(qū)域中的使用針制成的各自刺孔中?？墒褂描囎觼韸A持個(gè)別毛囊單位移植 體并將其放置到針刺位置中，但已知其它儀器和方法可用于執(zhí)行這個(gè)任務(wù)。在"Androgenetic Alopecia，，(Springer, 1996 年)中，Μ· Inaba 禾口 Y. Inaba 揭示 并描述一種用于通過定位具有切割邊緣和直徑為Imm的內(nèi)腔的中空刺針來采集單個(gè)毛囊 單位的方法，其中Imm直徑大概等于毛囊單位的臨界解剖部分的直徑。針形沖頭與毛囊單 位的軸軸向?qū)?zhǔn)以被抽取并接著推進(jìn)到頭皮中而在選定毛囊單位的圓周周圍切割頭皮。此 后，(例如)使用鑷子容易地移除毛囊單位以供隨后用經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的插針植入到受體部位 中。所公開的第20050203545號美國專利申請案(Cole)揭示一種用于抽取個(gè)別毛囊 單位的儀器，其據(jù)稱實(shí)現(xiàn)較精確的相對于患者皮膚的皮膚表面的穿透深度和角度。所公開的第20050267506號美國專利申請案(Harris)揭示一種用于抽取毛囊單 位的方法和設(shè)備，其通過首先用鋒利沖頭刻劃外皮層，且接著將單獨(dú)鈍沖頭插入到切口中 以將毛發(fā)毛囊單位與周圍的組織和脂肪層分開。第6，585，746號美國專利(Gildenberg)揭示一種利用機(jī)器人的毛發(fā)移植系統(tǒng)，其 包括機(jī)器人臂和與所述機(jī)器人臂相關(guān)聯(lián)的毛發(fā)毛囊導(dǎo)入器。使用視頻系統(tǒng)來產(chǎn)生患者頭皮 的三維虛擬圖像，所述圖像用于規(guī)劃將接收在機(jī)器人臂的控制下由毛囊導(dǎo)入器植入的毛發(fā) 移植體的頭皮位置。然而，對于提供用于采集和植入毛發(fā)毛囊單位(在涉及從身體表面的 供體區(qū)采集毛囊單位并作為同一過程的一部分將所采集的單位植入到身體表面的受體區(qū) 中時(shí)統(tǒng)稱為“移植”)的自動化(例如，機(jī)器人)系統(tǒng)及其使用方法具有許多改進(jìn)方案。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本文揭示的本發(fā)明的一般方面，采用一種自動化系統(tǒng)(例如圖像引導(dǎo)的機(jī)器 人學(xué)系統(tǒng))來執(zhí)行精確受控的毛發(fā)毛囊單位采集和植入。在一些實(shí)施例中，所述自動化系 統(tǒng)包括可移動臂、安裝在所述可移動臂上的工具、安裝在所述可移動臂上的一個(gè)或一個(gè)以 上相機(jī)、經(jīng)配置以接收并處理由所述一個(gè)或一個(gè)以上相機(jī)獲取的圖像的處理器、以及以操 作方式與所述處理器相關(guān)聯(lián)且經(jīng)配置以至少部分基于由所述一個(gè)或一個(gè)以上相機(jī)獲取的 經(jīng)處理圖像來定位所述可移動臂的控制器，其中所述可移動臂是可定位的，使得可將所述 工具定位在相對于鄰近身體表面的所需定向處。借助于非限制性實(shí)例，所述自動化系統(tǒng)可以是機(jī)器人系統(tǒng)，其中可移動臂是機(jī)器 人臂，且其中處理器和控制器可經(jīng)配置以用于通過機(jī)器人臂的視覺伺服來定位工具。在一 些實(shí)施例中，可采用單個(gè)相機(jī)，其中處理器經(jīng)配置以將相機(jī)的基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)與機(jī)器人臂的 工具框架基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)對齊。舉例來說，處理器可基于在機(jī)器人臂沿著工具框架基準(zhǔn)坐標(biāo) 系統(tǒng)的一個(gè)或一個(gè)以上軸移動時(shí)獲取的固定校準(zhǔn)目標(biāo)的圖像來將相機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)與工 具框架基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)對齊。借助于另一實(shí)例，可將一對相機(jī)安裝到機(jī)器人臂，其中處理器經(jīng) 配置以將相機(jī)的各自基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)彼此對齊并與機(jī)器人臂的工具框架基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)對齊。 并且，處理器可基于在機(jī)器人臂沿著工具框架基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)的一個(gè)或一個(gè)以上軸移動時(shí)獲 取的固定校準(zhǔn)目標(biāo)的圖像來將各自相機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)與工具框架基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)對齊。借助 于又一實(shí)例，所述一個(gè)或一個(gè)相機(jī)包含安裝到機(jī)器人臂的各自第一和第二對相機(jī)，所述第 一對經(jīng)聚焦以獲取第一視場的圖像，且所述第二對經(jīng)聚焦以獲取第二視場的圖像，所述第 二視場大致上窄于第一視場。在此實(shí)施例中，處理器可經(jīng)配置以將第一和第二對相機(jī)的各 自基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)彼此對齊并與機(jī)器人臂的工具框架基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)對齊。并且，處理器可基 于在機(jī)器人臂沿著工具框架基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)的一個(gè)或一個(gè)以上軸移動時(shí)獲取的固定校準(zhǔn)目 標(biāo)的圖像來將各自相機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)與工具框架基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)對齊。在各種實(shí)施例中，所述工具包含毛囊單位采集工具和毛囊單位植入工具中的一者 或兩者。在各種實(shí)施例中，處理器可經(jīng)配置以識別由所述一個(gè)或一個(gè)以上相機(jī)獲取的圖像 中的毛囊單位的近似物理邊界。舉例來說，處理器可經(jīng)配置以用于識別捕獲在所獲取圖像 中的毛囊單位的近似物理邊界，其包括嵌入在身體表面中的皮下基本區(qū)和延伸遠(yuǎn)離身體表 面的遠(yuǎn)端尖端區(qū)，其中所述圖像包括皮下圖像。在又一實(shí)施例中，在可移動臂上提供空氣噴 嘴以將空氣流對準(zhǔn)身體表面。在又一實(shí)施例中，提供用戶界面以使用戶向處理器和控制器 中的一者或兩者輸入關(guān)于待植入毛囊單位的位置、定位、定向和深度中的一者或一者以上 的指令。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于從身體表面采集毛囊單位的方法包括(i)獲 取身體表面的圖像；(ii)處理所獲取圖像以識別身體表面的毛囊單位并確定所識別毛囊 單位的相對位置和定向；(iii)使用包括可移動臂的自動化系統(tǒng)以至少部分基于所處理的 圖像數(shù)據(jù)將安裝在可移動臂上的采集工具定位在鄰近于所識別毛囊單位處，使得采集工具 的縱軸與毛囊單位的縱軸對準(zhǔn)；以及(iv)通過采集工具相對于身體表面的移動來采集所 述毛囊單位，其中所述圖像是從安裝在可移動臂上的一個(gè)或一個(gè)以上相機(jī)獲取的。在一個(gè)實(shí)施例中，自動化系統(tǒng)可以是機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述可移動臂是機(jī)器人臂。 在此類實(shí)施例中，所述圖像可從安裝到機(jī)器人臂的單個(gè)相機(jī)獲取，所述方法進(jìn)一步包含將
5相機(jī)的基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)與機(jī)器人臂的工具框架基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)對齊。舉例來說，可基于在機(jī)器 人臂沿著機(jī)器人臂工具框架基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)的一個(gè)或一個(gè)以上軸移動時(shí)獲取的固定校準(zhǔn)目 標(biāo)的圖像來將相機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)與機(jī)器人臂工具框架基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)對齊。在另一此類實(shí)施 例中，圖像可從安裝到機(jī)器人臂的一對相機(jī)獲取，所述方法進(jìn)一步包含將相機(jī)的各自基準(zhǔn) 坐標(biāo)系統(tǒng)彼此對齊并與機(jī)器人臂的工具框架基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)對齊。在再一此類實(shí)施例中，圖 像可使用安裝到機(jī)器人臂的各自第一和第二對相機(jī)來獲取，所述第一對經(jīng)聚焦以獲取第一 視場的圖像數(shù)據(jù)，且所述第二對經(jīng)聚焦以獲取第二視場的圖像數(shù)據(jù)，所述第二視場大致上 窄于第一視場。在再一此類實(shí)施例中，所述方法可進(jìn)一步包含識別所識別毛囊單位的近似 物理邊界，其中包括(借助于非限制性實(shí)例)識別嵌入在身體表面中的皮下基本區(qū)和延伸 離開身體表面的遠(yuǎn)端尖端區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于在身體表面中植入毛囊單位的方法包括(i) 獲取并處理身體表面的圖像以識別植入部位；(ii)使用包括可移動臂的自動化系統(tǒng)來將 安裝在可移動臂上的植入工具定位到鄰近于所述植入部位的位置；以及(iii)通過植入工 具相對于身體表面的移動來在身體表面中植入毛囊單位，其中所述圖像是從安裝在可移動 臂上的一個(gè)或一個(gè)以上相機(jī)獲取的。借助于非限制性實(shí)例，所述自動化系統(tǒng)可以是機(jī)器人系統(tǒng)，且所述可移動臂可以 是機(jī)器人臂，其中所述植入工具可通過機(jī)器人臂的視覺伺服而定位在植入部位處。在各種 實(shí)施例中，毛囊單位可在植入之前攜載在植入工具中。在各種實(shí)施例中，毛囊單位植入在相 對于身體表面的所需位置和定向處，且還可植入在身體表面中的所需深度處。在一些實(shí)施 例中，所述方法可進(jìn)一步包括在植入毛囊單位之前或同時(shí)將空氣流對準(zhǔn)植入部位，(例如) 以清除相鄰毛發(fā)和/或來自鄰近植入體的血液。在一些實(shí)施例中，所述方法還可包括通過 自動化系統(tǒng)的用戶界面輸入關(guān)于待植入毛囊單位的位置、定位、定向和深度中的一者或一 者以上的指令。根據(jù)再一方面，一種用于移植毛囊單位的方法包括(i)獲取并處理身體表面的 第一區(qū)域的圖像，以識別并確定待采集毛囊單位的相對位置和定向；(ii)使用包括可移動 臂的自動化系統(tǒng)來將安裝在可移動臂上的采集工具定位在鄰近于所識別毛囊單位處，使得 采集工具的縱軸與毛囊單位的縱軸對準(zhǔn)；(iii)通過采集工具相對于身體表面的移動來采 集所述毛囊單位；(iv)獲取并處理所述身體表面的第二區(qū)域的圖像以識別植入部位；(ν) 使用自動化系統(tǒng)來將安裝在可移動臂上的植入工具定位在鄰近于植入部位處；以及(Vi) 通過植入工具相對于身體表面的移動來植入毛囊單位，其中所述各自圖像是從安裝在可移 動臂上的一個(gè)或一個(gè)以上相機(jī)獲取的。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種多零件工具組合件以用于在身體表面(例如人 類頭皮)中采集和植入毛發(fā)毛囊單位。在一個(gè)實(shí)施例中，工具組合件包含定位成往復(fù)關(guān)系 的一對同軸設(shè)置的套管，其中包括具有內(nèi)腔和開放的組織刺穿遠(yuǎn)端的外部“植入”套管和定 位在植入套管內(nèi)腔中的內(nèi)部“采集”套管。采集套管具有開放的組織取心遠(yuǎn)端和經(jīng)大小設(shè) 計(jì)以摩擦嚙合并保持毛囊單位的內(nèi)腔。工具組合件可以手持并定位。在替代方案中，工具 組合件可附裝到自動化系統(tǒng)(例如，機(jī)器人臂系統(tǒng))的可移動臂并由其定位。采集套管和 植入套管中的一者或兩者相對于彼此和/或工具組合件的剩余部分的移動(不管是手持還 是由自動化定位系統(tǒng)攜載)可通過許多不同機(jī)械、電子機(jī)械、氣動、液壓、磁性和其它已知系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)來提供，以用于實(shí)現(xiàn)各自套管的受控移動。盡管優(yōu)選地將植入套管和采集套管 軸向?qū)?zhǔn)，但其它實(shí)施例也是可能的。對于采集來說，將采集套管的縱軸與待采集的選定毛囊單位的縱軸軸向?qū)?zhǔn)。依 據(jù)實(shí)施例而定，采集套管相對于選定毛囊單位的定位可以是手動的或完全自動化的。在一 個(gè)實(shí)施例中，使用包括機(jī)器人臂的圖像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)來定位并對準(zhǔn)各自采集套管和毛囊 單位。將采集套管推進(jìn)到毛囊單位上方，其中其遠(yuǎn)端取心末端穿透身體表面進(jìn)入位于毛囊 單位周圍和下方的皮下脂肪層中。接著從身體表面撤回采集套管以進(jìn)而抽取毛囊單位，所 述毛囊單位攜載在采集套管內(nèi)腔中。采集套管相對于身體表面的移動可以是手動的、半自動化的或完全自動化的。采 集套管可以是固定的或可相對于工具組合件的剩余部分獨(dú)立移動的，不管工具組合件是手 持的還是附裝到可移動臂。在工具組合件攜載在自動化(例如，機(jī)器人)臂上的實(shí)施例中， 采集套管相對于身體表面的移動可以通過所述臂相對于身體表面的移動、采集套管相對于 自動化臂的移動或每一者的組合來執(zhí)行。類似地，在手持實(shí)施例中，采集套管相對于身體表 面的移動可通過操作員手臂相對于身體表面的移動、采集套管相對于工具組合件的移動或 每一者的組合來執(zhí)行。在一些實(shí)施例中，采集套管在穿透身體表面時(shí)圍繞其縱軸旋轉(zhuǎn)以增 強(qiáng)其組織取心效果。在一些實(shí)施例中，采集套管內(nèi)腔壁可以是有紋理的，以便有利于夾持并 抽取毛囊單位。在一些實(shí)施例中，可選擇性地將真空源放置為與采集套管內(nèi)腔連通以施加 近端引導(dǎo)的“拉”力，以有利于夾持并抽取毛囊單位。這些特征也可有助于在采集毛囊單位 之后將其保持在采集套管內(nèi)腔中。對于植入來說，將工具組合件重新定位(不管是手動地還是通過使用自動化系 統(tǒng))到身體表面上的受體區(qū)域中的選定植入部位。可在植入時(shí)將植入套管的縱軸與毛囊 單位的所需定向?qū)?zhǔn)。并且，此對準(zhǔn)可手動或通過自動化系統(tǒng)執(zhí)行，例如在一個(gè)實(shí)施例中通 過使用圖像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)來執(zhí)行。將植入套管的組織刺穿遠(yuǎn)端推進(jìn)到身體表面中，從而 形成具有適于接納正植入的毛囊單位的深度和大小的皮下植入腔。植入套管的此“穿透運(yùn) 動”優(yōu)選地為非?？焖俚?，以便將對植入腔中的組織皮膚的損傷減到最小，例如類似于用于 獲得少量血液以供測試的彈簧加載的手指刺穿裝置的運(yùn)動。在一個(gè)實(shí)施例中，通過設(shè)置在采集套管內(nèi)腔中的閉塞器(柱塞)將毛囊單位從采 集套管內(nèi)腔(自從毛囊單位被采集以來便在此處保持不動)軸向移動到植入套管內(nèi)腔的遠(yuǎn) 端部分中。毛囊單位的此重新定位可在植入套管穿透身體表面之前、期間或之后發(fā)生。此 后，在通過相對于閉塞器的平移移動來從身體表面撤回植入套管時(shí)，閉塞器維持毛囊單位 在植入腔中的相對位置。在其它實(shí)施例中，例如通過閉塞器或通過使用放置為與采集套管 內(nèi)腔連通的加壓空氣源施加遠(yuǎn)端引導(dǎo)“推”力來將毛囊單位直接從采集套管內(nèi)腔沉積到植 入腔中。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種使用多零件工具組合件移植毛發(fā)毛囊單位的方法包 括(i)將內(nèi)部(“采集”)套管的縱軸與待從身體表面的供體區(qū)域采集的選定毛囊單位的 縱軸對準(zhǔn)；(ii)相對于身體表面推進(jìn)采集套管，使得采集套管的開放的組織取心遠(yuǎn)端穿透 選定毛囊單位周圍的身體表面到達(dá)足以大致包封所述毛囊單位的深度；(iii)從身體表面 撤回采集套管，其中毛囊單位由采集套管的內(nèi)腔嚙合并保持在其中；(iv)將外部(“植入”) 套管推進(jìn)到同軸設(shè)置的采集套管上方，使得植入套管的組織刺穿遠(yuǎn)端刺穿身體表面的受體區(qū)域并在其中形成植入腔；以及(V)將毛囊單位從采集套管內(nèi)腔移位到植入腔中。


在附圖的各圖中借助于實(shí)例而并非限制來說明本發(fā)明，其中相同參考標(biāo)號表示相 似元件，且其中圖1是用于定位和定向一對同軸設(shè)置套管的機(jī)器人臂系統(tǒng)的透視圖，所述套管從 由機(jī)器人臂攜載的工具組合件外殼的遠(yuǎn)端開口延伸并用于采集和植入人類毛發(fā)毛囊單位。圖2是圖1所示的工具組合件外殼的遠(yuǎn)端部分的特寫。圖2A是圖1的機(jī)器人臂系統(tǒng)的替代實(shí)施例的遠(yuǎn)端部分的特寫，其中第一和第二立 體相機(jī)對緊固到機(jī)器人臂并用于從多個(gè)視場捕獲圖像數(shù)據(jù)以用于引導(dǎo)機(jī)器人臂和附裝工 具組合件的移動。圖3是用于圖1系統(tǒng)的工具組合件中的多零件工具的透視圖。圖4是圖3的多零件工具的縱向截面圖。圖5是用于在操作上與圖1系統(tǒng)的工具組合件中的圖3多零件工具耦合的馬達(dá)驅(qū) 動組合件的透視圖。圖6A和6B是使用圖3的三零件工具實(shí)行的替代植入程序的簡化部分切除視圖。圖7是圖1的機(jī)器人系統(tǒng)的工具組合件的一個(gè)實(shí)施例的部分示意部分透視圖。圖8是位于圖7的工具組合件中的馬達(dá)驅(qū)動組合件內(nèi)的保持單元的部分切除截面 圖。圖9A是用于圖7的系統(tǒng)的工具組合件中的多零件工具的縱向截面圖。圖9B到9D說明圖9A的工具組合件的毛囊單位采集套管針的遠(yuǎn)端的變體。圖10說明在操作上與圖8的保持單元嚙合的圖9A的多零件工具。圖IlA到IlD根據(jù)一些實(shí)施例說明用于植入毛囊單位的過程。圖12根據(jù)一些實(shí)施例說明表示由采集套管經(jīng)歷的力的力圖。圖13是用于用在相機(jī)所附裝的機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端(工作)末端處建立的工具框架 來校準(zhǔn)單個(gè)相機(jī)的光軸和相關(guān)聯(lián)相機(jī)基準(zhǔn)框架的程序的流程圖。圖14是用于將用于采集和/或植入毛發(fā)毛囊的細(xì)長儀器與選定毛發(fā)毛囊單位對 準(zhǔn)(位置和定向兩者)的重復(fù)程序的流程圖。圖15描繪人類頭皮的關(guān)注區(qū)中的毛發(fā)毛囊單位的相機(jī)圖像。圖16說明毛發(fā)毛囊單位相對于相機(jī)基準(zhǔn)框架的位置和定向(即，由x、y偏移量和 平面內(nèi)及平面外角度界定)。圖17是用于識別人類頭皮的關(guān)注區(qū)中的多個(gè)毛囊單位中每一者的位置和定向且 接著采集一些或所有所識別毛囊單位的自動化程序的流程圖。圖18是使用從立體相機(jī)對獲取的圖像來識別關(guān)注區(qū)中的毛囊單位且接著計(jì)算所 識別毛囊單位的各自位置和定向的算法的流程圖。圖19是使用控制點(diǎn)來設(shè)計(jì)自然外觀(植入)發(fā)絲的算法的流程圖。圖20是使用控制點(diǎn)來向所植入毛發(fā)移植體位置提供自然外觀隨機(jī)性的算法的流 程圖。圖21是說明圖像引導(dǎo)機(jī)器人學(xué)系統(tǒng)的自動引導(dǎo)特征的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1描繪圖像引導(dǎo)的機(jī)器人學(xué)系統(tǒng)25，其包括機(jī)器人臂27，其中工具組合件30附 裝到遠(yuǎn)端工具盤20。機(jī)器人臂27優(yōu)選地是可編程的，且具有例如由Acbpt Technology, Inc. (www. adept, com)制造和經(jīng)銷的類型。適用于本發(fā)明實(shí)施例的另一機(jī)器人臂組合件的 來源是由Kuka Robot Group (www. kuka. com)制造和經(jīng)銷的。機(jī)器人臂27提供遠(yuǎn)端盤20 在六個(gè)自由度(x，y，z，ω，ρ，r)上的精確受控移動，如此項(xiàng)技術(shù)中眾所周知的。通過位于 機(jī)器人臂27的各自臂關(guān)節(jié)21處的各自馬達(dá)和編碼器，遠(yuǎn)端盤的此類移動具備高度可重復(fù) 性和準(zhǔn)確性(例如，達(dá)20微米)。各種不同末端效應(yīng)器工具和/或組合件可附裝到機(jī)器人臂27上的遠(yuǎn)端盤，以用于 對人類或動物患者執(zhí)行各種程序。借助于實(shí)例，圖1到2所示的工具組合件30經(jīng)設(shè)計(jì)以 用于從人類頭皮或其它身體表面采集毛發(fā)毛囊和將毛發(fā)毛囊植入到人類頭皮或其它身體 表面中，且包括同軸設(shè)置的采集套管38和植入套管36，其分別從外殼22的管狀延伸24處 延伸。套管36和38是軸向剛性的，例如由硬金屬或塑料制成，且是薄壁的以有利于組織穿 透。植入套管36優(yōu)選地具有針狀組織刺穿尖端，且采集套管優(yōu)選地具有組織取心(例如， 鋸齒狀)尖端。機(jī)器人臂27基于至少部分從由附裝到工具組合件外殼22的一個(gè)或一個(gè)以 上相機(jī)28獲取的圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)出的控制信號來自動且精確地將各自采集套管38和植入套管 36沿著患者的身體表面(例如，頭皮)定位在所需位置處和所需定向中。明確地說且如本文更詳細(xì)描述，機(jī)器人臂27的移動由系統(tǒng)控制器(未圖示)響應(yīng) 于從由附裝到機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端(靠近工具組合件30)的一對“立體”相機(jī)28獲取的圖像數(shù) 據(jù)導(dǎo)出的控制信號進(jìn)行管理。在替代實(shí)施例中，只需要使用單個(gè)相機(jī)來進(jìn)行圖像獲取?；?者，如圖2A描繪且如本文更詳細(xì)描述，可使用多對立體相機(jī)28A和28B以便捕獲不同(即， 較寬和較窄)的視場。在其它實(shí)施例中，可使用單個(gè)相機(jī)來捕獲第一(即，寬)視場，且可 使用第二相機(jī)來捕獲第二(即，窄)視場。其它相機(jī)配置也是可能的。由相機(jī)28獲取的圖像數(shù)據(jù)在與機(jī)器人學(xué)系統(tǒng)25相關(guān)聯(lián)的計(jì)算機(jī)(圖1中未展 示)中處理，所述計(jì)算機(jī)向系統(tǒng)控制器提供控制信號以用于指導(dǎo)機(jī)器人臂27的移動。明確 地說，以所需放大率(例如，在一個(gè)實(shí)施例中為在6x到IOx的范圍內(nèi))和工作循環(huán)(例如， 在一個(gè)實(shí)施例中為30赫茲)從所述對28的每個(gè)相機(jī)處獲取圖像。使用在計(jì)算機(jī)上的軟件 中實(shí)施的已知圖像分割技術(shù)來對所獲取的圖像進(jìn)行數(shù)字化，以便識別所關(guān)注物體的定位和 定向。在程序涉及移除或植入毛發(fā)毛囊的情況下，可能需要在程序之前用暗色對所關(guān)注的 毛發(fā)毛囊進(jìn)行染色，以便增加圖像處理技術(shù)的效果。還可能需要在所述程序之前將關(guān)注區(qū) 中的毛發(fā)毛囊切割成大致均勻的長度。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解的，可通過調(diào)節(jié)照明、相機(jī)上的濾光鏡和各種圖像 處理技術(shù)來觀看皮膚表面下方。這是因?yàn)槠つw表面對光的反射性和吸收性將基于所使用的 光的波長而改變。另外，光本身到達(dá)皮膚中的穿透深度也基于波長而變化。通過了解這些 基本的光性質(zhì)，可使用各自恰當(dāng)波長的光(包括可見光譜和紅外線)、使用不同成像濾光鏡 捕獲不同波長的光且在圖像處理期間扣除和/或組合圖像來獲得毛囊單位(毛發(fā)毛囊)的 皮下部分的圖像。這種方法使得人們能夠觀看到皮膚外側(cè)的以及皮膚表面下方的、包括一 直向下到達(dá)球狀體的毛囊單位的毛干。更明確地說，機(jī)器人學(xué)系統(tǒng)25能夠精確地追蹤遠(yuǎn)端盤(和末端效應(yīng)器工具或組合
9件)在所述六個(gè)自由度(X，Y, ζ, ω, p,r)的每一者中相對于三個(gè)不同基準(zhǔn)框架的移動。 “世界框架”的X，1，ζ坐標(biāo)原點(diǎn)位于機(jī)器人臂27的基座29的中心點(diǎn)處，其中x-y坐標(biāo)沿著 某一平面在機(jī)器人臂27的基座29所附裝的工作臺23的表面中延伸。世界框架的ζ軸垂 直于工作臺表面延伸通過機(jī)器人臂27的第一區(qū)段。“工具框架”的X，y, ζ坐標(biāo)原點(diǎn)建立 在遠(yuǎn)端工具盤處。最后，“基座框架”可相對于世界框架和工具框架對齊。每個(gè)相機(jī)還具有 (二維)相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)(“相機(jī)框架”)，其中相機(jī)的光軸(“相機(jī)軸”)穿過X，y坐標(biāo)的原 點(diǎn)。通過將各自世界框架、工具框架、基座框架和相機(jī)框架對準(zhǔn)，系統(tǒng)控制器可精確地相對 于另一物體(例如從患者皮膚表面延伸出的毛發(fā)毛囊單位)定位并定向緊固到工具盤的物 體(例如，針)。為了在物理上將相機(jī)軸與固定到機(jī)器人臂25的遠(yuǎn)端工具盤的末端效應(yīng)器工具 (例如，細(xì)長的針套管)的軸對準(zhǔn)，能夠校準(zhǔn)末端效應(yīng)器“工具軸”與相機(jī)軸之間的位置和旋 轉(zhuǎn)偏移量以及這些各自軸的平行偏差，且因此具有用以補(bǔ)償所述偏移和偏差的信息具有重 要的現(xiàn)實(shí)意義。首先，將機(jī)器人臂27的近端基座29安裝到工作臺表面23，使得工作臺表 面23與機(jī)器人系統(tǒng)的世界框架的x-y坐標(biāo)平面對準(zhǔn)。因此，位于工作臺表面任何地方的點(diǎn) 均在世界框架中具有x-y坐標(biāo)位置，這可依據(jù)離世界框架的原點(diǎn)的χ和y偏移值(例如，以 mm為單位測量)來識別，所述原點(diǎn)位于與工作臺表面23的機(jī)器人臂近端基座界面的中心點(diǎn) 處，其中所述點(diǎn)在世界框架中的ζ坐標(biāo)位置等于零。參看圖13，此校準(zhǔn)程序的實(shí)例如下在步驟160處，將固定到機(jī)器人臂27的遠(yuǎn)端 工具盤的單個(gè)相機(jī)的相機(jī)軸與位于工作臺表面23上的固定“校準(zhǔn)點(diǎn)”對準(zhǔn)。接著創(chuàng)立機(jī)器 人系統(tǒng)的基座框架，這意味著將基座框架的原點(diǎn)設(shè)置在“校準(zhǔn)點(diǎn)”處且將相機(jī)軸與工作臺表 面上的校準(zhǔn)點(diǎn)對準(zhǔn)。此初始位置被稱為“原位”位置和定向，且機(jī)器人臂27始終從這個(gè)位置 開始，甚至在缺少校準(zhǔn)點(diǎn)的情況下。在步驟162處，接著通過首先將機(jī)器人臂27 (且因此， 相機(jī))沿著基座框架的χ軸移動固定距離(例如，5mm)，使得校準(zhǔn)點(diǎn)仍被捕獲在所得圖像中 但不再與相機(jī)軸對準(zhǔn)，來確定相機(jī)圖像相對于基座框架的縮放和定向。因?yàn)橄鄼C(jī)框架x-y 軸未與基座框架x-y軸對準(zhǔn)，所以沿著基座框架的χ軸移動導(dǎo)致在相機(jī)框架中在χ和y方 向兩者上移動，且校準(zhǔn)點(diǎn)的新位置在相機(jī)框架中被測量為在含有所述經(jīng)重新定位的相機(jī)軸 的像素與含有所述校準(zhǔn)點(diǎn)的像素之間的在χ和y方向每一者上的許多圖像像素。通過將機(jī)器人臂27 (和相機(jī))沿著基座框架的y軸移動固定距離(例如，5mm)并 再次測量校準(zhǔn)點(diǎn)的新位置在相機(jī)框架中的x、y偏移量來重復(fù)此過程。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人 員將了解的，這些測量允許將機(jī)器人/相機(jī)的物理移動(以mm為單位)縮放成物體在相機(jī) 圖像中的移動(以像素為單位)，以及相機(jī)框架的x-y軸相對于基座框架的x-y軸的平面內(nèi) 定向。將進(jìn)一步了解到，在多相機(jī)系統(tǒng)中針對每個(gè)相機(jī)重復(fù)步驟160和162的縮放和定向 過程，借此還可確定并校準(zhǔn)各自相機(jī)之間的圖像移動差異。在步驟164處，一旦相對于基座框架校準(zhǔn)了相機(jī)框架，相機(jī)軸便再次與位于工作 臺23的表面上的固定校準(zhǔn)點(diǎn)對準(zhǔn)，其中基座框架返回到其“原位”位置和定向(0，0，0，0，0， 0)。接著，在所述六個(gè)自由度(x，y，z，ω，ρ，r)的一者或一者以上中移動機(jī)器人臂27，使得 附裝到工具盤的末端效應(yīng)器工具(例如，針尖)接觸校準(zhǔn)點(diǎn)。通過精確追蹤機(jī)器人臂27從 工具框架的初始原位位置/定向到其在工具尖端正接觸校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)的位置/定向的移動，系 統(tǒng)控制器計(jì)算初始原位位置與相機(jī)軸之間的平移和旋轉(zhuǎn)偏移量。因?yàn)橄鄼C(jī)固定到工具盤，所以所測量的偏移量將是恒定的，且在整個(gè)程序中用于將工具框架與相機(jī)框架(且延伸來 說，基座框架)對準(zhǔn)。如本文將更詳細(xì)描述的，當(dāng)使用立體相機(jī)對(例如，圖1中的相機(jī)對28)時(shí)，相機(jī) 的各自光軸(和相機(jī)框架)通常不會平行地安裝或維持，而是略微傾斜(例如，約10度)， 這可通過已知圖像處理技術(shù)來進(jìn)行補(bǔ)償。明確地說，各自相機(jī)框架經(jīng)對準(zhǔn)以具有共同X(水 平)軸，借此可使用圖像處理技術(shù)來對準(zhǔn)在平行圖像中捕獲的物體的位置和定向(包括平 面內(nèi)深度)。使用立體相機(jī)對28的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可基于所識別物體在各自(左與右)相機(jī)框 架中的x，y位置偏移量的差值來計(jì)算所述物體在相機(jī)框架中的“深度”。明確地說，毛發(fā)毛 囊單位(“移植體”)的植入深度對于美學(xué)結(jié)果是重要的，且是對手動實(shí)現(xiàn)(特別是關(guān)于在 植入大量移植體時(shí)可能產(chǎn)生的操作員疲勞)的挑戰(zhàn)。如果將移植體植入太深，那么產(chǎn)生草 皮狀外觀；如果植入太淺，那么產(chǎn)生凸起，或移植體可能不會保持在恰當(dāng)位置處。為了計(jì)算選定物體(例如毛發(fā)毛囊單位)的深度，必須首先對準(zhǔn)從立體相機(jī)對獲 得的左和右圖像。因?yàn)楦髯韵鄼C(jī)圖像是水平對準(zhǔn)的，所以將在所述兩個(gè)圖像的相同水平掃 描線中出現(xiàn)相同物體。并且，因?yàn)檎诔上竦奈矬w相對于相機(jī)透鏡的深度在已知范圍(例 如，由各自相機(jī)的焦距建立)中，所以可通過在與第二圖像中(S卩，相同掃描線中)的可能 候選物體配對時(shí)計(jì)算物體的有效深度以確定哪一“對”具有處于可能范圍內(nèi)的計(jì)算深度，來 將第一圖像中的選定物體(例如，毛發(fā)毛囊單位)匹配到第二圖像中的其本身(以進(jìn)而將 所述圖像彼此對準(zhǔn))。使用立體相機(jī)對28的另一優(yōu)點(diǎn)是能夠在從中獲得關(guān)于皮膚表面上的關(guān)注物體 (例如，毛發(fā)毛囊、皺紋線、紋身、痣等)的位置和定向的圖像數(shù)據(jù)的相同基準(zhǔn)框架中獲得關(guān) 于末端效應(yīng)器工具(例如，圖1到2中所示的毛發(fā)毛囊單位采集套管38)的位置和定向的 圖像數(shù)據(jù)。以上文針對單個(gè)相機(jī)框架描述的相同方式來用工具框架校準(zhǔn)各自左和右相機(jī)框 架。一旦確立這些偏移量，便可在工具框架中確定并追蹤末端效應(yīng)器工具和皮膚表面上的 物體(例如，毛發(fā)毛囊單位)的相對位置和定向。圖14是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于將毛囊單位采集套管38的細(xì)長軸的位置和 定向與從頭皮延伸的毛發(fā)毛囊單位的細(xì)長軸線對準(zhǔn)的程序的簡化流程圖，其中僅使用單個(gè) 相機(jī)來進(jìn)行圖像獲取。如下文更詳細(xì)描述，采集套管38大體上包含具有鋸齒狀遠(yuǎn)端的中空 管狀套管，所述鋸齒狀遠(yuǎn)端用于刺穿緊鄰毛囊單位的外部圓周周圍的表皮和真皮，以便例 如通過以鉆狀運(yùn)動旋轉(zhuǎn)套管38或通過沿著其縱軸快速往復(fù)推動來包圍、俘獲并從位于真 皮下方的脂肪皮下組織移除整個(gè)毛囊單位。可通過其自身縱向運(yùn)動(即，相對于其所附裝 的工具盤)或通過機(jī)器人臂27的縱向運(yùn)動或通過兩者組合來推進(jìn)和撤回采集套管38，以便 例如通過摩擦力和/或借助于弱真空來對各自毛囊單位進(jìn)行取心并將其移除。舉例來說， 工具組合件30可具有與機(jī)器人學(xué)系統(tǒng)25分開的其自身控制器和致動系統(tǒng)。下文結(jié)合對圖3到11的實(shí)施例的描述來提供對毛囊采集和植入工具組合件30的 更詳細(xì)描述。還應(yīng)了解，用于將采集套管38的細(xì)長軸與毛發(fā)毛囊單位的細(xì)長軸對準(zhǔn)的定位 和定向過程將具有比剛才針對毛發(fā)移除和/或植入程序描述的寬得多的適用性。借助于非 限制性實(shí)例，大致相似的定位和定向程序可用于以及時(shí)且精確的方式將激光器或注射針與 患者皮膚表面上的所需物理特征和/或位置對準(zhǔn)。在已經(jīng)起始并校準(zhǔn)機(jī)器人系統(tǒng)25以使得相機(jī)框架與工具框架對準(zhǔn)(上文結(jié)合圖13描述)之后，由系統(tǒng)計(jì)算機(jī)獲取并處理圖像數(shù)據(jù)以在相機(jī)框架中識別關(guān)注物體。借助于 實(shí)例，圖15描繪人類頭皮的關(guān)注區(qū)150中的毛發(fā)毛囊單位的相機(jī)圖像。從這個(gè)關(guān)注區(qū)150 的圖像中，駐存在計(jì)算機(jī)中的圖像分割和篩選軟件識別并選擇一個(gè)或一個(gè)以上所關(guān)注的特 定毛囊單位以從頭皮采集。參看圖16，依據(jù)其在相機(jī)框架中的x，y偏移坐標(biāo)來識別選定毛 發(fā)毛囊單位152的位置(ζ軸是相機(jī)光軸，其優(yōu)選地大致垂直于所述區(qū)150處的頭皮表面而 對準(zhǔn))。除非相機(jī)軸碰巧與毛囊單位152的縱軸完全對準(zhǔn)(在此情況下，毛囊單位將呈現(xiàn) 為表示毛干的端視圖的圓點(diǎn))，否則毛囊單位的圖像將呈細(xì)長線形狀，其“表觀”長度將取決 于相機(jī)框架相對于毛囊單位的角度。由于毛發(fā)毛囊單位的物理屬性，可作為圖像分割過程 的一部分容易地區(qū)分其基部(即，從真皮冒出的末端)和其尖端。舉例來說，基部部分具有 不同的輪廓且大體上厚于遠(yuǎn)端尖端部分。而且，通?？勺R別出毛囊單位的陰影，在定義上其 “附著”在基部處。接著計(jì)算毛囊單位基部在相機(jī)框架中的X，y位置，且其表示毛發(fā)基部的位置偏移 量。還依據(jù)以下各項(xiàng)來計(jì)算毛囊單位152的定向偏移量(i)由所識別毛囊單位軸線相對于 相機(jī)框架的χ(或y)軸并在與相機(jī)框架的χ(或y)軸相同的平面中形成的平面內(nèi)角度α ； 和(ii)在毛囊單位軸線與頭皮之間(即，在毛囊單位與相機(jī)框架的x，y軸的平面之間)形 成的作為“表觀”角度的平面外角度δ。如上文提到的，優(yōu)選地在所述程序之前將毛干修整 到大致已知長度(例如，2mm)，所以可基于毛囊單位圖像的測量表觀長度與其推測實(shí)際長 度的比率來計(jì)算平面外角度、所述比率等于平面外角度δ的余弦。返回到圖14，在步驟142處，針對選定毛發(fā)毛囊單位識別x，y位置和定向偏移量， 如上文所述。計(jì)算機(jī)接著計(jì)算機(jī)器人臂27用以致使將相機(jī)軸對準(zhǔn)在具有所計(jì)算偏移量的 相同位置和定向中的必要移動?；蚣芎凸ぞ呖蚣芤病耙苿印毕嗤摩?，y和旋轉(zhuǎn)偏移量 (即，直到角度α和δ兩者均等于0為止)，使得相機(jī)、基座和工具框架在相機(jī)軸的新位置 和定向處保持對準(zhǔn)。由于系統(tǒng)和假設(shè)(例如，關(guān)于毛發(fā)毛囊單位長度)中固有的可能偏差 和誤差，毛發(fā)毛囊單位的實(shí)際位置和定向可能不與計(jì)算值匹配。因此，一旦機(jī)器人臂27 (和 相機(jī)軸)移動了所計(jì)算的位置和旋轉(zhuǎn)偏移量，便再次對毛囊單位進(jìn)行成像且(在步驟146 處)確定相機(jī)軸是否在可接受容差內(nèi)與毛囊單位的位置和定向?qū)?zhǔn)。如果相機(jī)軸與毛囊單 位充分對準(zhǔn)，那么最后一次移動機(jī)器人臂27 (在步驟148處)以便將采集套管38對準(zhǔn)在相 機(jī)軸的“確認(rèn)”位置中(即，基于在上述校準(zhǔn)過程中獲得的偏移量)。然而，如果(在步驟 146中)相機(jī)軸沒有與毛發(fā)毛囊單位充分對準(zhǔn)，那么從新的相機(jī)軸位置開始，重復(fù)步驟142 到146中的程序。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解的，在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖像獲取和處理的工作 循環(huán)比機(jī)器人臂27的移動實(shí)質(zhì)上快得多，且在機(jī)器人臂正在移動時(shí)，可有效地“在運(yùn)行中” 完成識別并計(jì)算選定毛發(fā)毛囊單位相對于相機(jī)軸的位置和定向偏移量的過程。因此，可 (視情況)在采集套管38移動到與毛囊單位對準(zhǔn)時(shí)不斷調(diào)節(jié)(即，微調(diào))機(jī)器人臂27 (和 采集套管38)的末端目的地(即，位置和定向)。因?yàn)榇祟愓{(diào)節(jié)立即開始，所以機(jī)器人臂27 的移動更為流暢且較為平穩(wěn)。此重復(fù)反饋過程(稱為“視覺伺服”)連續(xù)計(jì)算并改善采集套 管38的所需位置和定向，以便將毛發(fā)毛囊單位的圖像減到最小，即直到圖像從線轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn) 為止。因此，圖像引導(dǎo)機(jī)器人學(xué)系統(tǒng)25可用于執(zhí)行用于識別患者頭皮的關(guān)注區(qū)中的大
12量毛發(fā)毛囊單位的位置和定向的自動化或半自動化程序，且接著準(zhǔn)確采集一些或所有所述 毛囊單位。附裝到機(jī)器人臂的工作遠(yuǎn)端的一個(gè)或一個(gè)以上相機(jī)俘獲患者頭皮的選定區(qū)域的 具有所需放大倍數(shù)的圖像。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理所述圖像并識別(通過已知閾值處理和分割技 術(shù))個(gè)別毛發(fā)毛囊單位，以及其各自相對于相機(jī)框架的位置和定向。通過用戶界面(例如， 顯示器和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo))，外科主治醫(yī)生可在頭皮上界定將從中采集毛發(fā)毛囊單位的區(qū) 并界定采集圖案，例如在所述區(qū)中取走每隔一個(gè)毛發(fā)毛囊單位從而在所采集毛囊單位之間 留下界定數(shù)目的毛囊單位，取走特定百分比的毛囊單位從而留下美學(xué)上可接受的圖案等。舉例來說，外科主治醫(yī)生可使用從寬視場立體相機(jī)對獲得的圖像來粗略定位關(guān)注 區(qū)，同時(shí)使用從窄視場立體相機(jī)對獲得的圖像來對個(gè)別選定毛囊單位準(zhǔn)確引導(dǎo)采集工具。 一旦已經(jīng)識別出待采集的毛發(fā)毛囊單位，機(jī)器人學(xué)系統(tǒng)便有系統(tǒng)地將采集工具(例如，采 集套管38)與待采集的每根毛發(fā)對準(zhǔn)；采集各自毛發(fā)毛囊，且針對界定采集區(qū)中的所有選 定毛囊單位重復(fù)所述過程。將了解，在一些情況下，接著在患者頭皮的另一部分中植入正被 采集的個(gè)別毛發(fā)毛囊單位，而在其它實(shí)例中，丟棄所采集的毛發(fā)毛囊單位。還將了解到，除 了例如套管38的取心采集工具外，可采用另一類型的毛發(fā)移除末端效應(yīng)器工具，例如激光 器。還將進(jìn)一步了解到，上述用于將相機(jī)框架與機(jī)器人工具框架對準(zhǔn)以精確對準(zhǔn)末端效應(yīng) 器工具的技術(shù)可同樣適用于其它類型的末端效應(yīng)器工具，例如用于注射墨水以在患者的皮 膚表面上形成紋身的注射針(或多個(gè)注射針)。圖17是用于識別患者頭皮的關(guān)注區(qū)中的所有毛囊單位的位置和定向且接著準(zhǔn)確 采集一些或所有所識別毛囊單位的自動化(或半自動化)程序的流程圖。圖18是使用立體相機(jī)對來識別患者頭皮的關(guān)注區(qū)中的個(gè)別毛囊單位且接著計(jì)算 每一者在各自相機(jī)框架和機(jī)器人工具框架中的位置和定向的程序的流程圖。根據(jù)眾所周知 的技術(shù)，通過校準(zhǔn)所述立體相機(jī)對以識別固有和非固有參數(shù)來開始所述程序。固有參數(shù)是 個(gè)別相機(jī)所固有的，例如內(nèi)部光學(xué)、失真、縮放等。非固有參數(shù)涉及兩個(gè)相機(jī)之間的特性，例 如其各自光軸的對準(zhǔn)差異(所述光軸理想地彼此平行，但由于這在實(shí)際上不太可能，因而 需要數(shù)學(xué)補(bǔ)償)。固有和非固有參數(shù)的校準(zhǔn)在立體成像領(lǐng)域中是眾所周知的，且本文將不再 詳細(xì)解釋。如上論述，在左和右矯正圖像兩者中識別并匹配毛發(fā)毛囊的中心的位置。接著在 所述左和右圖像兩者中識別每個(gè)毛發(fā)毛囊的頭部和尾部，其中可計(jì)算所述毛發(fā)毛囊的頭部 和尾部的三維坐標(biāo)。最后，根據(jù)眾所周知的立體成像技術(shù)，通過采用看見套管和毛發(fā)毛囊兩 者的相機(jī)的圖像來確定毛發(fā)毛囊和套管的位置和定向的相對偏移量。毛發(fā)移植程序的美學(xué)結(jié)果部分取決于以自然外觀圖案植入移植體。計(jì)算機(jī)可有效 地通過在植入部位的較小片斷(外科醫(yī)生針對其確定移植體位置和定向)間“填補(bǔ)空白”來 “增強(qiáng)”外科醫(yī)生技能。實(shí)現(xiàn)自然外觀的發(fā)絲對于良好的美學(xué)結(jié)果特別重要。代替辛苦地 為所有近發(fā)絲植入部位制作切口，外科醫(yī)生指出一些發(fā)絲植入位置和定向且計(jì)算機(jī)通過在 指定部位間進(jìn)行內(nèi)插來填補(bǔ)剩余部分，其使用成像系統(tǒng)來識別并避免現(xiàn)有毛囊單位。圖19 說明使用控制點(diǎn)來設(shè)計(jì)自然外觀發(fā)絲的算法。使用控制點(diǎn)，基于(例如)b樣條函數(shù)三次多 項(xiàng)式來設(shè)計(jì)曲線?？刂泣c(diǎn)由操作者指定。指定位于所述控制點(diǎn)的每一者處的毛發(fā)的定向。 (例如)通過內(nèi)插法來以給定間隔識別沿著所述曲線的點(diǎn)。沿著所述曲線的點(diǎn)的位置可以 被隨機(jī)化以制作自然外觀的發(fā)絲。隨機(jī)化量可以是用戶指定的或計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的。優(yōu)選的是
13毛囊單位定向不被隨機(jī)化而是(例如)以產(chǎn)生三次樣條相同的方式進(jìn)行內(nèi)插。位置隨機(jī)化 和定向內(nèi)插形成更具自然外觀的植入。自然外觀的隨機(jī)性在臨界發(fā)絲區(qū)和受體部位的平衡中是重要。這可使用圖20所 說明的程序來實(shí)現(xiàn)，其中使用控制點(diǎn)基于(例如)b樣條函數(shù)三次曲面來設(shè)計(jì)表面。并且， 指定位于所述控制點(diǎn)的每一者處的毛發(fā)的定向。以給定間隔識別沿著所述表面的植入點(diǎn)。 可對沿著表面的點(diǎn)的位置進(jìn)行隨機(jī)化，以制作自然外觀的毛發(fā)分布。隨機(jī)化量可以是用戶 指定的或計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的。而且，各自毛囊單位的定向優(yōu)選地不被隨機(jī)化，而是以產(chǎn)生三次樣 條表面相同的方式進(jìn)行內(nèi)插。隨機(jī)化和內(nèi)插方案在此項(xiàng)技術(shù)中是已知的，且可適用于此方 法。通常需要使受體區(qū)中的現(xiàn)有毛發(fā)保持其自然長度，這可干擾視覺系統(tǒng)接近個(gè)別受 體部位。這可通過對準(zhǔn)于受體部位的柔和空氣噴嘴來克服，其致使將所述區(qū)中的毛發(fā)引導(dǎo) 離開目標(biāo)部位。如果必要的話，可弄濕毛發(fā)以有利于此步驟?？諝鈬娮爝€可分散從切開受 體部分冒出的血液，因而在移植體植入期間維持視覺接近。此類空氣噴嘴可以是附裝到機(jī) 器人臂工具盤的較復(fù)雜工具組合件的一部分。機(jī)器人學(xué)系統(tǒng)25使用來自視覺系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息來監(jiān)視患者的位置(通常在頭皮 的受體區(qū)中使用基準(zhǔn)標(biāo)記)、植入工具的位置和現(xiàn)有毛囊單位的位置，以將植入工具引導(dǎo)到 適當(dāng)位置來切開受體部位并植入移植體。圖21展示機(jī)器人系統(tǒng)的自動引導(dǎo)特征的實(shí)例，其 中包括相對于全局標(biāo)志(例如，現(xiàn)有毛發(fā)、紋身或其它顯著特征)來計(jì)劃植入位置和定向的 步驟。接著，移動機(jī)器人以對齊患者上的標(biāo)志。對齊信息可存儲在存儲器中以供參考。機(jī) 器人可利用經(jīng)對齊的標(biāo)志作為參考點(diǎn)來辨別其相對于工作表面的位置。相對于全局標(biāo)志將 機(jī)器人移動到植入位置和定向中的每一者。全局標(biāo)志提供用于全局移動的全局參考?；?例如相鄰先前存在毛發(fā)或新近植入毛發(fā)等附近標(biāo)志來對位置和定位進(jìn)行微調(diào)。附近標(biāo)志提 供用于局部移動的局部參考。毛發(fā)移植大體上包括三個(gè)步驟采集毛囊單位；切開受體部位；和將毛囊單位放 置在切口中。圖3展示用于執(zhí)行所有這三個(gè)功能的三零件工具32的一個(gè)實(shí)施例。雖然所 述三零件工具32的隨后描述是參考其用作攜載在圖1的系統(tǒng)25的機(jī)器人臂27上的工具 組合件30的一部分的，但將了解所述三零件工具32的手持和操作實(shí)施例也是可能的。更 明確地說，三零件工具32包括外部(“植入”)套管36，其具有用于在身體表面的受體(植 入)部位處制作切口的開放的組織刺穿(例如，斜面)遠(yuǎn)端37。內(nèi)部(“采集”)套管38 同軸定位在植入套管36的內(nèi)腔中，且具有開放的組織取心(例如，粗糙或鋸齒狀)遠(yuǎn)端40。 采集套管38具有內(nèi)腔，所述內(nèi)腔經(jīng)恰當(dāng)大小設(shè)計(jì)以用于通過對各自毛囊單位取心并將其 從身體表面(通常但未必是頭皮)抽取來采集單個(gè)人類毛發(fā)毛囊單位。借助于非限制性實(shí)例，采集套管38的實(shí)施例可具有直徑在大約0. 3毫米到2. 0毫 米范圍內(nèi)的內(nèi)腔。在一個(gè)實(shí)施例中，采集套管內(nèi)腔的直徑為大約1毫米。顯然，可使用具有 不同大小的采集套管38來采集單毛囊毛囊單位而并非采集多毛囊毛囊單位。在任一情況 下，采集套管內(nèi)腔的內(nèi)壁表面可具有紋理以有利于摩擦夾持各自毛囊單位，以在對其取心 之后將其從身體表面抽取。還參看圖4和5，工具組合件30包括馬達(dá)驅(qū)動組合件60，其安裝在外殼22中且經(jīng) 配置以接納和在操作上嚙合三零件工具32的組合零件。明確地說，植入套管36固定附裝到近端輪轂34，所述近端輪轂34包括遠(yuǎn)端對向錐形部分34a和近端導(dǎo)向嚙合部分34b。嚙 合部分34b可與馬達(dá)驅(qū)動組合件60中從管狀套筒65延伸的彈性夾具63拆卸式耦合(搭 扣配合)。在所說明的實(shí)施例中，夾具63包含多個(gè)彈性壁部件67，其附裝到管狀套筒65或 與管狀套筒65成一體式。將了解，可在替代實(shí)施例中采用其它拆卸式耦合機(jī)構(gòu)。管狀套筒 65嚙合由馬達(dá)驅(qū)動組合件60的第一馬達(dá)62驅(qū)動的齒條齒輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)81，使得當(dāng)輪轂34 耦合到夾具63時(shí)，馬達(dá)62/驅(qū)動機(jī)構(gòu)81提供植入套管36相對于采集套管38 (且還相對于 工具組合件外殼22/24)的軸向(即，往復(fù))運(yùn)動。采集套管38在近端延伸通過植入套管輪轂34的鏜孔45和植入套管36，且固定附 裝到引腳鉗43的遠(yuǎn)端卡盤部分43a，所述引腳鉗43坐落于輪轂34的鏜孔中并可相對于其 旋轉(zhuǎn)。細(xì)長主體46坐落于引腳鉗43中并固定附裝到所述引腳鉗43，且包括一個(gè)或一個(gè)以 上嚙合遠(yuǎn)端突出管狀驅(qū)動部件(未圖示-在內(nèi)部延伸穿過外殼93)中的相應(yīng)插槽組(未圖 示)的徑向向外延伸凸緣48，所述遠(yuǎn)端突出管狀驅(qū)動部件耦合到由馬達(dá)驅(qū)動組合件60的第 二馬達(dá)64驅(qū)動的輸出齒輪87，以進(jìn)而分別圍繞采集套管38的縱軸旋轉(zhuǎn)各自細(xì)長主體65和 采集套管38。如將了解的，可在替代實(shí)施例中使用皮帶傳動或用于旋轉(zhuǎn)管狀驅(qū)動部件(且 進(jìn)而，采集套管38)的其它裝置。細(xì)長主體46進(jìn)一步包括位于凸緣48的近端處的凹陷區(qū) 段44，其落座環(huán)形保持部件50以用于與管狀驅(qū)動組件(嚙合凸緣48的凹槽的近端)拆卸 式耦合(經(jīng)由搭扣配合型連接)，進(jìn)而在工具32與馬達(dá)驅(qū)動組合件60耦合時(shí)將采集套管 38保持在恰當(dāng)位置。細(xì)長閉塞器52滑動式定位在采集套管38的內(nèi)腔中，且其近端附裝到與由馬達(dá)驅(qū) 動組合件60的第三馬達(dá)66驅(qū)動的線性(“螺桿傳動”)驅(qū)動機(jī)構(gòu)(未圖示)嚙合的落座部 件54，以選擇性地在閉塞器52上提供相對于采集套管38的指向遠(yuǎn)端的“推”力。彈簧53 落座于形成在細(xì)長主體46的近端帽51中的環(huán)形凹口 49中，且延伸(在閉塞器52上方) 到落座部件54的遠(yuǎn)端側(cè)。彈簧53向落座組件施加的指向近端的“拉”力，以進(jìn)而抵靠著螺 桿傳動偏置閉塞器。驅(qū)動馬達(dá)組合件進(jìn)一步包括“釋放”馬達(dá)67，其經(jīng)由管狀釋放部件86抵靠著端帽 51施加指向遠(yuǎn)端的(推)力，這致使各自附裝耦合(即，植入套管輪轂34b與夾具63，以及 采集套管保持部件50與管狀驅(qū)動部件)去耦以將工具32從工具組合件30移除，(例如) 用于替換植入套管36和采集套管38中的一者或兩者。以此方式，可通過(在近端方向上) 將工具32 ( “后裝式”)插入穿過外殼22的管狀延伸體24直到各自耦合體34b和50與其 在馬達(dá)驅(qū)動組合件60中的對應(yīng)體搭扣到恰當(dāng)位置為止來將多零件工具32加載到工具組合 件30中，且通過由馬達(dá)67向釋放部件86施加足夠的力以將各自耦合體去耦來釋放所述多 零件工具32。止動部件55附裝到閉塞器52，其在釋放部件86向端帽51施加向下力時(shí)鄰 接端帽的遠(yuǎn)端側(cè)，使得閉塞器52在從馬達(dá)驅(qū)動組合件60 (且從工具組合件30)釋放時(shí)伴隨 工具32的剩余部分。馬達(dá)驅(qū)動組合件60進(jìn)一步包含控制電路，其用于控制各自馬達(dá)62、64、66和67的 操作。控制電路可包括與馬達(dá)驅(qū)動組合件60相關(guān)聯(lián)的獨(dú)立處理器(未圖示)，其接收來自 機(jī)器人系統(tǒng)25的信息作為輸入，其中包括但不限于從各自套管36、38和身體表面/物體 (例如，毛發(fā)毛囊)的獲取圖像中獲得的定位數(shù)據(jù)。另外或替代地，各自編碼器可在操作上 與馬達(dá)62、64、66和67中的一者或一者以上耦合以用于追蹤植入套管36、采集套管38和/
15或閉塞器52的相對移動和(因此)位置信息。對于從身體表面(例如，頭皮)采集毛囊單位來說，機(jī)器人臂27定位采集套管38 并將采集套管38與待采集的選定毛囊單位的縱軸對準(zhǔn)。接著，通過機(jī)器人臂27的運(yùn)動將 采集套管38推進(jìn)到選定毛囊單位上方，其中伴隨著通過馬達(dá)64造成的采集套管38圍繞其 縱軸的同時(shí)旋轉(zhuǎn)移動，其中套管38的開放遠(yuǎn)端40穿透身體表面到達(dá)圍繞所述毛囊單位并 在其下方的皮下脂肪層中。在替代實(shí)施例中，可在馬達(dá)驅(qū)動組合件60中另外提供線性驅(qū)動 機(jī)構(gòu)以提供采集套管38相對于工具組合件外殼20 (和植入套管36)的獨(dú)立受控軸向平移。 接著，通過機(jī)器人臂27的運(yùn)動將采集套管38從身體表面撤回以進(jìn)而抽取毛囊單位，所述毛 囊單位攜載在采集套管的內(nèi)腔中。在一些實(shí)施例中，可選擇性地將真空源放置為與采集套 管內(nèi)腔連通以施加指向近端的“拉”力，以有利于夾持并抽取毛囊單位，并且?guī)椭诓杉?囊單位之后將其保持在采集套管中。對于植入來說，通過機(jī)器人臂27將工具組合件30重新定位到身體表面的選定植 入部位。在植入部位處，在植入時(shí)，植入套管36的縱軸優(yōu)選地與毛囊單位的所需定向?qū)?zhǔn)。 參看圖6A到B，將植入套管36的組織刺穿遠(yuǎn)端37推進(jìn)到采集套管38上方并進(jìn)入身體表 面68中，從而形成具有恰當(dāng)深度和大小的皮下植入腔70以用于接納所采集的毛囊單位72。 套管36的此刺穿運(yùn)動由馬達(dá)62自動控制，且優(yōu)選地是非?？焖俚模员銓χ踩肭?0的 組織表面74的損傷減到最小。在一個(gè)實(shí)施例(圖6A所示)中，通過閉塞器52(在馬達(dá)66的控制下)將毛囊單 位72從采集套管內(nèi)腔76(自從被采集以來其在此處保持不動)軸向移動到植入套管內(nèi)腔 78的遠(yuǎn)端部分中。這種將毛囊單位72從采集套管內(nèi)腔76重新定位到植入套管內(nèi)腔78中 可在植入套管36已經(jīng)刺穿身體表面68之前、期間或之后發(fā)生。此后，在植入套管36通過 相對于閉塞器52的平移移動來從身體表面68撤回時(shí)，閉塞器將毛囊單位72維持在植入腔 70中。一旦植入套管36被撤回，閉塞器52便也被撤回，其中毛囊單位72被植入在身體表 面中。閉塞器52的遠(yuǎn)端對向末端80優(yōu)選地為凹陷的，以為從毛囊單位72突出的一個(gè)或一 個(gè)以上毛發(fā)毛囊82提供空間。在另一實(shí)施例(圖6B所示)中，將植入套管36和采集套管38的各自遠(yuǎn)端對準(zhǔn) (即，通過植入套管36的相對移動)，使得其各自遠(yuǎn)端37和40為近似共同延伸的。這種將 各自套管遠(yuǎn)端37和40對準(zhǔn)可在植入套管穿透身體表面以形成植入腔70之前、期間或之后 發(fā)生。此后，將各自套管36和38從植入腔70撤回，而將毛囊單位72保持在其中，即通過機(jī) 器人臂27移動離開身體表面68和閉塞器52同時(shí)朝向身體表面68移動。在馬達(dá)驅(qū)動組合 件60中具有線性驅(qū)動機(jī)構(gòu)以用于提供采集套管38相對于工具組合件外殼20 (和植入套管 36)的獨(dú)立受控軸向平移的替代實(shí)施例中，可通過馬達(dá)驅(qū)動組合件60的操作相對于(且不 需要閉塞器52的同時(shí)移動)閉塞器52將各自套管36和38從植入腔70撤回。在其它替 代實(shí)施例中，選擇性地放置為與采集套管內(nèi)腔76連通的加壓空氣源可用于在撤回套管36 和38時(shí)將毛囊單位72保持在植入腔70中。圖7說明根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的機(jī)器人學(xué)系統(tǒng)25的遠(yuǎn)端部分。力傳感器100 緊固到壁104、安裝到所述力傳感器100的盤102和緊固到所述盤102的馬達(dá)驅(qū)動或“定位” 組合件106?；蛘撸霰P102可直接緊固到壁104，在此情況下，力傳感器100可緊固在定 位組合件106與盤102之間?；蛘?，力傳感器100可定位在定位組合件106內(nèi)。力傳感器100經(jīng)配置以感測三個(gè)不同正交方向X、Y、Z中的三個(gè)力Fx、Fy、Fz和三個(gè)正交力矩Mx、My、 Mz。在其它實(shí)施例中，力傳感器100可經(jīng)配置以感測所述力Fx、Fy、Fz中的一者或兩者和/ 或所述力矩Mx、My、Mz中的一者或兩者。如所述圖式中所示，力傳感器100耦合到計(jì)算機(jī) 120，所述計(jì)算機(jī)120從力傳感器100接收表示所感測的力和/或力矩的數(shù)據(jù)。在其它實(shí)施 例中，力傳感器數(shù)據(jù)可直接傳到機(jī)器人。在以上采集和植入過程期間，力傳感器100監(jiān)視從定位組合件106傳輸?shù)囊粋€(gè)或 一個(gè)以上力/力矩分量。舉例來說，力傳感器100可監(jiān)視力Fz，其方向向量近似平行于采集 套管200的軸。將所感測的力Fz傳輸?shù)接?jì)算機(jī)120，計(jì)算機(jī)120確定所感測力Fz的量值 是否處于可接受限度內(nèi)。在一些實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)120經(jīng)配置(例如，編程)以在所感測力 Fz超過規(guī)定限度的情況下停止采集過程或植入過程，所述規(guī)定限度可指示采集套管200或 植入套管202正按壓著頭骨(舉例來說)。因而，力傳感器100提供防止采集套管200和植 入套管202無意地傷害患者的安全特征。代替使用力傳感器100作為安全特征或除此之外，還可使用力傳感器100來控制 采集套管200和/或植入套管202的定位。當(dāng)采集套管200正推進(jìn)穿過皮膚并進(jìn)入皮膚下 方的組織中時(shí)，其經(jīng)歷力Fz，所述力Fz表示取心針200遭遇的阻力。圖12說明表示采集 套管200在推進(jìn)穿過皮膚并進(jìn)入組織中時(shí)感測到的阻力Fz的力圖。此力Fz由定位組合件 106內(nèi)的各種組件傳輸?shù)搅鞲衅?00，力傳感器100測量此力Fz且將力數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算 機(jī)120。因?yàn)槠つw表面相對較堅(jiān)韌，所以最初當(dāng)采集套管200推壓皮膚時(shí)，其將不會立即穿 透皮膚且將經(jīng)歷由皮膚表面提供的阻力Fz。阻力Fz從零增加到值Fp，在值Fp點(diǎn)處，采集 套管200穿透皮膚。因?yàn)槠つw下方的組織與皮膚相比相對較軟，所以采集套管200所經(jīng)歷 的阻力Fz將在穿透皮膚之后小于Fq。如圖12所示，在達(dá)到值Fp之后，力曲線回落到第二值Fs，所述第二值Fs表示取心 針200在已經(jīng)穿透皮膚表面之后感測到的阻力。隨著采集套管200繼續(xù)被推進(jìn)到組織中， 力Fz將繼續(xù)從那一點(diǎn)增加。這是因?yàn)殡S著將采集套管200的更多部分推進(jìn)到組織中，其將 接觸皮膚下方的更多組織，進(jìn)而增加采集套管200與組織之間的表面摩擦量。在一些情況 下，如果采集套管200碰撞到骨頭，那么力圖將產(chǎn)生峰值(圖式中以虛線展示)。計(jì)算機(jī)120 可經(jīng)編程以監(jiān)視在采集過程期間推進(jìn)采集套管200時(shí)產(chǎn)生的力曲線，并基于所述力曲線控 制采集套管200。舉例來說，在一些實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)120激活定位組合件106中的定位器 以用第一速率推進(jìn)采集套管200，直到觀測到力曲線傾斜為止，這指示采集套管200已經(jīng)穿 透皮膚。計(jì)算機(jī)120接著激活定位器以用第二速率推進(jìn)采集套管200，直到實(shí)現(xiàn)所需的穿透 深度為止。在一些實(shí)施例中，第一速率可能比第二速率快。在所說明的實(shí)施例中，定位組合件106包括用于與套管組合件110嚙合的保持單 元109和多個(gè)定位器107a到107c。保持單元109經(jīng)配置以與套管組合件110的不同零件 嚙合，使得套管組合件110 (作為整體)可由定位組合件106定位。保持單元109還允許在 套管組合件110與保持單元109嚙合之后控制套管組合件110的不同組件。定位器107a 到107c經(jīng)配置以用于在套管組合件110已經(jīng)與保持單元嚙合之后移動套管組合件110的 不同組件。雖然展示了三個(gè)定位器107a到107c，但在其它實(shí)施例中，定位組合件106可包 括多于或少于三個(gè)定位器107。在一些實(shí)施例中，定位組合件106可包括圖5的馬達(dá)驅(qū)動組 合件，其包括用于移動套管組合件110的不同組件的三個(gè)馬達(dá)(定位器)，加上用于使套管組合件110從定位組合件脫離的額外馬達(dá)。圖8說明根據(jù)一些實(shí)施例來構(gòu)造的保持單元109。保持單元109包括用于嚙合套 管組合件110的第一部分的第一嚙合部分122、用于嚙合套管組合件110的第二部分的第二 嚙合部分124和用于嚙合套管組合件110的第三部分的第三嚙合部分126。圖9A說明根據(jù)一些實(shí)施例的套管組合件110。套管組合件110具有與圖3到4 所示的工具32類似的配置。套管組合件110包括采集套管200、植入套管202和柱塞(閉 塞器)204。采集套管200具有近端212、遠(yuǎn)端214、在近端212與遠(yuǎn)端214之間延伸的主體 215和至少部分由主體215界定的內(nèi)腔217。在所說明的實(shí)施例中，內(nèi)腔217具有介于0. 3 毫米到2. 0毫米之間(且更優(yōu)選地為大約1毫米)的橫截面尺寸。套管組合件110進(jìn)一步 包括軸桿216，其具有近端218、遠(yuǎn)端220和在近端218與遠(yuǎn)端220之間延伸的內(nèi)腔222。采 集套管200的近端212緊固到軸桿216的遠(yuǎn)端220。植入套管202具有近端232、遠(yuǎn)端234、 在近端232與遠(yuǎn)端234之間延伸的主體230和位于主體230內(nèi)的內(nèi)腔236。內(nèi)腔236具有 經(jīng)大小設(shè)計(jì)以至少容納采集套管200的一部分且允許采集套管200相對于植入套管202滑 動的橫截面尺寸。植入套管202的遠(yuǎn)端234具有用于刺穿組織的鋒利尖端250。在所說明的實(shí)施例中，采集套管200的遠(yuǎn)端214具有管狀配置(圖9B)。在此類 情況下，采集套管200的邊緣252可具有用于允許采集套管200穿透組織的鋒利配置。在 其它實(shí)施例中，采集套管200的遠(yuǎn)端214可具有弧形配置(圖9C)。在此類情況下，弧形部 分的末端254可具有用于在采集套管200圍繞其軸旋轉(zhuǎn)時(shí)允許采集套管200切割組織的鋒 利配置。在另外實(shí)施例中，采集套管200的遠(yuǎn)端214可包括多個(gè)切割部分256，其中每個(gè)切 割部分256均具有用于切割組織的鋒利邊緣258 (圖9D)。應(yīng)注意到，采集套管200的遠(yuǎn)端 214并不限于先前描述的實(shí)例，且遠(yuǎn)端214可在其它實(shí)施例中具有其它配置，只要其可對組 織進(jìn)行取心。套管組合件110進(jìn)一步包括第一嚙合部分238和第二嚙合部分240。第一嚙合部 分238具有管狀配置，且緊固到軸桿216。第二嚙合部分也具有管狀配置，且緊固到植入套 管202的近端232。第一和第二嚙合部分238、240經(jīng)大小和形狀設(shè)計(jì)以與保持單元109的相 應(yīng)組件嚙合。應(yīng)注意到，第一和第二嚙合部分238、240不限于所說明的配置的實(shí)例，且嚙合 部分238、240可在其它實(shí)施例中具有其它配置。舉例來說，在替代實(shí)施例中，嚙合部分238 不具有管狀配置。在此類情況下，嚙合部分238可以是緊固到軸桿216的表面或從其延伸 的結(jié)構(gòu)。類似地，在其它實(shí)施例中，嚙合部分240可以是緊固到植入套管202的表面或從其 延伸的結(jié)構(gòu)，且不需要具有管狀配置。如所述圖式展示，套管組合件110還包括緊固到軸桿 216的連接器248。連接器248具有類似球體的形狀，但可在其它實(shí)施例中具有其它形狀。柱塞204具有近端242和遠(yuǎn)端244。柱塞204至少部分位于采集套管200的內(nèi)腔 217內(nèi)，且可相對于采集套管200滑動。套管組合件110進(jìn)一步包括耦合到柱塞204以用于 在近端方向相對于采集套管200偏置柱塞204的彈簧246。在所說明的實(shí)施例中，柱塞204 被描述為套管組合件110的組件。在其它實(shí)施例中，柱塞204不是套管組合件110的一部 分。舉例來說，柱塞204可以是定位組合件106的組件。圖10說明已經(jīng)與定位組合件106嚙合的套管組合件110。當(dāng)套管組合件110搭扣 到定位組合件106上時(shí)，保持單元109的第一嚙合部分122與連接器248嚙合，第二嚙合部 分124與套管組合件110的第一嚙合部分238嚙合，且第三嚙合部分126與套管組合件的
18第二嚙合部分240嚙合。連接器248允許將套管組合件110拆卸式緊固到定位組合件106。 保持單元109的第一嚙合部分122耦合到第一定位器107a。在一些實(shí)施例中，采集套管200 不是可平移的。在替代實(shí)施例中，第一定位器107a經(jīng)配置以平移(例如，推進(jìn)或縮回)采 集套管200。保持單元109的第二嚙合部分124耦合到第二定位器107b，其經(jīng)配置以將采 集套管200圍繞其軸旋轉(zhuǎn)。保持單元109的第三嚙合部分126耦合到第三定位器107c，其 經(jīng)配置以平移(例如，推進(jìn)或縮回)植入套管202。在其它實(shí)施例中，保持單元109的第二嚙合部分124可耦合到第一定位器107a和 第二定位器107b兩者。在此類情況下，第一定位器107a經(jīng)配置以平移嚙合部分124以進(jìn) 而推進(jìn)或縮回采集套管200，且第二定位器107b經(jīng)配置以旋轉(zhuǎn)嚙合部分124以進(jìn)而使采集 套管200圍繞其軸轉(zhuǎn)動。在另外實(shí)施例中，不需要第二定位器107b，且套管組合件110不 包括嚙合部分238。在此類情況下，定位組合件106未經(jīng)配置以旋轉(zhuǎn)采集套管200，而是以 來回推動運(yùn)動推進(jìn)和縮回采集套管200。在其它實(shí)施例中，不需要第三定位器107c，且第三 嚙合部分126固定緊固到保持單元109。在此類情況下，植入套管202可由機(jī)器人臂27定 位，且采集套管200可使用第一定位器107a相對于植入套管202而定位。當(dāng)使用套管組合件110來采集毛囊單位時(shí)，套管組合件110首先耦合到定位組合 件106。這可通過將套管組合件110搭扣到定位組合件106上來手動完成?；蛘撸坠芙M合 件110可通過架臺(未圖示)來保持豎直。在此類情況下，可使用機(jī)器人臂27來移動定位 組合件106來從所述架臺“抓取”套管組合件110?？墒褂孟鄼C(jī)28來向處理器120提供關(guān) 于套管組合件110的位置的信息，處理器120基于所述信息來控制機(jī)器人臂27，進(jìn)而相對于 套管組合件110將定位組合件106放置在嚙合位置中。接下來，將治療計(jì)劃輸入到計(jì)算機(jī)120中。在一些實(shí)施例中，治療計(jì)劃是經(jīng)設(shè)計(jì)以 將毛發(fā)毛囊單位從第一區(qū)(采集區(qū))移植到目標(biāo)區(qū)(植入?yún)^(qū))的規(guī)定計(jì)劃。在此類情況下， 治療計(jì)劃可包括一個(gè)或一個(gè)以上參數(shù)，例如待移除/植入的毛發(fā)毛囊單位的數(shù)目、采集區(qū) 的位置、植入?yún)^(qū)的位置、與目標(biāo)植入位置相關(guān)聯(lián)的隨機(jī)度、鄰近目標(biāo)植入位置之間的間隔、 毛囊深度、植入深度、患者識別、采集區(qū)的幾何輪廓、植入?yún)^(qū)的幾何輪廓、標(biāo)記位置和目標(biāo)植 入位置的密度。可使用各種技術(shù)來將治療計(jì)劃輸入到計(jì)算機(jī)120中。在所說明的實(shí)施例中， 可使用包括監(jiān)視器122和鍵盤124的用戶界面來輸入治療計(jì)劃?；蛘撸墒褂美绱疟P或 光盤等存儲裝置來輸入治療計(jì)劃。在其它實(shí)施例中，可從遠(yuǎn)程服務(wù)器下載治療計(jì)劃。在另 外實(shí)施例中，可使用以上技術(shù)的組合來輸入治療計(jì)劃。舉例來說，可使用磁盤將一些參數(shù)輸 入到計(jì)算機(jī)120中，同時(shí)可使用用戶界面來輸入其它參數(shù)。在一些實(shí)施例中，可(例如，在 治療階段期間)實(shí)時(shí)確定治療計(jì)劃的一個(gè)或一個(gè)以上參數(shù)。在已經(jīng)將治療計(jì)劃輸入到計(jì)算機(jī)120中之后，計(jì)算機(jī)120接著關(guān)于患者登記治療 計(jì)劃。在一些實(shí)施例中，這可通過使用相機(jī)28識別患者上的一個(gè)或一個(gè)以上標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)。 所述標(biāo)記可以是緊固到患者的反射體、繪制在患者上的墨水標(biāo)記或患者的骨骼。所識別的 標(biāo)記可用于確定患者上的目標(biāo)區(qū)的位置和/或定向。在所說明的實(shí)施例中，治療計(jì)劃包括 采集(或供體)區(qū)的位置。使用來自相機(jī)28的輸入，計(jì)算機(jī)120識別患者上的采集區(qū)的位 置和采集區(qū)中的目標(biāo)毛囊單位。計(jì)算 機(jī)120接著操作機(jī)器人臂27以將采集套管200的遠(yuǎn) 端214放置到靠近目標(biāo)毛囊單位。在一些實(shí)施例中，采集套管200與目標(biāo)毛囊單位同軸定 位。
接下來，使用采集套管200來采集目標(biāo)毛囊單位。在一些實(shí)施例中，這可通過激活 定位組合件106內(nèi)的定位器以旋轉(zhuǎn)采集套管200來完成。當(dāng)旋轉(zhuǎn)采集套管200時(shí)，可向遠(yuǎn) 端推進(jìn)采集套管200 (例如，通過激活定位組合件106內(nèi)的另一定位器或通過使用機(jī)器人臂 27來移動定位組合件106)。在其它實(shí)施例中，目標(biāo)毛囊302單位的采集可通過向前和向后 推動采集套管200來實(shí)現(xiàn)。在使用采集套管200來對毛囊單位302進(jìn)行取心的同時(shí)，遠(yuǎn)離 采集套管200的遠(yuǎn)端214向近端定位植入套管202，以進(jìn)而防止干擾采集程序。這可通過相 對于植入套管202向遠(yuǎn)端推進(jìn)采集套管200或者通過相對于采集套管200向近端縮回植入 套管202 (如果植入套管202可定位的話)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)已經(jīng)將采集套管200的遠(yuǎn)端214推進(jìn)到皮膚表面以下的規(guī)定深度(例如，5毫 米)內(nèi)時(shí)，接著從患者處縮回并移除采集套管200?？墒褂孟鄼C(jī)28來監(jiān)視采集過程以進(jìn)而 確定已經(jīng)將采集套管200在皮膚表面306以下推進(jìn)多遠(yuǎn)。在一些實(shí)施例中，采集套管200 的外部可包括標(biāo)記線以進(jìn)而允許相機(jī)28或外科醫(yī)生“看見”已經(jīng)將采集套管200的多少推 進(jìn)到患者中。在一些實(shí)施例中，內(nèi)腔217內(nèi)的毛囊單位302與內(nèi)表面304之間的界面處的 表面摩擦將在從患者處移除采集套管200時(shí)保持毛囊單位302，進(jìn)而采集毛囊單位302。在其它實(shí)施例中，內(nèi)表面304可以具有紋理(例如，具有一個(gè)或一個(gè)以上凹痕或突 起)，以進(jìn)而允許遠(yuǎn)端214在從患者處移除采集套管200時(shí)更容易束縛住毛囊單位302。在 另外實(shí)施例中，套管組合件110的近端可耦合到位于定位組合件106內(nèi)的真空單元(未圖 示)。在此類情況下，真空單元在采集套管200的內(nèi)腔217內(nèi)形成吸力，以進(jìn)而在從患者處 移除采集套管200時(shí)將目標(biāo)毛囊單位302拉離其下方組織。在已經(jīng)采集了毛囊單位302之后，定位組合件106將采集套管200向近端縮回，直 到遠(yuǎn)端214接近植入套管202的遠(yuǎn)端234為止?；蛘?，如果植入套管202是可定位的，那么 可向遠(yuǎn)端推進(jìn)植入套管202，直到遠(yuǎn)端234遠(yuǎn)離采集套管200的遠(yuǎn)端214為止。接下來，計(jì) 算機(jī)120操作機(jī)器人臂27以將植入套管202的遠(yuǎn)端234放置在鄰近于患者的植入?yún)^(qū)內(nèi)的 目標(biāo)位置(由治療計(jì)劃規(guī)定)處。接著推進(jìn)植入套管202 (例如，通過激活定位組合件106 內(nèi)的定位器或通過將定位組合件106向遠(yuǎn)端朝向目標(biāo)位置移動)，以在植入?yún)^(qū)處刺穿皮膚 310 (圖11A)。推進(jìn)植入套管202，直到穿透深度312至少等于取心深度300為止。在一些 實(shí)施例中，可使用相機(jī)28和計(jì)算機(jī)120來確定已經(jīng)將植入套管202推進(jìn)到患者中的量。舉 例來說，植入套管202可包括多個(gè)標(biāo)記線以允許相機(jī)28或外科醫(yī)生“看見”已經(jīng)將植入套 管202的多少插入到患者中。如所述圖式展示，植入套管202在患者皮膚314下方形成開 口 314，可將毛囊單位302放置在所述開口 314中。接下來，在植入套管202的內(nèi)腔236內(nèi)推進(jìn)含有所采集毛囊單位302的采集套管 200，直到毛囊單位302的頂部表面320在植入?yún)^(qū)的皮膚310處或在皮膚310下方(圖11B)。 接下來，可將柱塞204向遠(yuǎn)端推進(jìn)(例如，通過使用定位組合件106內(nèi)的另一定位器)，直 到其遠(yuǎn)端244嚙合位于采集套管200內(nèi)的毛囊單位302為止(圖11C)。接著，相對于柱塞 204向近端縮回植入套管202和采集套管200，進(jìn)而將毛囊單位302植入在植入?yún)^(qū)中的目標(biāo) 位置處(圖11D)。在其它實(shí)施例中，套管組合件110不包括柱塞204。在此類情況下，可使 用位于定位組合件106內(nèi)的壓力產(chǎn)生器(未圖示)來在采集套管200的內(nèi)腔217內(nèi)形成壓 力，進(jìn)而在縮回植入套管202和采集套管200時(shí)將毛囊單位302推向患者。此技術(shù)將致使 在從患者處移除采集套管200時(shí)從采集套管200處移去毛囊單位302。
20
在已經(jīng)將第一毛囊單位302植入在植入?yún)^(qū)中之后，向遠(yuǎn)端推進(jìn)采集套管200，直到 其遠(yuǎn)端214遠(yuǎn)離植入套管202的遠(yuǎn)端234為止。計(jì)算機(jī)120接著再次操作機(jī)器人臂27以 將采集套管200放置到靠近待采集的另一目標(biāo)毛囊單位302。接著重復(fù)上述過程以采集下 一個(gè)毛囊單位302，并植入所述毛囊單位302。毛囊單位302的選擇可由計(jì)算機(jī)120確定。 舉例來說，在一些實(shí)施例中，基于規(guī)定采集區(qū)的位置和幾何形狀，只要毛囊單位302位于規(guī) 定采集區(qū)內(nèi)，計(jì)算機(jī)120就會選擇所述毛囊單位302。在一些實(shí)施例中，重復(fù)以上過程，直到 已經(jīng)在植入?yún)^(qū)中植入規(guī)定數(shù)目的毛囊單位302為止，直到所植入毛囊單位302的密度達(dá)到 規(guī)定密度為止，或直到在采集區(qū)中不再有可用的毛囊單位302為止。在本發(fā)明的一些采用自動化定位系統(tǒng)的實(shí)施例中，主治醫(yī)生或操作員仍可指定需 要將毛囊單位植入在哪里和以什么角度植入，即其相對位置(或“植入部位”)、定向和深 度。舉例來說，指定待植入毛囊單位的位置、定向和/或深度可由治療計(jì)劃系統(tǒng)實(shí)行?；蛘?， 在植入模式期間，當(dāng)相機(jī)正觀看頭皮的受體區(qū)域時(shí)，主治操作員可使用用戶界面(例如，常 規(guī)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo))來指定植入位置和/或定位和/或定向和/或植入深度?；蛘?，操作員可 通過放置臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)(例如可由圖像處理系統(tǒng)觀察、識別和測量的墨水標(biāo)記或指針)來指 向頭皮上的位置。另外，可直接在計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上將定向指定為兩個(gè)角度的組合(例如，圍 繞x軸的旋轉(zhuǎn)和圍繞y軸的旋轉(zhuǎn))(假設(shè)z軸沿著套管)，或通過將細(xì)長指針放置在頭皮上 來指定定向，其中圖像處理系統(tǒng)可觀察并測量所述角度。在任何情況下，控制機(jī)器人臂現(xiàn)變成兩個(gè)步驟。首先，基于植入位置的位置和定向 的指定，計(jì)算機(jī)處理器指導(dǎo)機(jī)器人臂將植入套管移動到所需位置和定向。其次，單獨(dú)通過啟 動所述機(jī)構(gòu)或通過機(jī)器人臂移動與機(jī)構(gòu)啟動的組合，將植入套管實(shí)際推進(jìn)到皮膚表面中， 其中實(shí)現(xiàn)所需植入深度。另一種指定所植入毛囊單位的定向的方式是使系統(tǒng)將從所植入毛 囊單位延伸的所述一個(gè)或一個(gè)以上毛發(fā)毛囊的定向與植入?yún)^(qū)中的現(xiàn)有毛發(fā)毛囊的定向相 匹配。在將植入套管定位在植入位置處之后，所述系統(tǒng)觀察并測量相鄰毛發(fā)毛囊的定向，并 使用此信息來確定正被植入的毛囊單位的恰當(dāng)定向。在相鄰毛發(fā)毛囊具有不同定向的情況 下，系統(tǒng)可(例如)獲得各種定向的加權(quán)平均值來確定正被植入的毛囊單位的定向。
權(quán)利要求
一種用于采集和植入毛發(fā)毛囊單位的設(shè)備，其包含植入套管，其具有內(nèi)腔和開放的組織刺穿遠(yuǎn)端，且經(jīng)配置以將毛囊單位植入到植入?yún)^(qū)中；以及采集套管，其相對于所述植入套管同軸定位，所述采集套管具有開放的組織取心遠(yuǎn)端和經(jīng)大小設(shè)計(jì)以保持毛囊單位的內(nèi)腔，其中所述采集和植入套管呈往復(fù)關(guān)系相對于彼此能夠移動，且其中當(dāng)穿透供體區(qū)以采集毛發(fā)毛囊單位時(shí)，所述植入套管的所述遠(yuǎn)端位于接近所述采集套管的所述遠(yuǎn)端處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備選自包含手持式裝置、大體上自動化裝 置和經(jīng)配置以可由機(jī)器人系統(tǒng)操縱的裝置的群組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備進(jìn)一步包含可移動臂，且其中所述植入套管 和所述采集套管是耦合到所述可移動臂的多零件工具組合件的部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備是機(jī)器人設(shè)備且所述可移動臂是機(jī)器人臂。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述植入和采集套管中的一者或兩者可從所述多 零件工具組合件移除。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述采集套管適于通過以下各項(xiàng)中的一者或一者 以上而相對于身體表面移動(1)所述采集套管相對于所述工具組合件的移動，(2)所述可 移動臂的移動，或(3)所述采集套管相對于所述可移動臂的移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備進(jìn)一步包含經(jīng)配置以實(shí)現(xiàn)所述采集和植入套 管相對于彼此的移動的機(jī)械系統(tǒng)、電子機(jī)械系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)或磁性系統(tǒng)中的一者 或一者以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備進(jìn)一步包含馬達(dá)驅(qū)動組合件，所述馬達(dá)驅(qū)動 組合件經(jīng)配置以與所述植入和采集套管在操作上耦合以提供所述植入和采集套管中的至 少一者相對于另一者的自動化平移移動。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述馬達(dá)驅(qū)動組合件是處理器控制的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述采集套管可圍繞其縱軸旋轉(zhuǎn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包含處理器，所述處理器經(jīng)配置以至少部分 基于從一個(gè)或一個(gè)以上相機(jī)接收的圖像數(shù)據(jù)而確定所述植入和采集套管的位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備進(jìn)一步包含力傳感器和控制電路，且其中所 述控制電路經(jīng)配置以在所述力傳感器感測到的力超過規(guī)定限度的情況下停止采集或植入 過程。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包含與所述采集套管的所述內(nèi)腔連通的壓 力源。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述采集套管的內(nèi)壁的至少一部分具有紋理。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備進(jìn)一步包含閉塞器，且其中所述閉塞器相對 于所述采集套管和所述植入套管中的一者或兩者為同軸的且可移動。
16.一種用于采集和植入毛發(fā)的自動化系統(tǒng)，其包含可移動臂；以及多零件工具組合件，其耦合到所述可移動臂，其中所述可移動臂可操縱以相對于供體或植入?yún)^(qū)定位所述工具組合件，所述工具組合件包含植入套管，其具有遠(yuǎn)端和內(nèi)腔，采集套管，其相對于所述植入套管同軸定位，所述采集套管具有遠(yuǎn)端和經(jīng)大小設(shè)計(jì)以 接納毛囊單位的內(nèi)腔，以及經(jīng)配置以實(shí)現(xiàn)所述植入和采集套管中的至少一者相對于另一者的移動的機(jī)械系統(tǒng)、電 子機(jī)械系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)或磁性系統(tǒng)中的一者或一者以上；其中當(dāng)穿透所述供體區(qū)以采集毛囊單位時(shí)，所述植入套管的所述遠(yuǎn)端位于接近所述采 集套管的所述遠(yuǎn)端處。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的自動化系統(tǒng)，所述自動化系統(tǒng)進(jìn)一步包含處理器，所述處 理器經(jīng)配置以控制所述機(jī)械系統(tǒng)、電子機(jī)械系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)或磁性系統(tǒng)中的所述 一者或一者以上的操作。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的自動化系統(tǒng)，所述自動化系統(tǒng)進(jìn)一步包含處理器，所述處 理器經(jīng)配置以確定所述采集和植入套管的相對位置。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的自動化系統(tǒng)，其中所述工具組合件進(jìn)一步包含閉塞器和至 少一個(gè)馬達(dá)，所述馬達(dá)經(jīng)配置以提供所述閉塞器相對于所述植入套管或所述采集套管中的 至少一者的受控移動。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于采集或植入毛囊單位的自動化系統(tǒng)，其包括可移動臂；采集和/或植入工具，其安裝在所述可移動臂上；一個(gè)或一個(gè)以上相機(jī)，其安裝在所述可移動臂上；處理器，其經(jīng)配置以接收并處理由所述一個(gè)或一個(gè)以上相機(jī)獲取的圖像；以及控制器，其在操作上與所述處理器相關(guān)聯(lián)且經(jīng)配置以至少部分基于由所述一個(gè)或一個(gè)以上相機(jī)獲取的經(jīng)處理圖像來定位所述可移動臂，其中所述可移動臂是可定位的，使得可將所述工具定位在相對于鄰近身體表面的所需定向中。
文檔編號A61B17/34GK101926678SQ201010230459
公開日2010年12月29日 申請日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者保羅·K·赫塞, 唐納德·E·卡代斯, 莫漢·博杜盧里, 菲利普·L·吉爾登伯格 申請人:修復(fù)型機(jī)器人公司