CN101277657B - 用于采集和植入毛囊单位的自动化系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于采集或植入毛囊单位的自动化系统，其包括：可移动臂；采集和/或植入工具，其安装在所述可移动臂上；一个或一个以上相机，其安装在所述可移动臂上；处理器，其经配置以接收并处理由所述一个或一个以上相机获取的图像；以及控制器，其在操作上与所述处理器相关联且经配置以至少部分基于由所述一个或一个以上相机获取的经处理图像来定位所述可移动臂，其中所述可移动臂是可定位的，使得可将所述工具定位在相对于邻近身体表面的所需定向中。

Description

用于采集和植入毛囊单位的自动化系统和方法

技术领域

本发明大体上涉及用于执行精确诊断和治疗医学程序的图像引导机器人学系统。

背景技术

毛发移植程序是众所周知的，且通常涉及(例如，在具有男性型脱发的患者中)从患者头皮的侧边和后部边缘区域(“供体区域”)采集供体毛发移植体，以及将所采集的毛囊单位植入在秃顶区域(“受体区域”)中。历史上，所采集的移植体相对较大(3到5mm)，但近些年来，供体移植体可以是单个毛囊单位，其是随机分布在头皮表面上的具有1到3个(且在很少情况下为4到5个)紧密间隔的毛发毛囊的天然生成集合体。

在一个众所周知的过程中，使用解剖刀向下切割到脂肪皮下组织中来从供体区域移除头皮的线性部分。(在显微镜下)将所述条带切成多个组成毛囊单位，接着将所述毛囊单位植入到受体区域中的使用针制成的各自刺孔中。可使用镊子来夹持个别毛囊单位移植体并将其放置到针刺位置中，但已知其它仪器和方法可用于执行这个任务。

在“Androgenetic Alopecia”(Springer，1996年)中，M.Inaba和Y.Inaba揭示并描述一种用于通过定位具有切割边缘和直径为1mm的内腔的中空刺针来采集单个毛囊单位的方法，其中1mm直径大概等于毛囊单位的临界解剖部分的直径。针形冲头与毛囊单位的轴轴向对准以被抽取并接着推进到头皮中而在选定毛囊单位的圆周周围切割头皮。此后，(例如)使用镊子容易地移除毛囊单位以供随后用经特殊设计的插针植入到受体部位中。

所公开的第20050203545号美国专利申请案(Cole)揭示一种用于抽取个别毛囊单位的仪器，其据称实现较精确的相对于患者皮肤的皮肤表面的穿透深度和角度。

所公开的第20050267506号美国专利申请案(Harris)揭示一种用于抽取毛囊单位的方法和设备，其通过首先用锋利冲头刻划外皮层，且接着将单独钝冲头插入到切口中以将毛发毛囊单位与周围的组织和脂肪层分开。

第6,585,746号美国专利(Gildenberg)揭示一种利用机器人的毛发移植系统，其包括机器人臂和与所述机器人臂相关联的毛发毛囊导入器。使用视频系统来产生患者头皮的三维虚拟图像，所述图像用于规划将接收在机器人臂的控制下由毛囊导入器植入的毛发移植体的头皮位置。然而，对于提供用于采集和植入毛发毛囊单位(在涉及从身体表面的供体区采集毛囊单位并作为同一过程的一部分将所采集的单位植入到身体表面的受体区中时统称为“移植”)的自动化(例如，机器人)系统及其使用方法具有许多改进方案。

发明内容

根据本文揭示的本发明的一般方面，采用一种自动化系统(例如图像引导的机器人学系统)来执行精确受控的毛发毛囊单位采集和植入。在一些实施例中，所述自动化系统包括可移动臂、安装在所述可移动臂上的工具、安装在所述可移动臂上的一个或一个以上相机、经配置以接收并处理由所述一个或一个以上相机获取的图像的处理器、以及以操作方式与所述处理器相关联且经配置以至少部分基于由所述一个或一个以上相机获取的经处理图像来定位所述可移动臂的控制器，其中所述可移动臂是可定位的，使得可将所述工具定位在相对于邻近身体表面的所需定向处。

借助于非限制性实例，所述自动化系统可以是机器人系统，其中可移动臂是机器人臂，且其中处理器和控制器可经配置以用于通过机器人臂的视觉伺服来定位工具。在一些实施例中，可采用单个相机，其中处理器经配置以将相机的基准坐标系统与机器人臂的工具框架基准坐标系统对齐。举例来说，处理器可基于在机器人臂沿着工具框架基准坐标系统的一个或一个以上轴移动时获取的固定校准目标的图像来将相机基准坐标系统与工具框架基准坐标系统对齐。借助于另一实例，可将一对相机安装到机器人臂，其中处理器经配置以将相机的各自基准坐标系统彼此对齐并与机器人臂的工具框架基准坐标系统对齐。并且，处理器可基于在机器人臂沿着工具框架基准坐标系统的一个或一个以上轴移动时获取的固定校准目标的图像来将各自相机基准坐标系统与工具框架基准坐标系统对齐。借助于又一实例，所述一个或一个相机包含安装到机器人臂的各自第一和第二对相机，所述第一对经聚焦以获取第一视场的图像，且所述第二对经聚焦以获取第二视场的图像，所述第二视场大致上窄于第一视场。在此实施例中，处理器可经配置以将第一和第二对相机的各自基准坐标系统彼此对齐并与机器人臂的工具框架基准坐标系统对齐。并且，处理器可基于在机器人臂沿着工具框架基准坐标系统的一个或一个以上轴移动时获取的固定校准目标的图像来将各自相机基准坐标系统与工具框架基准坐标系统对齐。

在各种实施例中，所述工具包含毛囊单位采集工具和毛囊单位植入工具中的一者或两者。在各种实施例中，处理器可经配置以识别由所述一个或一个以上相机获取的图像中的毛囊单位的近似物理边界。举例来说，处理器可经配置以用于识别捕获在所获取图像中的毛囊单位的近似物理边界，其包括嵌入在身体表面中的皮下基本区和延伸远离身体表面的远端尖端区，其中所述图像包括皮下图像。在又一实施例中，在可移动臂上提供空气喷嘴以将空气流对准身体表面。在又一实施例中，提供用户界面以使用户向处理器和控制器中的一者或两者输入关于待植入毛囊单位的位置、定位、定向和深度中的一者或一者以上的指令。

根据本发明的另一方面，一种用于从身体表面采集毛囊单位的方法包括：(i)获取身体表面的图像；(ii)处理所获取图像以识别身体表面的毛囊单位并确定所识别毛囊单位的相对位置和定向；(iii)使用包括可移动臂的自动化系统以至少部分基于所处理的图像数据将安装在可移动臂上的采集工具定位在邻近于所识别毛囊单位处，使得采集工具的纵轴与毛囊单位的纵轴对准；以及(iv)通过采集工具相对于身体表面的移动来采集所述毛囊单位，其中所述图像是从安装在可移动臂上的一个或一个以上相机获取的。

在一个实施例中，自动化系统可以是机器人系统，其中所述可移动臂是机器人臂。在此类实施例中，所述图像可从安装到机器人臂的单个相机获取，所述方法进一步包含将相机的基准坐标系统与机器人臂的工具框架基准坐标系统对齐。举例来说，可基于在机器人臂沿着机器人臂工具框架基准坐标系统的一个或一个以上轴移动时获取的固定校准目标的图像来将相机基准坐标系统与机器人臂工具框架基准坐标系统对齐。在另一此类实施例中，图像可从安装到机器人臂的一对相机获取，所述方法进一步包含将相机的各自基准坐标系统彼此对齐并与机器人臂的工具框架基准坐标系统对齐。在再一此类实施例中，图像可使用安装到机器人臂的各自第一和第二对相机来获取，所述第一对经聚焦以获取第一视场的图像数据，且所述第二对经聚焦以获取第二视场的图像数据，所述第二视场大致上窄于第一视场。在再一此类实施例中，所述方法可进一步包含识别所识别毛囊单位的近似物理边界，其中包括(借助于非限制性实例)识别嵌入在身体表面中的皮下基本区和延伸离开身体表面的远端尖端区。

根据本发明的另一方面，一种用于在身体表面中植入毛囊单位的方法包括：(i)获取并处理身体表面的图像以识别植入部位；(ii)使用包括可移动臂的自动化系统来将安装在可移动臂上的植入工具定位到邻近于所述植入部位的位置；以及(iii)通过植入工具相对于身体表面的移动来在身体表面中植入毛囊单位，其中所述图像是从安装在可移动臂上的一个或一个以上相机获取的。

借助于非限制性实例，所述自动化系统可以是机器人系统，且所述可移动臂可以是机器人臂，其中所述植入工具可通过机器人臂的视觉伺服而定位在植入部位处。在各种实施例中，毛囊单位可在植入之前携载在植入工具中。在各种实施例中，毛囊单位植入在相对于身体表面的所需位置和定向处，且还可植入在身体表面中的所需深度处。在一些实施例中，所述方法可进一步包括在植入毛囊单位之前或同时将空气流对准植入部位，(例如)以清除相邻毛发和/或来自邻近植入体的血液。在一些实施例中，所述方法还可包括通过自动化系统的用户界面输入关于待植入毛囊单位的位置、定位、定向和深度中的一者或一者以上的指令。

根据再一方面，一种用于移植毛囊单位的方法包括：(i)获取并处理身体表面的第一区域的图像，以识别并确定待采集毛囊单位的相对位置和定向；(ii)使用包括可移动臂的自动化系统来将安装在可移动臂上的采集工具定位在邻近于所识别毛囊单位处，使得采集工具的纵轴与毛囊单位的纵轴对准；(iii)通过采集工具相对于身体表面的移动来采集所述毛囊单位；(iv)获取并处理所述身体表面的第二区域的图像以识别植入部位；(v)使用自动化系统来将安装在可移动臂上的植入工具定位在邻近于植入部位处；以及(vi)通过植入工具相对于身体表面的移动来植入毛囊单位，其中所述各自图像是从安装在可移动臂上的一个或一个以上相机获取的。

根据本发明的再一方面，提供一种多零件工具组合件以用于在身体表面(例如人类头皮)中采集和植入毛发毛囊单位。在一个实施例中，工具组合件包含定位成往复关系的一对同轴设置的套管，其中包括具有内腔和开放的组织刺穿远端的外部“植入”套管和定位在植入套管内腔中的内部“采集”套管。采集套管具有开放的组织取心远端和经大小设计以摩擦啮合并保持毛囊单位的内腔。工具组合件可以手持并定位。在替代方案中，工具组合件可附装到自动化系统(例如，机器人臂系统)的可移动臂并由其定位。采集套管和植入套管中的一者或两者相对于彼此和/或工具组合件的剩余部分的移动(不管是手持还是由自动化定位系统携载)可通过许多不同机械、电子机械、气动、液压、磁性和其它已知系统和机构来提供，以用于实现各自套管的受控移动。尽管优选地将植入套管和采集套管轴向对准，但其它实施例也是可能的。

对于采集来说，将采集套管的纵轴与待采集的选定毛囊单位的纵轴轴向对准。依据实施例而定，采集套管相对于选定毛囊单位的定位可以是手动的或完全自动化的。在一个实施例中，使用包括机器人臂的图像引导机器人系统来定位并对准各自采集套管和毛囊单位。将采集套管推进到毛囊单位上方，其中其远端取心末端穿透身体表面进入位于毛囊单位周围和下方的皮下脂肪层中。接着从身体表面撤回采集套管以进而抽取毛囊单位，所述毛囊单位携载在采集套管内腔中。

采集套管相对于身体表面的移动可以是手动的、半自动化的或完全自动化的。采集套管可以是固定的或可相对于工具组合件的剩余部分独立移动的，不管工具组合件是手持的还是附装到可移动臂。在工具组合件携载在自动化(例如，机器人)臂上的实施例中，采集套管相对于身体表面的移动可以通过所述臂相对于身体表面的移动、采集套管相对于自动化臂的移动或每一者的组合来执行。类似地，在手持实施例中，采集套管相对于身体表面的移动可通过操作员手臂相对于身体表面的移动、采集套管相对于工具组合件的移动或每一者的组合来执行。在一些实施例中，采集套管在穿透身体表面时围绕其纵轴旋转以增强其组织取心效果。在一些实施例中，采集套管内腔壁可以是有纹理的，以便有利于夹持并抽取毛囊单位。在一些实施例中，可选择性地将真空源放置为与采集套管内腔连通以施加近端引导的“拉”力，以有利于夹持并抽取毛囊单位。这些特征也可有助于在采集毛囊单位之后将其保持在采集套管内腔中。

对于植入来说，将工具组合件重新定位(不管是手动地还是通过使用自动化系统)到身体表面上的受体区域中的选定植入部位。可在植入时将植入套管的纵轴与毛囊单位的所需定向对准。并且，此对准可手动或通过自动化系统执行，例如在一个实施例中通过使用图像引导机器人系统来执行。将植入套管的组织刺穿远端推进到身体表面中，从而形成具有适于接纳正植入的毛囊单位的深度和大小的皮下植入腔。植入套管的此“穿透运动”优选地为非常快速的，以便将对植入腔中的组织皮肤的损伤减到最小，例如类似于用于获得少量血液以供测试的弹簧加载的手指刺穿装置的运动。

在一个实施例中，通过设置在采集套管内腔中的闭塞器(柱塞)将毛囊单位从采集套管内腔(自从毛囊单位被采集以来便在此处保持不动)轴向移动到植入套管内腔的远端部分中。毛囊单位的此重新定位可在植入套管穿透身体表面之前、期间或之后发生。此后，在通过相对于闭塞器的平移移动来从身体表面撤回植入套管时，闭塞器维持毛囊单位在植入腔中的相对位置。在其它实施例中，例如通过闭塞器或通过使用放置为与采集套管内腔连通的加压空气源施加远端引导“推”力来将毛囊单位直接从采集套管内腔沉积到植入腔中。

根据本发明的又一方面，一种使用多零件工具组合件移植毛发毛囊单位的方法包括：(i)将内部(“采集”)套管的纵轴与待从身体表面的供体区域采集的选定毛囊单位的纵轴对准；(ii)相对于身体表面推进采集套管，使得采集套管的开放的组织取心远端穿透选定毛囊单位周围的身体表面到达足以大致包封所述毛囊单位的深度；(iii)从身体表面撤回采集套管，其中毛囊单位由采集套管的内腔啮合并保持在其中；(iv)将外部(“植入”)套管推进到同轴设置的采集套管上方，使得植入套管的组织刺穿远端刺穿身体表面的受体区域并在其中形成植入腔；以及(v)将毛囊单位从采集套管内腔移位到植入腔中。

附图说明

在附图的各图中借助于实例而并非限制来说明本发明，其中相同参考标号表示相似元件，且其中：

图1是用于定位和定向一对同轴设置套管的机器人臂系统的透视图，所述套管从由机器人臂携载的工具组合件外壳的远端开口延伸并用于采集和植入人类毛发毛囊单位。

图2是图1所示的工具组合件外壳的远端部分的特写。

图2A是图1的机器人臂系统的替代实施例的远端部分的特写，其中第一和第二立体相机对紧固到机器人臂并用于从多个视场捕获图像数据以用于引导机器人臂和附装工具组合件的移动。

图3是用于图1系统的工具组合件中的多零件工具的透视图。

图4是图3的多零件工具的纵向截面图。

图5是用于在操作上与图1系统的工具组合件中的图3多零件工具耦合的马达驱动组合件的透视图。

图6A和6B是使用图3的三零件工具实行的替代植入程序的简化部分切除视图。

图7是图1的机器人系统的工具组合件的一个实施例的部分示意部分透视图。

图8是位于图7的工具组合件中的马达驱动组合件内的保持单元的部分切除截面图。

图9A是用于图7的系统的工具组合件中的多零件工具的纵向截面图。

图9B到9D说明图9A的工具组合件的毛囊单位采集套管针的远端的变体。

图10说明在操作上与图8的保持单元啮合的图9A的多零件工具。

图11A到11D根据一些实施例说明用于植入毛囊单位的过程。

图12根据一些实施例说明表示由采集套管经历的力的力图。

图13是用于用在相机所附装的机器人臂的远端(工作)末端处建立的工具框架来校准单个相机的光轴和相关联相机基准框架的程序的流程图。

图14是用于将用于采集和/或植入毛发毛囊的细长仪器与选定毛发毛囊单位对准(位置和定向两者)的重复程序的流程图。

图15描绘人类头皮的关注区中的毛发毛囊单位的相机图像。

图16说明毛发毛囊单位相对于相机基准框架的位置和定向(即，由x、y偏移量和平面内及平面外角度界定)。

图17是用于识别人类头皮的关注区中的多个毛囊单位中每一者的位置和定向且接着采集一些或所有所识别毛囊单位的自动化程序的流程图。

图18是使用从立体相机对获取的图像来识别关注区中的毛囊单位且接着计算所识别毛囊单位的各自位置和定向的算法的流程图。

图19是使用控制点来设计自然外观(植入)发丝的算法的流程图。

图20是使用控制点来向所植入毛发移植体位置提供自然外观随机性的算法的流程图。

图21是说明图像引导机器人学系统的自动引导特征的流程图。

具体实施方式

图1描绘图像引导的机器人学系统25，其包括机器人臂27，其中工具组合件30附装到远端工具盘20。机器人臂27优选地是可编程的，且具有例如由Adept Technology，Inc.(www.adept.com)制造和经销的类型。适用于本发明实施例的另一机器人臂组合件的来源是由Kuka Robot Group(www.kuka.com)制造和经销的。机器人臂27提供远端盘20在六个自由度(x，y，z，ω，ρ，r)上的精确受控移动，如此项技术中众所周知的。通过位于机器人臂27的各自臂关节21处的各自马达和编码器，远端盘的此类移动具备高度可重复性和准确性(例如，达20微米)。

各种不同末端效应器工具和/或组合件可附装到机器人臂27上的远端盘，以用于对人类或动物患者执行各种程序。借助于实例，图1到2所示的工具组合件30经设计以用于从人类头皮或其它身体表面采集毛发毛囊和将毛发毛囊植入到人类头皮或其它身体表面中，且包括同轴设置的采集套管38和植入套管36，其分别从外壳22的管状延伸24处延伸。套管36和38是轴向刚性的，例如由硬金属或塑料制成，且是薄壁的以有利于组织穿透。植入套管36优选地具有针状组织刺穿尖端，且采集套管优选地具有组织取心(例如，锯齿状)尖端。机器人臂27基于至少部分从由附装到工具组合件外壳22的一个或一个以上相机28获取的图像数据导出的控制信号来自动且精确地将各自采集套管38和植入套管36沿着患者的身体表面(例如，头皮)定位在所需位置处和所需定向中。

明确地说且如本文更详细描述，机器人臂27的移动由系统控制器(未图示)响应于从由附装到机器人臂的远端(靠近工具组合件30)的一对“立体”相机28获取的图像数据导出的控制信号进行管理。在替代实施例中，只需要使用单个相机来进行图像获取。或者，如图2A描绘且如本文更详细描述，可使用多对立体相机28A和28B以便捕获不同(即，较宽和较窄)的视场。在其它实施例中，可使用单个相机来捕获第一(即，宽)视场，且可使用第二相机来捕获第二(即，窄)视场。其它相机配置也是可能的。

由相机28获取的图像数据在与机器人学系统25相关联的计算机(图1中未展示)中处理，所述计算机向系统控制器提供控制信号以用于指导机器人臂27的移动。明确地说，以所需放大率(例如，在一个实施例中为在6x到10x的范围内)和工作循环(例如，在一个实施例中为30赫兹)从所述对28的每个相机处获取图像。使用在计算机上的软件中实施的已知图像分割技术来对所获取的图像进行数字化，以便识别所关注物体的定位和定向。在程序涉及移除或植入毛发毛囊的情况下，可能需要在程序之前用暗色对所关注的毛发毛囊进行染色，以便增加图像处理技术的效果。还可能需要在所述程序之前将关注区中的毛发毛囊切割成大致均匀的长度。

如所属领域的技术人员将了解的，可通过调节照明、相机上的滤光镜和各种图像处理技术来观看皮肤表面下方。这是因为皮肤表面对光的反射性和吸收性将基于所使用的光的波长而改变。另外，光本身到达皮肤中的穿透深度也基于波长而变化。通过了解这些基本的光性质，可使用各自恰当波长的光(包括可见光谱和红外线)、使用不同成像滤光镜捕获不同波长的光且在图像处理期间扣除和/或组合图像来获得毛囊单位(毛发毛囊)的皮下部分的图像。这种方法使得人们能够观看到皮肤外侧的以及皮肤表面下方的、包括一直向下到达球状体的毛囊单位的毛干。

更明确地说，机器人学系统25能够精确地追踪远端盘(和末端效应器工具或组合件)在所述六个自由度(x，y，z，ω，ρ，r)的每一者中相对于三个不同基准框架的移动。“世界框架”的x，y，z坐标原点位于机器人臂27的基座29的中心点处，其中x-y坐标沿着某一平面在机器人臂27的基座29所附装的工作台23的表面中延伸。世界框架的z轴垂直于工作台表面延伸通过机器人臂27的第一区段。“工具框架”的x，y，z坐标原点建立在远端工具盘处。最后，“基座框架”可相对于世界框架和工具框架对齐。每个相机还具有(二维)相机坐标系统(“相机框架”)，其中相机的光轴(“相机轴”)穿过x，y坐标的原点。通过将各自世界框架、工具框架、基座框架和相机框架对准，系统控制器可精确地相对于另一物体(例如从患者皮肤表面延伸出的毛发毛囊单位)定位并定向紧固到工具盘的物体(例如，针)。

为了在物理上将相机轴与固定到机器人臂25的远端工具盘的末端效应器工具(例如，细长的针套管)的轴对准，能够校准末端效应器“工具轴”与相机轴之间的位置和旋转偏移量以及这些各自轴的平行偏差，且因此具有用以补偿所述偏移和偏差的信息具有重要的现实意义。首先，将机器人臂27的近端基座29安装到工作台表面23，使得工作台表面23与机器人系统的世界框架的x-y坐标平面对准。因此，位于工作台表面任何地方的点均在世界框架中具有x-y坐标位置，这可依据离世界框架的原点的x和y偏移值(例如，以mm为单位测量)来识别，所述原点位于与工作台表面23的机器人臂近端基座界面的中心点处，其中所述点在世界框架中的z坐标位置等于零。

参看图13，此校准程序的实例如下：在步骤160处，将固定到机器人臂27的远端工具盘的单个相机的相机轴与位于工作台表面23上的固定“校准点”对准。接着创立机器人系统的基座框架，这意味着将基座框架的原点设置在“校准点”处且将相机轴与工作台表面上的校准点对准。此初始位置被称为“原位”位置和定向，且机器人臂27始终从这个位置开始，甚至在缺少校准点的情况下。在步骤162处，接着通过首先将机器人臂27(且因此，相机)沿着基座框架的x轴移动固定距离(例如，5mm)，使得校准点仍被捕获在所得图像中但不再与相机轴对准，来确定相机图像相对于基座框架的缩放和定向。因为相机框架x-y轴未与基座框架x-y轴对准，所以沿着基座框架的x轴移动导致在相机框架中在x和y方向两者上移动，且校准点的新位置在相机框架中被测量为在含有所述经重新定位的相机轴的像素与含有所述校准点的像素之间的在x和y方向每一者上的许多图像像素。

通过将机器人臂27(和相机)沿着基座框架的y轴移动固定距离(例如，5mm)并再次测量校准点的新位置在相机框架中的x、y偏移量来重复此过程。如所属领域的技术人员将了解的，这些测量允许将机器人/相机的物理移动(以mm为单位)缩放成物体在相机图像中的移动(以像素为单位)，以及相机框架的x-y轴相对于基座框架的x-y轴的平面内定向。将进一步了解到，在多相机系统中针对每个相机重复步骤160和162的缩放和定向过程，借此还可确定并校准各自相机之间的图像移动差异。

在步骤164处，一旦相对于基座框架校准了相机框架，相机轴便再次与位于工作台23的表面上的固定校准点对准，其中基座框架返回到其“原位”位置和定向(0，0，0，0，0，0)。接着，在所述六个自由度(x，y，z，ω，ρ，r)的一者或一者以上中移动机器人臂27，使得附装到工具盘的末端效应器工具(例如，针尖)接触校准点。通过精确追踪机器人臂27从工具框架的初始原位位置/定向到其在工具尖端正接触校准点时的位置/定向的移动，系统控制器计算初始原位位置与相机轴之间的平移和旋转偏移量。因为相机固定到工具盘，所以所测量的偏移量将是恒定的，且在整个程序中用于将工具框架与相机框架(且延伸来说，基座框架)对准。

如本文将更详细描述的，当使用立体相机对(例如，图1中的相机对28)时，相机的各自光轴(和相机框架)通常不会平行地安装或维持，而是略微倾斜(例如，约10度)，这可通过已知图像处理技术来进行补偿。明确地说，各自相机框架经对准以具有共同x(水平)轴，借此可使用图像处理技术来对准在平行图像中捕获的物体的位置和定向(包括平面内深度)。使用立体相机对28的一个优点是可基于所识别物体在各自(左与右)相机框架中的x，y位置偏移量的差值来计算所述物体在相机框架中的“深度”。明确地说，毛发毛囊单位(“移植体”)的植入深度对于美学结果是重要的，且是对手动实现(特别是关于在植入大量移植体时可能产生的操作员疲劳)的挑战。如果将移植体植入太深，那么产生草皮状外观；如果植入太浅，那么产生凸起，或移植体可能不会保持在恰当位置处。

为了计算选定物体(例如毛发毛囊单位)的深度，必须首先对准从立体相机对获得的左和右图像。因为各自相机图像是水平对准的，所以将在所述两个图像的相同水平扫描线中出现相同物体。并且，因为正在成像的物体相对于相机透镜的深度在已知范围(例如，由各自相机的焦距建立)中，所以可通过在与第二图像中(即，相同扫描线中)的可能候选物体配对时计算物体的有效深度以确定哪一“对”具有处于可能范围内的计算深度，来将第一图像中的选定物体(例如，毛发毛囊单位)匹配到第二图像中的其本身(以进而将所述图像彼此对准)。

使用立体相机对28的另一优点是能够在从中获得关于皮肤表面上的关注物体(例如，毛发毛囊、皱纹线、纹身、痣等)的位置和定向的图像数据的相同基准框架中获得关于末端效应器工具(例如，图1到2中所示的毛发毛囊单位采集套管38)的位置和定向的图像数据。以上文针对单个相机框架描述的相同方式来用工具框架校准各自左和右相机框架。一旦确立这些偏移量，便可在工具框架中确定并追踪末端效应器工具和皮肤表面上的物体(例如，毛发毛囊单位)的相对位置和定向。

图14是根据本发明一个实施例的用于将毛囊单位采集套管38的细长轴的位置和定向与从头皮延伸的毛发毛囊单位的细长轴线对准的程序的简化流程图，其中仅使用单个相机来进行图像获取。如下文更详细描述，采集套管38大体上包含具有锯齿状远端的中空管状套管，所述锯齿状远端用于刺穿紧邻毛囊单位的外部圆周周围的表皮和真皮，以便例如通过以钻状运动旋转套管38或通过沿着其纵轴快速往复推动来包围、俘获并从位于真皮下方的脂肪皮下组织移除整个毛囊单位。可通过其自身纵向运动(即，相对于其所附装的工具盘)或通过机器人臂27的纵向运动或通过两者组合来推进和撤回采集套管38，以便例如通过摩擦力和/或借助于弱真空来对各自毛囊单位进行取心并将其移除。举例来说，工具组合件30可具有与机器人学系统25分开的其自身控制器和致动系统。

下文结合对图3到11的实施例的描述来提供对毛囊采集和植入工具组合件30的更详细描述。还应了解，用于将采集套管38的细长轴与毛发毛囊单位的细长轴对准的定位和定向过程将具有比刚才针对毛发移除和/或植入程序描述的宽得多的适用性。借助于非限制性实例，大致相似的定位和定向程序可用于以及时且精确的方式将激光器或注射针与患者皮肤表面上的所需物理特征和/或位置对准。

在已经起始并校准机器人系统25以使得相机框架与工具框架对准(上文结合图13描述)之后，由系统计算机获取并处理图像数据以在相机框架中识别关注物体。借助于实例，图15描绘人类头皮的关注区150中的毛发毛囊单位的相机图像。从这个关注区150的图像中，驻存在计算机中的图像分割和筛选软件识别并选择一个或一个以上所关注的特定毛囊单位以从头皮采集。参看图16，依据其在相机框架中的x，y偏移坐标来识别选定毛发毛囊单位152的位置(z轴是相机光轴，其优选地大致垂直于所述区150处的头皮表面而对准)。除非相机轴碰巧与毛囊单位152的纵轴完全对准(在此情况下，毛囊单位将呈现为表示毛干的端视图的圆点)，否则毛囊单位的图像将呈细长线形状，其“表观”长度将取决于相机框架相对于毛囊单位的角度。由于毛发毛囊单位的物理属性，可作为图像分割过程的一部分容易地区分其基部(即，从真皮冒出的末端)和其尖端。举例来说，基部部分具有不同的轮廓且大体上厚于远端尖端部分。而且，通常可识别出毛囊单位的阴影，在定义上其“附着”在基部处。

接着计算毛囊单位基部在相机框架中的x，y位置，且其表示毛发基部的位置偏移量。还依据以下各项来计算毛囊单位152的定向偏移量：(i)由所识别毛囊单位轴线相对于相机框架的x(或y)轴并在与相机框架的x(或y)轴相同的平面中形成的平面内角度α；和(ii)在毛囊单位轴线与头皮之间(即，在毛囊单位与相机框架的x，y轴的平面之间)形成的作为“表观”角度的平面外角度δ。如上文提到的，优选地在所述程序之前将毛干修整到大致已知长度(例如，2mm)，所以可基于毛囊单位图像的测量表观长度与其推测实际长度的比率来计算平面外角度δ，所述比率等于平面外角度δ的余弦。

返回到图14，在步骤142处，针对选定毛发毛囊单位识别x，y位置和定向偏移量，如上文所述。计算机接着计算机器人臂27用以致使将相机轴对准在具有所计算偏移量的相同位置和定向中的必要移动。基座框架和工具框架也“移动”相同的x，y和旋转偏移量(即，直到角度α和δ两者均等于0为止)，使得相机、基座和工具框架在相机轴的新位置和定向处保持对准。由于系统和假设(例如，关于毛发毛囊单位长度)中固有的可能偏差和误差，毛发毛囊单位的实际位置和定向可能不与计算值匹配。因此，一旦机器人臂27(和相机轴)移动了所计算的位置和旋转偏移量，便再次对毛囊单位进行成像且(在步骤146处)确定相机轴是否在可接受容差内与毛囊单位的位置和定向对准。如果相机轴与毛囊单位充分对准，那么最后一次移动机器人臂27(在步骤148处)以便将采集套管38对准在相机轴的“确认”位置中(即，基于在上述校准过程中获得的偏移量)。然而，如果(在步骤146中)相机轴没有与毛发毛囊单位充分对准，那么从新的相机轴位置开始，重复步骤142到146中的程序。

如所属领域的技术人员将了解的，在本发明的实施例中，图像获取和处理的工作循环比机器人臂27的移动实质上快得多，且在机器人臂正在移动时，可有效地“在运行中”完成识别并计算选定毛发毛囊单位相对于相机轴的位置和定向偏移量的过程。因此，可(视情况)在采集套管38移动到与毛囊单位对准时不断调节(即，微调)机器人臂27(和采集套管38)的末端目的地(即，位置和定向)。因为此类调节立即开始，所以机器人臂27的移动更为流畅且较为平稳。此重复反馈过程(称为“视觉伺服”)连续计算并改善采集套管38的所需位置和定向，以便将毛发毛囊单位的图像减到最小，即直到图像从线转变为点为止。

因此，图像引导机器入学系统25可用于执行用于识别患者头皮的关注区中的大量毛发毛囊单位的位置和定向的自动化或半自动化程序，且接着准确采集一些或所有所述毛囊单位。附装到机器人臂的工作远端的一个或一个以上相机俘获患者头皮的选定区域的具有所需放大倍数的图像。计算机系统处理所述图像并识别(通过已知阈值处理和分割技术)个别毛发毛囊单位，以及其各自相对于相机框架的位置和定向。通过用户界面(例如，显示器和标准计算机鼠标)，外科主治医生可在头皮上界定将从中采集毛发毛囊单位的区并界定采集图案，例如在所述区中取走每隔一个毛发毛囊单位从而在所采集毛囊单位之间留下界定数目的毛囊单位，取走特定百分比的毛囊单位从而留下美学上可接受的图案等。

举例来说，外科主治医生可使用从宽视场立体相机对获得的图像来粗略定位关注区，同时使用从窄视场立体相机对获得的图像来对个别选定毛囊单位准确引导采集工具。一旦已经识别出待采集的毛发毛囊单位，机器人学系统便有系统地将采集工具(例如，采集套管38)与待采集的每根毛发对准；采集各自毛发毛囊，且针对界定采集区中的所有选定毛囊单位重复所述过程。将了解，在一些情况下，接着在患者头皮的另一部分中植入正被采集的个别毛发毛囊单位，而在其它实例中，丢弃所采集的毛发毛囊单位。还将了解到，除了例如套管38的取心采集工具外，可采用另一类型的毛发移除末端效应器工具，例如激光器。还将进一步了解到，上述用于将相机框架与机器人工具框架对准以精确对准末端效应器工具的技术可同样适用于其它类型的末端效应器工具，例如用于注射墨水以在患者的皮肤表面上形成纹身的注射针(或多个注射针)。

图17是用于识别患者头皮的关注区中的所有毛囊单位的位置和定向且接着准确采集一些或所有所识别毛囊单位的自动化(或半自动化)程序的流程图。

图18是使用立体相机对来识别患者头皮的关注区中的个别毛囊单位且接着计算每一者在各自相机框架和机器人工具框架中的位置和定向的程序的流程图。根据众所周知的技术，通过校准所述立体相机对以识别固有和非固有参数来开始所述程序。固有参数是个别相机所固有的，例如内部光学、失真、缩放等。非固有参数涉及两个相机之间的特性，例如其各自光轴的对准差异(所述光轴理想地彼此平行，但由于这在实际上不太可能，因而需要数学补偿)。固有和非固有参数的校准在立体成像领域中是众所周知的，且本文将不再详细解释。

如上论述，在左和右矫正图像两者中识别并匹配毛发毛囊的中心的位置。接着在所述左和右图像两者中识别每个毛发毛囊的头部和尾部，其中可计算所述毛发毛囊的头部和尾部的三维坐标。最后，根据众所周知的立体成像技术，通过采用看见套管和毛发毛囊两者的相机的图像来确定毛发毛囊和套管的位置和定向的相对偏移量。

毛发移植程序的美学结果部分取决于以自然外观图案植入移植体。计算机可有效地通过在植入部位的较小片断(外科医生针对其确定移植体位置和定向)间“填补空白”来“增强”外科医生技能。实现自然外观的发丝对于良好的美学结果特别重要。代替辛苦地为所有近发丝植入部位制作切口，外科医生指出一些发丝植入位置和定向且计算机通过在指定部位间进行内插来填补剩余部分，其使用成像系统来识别并避免现有毛囊单位。图19说明使用控制点来设计自然外观发丝的算法。使用控制点，基于(例如)b样条函数三次多项式来设计曲线。控制点由操作者指定。指定位于所述控制点的每一者处的毛发的定向。(例如)通过内插法来以给定间隔识别沿着所述曲线的点。沿着所述曲线的点的位置可以被随机化以制作自然外观的发丝。随机化量可以是用户指定的或计算机产生的。优选的是毛囊单位定向不被随机化而是(例如)以产生三次样条相同的方式进行内插。位置随机化和定向内插形成更具自然外观的植入。

自然外观的随机性在临界发丝区和受体部位的平衡中是重要。这可使用图20所说明的程序来实现，其中使用控制点基于(例如)b样条函数三次曲面来设计表面。并且，指定位于所述控制点的每一者处的毛发的定向。以给定间隔识别沿着所述表面的植入点。可对沿着表面的点的位置进行随机化，以制作自然外观的毛发分布。随机化量可以是用户指定的或计算机产生的。而且，各自毛囊单位的定向优选地不被随机化，而是以产生三次样条表面相同的方式进行内插。随机化和内插方案在此项技术中是已知的，且可适用于此方法。

通常需要使受体区中的现有毛发保持其自然长度，这可干扰视觉系统接近个别受体部位。这可通过对准于受体部位的柔和空气喷嘴来克服，其致使将所述区中的毛发引导离开目标部位。如果必要的话，可弄湿毛发以有利于此步骤。空气喷嘴还可分散从切开受体部分冒出的血液，因而在移植体植入期间维持视觉接近。此类空气喷嘴可以是附装到机器人臂工具盘的较复杂工具组合件的一部分。

机器人学系统25使用来自视觉系统的实时信息来监视患者的位置(通常在头皮的受体区中使用基准标记)、植入工具的位置和现有毛囊单位的位置，以将植入工具引导到适当位置来切开受体部位并植入移植体。图21展示机器人系统的自动引导特征的实例，其中包括相对于全局标志(例如，现有毛发、纹身或其它显著特征)来计划植入位置和定向的步骤。接着，移动机器人以对齐患者上的标志。对齐信息可存储在存储器中以供参考。机器人可利用经对齐的标志作为参考点来辨别其相对于工作表面的位置。相对于全局标志将机器人移动到植入位置和定向中的每一者。全局标志提供用于全局移动的全局参考。基于例如相邻先前存在毛发或新近植入毛发等附近标志来对位置和定位进行微调。附近标志提供用于局部移动的局部参考。

毛发移植大体上包括三个步骤：采集毛囊单位；切开受体部位；和将毛囊单位放置在切口中。图3展示用于执行所有这三个功能的三零件工具32的一个实施例。虽然所述三零件工具32的随后描述是参考其用作携载在图1的系统25的机器人臂27上的工具组合件30的一部分的，但将了解所述三零件工具32的手持和操作实施例也是可能的。更明确地说，三零件工具32包括外部(“植入”)套管36，其具有用于在身体表面的受体(植入)部位处制作切口的开放的组织刺穿(例如，斜面)远端37。内部(“采集”)套管38同轴定位在植入套管36的内腔中，且具有开放的组织取心(例如，粗糙或锯齿状)远端40。采集套管38具有内腔，所述内腔经恰当大小设计以用于通过对各自毛囊单位取心并将其从身体表面(通常但未必是头皮)抽取来采集单个人类毛发毛囊单位。

借助于非限制性实例，采集套管38的实施例可具有直径在大约0.3毫米到2.0毫米范围内的内腔。在一个实施例中，采集套管内腔的直径为大约1毫米。显然，可使用具有不同大小的采集套管38来采集单毛囊毛囊单位而并非采集多毛囊毛囊单位。在任一情况下，采集套管内腔的内壁表面可具有纹理以有利于摩擦夹持各自毛囊单位，以在对其取心之后将其从身体表面抽取。

还参看图4和5，工具组合件30包括马达驱动组合件60，其安装在外壳22中且经配置以接纳和在操作上啮合三零件工具32的组合零件。明确地说，植入套管36固定附装到近端轮毂34，所述近端轮毂34包括远端对向锥形部分34a和近端导向啮合部分34b。啮合部分34b可与马达驱动组合件60中从管状套筒65延伸的弹性夹具63拆卸式耦合(搭扣配合)。在所说明的实施例中，夹具63包含多个弹性壁部件67，其附装到管状套筒65或与管状套筒65成一体式。将了解，可在替代实施例中采用其它拆卸式耦合机构。管状套筒65啮合由马达驱动组合件60的第一马达62驱动的齿条齿轮驱动机构81，使得当轮毂34耦合到夹具63时，马达62/驱动机构81提供植入套管36相对于采集套管38(且还相对于工具组合件外壳22/24)的轴向(即，往复)运动。

采集套管38在近端延伸通过植入套管轮毂34的镗孔45和植入套管36，且固定附装到引脚钳43的远端卡盘部分43a，所述引脚钳43坐落于轮毂34的镗孔中并可相对于其旋转。细长主体46坐落于引脚钳43中并固定附装到所述引脚钳43，且包括一个或一个以上啮合远端突出管状驱动部件(未图示—在内部延伸穿过外壳93)中的相应插槽组(未图示)的径向向外延伸凸缘48，所述远端突出管状驱动部件耦合到由马达驱动组合件60的第二马达64驱动的输出齿轮87，以进而分别围绕采集套管38的纵轴旋转各自细长主体65和采集套管38。如将了解的，可在替代实施例中使用皮带传动或用于旋转管状驱动部件(且进而，采集套管38)的其它装置。细长主体46进一步包括位于凸缘48的近端处的凹陷区段44，其落座环形保持部件50以用于与管状驱动组件(啮合凸缘48的凹槽的近端)拆卸式耦合(经由搭扣配合型连接)，进而在工具32与马达驱动组合件60耦合时将采集套管38保持在恰当位置。

细长闭塞器52滑动式定位在采集套管38的内腔中，且其近端附装到与由马达驱动组合件60的第三马达66驱动的线性(“螺杆传动”)驱动机构(未图示)啮合的落座部件54，以选择性地在闭塞器52上提供相对于采集套管38的指向远端的“推”力。弹簧53落座于形成在细长主体46的近端帽51中的环形凹口49中，且延伸(在闭塞器52上方)到落座部件54的远端侧。弹簧53向落座组件施加的指向近端的“拉”力，以进而抵靠着螺杆传动偏置闭塞器。

驱动马达组合件进一步包括“释放”马达67，其经由管状释放部件86抵靠着端帽51施加指向远端的(推)力，这致使各自附装耦合(即，植入套管轮毂34b与夹具63，以及采集套管保持部件50与管状驱动部件)去耦以将工具32从工具组合件30移除，(例如)用于替换植入套管36和采集套管38中的一者或两者。以此方式，可通过(在近端方向上)将工具32(“后装式”)插入穿过外壳22的管状延伸体24直到各自耦合体34b和50与其在马达驱动组合件60中的对应体搭扣到恰当位置为止来将多零件工具32加载到工具组合件30中，且通过由马达67向释放部件86施加足够的力以将各自耦合体去耦来释放所述多零件工具32。止动部件55附装到闭塞器52，其在释放部件86向端帽51施加向下力时邻接端帽的远端侧，使得闭塞器52在从马达驱动组合件60(且从工具组合件30)释放时伴随工具32的剩余部分。

马达驱动组合件60进一步包含控制电路，其用于控制各自马达62、64、66和67的操作。控制电路可包括与马达驱动组合件60相关联的独立处理器(未图示)，其接收来自机器人系统25的信息作为输入，其中包括但不限于从各自套管36、38和身体表面/物体(例如，毛发毛囊)的获取图像中获得的定位数据。另外或替代地，各自编码器可在操作上与马达62、64、66和67中的一者或一者以上耦合以用于追踪植入套管36、采集套管38和/或闭塞器52的相对移动和(因此)位置信息。

对于从身体表面(例如，头皮)采集毛囊单位来说，机器人臂27定位采集套管38并将采集套管38与待采集的选定毛囊单位的纵轴对准。接着，通过机器人臂27的运动将采集套管38推进到选定毛囊单位上方，其中伴随着通过马达64造成的采集套管38围绕其纵轴的同时旋转移动，其中套管38的开放远端40穿透身体表面到达围绕所述毛囊单位并在其下方的皮下脂肪层中。在替代实施例中，可在马达驱动组合件60中另外提供线性驱动机构以提供采集套管38相对于工具组合件外壳20(和植入套管36)的独立受控轴向平移。接着，通过机器人臂27的运动将采集套管38从身体表面撤回以进而抽取毛囊单位，所述毛囊单位携载在采集套管的内腔中。在一些实施例中，可选择性地将真空源放置为与采集套管内腔连通以施加指向近端的“拉”力，以有利于夹持并抽取毛囊单位，并且帮助在采集毛囊单位之后将其保持在采集套管中。

对于植入来说，通过机器人臂27将工具组合件30重新定位到身体表面的选定植入部位。在植入部位处，在植入时，植入套管36的纵轴优选地与毛囊单位的所需定向对准。参看图6A到B，将植入套管36的组织刺穿远端37推进到采集套管38上方并进入身体表面68中，从而形成具有恰当深度和大小的皮下植入腔70以用于接纳所采集的毛囊单位72。套管36的此刺穿运动由马达62自动控制，且优选地是非常快速的，以便将对植入腔70的组织表面74的损伤减到最小。

在一个实施例(图6A所示)中，通过闭塞器52(在马达66的控制下)将毛囊单位72从采集套管内腔76(自从被采集以来其在此处保持不动)轴向移动到植入套管内腔78的远端部分中。这种将毛囊单位72从采集套管内腔76重新定位到植入套管内腔78中可在植入套管36已经刺穿身体表面68之前、期间或之后发生。此后，在植入套管36通过相对于闭塞器52的平移移动来从身体表面68撤回时，闭塞器将毛囊单位72维持在植入腔70中。一旦植入套管36被撤回，闭塞器52便也被撤回，其中毛囊单位72被植入在身体表面中。闭塞器52的远端对向末端80优选地为凹陷的，以为从毛囊单位72突出的一个或一个以上毛发毛囊82提供空间。

在另一实施例(图6B所示)中，将植入套管36和采集套管38的各自远端对准(即，通过植入套管36的相对移动)，使得其各自远端37和40为近似共同延伸的。这种将各自套管远端37和40对准可在植入套管穿透身体表面以形成植入腔70之前、期间或之后发生。此后，将各自套管36和38从植入腔70撤回，而将毛囊单位72保持在其中，即通过机器人臂27移动离开身体表面68和闭塞器52同时朝向身体表面68移动。在马达驱动组合件60中具有线性驱动机构以用于提供采集套管38相对于工具组合件外壳20(和植入套管36)的独立受控轴向平移的替代实施例中，可通过马达驱动组合件60的操作相对于(且不需要闭塞器52的同时移动)闭塞器52将各自套管36和38从植入腔70撤回。在其它替代实施例中，选择性地放置为与采集套管内腔76连通的加压空气源可用于在撤回套管36和38时将毛囊单位72保持在植入腔70中。

图7说明根据本发明的一些实施例的机器人学系统25的远端部分。力传感器100紧固到壁104、安装到所述力传感器100的盘102和紧固到所述盘102的马达驱动或“定位”组合件106。或者，所述盘102可直接紧固到壁104，在此情况下，力传感器100可紧固在定位组合件106与盘102之间。或者，力传感器100可定位在定位组合件106内。力传感器100经配置以感测三个不同正交方向X、Y、Z中的三个力Fx、Fy、Fz和三个正交力矩Mx、My、Mz。在其它实施例中，力传感器100可经配置以感测所述力Fx、Fy、Fz中的一者或两者和/或所述力矩Mx、My、Mz中的一者或两者。如所述图式中所示，力传感器100耦合到计算机120，所述计算机120从力传感器100接收表示所感测的力和/或力矩的数据。在其它实施例中，力传感器数据可直接传到机器人。

在以上采集和植入过程期间，力传感器100监视从定位组合件106传输的一个或一个以上力/力矩分量。举例来说，力传感器100可监视力Fz，其方向向量近似平行于采集套管200的轴。将所感测的力Fz传输到计算机120，计算机120确定所感测力Fz的量值是否处于可接受限度内。在一些实施例中，计算机120经配置(例如，编程)以在所感测力Fz超过规定限度的情况下停止采集过程或植入过程，所述规定限度可指示采集套管200或植入套管202正按压着头骨(举例来说)。因而，力传感器100提供防止采集套管200和植入套管202无意地伤害患者的安全特征。

代替使用力传感器100作为安全特征或除此之外，还可使用力传感器100来控制采集套管200和/或植入套管202的定位。当采集套管200正推进穿过皮肤并进入皮肤下方的组织中时，其经历力Fz，所述力Fz表示取心针200遭遇的阻力。图12说明表示采集套管200在推进穿过皮肤并进入组织中时感测到的阻力Fz的力图。此力Fz由定位组合件106内的各种组件传输到力传感器100，力传感器100测量此力Fz且将力数据传输到计算机120。因为皮肤表面相对较坚韧，所以最初当采集套管200推压皮肤时，其将不会立即穿透皮肤且将经历由皮肤表面提供的阻力Fz。阻力Fz从零增加到值Fp，在值Fp点处，采集套管200穿透皮肤。因为皮肤下方的组织与皮肤相比相对较软，所以采集套管200所经历的阻力Fz将在穿透皮肤之后小于Fq。

如图12所示，在达到值Fp之后，力曲线回落到第二值Fs，所述第二值Fs表示取心针200在已经穿透皮肤表面之后感测到的阻力。随着采集套管200继续被推进到组织中，力Fz将继续从那一点增加。这是因为随着将采集套管200的更多部分推进到组织中，其将接触皮肤下方的更多组织，进而增加采集套管200与组织之间的表面摩擦量。在一些情况下，如果采集套管200碰撞到骨头，那么力图将产生峰值(图式中以虚线展示)。计算机120可经编程以监视在采集过程期间推进采集套管200时产生的力曲线，并基于所述力曲线控制采集套管200。举例来说，在一些实施例中，计算机120激活定位组合件106中的定位器以用第一速率推进采集套管200，直到观测到力曲线倾斜为止，这指示采集套管200已经穿透皮肤。计算机120接着激活定位器以用第二速率推进采集套管200，直到实现所需的穿透深度为止。在一些实施例中，第一速率可能比第二速率快。

在所说明的实施例中，定位组合件106包括用于与套管组合件110啮合的保持单元109和多个定位器107a到107c。保持单元109经配置以与套管组合件110的不同零件啮合，使得套管组合件110(作为整体)可由定位组合件106定位。保持单元109还允许在套管组合件110与保持单元109啮合之后控制套管组合件110的不同组件。定位器107a到107c经配置以用于在套管组合件110已经与保持单元啮合之后移动套管组合件110的不同组件。虽然展示了三个定位器107a到107c，但在其它实施例中，定位组合件106可包括多于或少于三个定位器107。在一些实施例中，定位组合件106可包括图5的马达驱动组合件，其包括用于移动套管组合件110的不同组件的三个马达(定位器)，加上用于使套管组合件110从定位组合件脱离的额外马达。

图8说明根据一些实施例来构造的保持单元109。保持单元109包括用于啮合套管组合件110的第一部分的第一啮合部分122、用于啮合套管组合件110的第二部分的第二啮合部分124和用于啮合套管组合件110的第三部分的第三啮合部分126。

图9A说明根据一些实施例的套管组合件110。套管组合件110具有与图3到4所示的工具32类似的配置。套管组合件110包括采集套管200、植入套管202和柱塞(闭塞器)204。采集套管200具有近端212、远端214、在近端212与远端214之间延伸的主体215和至少部分由主体215界定的内腔217。在所说明的实施例中，内腔217具有介于0.3毫米到2.0毫米之间(且更优选地为大约1毫米)的横截面尺寸。套管组合件110进一步包括轴杆216，其具有近端218、远端220和在近端218与远端220之间延伸的内腔222。采集套管200的近端212紧固到轴杆216的远端220。植入套管202具有近端232、远端234、在近端232与远端234之间延伸的主体230和位于主体230内的内腔236。内腔236具有经大小设计以至少容纳采集套管200的一部分且允许采集套管200相对于植入套管202滑动的横截面尺寸。植入套管202的远端234具有用于刺穿组织的锋利尖端250。

在所说明的实施例中，采集套管200的远端214具有管状配置(图9B)。在此类情况下，采集套管200的边缘252可具有用于允许采集套管200穿透组织的锋利配置。在其它实施例中，采集套管200的远端214可具有弧形配置(图9C)。在此类情况下，弧形部分的末端254可具有用于在采集套管200围绕其轴旋转时允许采集套管200切割组织的锋利配置。在另外实施例中，采集套管200的远端214可包括多个切割部分256，其中每个切割部分256均具有用于切割组织的锋利边缘258(图9D)。应注意到，采集套管200的远端214并不限于先前描述的实例，且远端214可在其它实施例中具有其它配置，只要其可对组织进行取心。

套管组合件110进一步包括第一啮合部分238和第二啮合部分240。第一啮合部分238具有管状配置，且紧固到轴杆216。第二啮合部分也具有管状配置，且紧固到植入套管202的近端232。第一和第二啮合部分238、240经大小和形状设计以与保持单元109的相应组件啮合。应注意到，第一和第二啮合部分238、240不限于所说明的配置的实例，且啮合部分238、240可在其它实施例中具有其它配置。举例来说，在替代实施例中，啮合部分238不具有管状配置。在此类情况下，啮合部分238可以是紧固到轴杆216的表面或从其延伸的结构。类似地，在其它实施例中，啮合部分240可以是紧固到植入套管202的表面或从其延伸的结构，且不需要具有管状配置。如所述图式展示，套管组合件110还包括紧固到轴杆216的连接器248。连接器248具有类似球体的形状，但可在其它实施例中具有其它形状。

柱塞204具有近端242和远端244。柱塞204至少部分位于采集套管200的内腔217内，且可相对于采集套管200滑动。套管组合件110进一步包括耦合到柱塞204以用于在近端方向相对于采集套管200偏置柱塞204的弹簧246。在所说明的实施例中，柱塞204被描述为套管组合件110的组件。在其它实施例中，柱塞204不是套管组合件110的一部分。举例来说，柱塞204可以是定位组合件106的组件。

图10说明已经与定位组合件106啮合的套管组合件110。当套管组合件110搭扣到定位组合件106上时，保持单元109的第一啮合部分122与连接器248啮合，第二啮合部分124与套管组合件110的第一啮合部分238啮合，且第三啮合部分126与套管组合件的第二啮合部分240啮合。连接器248允许将套管组合件110拆卸式紧固到定位组合件106。保持单元109的第一啮合部分122耦合到第一定位器107a。在一些实施例中，采集套管200不是可平移的。在替代实施例中，第一定位器107a经配置以平移(例如，推进或缩回)采集套管200。保持单元109的第二啮合部分124耦合到第二定位器107b，其经配置以将采集套管200围绕其轴旋转。保持单元109的第三啮合部分126耦合到第三定位器107c，其经配置以平移(例如，推进或缩回)植入套管202。

在其它实施例中，保持单元109的第二啮合部分124可耦合到第一定位器107a和第二定位器107b两者。在此类情况下，第一定位器107a经配置以平移啮合部分124以进而推进或缩回采集套管200，且第二定位器107b经配置以旋转啮合部分124以进而使采集套管200围绕其轴转动。在另外实施例中，不需要第二定位器107b，且套管组合件110不包括啮合部分238。在此类情况下，定位组合件106未经配置以旋转采集套管200，而是以来回推动运动推进和缩回采集套管200。在其它实施例中，不需要第三定位器107c，且第三啮合部分126固定紧固到保持单元109。在此类情况下，植入套管202可由机器人臂27定位，且采集套管200可使用第一定位器107a相对于植入套管202而定位。

当使用套管组合件110来采集毛囊单位时，套管组合件110首先耦合到定位组合件106。这可通过将套管组合件110搭扣到定位组合件106上来手动完成。或者，套管组合件110可通过架台(未图示)来保持竖直。在此类情况下，可使用机器人臂27来移动定位组合件106来从所述架台“抓取”套管组合件110。可使用相机28来向处理器120提供关于套管组合件110的位置的信息，处理器120基于所述信息来控制机器人臂27，进而相对于套管组合件110将定位组合件106放置在啮合位置中。

接下来，将治疗计划输入到计算机120中。在一些实施例中，治疗计划是经设计以将毛发毛囊单位从第一区(采集区)移植到目标区(植入区)的规定计划。在此类情况下，治疗计划可包括一个或一个以上参数，例如待移除/植入的毛发毛囊单位的数目、采集区的位置、植入区的位置、与目标植入位置相关联的随机度、邻近目标植入位置之间的间隔、毛囊深度、植入深度、患者识别、采集区的几何轮廓、植入区的几何轮廓、标记位置和目标植入位置的密度。可使用各种技术来将治疗计划输入到计算机120中。在所说明的实施例中，可使用包括监视器122和键盘124的用户界面来输入治疗计划。或者，可使用例如磁盘或光盘等存储装置来输入治疗计划。在其它实施例中，可从远程服务器下载治疗计划。在另外实施例中，可使用以上技术的组合来输入治疗计划。举例来说，可使用磁盘将一些参数输入到计算机120中，同时可使用用户界面来输入其它参数。在一些实施例中，可(例如，在治疗阶段期间)实时确定治疗计划的一个或一个以上参数。

在已经将治疗计划输入到计算机120中之后，计算机120接着关于患者登记治疗计划。在一些实施例中，这可通过使用相机28识别患者上的一个或一个以上标记来实现。所述标记可以是紧固到患者的反射体、绘制在患者上的墨水标记或患者的骨骼。所识别的标记可用于确定患者上的目标区的位置和/或定向。在所说明的实施例中，治疗计划包括采集(或供体)区的位置。使用来自相机28的输入，计算机120识别患者上的采集区的位置和采集区中的目标毛囊单位。计算机120接着操作机器人臂27以将采集套管200的远端214放置到靠近目标毛囊单位。在一些实施例中，采集套管200与目标毛囊单位同轴定位。

接下来，使用采集套管200来采集目标毛囊单位。在一些实施例中，这可通过激活定位组合件106内的定位器以旋转采集套管200来完成。当旋转采集套管200时，可向远端推进采集套管200(例如，通过激活定位组合件106内的另一定位器或通过使用机器人臂27来移动定位组合件106)。在其它实施例中，目标毛囊302单位的采集可通过向前和向后推动采集套管200来实现。在使用采集套管200来对毛囊单位302进行取心的同时，远离采集套管200的远端214向近端定位植入套管202，以进而防止干扰采集程序。这可通过相对于植入套管202向远端推进采集套管200或者通过相对于采集套管200向近端缩回植入套管202(如果植入套管202可定位的话)来实现。

当已经将采集套管200的远端214推进到皮肤表面以下的规定深度(例如，5毫米)内时，接着从患者处缩回并移除采集套管200。可使用相机28来监视采集过程以进而确定已经将采集套管200在皮肤表面306以下推进多远。在一些实施例中，采集套管200的外部可包括标记线以进而允许相机28或外科医生“看见”已经将采集套管200的多少推进到患者中。在一些实施例中，内腔217内的毛囊单位302与内表面304之间的界面处的表面摩擦将在从患者处移除采集套管200时保持毛囊单位302，进而采集毛囊单位302。

在其它实施例中，内表面304可以具有纹理(例如，具有一个或一个以上凹痕或突起)，以进而允许远端214在从患者处移除采集套管200时更容易束缚住毛囊单位302。在另外实施例中，套管组合件110的近端可耦合到位于定位组合件106内的真空单元(未图示)。在此类情况下，真空单元在采集套管200的内腔217内形成吸力，以进而在从患者处移除采集套管200时将目标毛囊单位302拉离其下方组织。

在已经采集了毛囊单位302之后，定位组合件106将采集套管200向近端缩回，直到远端214接近植入套管202的远端234为止。或者，如果植入套管202是可定位的，那么可向远端推进植入套管202，直到远端234远离采集套管200的远端214为止。接下来，计算机120操作机器人臂27以将植入套管202的远端234放置在邻近于患者的植入区内的目标位置(由治疗计划规定)处。接着推进植入套管202(例如，通过激活定位组合件106内的定位器或通过将定位组合件106向远端朝向目标位置移动)，以在植入区处刺穿皮肤310(图11A)。推进植入套管202，直到穿透深度312至少等于取心深度300为止。在一些实施例中，可使用相机28和计算机120来确定已经将植入套管202推进到患者中的量。举例来说，植入套管202可包括多个标记线以允许相机28或外科医生“看见”已经将植入套管202的多少插入到患者中。如所述图式展示，植入套管202在患者皮肤314下方形成开口314，可将毛囊单位302放置在所述开口314中。

接下来，在植入套管202的内腔236内推进含有所采集毛囊单位302的采集套管200，直到毛囊单位302的顶部表面320在植入区的皮肤310处或在皮肤310下方(图11B)。接下来，可将柱塞204向远端推进(例如，通过使用定位组合件106内的另一定位器)，直到其远端244啮合位于采集套管200内的毛囊单位302为止(图11C)。接着，相对于柱塞204向近端缩回植入套管202和采集套管200，进而将毛囊单位302植入在植入区中的目标位置处(图11D)。在其它实施例中，套管组合件110不包括柱塞204。在此类情况下，可使用位于定位组合件106内的压力产生器(未图示)来在采集套管200的内腔217内形成压力，进而在缩回植入套管202和采集套管200时将毛囊单位302推向患者。此技术将致使在从患者处移除采集套管200时从采集套管200处移去毛囊单位302。

在已经将第一毛囊单位302植入在植入区中之后，向远端推进采集套管200，直到其远端214远离植入套管202的远端234为止。计算机120接着再次操作机器人臂27以将采集套管200放置到靠近待采集的另一目标毛囊单位302。接着重复上述过程以采集下一个毛囊单位302，并植入所述毛囊单位302。毛囊单位302的选择可由计算机120确定。举例来说，在一些实施例中，基于规定采集区的位置和几何形状，只要毛囊单位302位于规定采集区内，计算机120就会选择所述毛囊单位302。在一些实施例中，重复以上过程，直到已经在植入区中植入规定数目的毛囊单位302为止，直到所植入毛囊单位302的密度达到规定密度为止，或直到在采集区中不再有可用的毛囊单位302为止。

在本发明的一些采用自动化定位系统的实施例中，主治医生或操作员仍可指定需要将毛囊单位植入在哪里和以什么角度植入，即其相对位置(或“植入部位”)、定向和深度。举例来说，指定待植入毛囊单位的位置、定向和/或深度可由治疗计划系统实行。或者，在植入模式期间，当相机正观看头皮的受体区域时，主治操作员可使用用户界面(例如，常规计算机鼠标)来指定植入位置和/或定位和/或定向和/或植入深度。或者，操作员可通过放置临时基准点(例如可由图像处理系统观察、识别和测量的墨水标记或指针)来指向头皮上的位置。另外，可直接在计算机监视器上将定向指定为两个角度的组合(例如，围绕x轴的旋转和围绕y轴的旋转)(假设z轴沿着套管)，或通过将细长指针放置在头皮上来指定定向，其中图像处理系统可观察并测量所述角度。

在任何情况下，控制机器人臂现变成两个步骤。首先，基于植入位置的位置和定向的指定，计算机处理器指导机器人臂将植入套管移动到所需位置和定向。其次，单独通过启动所述机构或通过机器人臂移动与机构启动的组合，将植入套管实际推进到皮肤表面中，其中实现所需植入深度。另一种指定所植入毛囊单位的定向的方式是使系统将从所植入毛囊单位延伸的所述一个或一个以上毛发毛囊的定向与植入区中的现有毛发毛囊的定向相匹配。在将植入套管定位在植入位置处之后，所述系统观察并测量相邻毛发毛囊的定向，并使用此信息来确定正被植入的毛囊单位的恰当定向。在相邻毛发毛囊具有不同定向的情况下，系统可(例如)获得各种定向的加权平均值来确定正被植入的毛囊单位的定向。

Claims (25)

1.一种用于采集和/或植入毛囊单位的自动化系统，其包含：

可移动臂；

工具，其安装于所述可移动臂上；

一个以上相机，其安装在所述可移动臂上；

处理器，其经配置以接收并处理由所述一个以上相机获取的图像；以及

控制器，其在操作上与所述处理器相关联且经配置以至少部分基于由所述一个以上相机获取的经处理图像来定位所述可移动臂，

其中所述可移动臂是可定位的，使得可将所述工具定位在相对于含有毛囊单位的表面的所需定向中，且其中所述处理器经配置以在所述一个以上相机获取的图像中识别毛囊单位的近似物理边界。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述自动化系统是机器人系统，且其中所述可移动臂是机器人臂。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个以上相机包含单个相机，且其中所述处理器经配置以将所述相机的基准坐标系统与所述可移动臂的工具框架基准坐标系统对齐。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述处理器基于在所述可移动臂沿着所述工具框架基准坐标系统的一个以上轴移动时获取的固定校准目标的图像来将所述相机基准坐标系统与所述工具框架基准坐标系统对齐。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个以上相机包含定位在所述可移动臂上的一对相机，且其中所述处理器经配置以将所述相机的各自基准坐标系统彼此对齐并与所述可移动臂的工具框架基准坐标系统对齐。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述处理器基于在所述可移动臂沿着所述工具框架基准坐标系统的一个以上轴移动时获取的固定校准目标的图像来将所述各自相机基准坐标系统与所述工具框架基准坐标系统对齐。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个以上相机包含定位在所述可移动臂上的各自第一和第二对相机，所述第一对经聚焦以获取第一视场的图像，且所述第二对经聚焦以获取第二视场的图像，所述第二视场窄于所述第一视场。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述处理器经配置以基于在所述可移动臂在沿着所述工具框架基准坐标系统的一个以上轴移动时获取的固定校准目标的图像来将所述第一和第二对相机的各自基准坐标系统彼此对齐并与所述可移动臂的工具框架基准坐标系统对齐。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述工具包含毛囊单位采集工具和毛囊单位植入工具中的一者或两者。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述毛囊单位采集工具和毛囊单位植入工具是集成组合件的一部分。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述工具选自包含注射针、采集套管、植入套管、套管组合件和激光器的群组。

12.根据权利要求2所述的系统，其中所述处理器和控制器经配置以通过所述机器人臂的视觉伺服来定位所述工具。

13.根据权利要求1所述的系统，其中识别毛囊单位的近似物理边界包括识别所述毛囊单位的嵌入在所述皮肤表面中的皮下基本区和所述毛囊单位的远离所述皮肤表面延伸的远端尖端区。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述图像包括皮下图像。

15.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含提供于所述可移动臂上的空气喷嘴，所述空气喷嘴经配置以用于将空气流对准所述含有毛囊单位的表面。

16.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含用户界面以允许用户向所述处理器和控制器的一者或两者输入关于待植入毛囊单位的位置、定位、定向和深度中的一者以上的指令。

17.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器进一步经配置以决定所述工具在所述身体表面中的穿透深度。

18.一种用于移除毛囊单位的自动化系统，其包含：

可移动臂；

工具，其安装于所述可移动臂上；

一个以上相机；

处理器，其经配置以接收并处理由所述一个以上相机获取的图像；以及

控制器，其在操作上与所述处理器相关联且经配置以至少部分基于由所述一个以上相机获取的经处理图像来定位所述可移动臂，

其中所述可移动臂是可操纵的，使得可将所述工具定位在相对于含有毛囊单位的表面的所需定向中；且

其中所述处理器进一步经配置以用于在所述一个以上相机获取的图像中识别所述毛囊单位的嵌入在所述皮肤表面中的皮下基本区和所述毛囊单位的远离所述皮肤表面延伸的远端尖端区。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述自动化系统是机器人系统，且其中所述可移动臂是机器人臂。

20.根据权利要求18所述的系统，其中所述处理器和控制器经配置以用于通过所述可移动臂的视觉伺服来定位所述工具。

21.根据权利要求18所述的系统，其中所述工具选自包含注射针、套管组合件、采集套管、植入套管和激光器的群组。

22.一种用于植入毛囊单位的自动化系统，其包含：

可移动臂；

工具，其安装于所述可移动臂上；

一个以上相机；

处理器，其经配置以接收并处理由所述一个以上相机获取的图像；以及

控制器，其在操作上与所述处理器相关联且经配置以至少部分基于由所述一个以上相机获取的经处理图像来定位所述可移动臂，

其中所述可移动臂是可定位的，使得可将所述工具定位在相对于身体表面的所需定向中，且其中所述处理器经配置以决定所述工具在所述身体表面中的穿透深度。

23.根据权利要求22所述的系统，其中所述处理器进一步经配置以识别位于植入部位相邻处的毛囊单位的近似物理边界。

24.根据权利要求22所述的系统，其进一步包含用户界面以允许用户向所述处理器和控制器的一者或两者输入关于待植入毛囊单位的位置、定位、定向和深度中的一者以上的指令。

25.根据权利要求22所述的系统，其进一步包含携载在所述可移动臂上的空气喷嘴以将空气流对准所述身体表面。

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