用于去除脂肪組織的系統和方法

專利名稱：用于去除脂肪組織的系統和方法
技術領域：
本發明涉及去除脂肪組織(脂肪)的系統和方法。
背景技術：
塑身已發展成減少人們體重并使其恢復更纖瘦、更苗條身體外形的高級追求。整容外科已隨著工具和技術的開發而得到相當迅速的發展。用于快速的體重減輕和塑身的一種通用治療方法是皮下脂肪抽吸術。
皮下脂肪抽吸術是通過塑造和去除不想要的脂肪而顯著地改善不同身體區域的形狀和輪廓的身體造型方法。每年都會有20萬例以上的皮下脂肪抽吸術。皮下脂肪抽吸術領域中的最新改革和發展包括腫脹技術和超聲波輔助技術。常規的皮下脂肪抽吸術通過在需要位置作一些小切口、然后在皮下脂肪層植入中空管或插管來進行。該插管與真空相連，且在較高抽吸力下脂肪被吸除。該治療方法不加選擇地去除脂肪、結締組織、血管和神經組織。該治療方法導致出血、瘀傷、創傷、和失血，從而限制可能去除的脂肪量。
腫脹技術允許在手術期間去除多得多的脂肪而失血量較少。腫脹皮下脂肪抽吸術在抽吸之前向脂肪層注入大量的鹽和腎上腺素溶液。插管再次用于抽吸設備以去除脂肪。該治療方法減少了常規皮下脂肪抽吸術的出血量。但是該治療方法仍然去除了大量的結構組織、血液和神經末梢。
最新公認的革新是超聲波輔助脂肪移植術(UAL)。UAL利用尖端以超聲波頻率振動的鈦插管。該振動使鄰近的大量脂肪細胞分裂并使它們基本上液化，以便于去除。UAL使用低功率抽吸并僅在插管尖端附近抽取脂肪物質。該技術更為精細且對組織更為柔和，從而出血量較少、瘀傷較少、不太疼痛、而復原快得多。
超聲波在外科手術中的使用并不限于UAL。高強度聚焦超聲(HIFU)技術已由他人用于癌癥的治療。
Cain等人的美國專利6,309,355揭示了一種在目標組織中產生微氣泡、然后使用超聲波源使微氣泡產生空穴效應、以去除附近組織的方法。較佳實施例使用低頻超聲波源(低于500kHz)來引起氣穴。一診斷儀器被用來確定各手術損傷的位置。
Eshel等人的PCT申請WO 02/054018 A2提供在一人體區域中溶解脂肪組織，同時并不溶解非脂肪組織的方法。該方法描述在身體中使用HIFU與診斷成像系統以及計算機相連，來跟蹤用HIFU能量照射的區域。
過去幾十年間已在HIFU的開發中有了若干革新。強度已增大到在氣泡因氣穴形成時，沸騰可在極短時間段(～1秒)中發生。氣泡極大地增加了超聲波的吸收、以及伴隨對組織的快速加熱。Haifu(中國重慶)公司已生產了使用超聲波治療實體瘤的治療設備。當施加器在圍繞包含腫瘤組織的水袋內移動時，施加超聲波能量。
其它療法主要取決于使組織壞死的加熱機制。若干論文報告在組織中產生氣穴而不必將組織溫度增高到壞死程度。這些方法向組織施加高強度連續波(CW)超聲療法，以便于產生空穴氣泡(有時稱為“穩定”氣穴)，這些氣泡的主要目的是增強吸收和減少加熱時間。采用與脈沖波(PW)超聲相似的快速重復的極高強度短脈沖的治療可產生具有極短壽命(微秒)的空穴氣泡。這些氣泡導致對組織的極大機械損傷，它可由短脈沖(～5-30秒)周期性地重復而無需大量伴隨的組織加熱。仔細地斟酌療法參數可例如通過剪切力、瞬時氣穴沖擊波、或穩定的氣穴壓力來增強機械損傷，而無需將組織加熱到熱壞死程度。
HIFU療法可用若干方法和方法組合來應用。大多數HIFU療法通過將HIFU應用于一個點并通電給定時間段(通常為1～4秒)來應用。強度水平通常被選擇為將施加器焦點處的組織加熱到凝固性壞死的點，盡管其它報告將該組織加熱到超過水的沸點(100℃)。在一個聲照射周期之后，施加器關閉并移到新的位置；通常離之前的施加處幾毫米。直到組織已冷卻了從幾秒到幾分鐘的一時段，施加器才再次開啟。施加器再次開啟并產生新的創傷。用該方法治療大量組織要化數小時。
以下附加參考文獻是本領域中相關的5,769,790；6,113,558；5,827,204；5,143,063；5,219,401；5,419,761；5,618,275；6,039,048；6,425,867；5,928,169；6,387,380；6,350,245；6,241,753；5,526,815；6,071,239；5,143,063；6,685,639以及WO 00/36982。
上述參考文獻描述了與本發明相關的超聲波技術，以及用它們來去除人體內組織的方法。然而在現有技術中有一顯著缺點。沒有允許患者和醫生能一起設計期望的塑身計劃以實現患者所期望的結果的示教。在現有技術中沒有準確存儲從一個治療到下一個治療已對患者作了什么的信息的裝置。這使一次完成所有治療成為必要，產生患者治療過度的可能，或者醫生必須通過感覺或查看患者的脂肪組織區域作出猜測，以確定在前一治療中已作了什么。當患者已進行了非侵入性HIFU治療時，醫生將完全失去方向且無法確定需要什么適當的后續治療。
此外，現有技術的超聲波療法深受不能快速處理大量組織的困擾。因而，只要處理大塊或大量，侵入性療法就是較佳的。
因此，本發明的一個目的是提供一種裝置，通過它患者和醫生可確定適當的治療方法并感覺可實現的結果。
本發明的另一個目的是提供用于準確確定患者的脂肪組織量的裝置。
本發明的又一個目的是提供用于精確跟蹤治療及其對患者的效果的裝置，從而患者可將期望治療延長以降低或消除因一次性進行大規模療法的不適和危險。
本發明的再一個目的是提供用于準確映射人體內手術創傷位置的裝置。
本發明的另一個目的是提供與侵入式療法相似地快速去除大量脂肪組織的裝置和方法。
這些目的的任一個或多個在以下揭示中解決。

發明內容
在此所述的是用于去除脂肪組織的系統和方法。在第一實施例中，有用于向身體區域施加能量的系統，該系統包括包括能量施加器的掃描頭、用于將掃描頭懸置于空間的裝置、以及與掃描頭和懸置裝置相連的治療控制器。該治療控制器適于監視掃描頭的位置和能量傳送，同時提供對定位該掃描頭的引導。
在第二實施例中，有用于產生相匹配的身體外形的、接近體表的皮下組織圖的系統，該系統包括用于產生患者身體的體表圖像的三維成像裝置、用于產生患者身體的皮下圖像的組織成像裝置；以及用于使體表圖像和皮下圖像的多個標記相匹配的相關手術設備。
在第三實施例中，有用于定位醫療設備的系統，該系統包括機械臂；用于控制機械臂的第一控制裝置在治療頭內可移動定位的醫療設備，該治療頭與機械臂相連；用于控制醫療設備在治療頭內的移動的第二控制裝置；以及與機械臂、第一控制裝置、醫療設備和第二控制裝置電子通信并用于協同手術的電子控制器。
在又一實施例中，有用于定位醫療設備的系統，該系統包括機械臂；用于控制機械臂的控制裝置；固定定位于治療頭內的醫療設備，該治療頭與機械臂相連；以及用于翻譯從控制裝置接收的移動指令、并用于將移動指令中繼給機械臂的電子控制器。
在另一實施例中，有用于引導能量發射器在患者身體上的移動的裝置，該裝置包括具有至少一個能量發射器的可移動治療頭；導環；以及用于跟隨導環移動并使治療頭基本上位于導環中央的跟蹤系統。
在又一實施例中，有用于定位醫療設備的系統，所述系統包括負載平衡臂；在治療頭內可移動定位的醫療設備，該治療頭與負載平衡臂相連；以及用于控制醫療設備在治療頭內的移動的裝置。
還有使用所述系統的方法。在有將能量施加到身體區域的方法的實施例中，該方法包括以下步驟第一，向治療控制器提供治療方案；第二，響應于治療控制器所產生的引導，在身體表面上手動地掃描掃描頭，同時能量從所述掃描頭傳送；第三，監視掃描頭的位置和能量傳送，以產生位置數據并將該位置數據傳送給治療控制器；最后，如果手動位置和/或能量傳送落于治療方案之外，則產生警報。
在第二實施例中，有執行脂肪移植術的方法，包括以下步驟(a)確定人對治療超聲術的適應性；(b)標記人身上要處理的區域；(c)為治療超聲術定位患者；(d)將已標記區域掃描到計算機中；(e)使用治療計劃軟件包設置治療超聲術；(f)使用通過治療計劃軟件控制的計算機系統激活治療超聲術；(g)使用治療計劃軟件記錄治療的進度；以及(h)向該患者提供可指定的任何附加術后輔助。
在另一實施例中，有使用治療超聲波去除患者的脂肪組織的方法，包括以下步驟確定患者脂肪組織的一個或多個位置；將患者定位在治療床上；用治療超聲換能器照射患者脂肪組織的位置。
在又一實施例中，揭示了產生3D身體示圖的方法。產生具有脂肪組織量的位置的3D身體示圖的方法包括以下步驟使用3D成像系統產生身體的3D圖像；將身體的3D圖像輸入成計算機可讀格式；用3D繪圖軟件應用程序產生身體的3D身體示圖，并用與3D繪圖軟件應用程序電子通信的診斷超聲設備掃描身體，使得由診斷超聲設備檢測的脂肪組織區域被適當地置于3D身體示圖中。
在再一實施例中，有使用3D身體示圖塑身的方法，包括以下步驟分析3D身體示圖以得出要去除的脂肪組織量；確定可使用塑身術安全去除的脂肪組織量；扣除要去除的脂肪組織量以產生第二個3D身體示圖，其中醫生和患者可比較第一3D身體示圖和任意多個第二3D身體示圖，以選擇要進行塑身術的所需量。
在另一實施例中，有用于去除脂肪組織的方法，包括以下步驟確定要治療的組織的體積和區域；以及用以連續運動掃過該區域的脈沖波(PW)HIFU換能器治療該體積。
在又一實施例中，有使用負載平衡臂定位超聲治療頭的空間位置的方法，該治療頭包括用于懸置在治療頭內的能量施加器的運動控制器。該方法包括以下步驟，首先將力施加在治療頭上，其次向運動控制器提供電子引導。


圖1示出本發明的側視圖。
圖2示出掃描頭。
圖3示出除氣電路的示意圖。
圖4A-B示出治療頭的元件。
圖5示出具有類似計算機的輸入設備的臂。
圖5A-B示出導環控制裝置。
圖6示出光學導環控制裝置。
圖7示出伸縮接頭。
圖8示出3D立體成像系統。
圖9A-C示出標記患者身體的方法。
具體實施例方式
定義在本說明書中，我們稱“治療控制器”為負責本發明所使用的醫療方法的計劃、協調和操作的設備。該治療控制器是一計算機設備。它可以是專用的特別構建的計算機系統或通用計算機，具有足夠的硬件和軟件資源來提供本系統的命令和控制即將治療頭、能量發射器、和機械臂控制在所需范圍內。有時我們稱為治療方案軟件、治療控制器、或用于執行超聲治療的程序。每一個這些元素通常都在治療控制器的名單中，作為本發明的基本元件或治療控制器的特定子單元。
此外，我們在此使用術語“電子通信”來包括組分(不管是硬件還是軟件的)間所有形式的電子信號和功率耦合。因而我們稱數據、指令、代碼、和/或功率的發送為電子通信，不管這種發送是單向的、雙向的、還是響應于對這種電功率或信息的查詢或指令或需要。部件之間電子的任何有意移動都是“電子通信”。
通過“治療頭”，我們表示用于包含能量施加器的外殼。該外殼可特別地設計成外形擬合能量施加器，使外殼、或具有結合一些附加設備的附加體積的外殼的體積最小化。這些設備可包括用于使能量施加器在外殼內移動、或使用蓄液池、或具有附加傳感器的小馬達系統、用于將信息中繼給置于治療頭外部的組件的引導設備。在先前的描述中，我們將術語“端部作用頭”或“作用頭”賦予“治療頭”。術語“治療頭”、“掃描頭”和“端部作用頭”被視為是可互換的。
HIFU系統描述本發明是用于將能量施加到某一身體區域的系統。該系統具有三個主要子系統掃描頭、懸置設備和治療控制器。掃描頭包括能量施加器和蓄液池。懸置設備通常是機械臂。第三組件是與掃描頭和用于懸置掃描頭的裝置電子通信的治療控制器。治療控制器用于監視掃描頭的位置和/或能量傳送，同時提供定位掃描頭的引導系統。
本發明的系統10具有包括能量施加器600(參見圖1)的掃描頭500。系統10還具有將掃描頭懸置在空中的裝置，諸如機械臂200。懸置裝置支撐掃描頭500的大部分重量，并允許用戶手動地將掃描頭500在空中重新定位，或者通過機器人控制器來移動掃描頭。懸置裝置還可提供與掃描頭相對于病人身體的位置相關的信息。當掃描頭500在空中移動時可從該掃描頭500收集數據，以提供掃描頭的跟蹤信息。還有與掃描頭和懸置裝置耦合的治療控制器250。該治療控制器可以是計算機400的一部分、或是獨立的智能設備。該治療控制器監視掃描頭的位置和能量傳送，同時向用戶提供相對于患者身體將掃描頭移到哪兒的引導。
系統10具有可任選地安裝在多個腳輪102上的底座100。輪閘110可用來將基座100固定在適當的位置上。可選手柄120可用來移動基座100。基座100包含作為獨立設備、或作為較大計算機400的一部分的治療控制器250。諸如馬達232的可選運動產生設備也可包含在基座100中。機械臂200通過桿202錨定在基座100上。旋轉接頭212還可包含旋轉編碼器222。
每個臂段都具有相應的接頭214、216、218和可選編碼器224、226、228。臂段204、206、208從基座伸出并支持治療頭(或掃描頭)500。固定器260用來連接治療頭500和機械臂200的最遠段208。附加接頭240、210向治療頭500或可選顯示設備242提供附加自由度。每個臂段內所包含的是用來在空中移動治療頭500、或與治療頭的重量平衡的力產生設備234、236、238。
現在我們依次討論每一個子系統。
掃描頭掃描頭(也稱為治療頭)是包含能量施加器、以及在治療期間能量施加器的有效操作所需的任何附加設備的外殼。多種設計可選擇用于掃描頭子系統。治療頭通常被配置成倒置的杯或鐘，具有在其底部有一孔縫隙的腔室。該腔室可分成兩部分，形成其間具有密封層的上腔室和下腔室。上腔室包含能量施加器的操縱和控制所需的電子和馬達驅動單元。下腔室包含能量施加器、超聲波耦合液、以及該系統適當操作所需的傳感器。
最好治療頭的外部設計是人與機械控制的，所以用戶可用一個手抓住它并抵住患者的皮膚表面移動或定向治療頭時。人機控制配合用于抓握和導向而不用來承載重量，因為治療頭旨在由機械裝置支撐。治療頭(圖2)通過固定器260與機械臂200相連。從治療頭的頂端有多條連線531，用來使治療頭內的組件與治療控制器250、電子控制器(計算機)400以及除氣系統7相連。這些線使治療頭500和基座單元100之間保持電子通信和流體連接。
在本實施例中，治療頭具有上腔室504和下腔室502。有隔離兩個腔室的流體密封層，且可有一個或多個通孔。如果呈現通孔，則它們用于機械鏈接520、528、電子通信線路、以及可能流體流動線路712。上腔室504最好包含一對馬達驅動單元508、510。下腔室502包含至少一個能量施加器600。能量施加器通過對所使用適當形式的能量是透明的孔590傳送。在馬達驅動設備和能量施加器之間有連接裝置。此外，有使馬達驅動單元、能量施加器、和流路與基座中相應元件(治療控制器和除氣系統7)相連的多條電纜。
除氣系統(圖3)駐留在基座100內，但具有延伸到下腔室502的流路712。流路具有流體泵701、真空泵704、真空腔室706和用于氣體的排氣線726。可任選地，除氣系統可具有蓄液池708、冷卻器710、一對輸入或排氣閥720、722、以及旁通閥724和旁通輸液管718。傳感器716、714也可用于監視回路中的流體。液體502用于幫助耦合換能器600與患者，并減少換能器600附近的任何氣穴效應。
現在更詳細地示出治療頭500(圖4A)。在外殼566內有一能量施加器600。該外殼具有允許輻射能量從外殼通往患者的窗口590。該治療頭500最好足夠小且足夠輕，使醫生能用一只手輕易地移動它。如果醫生由支撐治療頭500重量的關節式臂桿200幫助，則該治療頭500可在大小和重量上增加。有在治療頭500和外部計算機400或治療控制器250之間延伸的數據鏈接572。有頂部或上腔室564，以及底部或下腔室566。
治療頭500可安裝在由基座100支撐的關節式臂桿200上。該關節式臂桿200將使其移動和功能受計算機400或治療控制器250監視或控制。
最好治療頭500包含用于在外殼內移動能量施加器600的馬達驅動器508、510。馬達驅動器直接、或通過齒輪組件(未示出)連接到一對推桿520、528。然后推桿移動一對開槽驅動器520’、528’。開槽驅動器沿在兩個開槽驅動器的交界處承載能量施加器的推桿移動。當推桿響應于馬達的運動旋轉時，開槽驅動器在開槽推桿的運動范圍內支撐能量施加器。旋轉編碼器530放置在推桿520、528上，使能量施加器的運動可準確地測量。
在另一可能實施例中(圖4B)，馬達驅動單元508、510可用來控制與附于能量施加器的板534b磁性耦合的板534a。該板由馬達移動，且作為響應能量施加器也移動。除磁性連接外，能量施加器與任一類推桿或移動設備都無物理連接。仍然需要通孔，從而能量施加器與治療控制器250和計算機400保持電子通信。然而，即使該通孔仍然可使用短程“無線”通信設備來去除。
下腔室566是不漏液體的，所以液力耦合溶液502可被引入到該腔室中。該液體圍繞能量施加器，并提供施加器和患者的耦合。最好能量施加器是HIFU換能器。液體用來提供耦合，從而超聲波能量可被傳送到治療頭的外部。耦合液體通過與基座100中的除氣系統相連的一對供給軟管進出下腔室。因為眾所周知HIFU發射會產生氣穴，且氣穴不利地影響超聲波傳輸，所以需要在系統工作時使液體除氣。因而，液體在治療頭的一側進入下腔室，并從另一側引出。當液體在通過下腔室在一個方向上流動時液流建立，且可在HIFU療法中形成的任何氣泡都被去除，而不被允許在腔室內流動而可能干擾該療法。
被允許在腔室內流動而可能干擾該療法。
放氣系統7利用精心設計的組件和步驟來從溶液中去除氣體。此外，可添加冷卻器來冷卻液體。根據流體動力學，冷卻后的液身體外形成氣泡的可能性比溫暖液體小。此外，經冷卻的耦合液有助于降低治療換能器的溫度，并允許HIFU換能器工作更長時段而不累積熱量。該液體循環系統可使用適用于超聲波耦合的任何液體，只要該液體具有相對較低的粘性，使它可以有效地流通和放氣。最佳的溶液是水。
掃描頭或治療頭500還可在下腔室的外部結合許多傳感器。傳送能量的孔靠在患者皮膚上放置。在HIFU治療期間，可利用各種傳感器來促進治療頭在患者體表上的有效跟蹤，并便于設備的安全操作。治療頭還可將觸覺傳感器結合于其中。觸覺傳感器通過第一控制裝置或通過顯示器或警報設備向用戶提供壓力反饋。傳感器測量治療頭施加在患者身體上的壓力，并向用戶提供電阻反饋、或分度壓力信息，以使用戶能感覺到治療頭在治療期間施加在患者皮膚上的壓力大小。反饋可用來給予用戶足夠的觸覺響應度，以防止機械臂傷害患者。或者，機械臂可使安全限制置于電阻反饋上，以防止對患者的傷害，或防止在治療中患者皮膚輪廓的過度變形。具體地，當醫療設備是或包括用于處理脂肪組織的治療換能器時，重要的是不要使組織體積過度壓縮或變形達到換能器的焦點區域不再落于脂肪組織體積內的程度。由于這種組織體是“軟”的(與接近體表的具有骨骼或硬質組織的肌肉組織或區域相反)，它是便于變形的。因而，觸覺傳感器有必要被調整成即使對患者皮膚有較小壓力也有響應。這容許用最小的組織變形對用戶作更強的電阻反饋。
觸覺傳感器結合用來使治療頭與患者身體保持接觸的負載感測設備工作。負載設備可以是機械臂力產生機構的一部分，或者是用來抗衡治療頭重量的一部分、同時使足夠的重量能通過治療頭傳送以保持治療頭與皮膚表面的接合的單獨平衡設備。
各種跟蹤傳感器可用來在治療頭于病人身上移動時檢測并跟蹤其位置和方向。位置信息可按需存儲并結合到精確的映射構件中。體積測量跟蹤程序可提供有關所處理組織的實時信息(參見以下內容)。
在一可選實施例中，掃描頭只有一個充液腔室。馬達組件可位于該充液腔室內(使用在液體密封外殼內的馬達)，或者馬達組件設置在治療頭的外部。在本實施例中，馬達組件可位于臂200的遠端臂段208上，與治療頭相對。馬達組件可通過驅動電纜、同步齒形帶或其它機械設備將運動傳給能量施加器600。
動器驅動的液體提供。在本實施例中，治療頭內產生的流體力也可用來提供移動能量施加器的原動力。
能量施加器最好是具有可用于組織掃描的一個或多個診斷超聲元件的HIFU超聲換能器。“一列式”(“a-line”)掃描器可置中以透視HIFU換能器的焦點區域，或者可在HIFU換能器的周邊排成陣列以查看焦點區域附近的組織。一列式掃描可在HIFU掃描之前、期間、或之后執行，且最好一列式成像與陣列換能器并發地進行，或者與HIFU換能器的脈沖波形式交織、或者以通過HIFU焦點區域或圍繞它的持續掃描形式。能量施加器600由多個元件602、604、606表示，以表示多種能量施加器可被組合成單個設備并在治療期間協同操作。換能器容器640用來在使用組合換能器組件的情形中將多個換能器元件保持在適當的位置。
HIFU換能器可在參數的足以導致細胞壞死的任何范圍上操作。在一實施例中，本發明的系統利用在1-4MHz的頻率上操作、具有高達30Mpa的壓力的HIFU換能器，使用1KHz或更高的脈沖重復頻率(PRF)。換能器以4-30毫米/秒的速度在患者的皮膚表面上作單方向移動。換能器類似于手動打字機的回車那樣返回一側。治療行的行間距范圍為1-3毫米。
掃描頭使用超聲波耦合劑與患者耦合。耦合劑可以是結合掃描頭內環流系統使用的聲學凝膠、或耦合液。
如果使用管路內除氣的耦合劑，則液體通過掃描頭環流并返回到流體除氣或冷卻的主單元。流體通過襯墊、或通過注滿完全浸浴能量施加器的小池502流經能量施加器之前。然后能量施加器通過聲學窗口或其它可傳送窗口“播送”其能量。窗口可結合到掃描頭中，或者它可以是附件，諸如以一次性換能器密封件的形式。
用于懸置掃描頭的裝置具有位置編碼器的臂用于將掃描頭懸置于空中的裝置的一個實施例是具有位置編碼器的臂。這是為在治療期間承載負載而設計的臂。該臂包括用于固定關節式臂桿的基座。該關節式臂桿具有以可移動方式固定到基座上的近端，以及遠端。有至少一個結合到臂的位置編碼器。容器位于遠端用于承載掃描頭。還有用于在掃描頭連接時使臂負載平衡的裝置，從而位置編碼器能實時地跟蹤臂的位置。
一個或多個位置編碼器用來跟蹤關節式臂桿的運動。位置編碼器最好足夠靈敏以跟蹤小到1毫米或更小的位置變化。旋轉編碼器是較佳的，并可包括在關節式臂桿的接頭中，使每個臂段相對于基座、或相對于另一臂段、或相對于治療頭的運臂桿的接頭中，使每個臂段相對于基座、或相對于另一臂段、或相對于治療頭的運動能得以跟蹤。旋轉編碼器測量在關節式臂桿移動時臂段之間的角度變化。通過跟蹤移動部件之間角度的變化，并知道每個臂段的固定長度，則任何接頭的位置可使用數學計算來確定。如果掃描頭或其它醫療設備通過也具有編碼器的接頭固定在關節式臂桿上，則接頭角度的改變將有助于準確地確定掃描頭的位置。盡管旋轉編碼器可能是跟蹤臂位置的最直接裝置，但也可使用其它類型的編碼器。
負載平衡可采取有源或無源形式。在無源形式中，用于負載平衡的裝置包括對使用期間關節式臂桿的變化提供平衡的機械結構。該機械結構確保臂總是足夠平衡，以使治療頭因重力、接頭滑動或臂滯后引起的任何移動最小化。該臂具有用于包括負載平衡的已知方法的裝置，以及用于產生或保持力的設備。所產生的力用于負載平衡，并可以是有源的力產生設備(例如任何類型的馬達)或無源的力產生設備(例如彈簧或平衡重、或一些類型的壓力缸)。力產生設備或方法的確切形式并不特別重要，因為本發明依賴于在相應領域中非常確實的力產生方法和設備。
臂附于具有足夠重量的加重基座上，不管臂在附加治療頭時移動的位置和角度如何都錨定該臂。因而臂可達其最大伸展范圍，并達到致使重力中心處最大移動的角度，但基座必須足夠重或者充分錨定，使該臂不會翻倒或變得不穩定。用來將臂接到基座的接頭允許臂相對于基座的旋轉移動，和/或臂相對于基座的傾斜和偏向。基座和臂近端之間的接頭包括無源或有源力產生設備形式的負載平衡設備。
臂包括兩個或多個段，且負載平衡結構在每個段之間獨立地(每個段相對于臂的其它段自平衡)或相關地(每個段結合一個或多個相鄰段平衡)使用。最遠臂段的負載平衡也必須對治療頭和在治療期間它可產生的任何位置變化進行調節。
為了保持負載平衡特征，附于臂遠端的治療頭的重量必須不超過負載平衡裝置的重量補償能力是不言而喻的。類似地，臂本身的移動范圍應受到限制，以防止臂變得不平衡。負載平衡結構應當在治療頭在水平平面上伸展到遠離基座時(最不平衡的配置)補償治療頭的負載和重力中心的變化。最好負載平衡結構還對可伴隨臂移動的任何滯后作補償。因而，負載平衡機構的能力越大，關節式臂桿上可允許的移動范圍也越大。使用臂的編碼器來確定位置，就可能取決于治療頭的重量來控制臂的移動范圍。治療頭本身可以可由臂讀取的數據芯片的形式向關節式臂桿提供數據。數據芯片可包含作用頭或治療頭的質量及其操作設計的信息。也就是說，每當新的治療頭附加到臂的遠端時，臂的移動控制器就可“智能”地指出所許可的移動范圍。因而，移動限制或“停止”的范圍可在使用負載平衡設備(在它可電氣控制的情形中)的臂上實現，或者當移動范圍接近可接受限制時控制器可發出警報。這種警報可以是聲調、警告燈光或其它易于傳送給用戶的信號。或者可手動或自動地設置機械障礙，以在開始治療之前禁止臂移到平衡范圍之外。
由編碼器產生的數據被中繼給控制器。控制器是用于向裝置提供位置跟蹤設備或閉環控制機構的計算機設備。在無源模式中，控制器并不向關節式臂桿提供有源力，相反它向用戶提供臂在哪里應移動、在哪里不應移動的信號。
在無源模式中，負載平衡裝置可以是與關節式臂桿同軸的簡單平衡重和彈簧，從而臂的移動將按需產生平衡重和/或彈簧的位置或臂本身的相應變化。可將四桿式臂視為一示例。獨立無源負載平衡機構的使用是較佳的。用該方式，當臂移動時，每個臂段與所有其它臂段同時平衡。
在相關無源模式中，可再使用一系列彈簧和平衡重，盡管使用設計成當壓力施加在臂遠端(或治療頭)時或響應于觸發機構的激活而松弛的氣體、液壓或氣動馬達將更為有效。來自這些無源的力產生設備的壓力或力是一旦臂已手動地置于所需位置時重建的。臂段上的這種壓力或力防止臂再次移動，直到操作人員釋放這種固定的壓力或力為止。
在又一實施例中，使用任何類型的有源力產生設備(諸如氣缸/液壓缸或氣動馬達)有源負載平衡機構可供使用。這些可基于用戶通過機器人驅動器提供的命令來獨立或相關地操作。有源負載平衡機構的一個優點是在治療期間關節式臂桿可自動補償臂定位、同時使治療頭處于所需位置的方法。例如，當用戶想要改變治療頭的橫搖、縱搖或平搖以匹配患者身體的局部輪廓，這可通過在用于將掃描頭連接到臂遠端的接頭內移動治療頭來實現。掃描頭方位的改變可取決于掃描頭的大小和重量導致對關節式臂桿的平衡的微量或重大改變。使用有源負載平衡機構，機器人驅動器可調節掃描頭方位中的變化，而不改變臂遠端的位置。
本發明的位置編碼器可以是結合在臂本身內的機械或光學編碼器，或者它可以是在臂外部使用的一個或多個反饋設備。編碼器的可選實施例包括使用一個或多個光學設備用于在臂移動時跟蹤其位置。臂將結合傳感器可簡便標識和跟蹤的多個光學可讀標簽。另一個可選方案是在近端尖端處可以有單個RF發射器，以及位于基座或外部固定位置的RF接收器。RF數據將使控制器能跟蹤遠端的移動，并知道作用頭置于何處。這些實施例和任何等效方案都未視為較佳實施例，但仍然在本發明公開范圍內。
控制器可以是從編碼器接收數據的軟件應用程序或硬件設備(或兩者的組合)，并計算治療頭的位置。控制器還可計算裝置的每一段的位置，并映射裝置在空中的移動。因為編碼器與控制器電子通信，用于知曉治療頭在何處的數據基本上實時地出現。數據的計算機處理中的延遲是太微小以致用戶不能檢測的間隔。即使在治療進行的過程中，使用本發明由醫生手動進行的治療也不會體驗到任何明顯的或可行的延遲。
除了計算裝置在空間的位置之外，控制器可通過用作裝置的任何致動控制組件的機器人控制器，來向臂提供移動信息。該控制器還從外部饋入中接收數據，或從數據文件中讀取信息。用該方式控制器可用作機器人控制器，以遵從來自用戶或另一計算機的實時命令，或讀取提供映射的數據文件、或治療頭必須遵從的一系列移動命令。此外，如果治療頭需要在特定坐標上精確激活，則控制器也可處理這些操作。
遠端具有附加其上的治療頭。該附加必須是固定的，但也應是可移動的，從而治療頭可在治療步驟之間移動，或可在不同治療步驟之間互換。治療頭和關節式臂桿的遠端之間的移動范圍類似地可使用在連接治療頭和關節式臂桿的接頭中的旋轉編碼器確定。治療頭和關節式臂桿之間的接頭可具有多個旋轉接頭或球形接頭，以允許治療頭的更大活動性。每個接頭中的編碼器、或能準確測定三維接頭中角度變化的編碼器提供所需信息來確定治療頭的確切位置。類似地，一旦與基座之間的角度和距離得到確定，包括任何附加信息，諸如特定醫療臂距離從基座到遠端的鏈中最后一個編碼器的長度，并確定作用頭或治療頭的確切三維坐標位置就簡單了。
或者，機器人關節式臂桿可按照以下準則構建，或者它可以是大設備。再一次，基座被錨定在地板、或墻、或桌面上。治療或所使用醫療設備的類型將支配機器人關節式臂桿的大小。需要更穩固支持結構的醫療設備自然會需要具有更大承載能力、以及結合到基座中的更大穩定因素的臂。較小設備可使用能便攜、并能使用夾具或類似裝置錨定在桌面上的臂。
無位置編碼器的負載平衡臂與前述負載平衡手設備相似，治療頭可從負載平衡或機械臂懸置于空中，而沒有利用位置編碼器。在此描述臂的手動變體，其中臂提供先前所述的負載承載能力，而沒有位置感測和跟蹤能力。這種臂既便于制造和生產，又便于維護，但是它缺乏前一實施例的精確度。
沒有位置編碼器的臂主要可用作負載承載臂，使用戶不必承受治療頭的重量。所示的臂共享先前所述的許多元件。臂200具有基座100和多個臂段204、206、208。臂200通過平臺202固定在基座100上，并具有多個用于在移動時保持臂位置的張力調整器234、236、238。治療頭500放置在可相對于遠端臂段208旋轉的容器260中。用戶通過將治療頭用作控制裝置來操作臂的位置。用戶可抓住治療頭并在空中移動治療頭，而臂支持治療頭的重量并使治療頭位于用戶期望之處。在本實施例中，臂缺乏根據可通過治療控制器提供的任何位置校正治療頭的位置的能力。相反用戶將不得不保持適當的定位。或者，承載治療頭500的主要負載的臂段之一可使用平衡塊238’，而不使用力產生臂238。
在本實施例中，用張力產生設備替換機器人力產生設備。這些提供了足夠的克服接頭滑動、滯后和重力的阻力，但諸如在用戶施力移動治療頭時能適應附加力的施加。一旦所加力被釋放，則張緊設備保持治療頭的位置。
臂的制導系統置于機械臂上的治療設備的制導系統最好由協調工作的兩個組件組成。第一控制裝置通過控制機械臂的移動，提供對治療設備的“宏觀”級控制。第二控制裝置向治療頭內的醫療設備提供“微觀”級控制。
機械臂的命令和控制由第一控制裝置(圖5)提供。所示系統具有與前述相同的元件，另外加上安裝在遠端臂段208上的類似計算機的輸入臂244。還有可任選的滑動接頭216’(圖7)。第一控制裝置向馬達或機械臂的其它力產生裝置提供移動指令。除了對機械臂的移動指令之外，第一控制裝置還可通過視覺顯示器242向用戶提供有效的位置信息。
第一控制裝置可以是能引導機械臂移動的各種不同設備。在第一控制裝置的第一實施例中，計算機輸入設備可用來提供治療頭的有效定位，并向機械臂提供移動指令。計算機輸入設備可以是通常用來向計算機屏幕上的指針(光標)據供移動命令的任一類輸入設備。這些通常是兩維輸入設備，諸如鼠標、書寫板鼠標或跟蹤球。此外，三維輸入設備可用來在計算機屏幕上提供三維視覺幀中的定位。這些設備通常被示例為操縱桿、D控制器等。最后虛擬環境中移動的真正自由度可通過諸如通常在計算機輔助設計(CAD)應用中使用的“空間球”的六個自由度(DOF)設備來提供。用作第一控制裝置的輸入設備可以是現貨供應的計算機輸入設備，或者是特別設計用來與機械臂一起操作的設備。用于第一控制裝置的設備是可互換的，從而取決于用戶喜好或治療要求，即使在使用同一機械臂時，也可從一個治療到下一治療地使用不同的輸入設備。
到下一治療地使用不同的輸入設備。
盡管最好機械臂和輸入設備具有相同的自由度，但這并非是必需的。用于第一控制裝置的輸入設備是可互換的。也就是說，輸入設備沒有必要永久地或固定地附連在機械臂上。輸入設備可通過諸如通常用于計算機輸入設備的計算機接口相連。因而，一個輸入設備可具有三個DOF而另一個可具有六個DOF，兩者都適合通過共同的接口端來命令和控制機械臂。理想地，機械臂通過治療頭具有六個DOF，并具有足夠的靈活性和伸展度來使六個DOF能傳送給治療頭，而不會與在治療期間呈現的其它物體(諸如患者或用戶)有物理干擾。
輸入設備的移動用與計算機輸入設備產生要在計算機屏幕上顯示的光標或其它虛擬物體的虛擬位置信息的相同方法來產生移動指令。然而，除了輸入設備所提供的虛擬移動和位置信息以外，移動信息還被翻譯成對用來控制機械臂的馬達或力產生設備的實際移動命令。用該方式使用計算機輸入設備使用戶能操作可能較沉重和笨重的醫療設備，而無需使用比操作計算機輸入設備所需的更多的力氣。與方向固定的一些計算機輸入設備(諸如I-字形或光標箭頭)不同，在所述輸入設備的計算機屏幕上顯示的光標的方向最好與醫療設備的已知方位相對應。例如，光標箭頭可指向與醫療設備發射能量的方向相同或相反的方向。因而輸入設備的移動、以及光標在虛擬環境中方位的變化將產生醫療設備或治療頭的位置和方向中的相應變化。
與正常的計算機輸入設備相似，本發明系統所使用的輸入設備在其上可具有按鈕、或滾輪、或其它驅動器，它們可被編程為與系統的可特定操作元件相對應。例如，輸入設備上的按鈕可用來在啟閉機械臂上的馬達之間切換，從而激活醫療設備來執行治療或刷新某些傳感器數據。
輸入設備在本發明中的應用與這些設備的一般應用的重要區別在于這些輸入設備的重新定位方面。計算機輸入設備可便于補償用戶的人機控制需求而重新定位可能是常識。例如，鼠標或操縱桿可取得并移動，同時鼠標指針、I字形等的實際位置保持不變。計算機輸入設備的該優點可在一定限度內適應于用作機械臂的第一控制裝置的輸入設備。
該優點可被轉化成當重新定位輸入設備時，在治療頭、醫療設備或機械臂的移動暫停時對機械臂的控制。然而，當輸入設備用來跟蹤治療頭、醫療設備或機械臂相對于患者的實際放置的路徑(參見下文)，或治療頭、醫療設備或機械臂相對于患者身體的位置的代表性表示時，該優點不能轉化。
代表性放置涉及替代實際皮膚表面使用的患者皮膚表面的圖或模型。在跟蹤系統的一個可選實施例中，患者皮膚表面的圖可使用投影圖像和照相機產生。投影儀將圖像投射在規則間隔的網格線或網格塊的患者身體上。這些線從模板中投射，該模板具有已知的線條間隔。只要每條線之間的距離為已知，線條間隔就可以是規則的或不規則的。所投射的線條圖像以偏離投影線的角度落于由照相機檢測的患者表面上。照相機讀取線條之間的距離，從而產生直角三角形一邊的第二距離值。因而使用簡單的三角學，可確定線條之間的高度距離。
跟蹤系統可跟蹤投影圖的兩維圖像，其中斜面上的實際距離通過數學計算而不是直接測量來確定。用該方式兩維圖提供了距離和斜率的良好近似，使超聲波系統適用于較長的(或較短的)斜坡距離，并傳送適當的能量水平。
類似地，在跟蹤系統的另一實施例中，可使用患者的三維表示。該三維表示可以是畫有等高線的模型，或從實際患者的身體導出的投影。該三維表示無需太大或太精確，只要它大到足以包括所需治療區域，準確到使將在實際患者身體上跟蹤的換能器的焦點區域不會投影到不應治療的肌肉組織或其它組織中。
在這些跟蹤系統實施例的任一個中，應理解在使用患者皮膚表面的代用品的模型或跟蹤系統中保持足夠的準確度是必要和有利的，從而實際的治療設備僅繼續治療不需要的脂肪組織。成像或一列式掃描換能器可用來確保在治療期間治療嚴格施加在脂肪組織上。這允許實時地檢測脂肪組織，并提供在成像傳感器檢測到非脂肪組織的情形時使系統關閉或切斷的檢測手段。即使用戶感覺到治療頭處在適當的脂肪組織區域上，設備本身也具有安全備份。
在實際放置情形中，出于以上的相同原因輸入設備的重新定位是不需要的，除非輸入設備的重新定位將對應于醫療設備、治療頭或機械臂的放置中的直接變化。
用作第一控制裝置的計算機輸入設備可直接安裝在機械臂上。較佳地具六個DOF的輸入設備在該情形中被安裝，并位于基本接近治療頭之處。用戶可通過手動地操縱輸入設備(諸如操縱桿或空間球)、并查看轉換成機械臂的移動的輸入設備的移動命令，來操作輸入設備。用戶因而“處在工作回路中”，只要關注機械臂的控制和引導并能對治療頭的角度和定位作出判定，而無需檢查具有機械臂的移動的虛擬表示的顯示屏。用戶可在六個DOF中調節治療頭的定位，同時作為機械臂的控制回路中的一個用戶。
視覺顯示設備242可安裝在機械臂上，從而用戶可在查看顯示設備242時操縱治療頭500。用該方式用戶可估算顯示屏上的傳感器信息和數據，同時使用該輸入設備來引導醫療設備、治療頭或機械臂的移動。傳感器所提供的數據在屏幕上顯示，并使用戶能操縱輸入設備來使醫療臂或治療頭的有效性和安全性最大，而不被迫使沿若干不同方向上觀看以收集引導該系統所需的信息。
在另一實施例中，第一控制裝置可以是置于患者身體上的導環267(圖6)。在該實施例中，導環267提供目標數據，并有結合到機械臂200中或治療頭500中(或在兩者中都具有元件)的跟蹤系統。為作說明，制導系統可以是從機械臂200上的發射器256發出光線的光學跟蹤設備。光線從導環上的發射器258反射。所反射的光線形成置于治療頭500周圍的光學檢測器262能夠讀取的圖案或方向。光學傳感器262因而能確定導環267的中心在哪里，并向機械臂提供移動或方向命令指令，從而機械臂移動使治療頭保持在目標環內的中央。
目標環在中間是透明的，或具有一孔。孔或透明材料必須不會明顯干擾醫療設備可發射的任何能量，也不會干擾可結合到醫療設備中的傳感器。環可由柔性材料制成，從而當靠在患者身體上放置時，它可依從患者的輪廓，或者它可以是剛性的，以便于向用戶和/或治療控制器提供確定的參考平面。系統的用戶可沿患者體表手動地移動目標環，同時跟蹤系統跟蹤目標環中的移動和角度變化。跟蹤系統向機械臂提供適當的命令和控制信息且使治療頭又移動，從而醫療設備盡可能地保持在目標環中心，使醫療設備與目標環的一般平面垂直。
或者用戶可將目標環置于患者身上的一個地方，并允許微處理器(第二控制裝置)來治療導環中心內的區域。
目標環可制造成一側適合在患者身體上平滑滑動。應當用硅或聚合物材料處理它，以降低設備在患者身上移動時的摩擦力。面向跟蹤系統的一側(背離患者身體)在其上具有足夠的視覺提示或標記，以產生不對稱的反射或折射圖。這樣，跟蹤系統將能夠確定面對的方向并旋轉，以適應目標環的旋轉，使醫療設備或治療頭在所有時間都可適當定向。
目標環267可通過使用圍繞治療頭周邊并與目標環相連的金屬線或相似功能的應變儀264，來與治療頭500物理連接(圖5A-B)。目標環267在患者身體上的移動產生電子控制器400、250可檢測的金屬線或應變儀264中的應變、并對應于減少該應變而移動治療頭500。用該方式治療頭可使用物理連接來跟隨目標環。或者治療頭可具有磁性線圈，而目標環具有相似磁場。電磁場的強度或電荷的變化使系統能檢測目標環的移動和方向，并通過移動治療頭作為響應來作出相應的補償。
或者，跟蹤系統可制成能跟隨在患者身體上描繪或印記的可檢測路徑。在該實施例中，用戶或操作人員可將治療頭置于患者身體上(物理接觸或接近患者身體)。因而跟蹤系統用作第一控制裝置，并自動跟隨患者身體上的路徑。第二控制裝置可以是在治療頭跟蹤患者身體上的路徑時，用戶可控制來提供醫療設備位置的微控制的輸入設備。或者，電子控制器或治療控制器可具有一程序，它用作用于移動或振蕩治療頭或醫療設備的第二輸入設備。該移動或振蕩將用作“搖擺”相似效應，它將跟蹤系統操作時清除換能器曾聚焦的患者皮膚下的一個區域。
基準點可置于患者皮膚上，以使跟蹤系統跟隨。如果電子控制器具有對由離散基準點限定的表面區域上跟蹤的程序或指定響應，就沒有必要在患者身體上畫出路徑以便跟蹤系統跟隨。在該情形中，第一控制裝置可用來將機械臂和治療頭帶入由基準點標記限定的區域內。第二控制裝置可根據其程序參數在基準點標記內取得并移動治療頭。引導醫療設備或治療頭的移動的軟件程序變成第二控制裝置。在要治療的表面區域較大時，第一和第二控制裝置可同時協同操作。即，用戶可引導機械臂，而作為第二控制裝置操作的醫治療序處理醫療設備在限定治療區域內的移動。
另一實施例使跟蹤系統與輸入設備組合，從而用戶可使用輸入設備來手動引導機械臂、治療頭和醫療臂，以跟隨在患者身體上描繪出的路徑。再一次第二控制裝置可以是自動路徑調節指令，當機械臂在患者身體上劃出路徑時向治療頭的移動提供人為擺動。
又一實施例提倡使用與計算機輸入設備設計相似的定制輸入設備，但在構建時結合到機械臂內。在該實施例中，控制裝置被結合到基本上接近治療頭的機械臂的遠端。所結合的第一控制裝置利用與諸如光學跟蹤元件、應變儀、力扭矩換能器等的計算機輸入設備相似的技術。但是，輸入設備被建成為具有與臂相同的DOF，并被放置成便于用戶使用。
第二控制裝置提供治療頭內醫療臂的移動命令和控制。第二控制裝置在治療頭具有用于移動治療頭本身內醫療設備的微型馬達組合或其它力產生裝置時使用。用該方式機械臂可得到命令將治療頭移到相對于患者身體的所需位置或地點，且第二控制裝置可用于醫療設備的精確放置。因而，第一控制裝置提供“宏觀”級控制，而第二控制裝置提供“微觀”級控制。
或者，第二控制裝置可以是向治療頭內微型馬達組合提供移動指令的軟件程序。因而，醫療設備在治療期間的精確放置可留給自動化系統。這使系統能響應于預設參數或響應于實時傳感器數據，將醫療設備置于精確位置達精確時段。
在第二控制裝置的另一可選實施例中，自動方向變化或“擺動”可被結合到從第一控制裝置中繼到機械臂的移動指令中。用該方式第一控制裝置仍然提供“宏觀”級移動指令，而自動變化提供可不通過從第一控制裝置接收的移動方向的直接轉換來模擬或實現的一些“微觀”級移動命令。
在又一實施例中，用作第一控制裝置的輸入設備可在宏觀制導模式和微觀制導模式之間切換。可用一開關來在模式之間切換，從而允許用戶能與單個輸入設備交互，并使第一和第二控制裝置都可供使用。操作時，用戶能將輸入設備用作第一控制裝置，以提供機械臂的宏觀定位、以及治療頭或醫療設備的放置。一旦治療頭處于要治療的鄰近區域，如宏觀級制導所能最好確定的，用戶可切換到微觀級控制。輸入設備現在變成用于精細控制治療頭內醫療設備的第二控制裝置。或者，附在用于機械臂的主要力產生裝置的精細馬達控制可在使用相同的力產生設備時提供微觀級控制。這與在光學顯微鏡上發現的粗調和微調聚焦相似。在機械臂的馬達使用中的應用將是控制精細嚙合齒輪對普通齒輪、或精細對粗略的力產生元件之一。
機械臂還可使位置或移動編碼器在其中建立。編碼器被用來在使用系統期間跟蹤治療設備的位置、以及每個臂段的移動。對機械臂而言最好具有教學模式。教學模式可由操作人員通過所需的一組移動操作來手動地引導臂。電子控制器可“觀察”臂的移動并記憶開始位置、最終位置、以及開始和最終位置之間所經的路徑。該移動可由電子控制器記憶，并通過重新調用移動指令來按需經常重復。多條移動路徑可按需存儲在計算機存儲器中。
在輸入設備安裝在臂的實施例中，滑動接頭(圖7)可結合到臂中，以有助于使輸入設備上使用的一些超量力或扭矩不會影響機械臂的移動位置。滑動接頭被設計成幫助吸收或減少超量力。例如，旋轉力可加在輸入設備上，以使治療頭改變其軸向旋轉。如果用戶施加了太多的旋轉力，則輸入設備可被推到物理或人工擋塊。此時，過量的旋轉力可消耗在滑動接頭中。輸入設備的旋轉軸可安裝在雙輪軸承組件2163中。一旦輸入設備抵達其擋塊，附加力就克服閾值力水平并使平臺能在雙軸承環內旋轉。因而額外的旋轉力被無害地消耗。滑動接頭有必要具有通孔，使數據信息能從輸入設備傳送到電子控制器。滑動接頭還可包括用作與臂的任何物理連接、或從輸入設備到治療頭的通孔的物理孔。
除雙軸承輪2163外，滑動接頭可包括附加軸，其中力可被吸收以便于使臂與不必要的力隔離。用該方式，多個平面中的旋轉和扭矩力可為已知，以保護機械臂的準確度。輸入設備可吸收超過最大力的力，且未由滑動接頭抵消的力會受到機械臂的限制。機械臂可感測外力(那些并非源自從輸入設備接收的指令的力)并通過施加相反的力來作補償。當用戶積極地處理輸入設備以嘗試并適當定位治療頭時，該“站點保持”在復雜環境中是有用的。
第一控制裝置的DOF可被分成機器人成分和手動成分。機械臂可用任何數量的DOF來構建，而治療頭對剩余的所需DOF作手動調節。例如，如果機械臂用三個DOF來構建，且第一輸入設備是具有三個DOF的計算機輸入設備，則治療頭可安裝在允許未由機械臂提供的三個附加DOF的接頭上。跟蹤系統會仍然跟蹤醫療設備的位置，將手動和機器人DOF成分編輯到單個空間位置，用于視覺表示和治療跟蹤目的。這種系統可使治療頭軸向安裝到輸入設備，其中機械臂可通過輸入臂調節，而治療頭可同時手動“瞄準”。
注意對控制裝置的手動附加的使用可以是第一或第二控制裝置的分量。如果治療頭具有用于移動治療頭內醫療設備的微觀位置馬達，則對治療頭的DOF的手動分配將是第一控制裝置的分量。該情形中的第一分量將是機械臂的命令和控制。在此用戶可將治療頭本身用作輸入設備，以定向治療頭和機械臂。微觀位置控制將用治療控制器或電子控制器保持，并移動治療頭內的能量發射器。或者，如果醫療設備固定在治療頭內，則DOF的手動分量將構成第二控制裝置，而機械臂的命令和控制會另外保持為第一控制裝置。在此手動定位代替對機器人路徑或人工引導擺動的自動調節。
第一輸入設備并非必須放置在接近治療頭之處。第一和第二控制裝置可放置在離治療頭更遠處。例如當機械臂和治療頭打算遠程操作時，控制裝置可放置在靠近遠程計算機處，其中用戶跟隨治療頭在患者身體上的移動的視覺或虛擬表示。該可選實施例保留用于與眾不同的不需要醫生接近患者身體的治療中。
關節式臂桿的移動裝置或馬達應具有速率限制，從而臂不易于有任何導致對患者或操作人員的傷害的移動。移動控制器因而不僅將控制端部作用頭的重新定位速度，而且將控制任何單段臂在空間移動的速度，從而避免或至少減少不經意中碰到操作人員或觀察人員的可能性。
可任選地，顯示臂242可放置在臂208的遠端附近，從而在治療期間向用戶提供視覺反饋和信息顯示。
醫療控制器電子控制器用來協調系統各元件的功能。電子控制器可以是一個或多個計算機、或適用于本發明的其它專用電子設備。電子控制器從第一控制裝置接收輸入信息，不管該第一控制裝置是計算機輸入設備、導環、還是跟蹤系統。然后電子控制器將輸入信息轉換成用于機械臂的移動指令。可實現第二數據路徑，它可提供要重現在顯示臂上的虛擬視覺對象。移動和顯示數據路徑的數據流必須適當地關聯，使該移動和系統移動的視覺表示能準確地重合。
電子控制器還必須協調第二控制裝置的輸入。如果第二控制裝置與第一控制裝置同步操作，則電子控制器必須協調其移動，使醫療設備以根據所執行治療的方式通過患者身體的治療區域。電子控制器有必要準確地編譯第一控制裝置和第二控制裝置的移動命令，從而對患者沒有危險。如果第二控制裝置用與第一控制裝置分開的單獨時間幀操作，則電子控制器僅需要確保醫療設備位置的命令和控制得到適當控制器的適當控制。類似地，電子控制器必須通過防止醫療設備在患者身體上的未經授權或不適當移動，來確保患者身體的安全。
電子控制器可作為治療控制器。如果計算機被用作電子控制器，則它可具備執行可用作醫療設備的控制器的預加載軟件的能力，或者它可具有諸如PCI總線接口的擴展插槽，該擴展插槽可接受作為治療控制器操作的一個或多個板。對本發明的電子控制器而言，與醫療設備的治療控制器有密切電子通信以確保醫療設備和治療頭的移動和物理放置根據治療實現是有利但并非必需的。
第二控制裝置可以是用來提供輸入的物理設備，諸如輔助計算機輸入設備，或者是切換后提供精細位置控制的第一控制裝置。或者，第二控制裝置可以是向治療頭內的醫療設備提供預先編程的移動指令的軟件程序。類似地，第二控制裝置可以是自動添加到第一控制裝置移動指令的固定或受限制的可變運動，以向機械臂運動提供擺動或其它穩定的狀態變化。
治療控制器最好在治療真正開始之前就具有治療區域的三維圖(參見以下小節3.0)。治療控制器可在實際治療期間監視掃描頭的進展，并將其與要治療組織的圖作比較。治療的局部進展可通過結合本發明治療頭一起使用的位置跟蹤設備來處理。
能量施加器的位置控制和跟蹤在程序上是本發明系統能有效去除脂肪組織的一種方法。可在脂肪組織中產生顯著的精度，以致于產生所消除組織的創傷或組織壞死。精密度可通過利用各種位置傳感器和用于調節能量施加器的位置的控制裝置而產生。
治療頭500內能量施加器600的位置可使用與微型馬達組合鏈接的馬達編碼508、510連接到能量施加器600的執行元件508、520、516的移動量。這是隔離能量施加器的位置的第一步驟。一旦能量施加器600的位置在掃描頭500的外殼內為已知，應相對于患者人體確定掃描頭500的位置。可使用一系列光學傳感器5551、5552來精確測量掃描頭在患者皮膚上行進的物理距離。這些光學傳感器還可用來確定旋轉變化(掃描頭繞其基本上與患者皮膚垂直的中心軸旋轉的量)，以及角度變化(相對于不在掃描頭中心的軸的旋轉)。此外，關節式臂桿中的編碼器可用來確定掃描頭500的位置在三維中的變化。因而，如果掃描頭500在人體一側上移動，則將不會丟失三個位置感測機構。計算機400或治療控制器250可協調數據，并用高度組織的精確方式跟蹤位置和劑量。可任選地，所有數據可使用機載處理器532在機器上跟蹤。處理器職責的劃分可有助于減輕負載，并加速數據接收和向操作人員輸出信號之間的響應時間。
如果出于某些原因掃描頭未跟蹤上患者皮膚，則跟蹤系統允許將掃描頭返回到患者皮膚并確保掃描頭的適當定向，從而該過程可立即開始，而不會有涉及嘗試確定哪些組織已治療而哪些組織尚未治療的猜測。重新定位涉及將掃描頭置于基準位置，并根據圍繞外殼下半部分的法蘭(未示出)對齊該掃描頭。
確定并跟蹤能量施加器的位置的三個設備的任一個的使用允許顯示處理要在監視器、LCD或其它設備上顯示的當前療法的組織圖或層理圖，它們可由用戶適當解釋從而他或她可確定要將掃描頭移到哪里以繼續該治療。便于治療的指示符可像不同強度的可聽音調(一種音調用于在未經治療區域上移動，而一種音調用于在已治療區域上移動)一樣簡單，來指示光線、特別詳細的視頻顯示。顯示器可安裝在本系統的外部，或結合計算機、治療控制裝置使用，或者是安裝在掃描頭上、或接近掃描頭的較小顯示器。
還揭示了使用本發明的方法。首先有用于將能量施加到身體區域的方法。該方法包括第一，向治療控制器提供治療方案。第二，響應于治療控制器產生的引導，手動地在身體表面上用掃描頭掃描，同時從掃描頭傳送能量。第三，監視掃描頭的位置以及從中的能量傳送以產生位置數據，并將位置數據傳送給治療控制器，以及第四，如果手動位置和/或能量傳送落于治療方案之外，則產生警報。然后將圖加載入治療控制器。其它治療參數應盡可能地輸入到治療控制器中。這有助于基于虛擬圖和其它治療數據產生治療方案。
用于產生3D立體組織圖的系統還有用于產生相匹配的身體外形和接近體表的皮下組織圖的系統(圖8)。該還有用于產生相匹配的身體外形和接近體表的皮下組織圖的系統(圖8)。該系統有三個組件。第一為三維成像裝置802，用于產生患者身體的體表圖像。第二為組織成像裝置850，用于產生患者身體的皮下圖像。第三為關聯操作設備875，用于使所述體表圖像和所述皮下圖像的多個標記相匹配。
三維成像裝置可以是能夠拍攝患者皮膚表面的詳細圖像映射的高分辨率照相機系統或其它光學照相機。只要照相機系統能準確跟蹤感興趣的患者身體區域的曲率和形狀，皮膚的分辨率構件無需是照相機系統的重要組分。立體成像系統可以是3D超聲波系統或內插2D超聲波成像設備。或者，組織成像設備可以是MRI或X射線設備。最好視覺成像系統和組織成像系統將產生可由計算機處理的電子圖像。
關聯操作設備可以是通用或專用計算機，或類似的智能邏輯設備。該設備還可以是軟件程序。該關聯操作處理體表和皮下圖像之間多個標記的匹配，以便于產生準確的三維組織圖。所使用的標記可以是易于標識的患者的自然標記。然而，標記最好是兩個成像設備能檢測的多個基準點。一旦圖像被捕捉到并電子存儲，兩個圖像的數據就能使用基準點來關聯。對兩個成像系統而言，沒有必要用相同比例尺來捕捉圖像，因為該關聯操作還可執行縮放作業以確保在關聯發生之前一個或兩個圖像都被調節成所需比例。
一旦圖像相關聯，就產生新的三維圖。新的圖具有相匹配的體表形狀和接近體表的皮下特征。系統所使用的基準點可具有有助于使圖像映射相關聯的各個參數。例如，基準可包括上或下的指示符，因而成像系統在捕捉到圖像之后可確定基準點的方向。使用具有方向數據的多個基準點，精確地確定由系統產生的第二圖像的匹配疊加位置就可能了。基準點最好可由兩個圖像系統(體表和皮下)檢測，但并非是必需的。用戶可將一個成像系統而非另一個成像系統可檢測的多個基準點放置在患者身體上。只要用戶用第二個系統可檢測的其它基準點來代替，關聯操作就可有效地使用。
使用方法在此所述的方法是非侵入性的。不像傳統的使用真空插管的皮下脂肪抽吸術，這里沒有對患者皮膚的穿刺。脂肪細胞或脂肪組織的消除通過氣穴產生的熱或機械分裂實現，這兩種效果由直接照射、最好由高強度聚焦超聲(HIFU)產生。因而在用于減少脂肪組織的非侵入性過程中，沒有直接觀察多少組織受到影響的方法。在皮下脂肪抽吸術中，主治醫生能夠觀察到去除或消除的脂肪量，但在非侵入性過程中，這種直接觀察是不可能的。本發明的用戶將不得不依賴診斷超聲設備或其它傳感器來幫助確定被處理組織的量。
在此所述的多種方法的一個共同方面是估計要處理脂肪組織的區域。使用“捏掐”(pinch)測試的當前技術可提供用于在此所述系統和方法的合理開始地點。捏掐測試由整形外科用來估計脂肪組織的區域。患者P可具有他或她想要去除的局部脂肪組織。醫生可通過在患者身上畫一系列輪廓線C1、C2、C3、……、Cx(圖9A)來估計脂肪組織。
將超聲波能量施加在身體區域的方法在一實施例中，本發明的方法提供用于將能量施加在身體區域的方法。該方法具有四個步驟。第一步驟是向治療控制器提供治療方案。第二步驟是響應于治療控制器產生的引導，在身體表面上用掃描頭掃描，同時從掃描頭傳送能量。第三步驟是監視掃描頭的位置以及掃描頭的能量傳送以產生位置數據，并將該位置數據傳送給治療控制器。第四步驟是，如果位置和/或能量傳送落于治療方案之外，則產生警報。
在步驟一，治療方案被提供給治療控制器。在此用戶標識患者的治療需求，并根據患者需求選擇治療方案。在去除脂肪組織的較佳應用中，用戶將從可能選項列表中選擇要去除多少脂肪組織、脂肪去除的步幅、深度、能量流、和所需其它參數。用戶可能并不熟悉促成每個治療方案的技術要素，但將基于所需結果進行選擇。諸如選擇一方案以去除沿8厘米寬2厘米深12厘米長的脂肪組織。用戶能理解的程序變量比機器操作實現結果的方法更符合結果。一旦選定治療方案，用戶就將所需治療方案輸入治療控制器。該治療控制器確定將產生所需治療方案的操作協議。
第二步驟涉及用掃描頭掃描患者。掃描頭(或治療頭)是有源的，使超聲波能量能被傳送給患者以去除脂肪組織。該掃描頭根據治療控制器的協議移動。該移動可通過手動裝置或自動裝置實現。在手動模式中，治療控制器提供用戶跟隨的線索。用戶響應于這些線索在病人身上移動掃描頭。在自動裝置中，治療控制器直接控制一設備或裝置，諸如機械臂，以引導掃描頭的移動。
第三步驟是監視位置和由掃描頭傳送的能量。位置和傳送信息以與治療控制器(通過用戶或機械臂)所使用協議可比的數據饋入形式傳送給治療控制器。治療控制器根據該協議持續監視輸入數據，以在治療期間確保患者的安全。
第四步驟是警報。如果位置或能量傳送在協議的可接受范圍之外，則治療控制器發出警報。該警報可以是明確的以便用戶監視，或者可以是內嵌式切斷開關以立即關斷掃描頭中的任何能量發射器。
步驟一在治療的開始時選擇，但步驟二、三和四持續執行以確保適當的療法應用于患者。
用于執行脂肪整形治療的方法在第二實施例中，有一種用于執行脂肪整形治療的方法。該方法具有以下步驟第一，確定患者對超聲波療法的適應性。第二，標記患者身上要治療的區域。第三，定位患者以進行超聲波治療。第四，將所標記區域掃描到計算機中。第五，使用治療計劃軟件包設置超聲波治療。第六，使用通過治療計劃軟件控制的計算機系統激活超聲波治療。第七，使用治療計劃軟件記錄治療的進展，以及最后向患者提供所要求的任何其它術后幫助。
本發明的各方法都理想地適于提供塑身治療的最大程度的安全長期校正，可選擇附加治療和藥物療法使用，同時保持患者的虛擬圖以確保治療是長期有效和安全的。
總之，所揭示的各方法結合到執行脂肪整形術的方法的又一方面，包括以下步驟(a)確定患者對超聲波療法的適應性；(b)標記患者身上要治療的區域；(c)定位患者以進行超聲波治療；(d)將所標記區域掃描到計算機中(e)使用治療計劃軟件包設置超聲波治療；(f)使用通過治療計劃軟件控制的計算機系統激活超聲波治療；(g)使用治療計劃軟件記錄治療的進展；以及(h)向患者提供所要求的任何其它術后幫助。
以下示例示出所述方法。
示例I步驟1患者造訪進行初次咨詢，像傳統的脂肪整形一樣。如果患者決定繼續治療，則可提供可具體配制以在治療期間或之后提供一些好處的膳食補充、藥物、專用奶油等。示例包括在治療前服用的菠羅蛋白酶和五羥黃酮、以及治療后服用的山金車(Arnica Montana)，以促進康復并減少腫脹。
步驟2在治療當天，醫生用對傳統脂肪整形患者所做的相似方式標記患者。標記筆中的墨水可包含附加試劑(例如紫外線墨水)以增強通過傳感器對皮膚上墨水的可檢測性。這對深色皮膚特別有用。
步驟3患者定位作治療。患者在治療期間應在同一位置。在大多數情形中，對躺在床上的患者進行治療，因而該術前步驟對臥姿患者進行。患者的脂肪厚度可用例如超聲波在要治療區域上畫出。診斷超聲波系統可與從脂肪與下層肌肉之間的邊界上檢測到強反射的圖像分析系統組合，并記錄該厚度以及位置信息。該位置信息出自附于超聲波換能器的位置感測設備。因為僅需要深度信息，診斷超聲波單元可用更簡單的脈沖回波一列式系統代替。參考標記可在患者身體上繪制，或用諸如貼紙的另一方式標記，以提供用于位置感測系統的參考位置。該脂肪厚度映射或其子集可存儲，作為下次患者就醫時的參考以例如在視覺上展示所實現的真實效果。
步驟4治療前身體標記也使用上述的位置感測系統掃描到計算機中。這可通過跟蹤用與定位系統耦合的電子筆畫下的標記，或通過結合定位系統對標記的光學檢測來實現。理想地，該掃描到計算機中的標記圖可被引用到如上所述獲取的脂肪厚度圖。在全部情形中定位系統通常記錄三～六個自由度(即x、y、z、縱搖、平搖、橫搖)。
步驟5現在專業人員與計算機上提供的治療計劃軟件交互，訪問如上獲取的標記和厚度數據。我們期望我們能局部地控制治療的美觀效果，例如通過改變治療的深度、時間或密度來影響或多或少的組織。治療計劃軟件的點是將這些系統變量與要實現的期望整體美觀效果相連。例如，專業人員可判斷在中心區域脂肪應減少2厘米，在外圍區域則逐漸變小為減少1厘米，在該區域外則“羽化”(減少)為0。專業人員通過標識所繪輪廓的視覺表示上的期望效果、以及可任選的脂肪厚度來進行。所繪輪廓和標記可在治療計劃軟件中編輯或更改。用戶例如可通過用鼠標在相應治療前標記內點擊來標識2厘米區域、或在觸摸屏上指出它、并鍵入或從菜單中選擇該區域對應于2厘米厚度。如果輪廓需要更改，則它們可通過通常在類似Adobe Illustrator的繪圖軟件中發現的方法來通過軟件更改。例如，如果所繪輪廓的貝塞爾表示由軟件保存，則可提供貝塞爾“句柄”、“控制點”或“結”用于繪圖軟件中典型的用戶交互和更改。1厘米區域用相似方法標識。轉換區域可通過簡單選擇2厘米輪廓的一側或兩側漸變到1厘米的固定距離、以及從1厘米轉換到0的固定距離來標識。轉換距離是可變的，且實際上可用定點設備繪制到計算機中，或可通過掃描到計算機中并標識為轉換區域的術前標記表示到計劃軟件中。用戶還可通知治療控制器在轉換區域中期望什么效果，例如線性下降或一些其它曲線形狀，以及應使用系統變量(例如深度、功率、時間、密度)的什么組合來實現效果。深度、轉換區域、受影響變量等可用不同色彩或不同標記在視覺上顯示，以便于識別。當編輯和識別過程完成時，計算機計算達到所期望美觀效果的涉及所有相關系統變量的治療方案。
步驟6在實際治療的過程期間，包含高強度超聲波換能器的治療頭與上述定位系統相連，允許系統計算機將治療頭的當前位置與治療方案的計算機表示相關。然后計算機控制治療變量以實現期望的美觀效果。在以上示例中，當治療頭移過2厘米區域時，適當的功率、脈沖周期等都施加到治療頭上以實現2厘米的受影響組織。當治療頭通過轉換區域移到1厘米區域時，可減小功率和周期以便于影響組織的變化厚度直到達到1厘米效果。類似地，該“羽化”效果在治療頭于1厘米區域外移動時實現，且如果治療頭在治療區域外，換能器不被允許引發。整個治療方案和記錄可被存儲，以便將來參考。
步驟7在治療后，與常規的脂肪整形術一樣，患者被要求在治療區域上穿戴保護服，并可服用其它藥物或營養補充以促進恢復或減輕不適感。
使用HIFU去除脂肪組織的方法在第三實施例中，有使用治療超聲波去除患者的脂肪組織的方法。該方法具有以下步驟第一，確定患者身上脂肪組織的一個或多個位置。第二步驟是定位患者，使得脂肪組織相對均勻地分布(最好正面朝上)，且第三步驟，用治療超聲波換能器來照射患者脂肪組織的位置。
用該方法，首先必須確定要治療的脂肪組織區域的位置和大小。這可通過像“捏掐”或“夾緊”(clamp)測試的常規方法來進行，或者它可通過使用諸如診斷超聲波系統的醫療掃描儀、或前述三維立體映射設備來確定。所以，盡管醫生可輕松地依賴于他或她使用捏掐測試的技術，但脂肪組織的邊界和深度必須盡可能準確地進行估計。因而，需要某些類型的成像掃描儀。一旦確定了組織的體積和深度，就可用外科手術筆或其它設備來標記皮膚，所以用戶將能夠清晰地標識要治療的區域。
然后患者用將促使照射步驟成功的方式定向。在此患者用一方式定向在床上或椅子上，從而要處理的脂肪組織盡可能地正面朝上。這使脂肪組織能安放成圍繞中心相對均勻地分布，以使要治療的組織深度最好是對稱的。
最后治療脂肪組織區域。脂肪組織體積用治療超聲波換能器進行治療。如果在步驟2組織層已均勻和一致地安放，則治療可均勻地施行。
創建三維身體圖的方法還描述創建三維身體圖的方法。創建具有脂肪組織體積的位置的3D身體圖的方法具有以下步驟第一，使用3D成像系統產生身體的3D圖像。第二，將身體的3D圖像輸入成計算機可讀格式。第三，用3D映射軟件應用程序創建身體的3D身體圖，以及第四，用與3D映射軟件程序電子通信的診斷超聲波設備掃描身體，使診斷超聲波設備所檢測的脂肪組織區域被適當地放置在3D身體圖中。
該第一方法的細節如下。3D成像系統包括拍攝患者快照的多個照相機。快照涉及同時拍攝圖片的所有3D成像系統的照相機。因而，視覺圖像可從所有側面捕捉整個身體。為此，患者可能必須脫掉衣服，并裸體或半裸體地站立在成像系統的焦點處。成像系統與用來拍攝從全部角度同時顯示汽車的汽車廣告的成像系統相似。來自3D照相機系統的圖像被疊加并適當調節，從而產生人體的單一綜合圖。所使用的成像系統是高度準確的，并可轉換成機器可讀形式。
3D成像系統中的照相機可拍攝正常膠卷圖像或數字圖像。然而不管所拍攝的圖像類型是什么，圖像必須被適當疊加而產生單個人體圖像。然后圖像被轉換成人體的3D身體外形圖并存儲在計算機中。該過程依賴于3D圖像捕捉系統的準確度來準確地重構人體圖像。然后軟件必須將圖像適當地轉換成身體外形圖。一旦產生人體的身體外形圖，可存儲該數據用作后來的檢索。該第一圖像是患者的術前3D圖。
一旦已繪制了術前圖，患者就進行診斷超聲波掃描。該掃描可像一列式或b模式掃描一樣簡單，以確定給定區域中的脂肪密度和深度。然而，較佳模式是高分辨率的成像系統，從而可看見和記錄脂肪層的細節。診斷成像系統與計算機、軟件和術前圖進行電子通信。通過使用位置定位傳感器或精確定位控制器，診斷掃描相對于身體的位置和方向被記錄并添加在術前圖上。這允許醫生產生患者脂肪沉積的體積圖。相疊加的成像使患者和醫生都能看到什么區域可用于治療(侵入式或非侵入式)、并通過采樣要去除的一定量的脂肪并查看患者看起來將像什么而把玩各模型。這涉及使用術前模型為基準產生抽象模型，以及對術前模型的任何投射改變來查看最終結果。
使用3D身體圖的方法在另一實施例中，有使用3D身體圖塑身的方法。該方法具有以下步驟第一，分析3D身體圖，得出要去除的脂肪組織體積。第二步驟是確定使用塑身治療可安全去除的脂肪組織的體積。第三步驟是減去要去除的脂肪組織體積以產生第二3D身體圖，其中醫生和患者可比較第一3D身體圖和任何數量的第二3D身體圖，以選擇要執行的塑身治療的期望量。
在該方法中，第一身體圖使用在此揭示的抽象系統產生。該第一身體圖表示在開始任何治療之前患者的起始點。治療控制器可用來創建顯示去除脂肪組織體積后的身體輪廓的第二圖。通過用該方法使用治療控制器，患者可能看到用多類治療方法得到的可能最終治療結果。因而，患者和醫生可基于患者的3D身體圖得到一個或多個治療后患者看起來如何的估計。該信息可由醫生和患者用來指導治療，并確定為期望目標的安全治療次數，或確定對于某些次數的治療可去除脂肪組織的最大量。
其它去除脂肪組織的方法在用于去除脂肪組織的另一實施例中，有一種用于去除脂肪組織的方法，具有以下步驟首先，確定要治療組織的體積和區域；其次，以持續模式使用掃過組織區域的脈沖波HIFU換能器來治療該體積。
手術時，確定脂肪組織的呈現和位置的步驟可與前述的并使用具有計算機的3D抽象系統來創建術前模型的方法極為相似。然而，當前脂肪整形的治療提供了通過在患者皮膚上使用標記來快速確定脂肪組織區域的一方面。用該方式醫生使用他或她自己的經驗和實際訓練，能夠標識患者需要手術的“問題”區域。醫生使用標記來劃出皮膚區域，表示脂肪組織的區域。一旦這得到了執行，則患者可如上進入創建3D術前模型的過程，但是照相機具有能夠檢測皮膚上的已標記區域并將其結合到3D身體外形圖的優點。標記中所使用的墨水可包含允許照相機在特定情形下查看它的特定染料或顏料。例如，使用在特定光線下可見的熒光染料。
定位患者與前述治療相似地進行。然后患者用高強度聚焦超聲(HIFU)設備治療，以去除選定的脂肪組織區域。HIFU設備被特別設計成結合在上述超聲波診斷步驟中使用的精確定位傳感器或定位機構。用該方式，超聲波治療的方向和位置為已知，且可添加到患者的術前圖上。如果高強度聚焦超聲器件也附于成像系統，則可記錄其它細節，從而HIFU換能器的每個脈沖或發送可被實時記錄并添加到術前圖上。用該方式，治療的照射步驟可安全和精確地執行，因為計算機可記錄每個治療位置。
通過使用在記錄HIFU治療的計算機和HIFU換能器之間的反饋通信回路可實現增強式安全特征，因為計算機可防止HIFU換能器引發到已治療的區域，或者通過確保創傷之間有一些最小量級的間隙。該間隙可以是三維幾何形狀的創傷、或時間上更復雜的間隙。當患者可進行多次治療時，系統記錄先前HIFU創傷的位置，并防止同體積的照射直到已過了足夠長的時間間隔。3D幾何形狀和創傷時間序列的組合，以及結合HIFU治療的強度、大小和持續時間的其它參數也可由計算機系統控制。
當照射治療完成時，患者可使用診斷成像設備來重新掃描，以確定按計劃治療成功的延續。從術后評估中，醫生可計劃并安排附加治療，或更改已計劃附加治療的時間表以安全有效的方式迎合患者的需要。
取決于對患者執行的治治療度，患者可輔以藥物，或用保護服幫助身體的復原或塑身。
示例II去除脂肪組織的方法涉及以同步掃描和脈沖波轉換法使用前述治療頭。用該方法，患者如前所述進行準備。繪制一組輪廓線來標識對應于要治療組織體的區域(圖9A)。線或網格塊可疊加在輪廓線上(圖9B)。治療頭被用來掃描組織區域，以證實有足夠深度的脂肪組織(圖9C)。一旦完成，就開始治療。
通過使用脈沖波模式的治療換能器，以3～50毫米/秒的速度在治療塊上移動掃描頭來進行治療。機械臂可移動換能器，或者用戶可用跟蹤每一次掃描移動的距離的儀器來移動治療頭。
微定位系統還可用于治療頭中，以掠過治療頭的移動線。這允許治療更大的區域，隨后允許更大體積。這容許壞死組織的體積得以增大，減少治療該組織體積所需的時間，并使非侵入性治療在時間上更接近侵入性治療。
在用于去除脂肪組織的另一方法中，執行三個一般步驟。第一步驟是確定要治療的組織的體積和區域。第二是治療該體積和區域的組織，以及最后確定治療該體積和區域的有效性。
第一步驟涉及確定要治療組織的體積和區域。當前整形外科依賴于他們多年的經驗來確定患者可能具有的脂肪組織。觸診使醫生能在要用脂肪整形術去除的脂肪組織區域周圍建立輪廓線。該相同方法可用作醫生建立輪廓線的起始點。脂肪組織在輪廓線下的深度需要使用超聲波掃描來校驗。
一旦建立了輪廓線，患者就必須定向成使要治療的輪廓線能以組織可由治療頭接近的方式放置。治療頭需要具有較寬的移動范圍，但患者的方向是重要的，因為治療頭可采用的許多方向對儀器用戶或要治療的患者而言既不舒服也不實用。一般而言，方向應當是脂肪組織的表面區域正面朝上并且通常是平坦的。這允許脂肪組織“安放”成不會過度集中于某一側的穩定體積，與患者休息時以組織不規則地安放的方式呈現要治療的體積和表面相反。組織深度和體積中的規律性將有助于用戶進行更均衡和有效的治療。
在用有益于用戶、治療頭和患者舒適的方式定向患者之后，治療頭用診斷掃描模式在輪廓線區域中使用。要校驗脂肪組織深度需要對患者掃描，以向系統和用戶提供準確的信息，使治療頭不會去除不應當去除的脂肪組織。簡言之，在治療開始之前有必要校驗在輪廓線區域內有足夠深度的脂肪組織。如果發現脂肪組織深度不足，則必須重畫輪廓線以符合安全標準。
假設脂肪組織深度和體積足以啟動治療過程，則用戶可在患者身體上開始標記治療區域網格。期望治療區域網格至少與輪廓線所包圍的區域一樣大，并可能延伸到輪廓線之外。治療區域網格可用手術標記筆、具有模板或樣板的墨水滾筒或噴霧器在患者身上作標記。其它產生治療區域網格的方式也是可能的。
在已確認組織體積并已安置治療區域網格之后，用戶可使用主接口將患者數據和期望治療參數輸入治療設備。各個參數可被輸入到設備中，并且用戶可得到所需或期望的任何信息。一旦機器已適當編程，就完成確定要治療組織的體積和區域的主要步驟，且用戶可繼續到實際治療該體積和區域的組織的第二主要步驟。
首先用戶將治療頭置于患者身體上，并與治療區域網格對齊。如果治療頭在其上具有可與治療區域網格對齊的基準標記，則也應與基準對齊。這使得治療頭能準確定位以作治療。如果有易于標識的圖案，諸如治療區域網格中象角落或其它位置的顯著起始位置，則用戶可從那里開始。此外，治療控制器或主接口可具有用于確定已治療了那些區域的跟蹤系統，因而用戶無需跟蹤該信息。
接著，用戶標識要用治療頭掃描的治療區域。這將是第一掃描區域，并且可有像掃描頭的足印(覆蓋面積)能安放輪廓線區域的次數一樣多的掃描區域。當治療頭到位時，診斷掃描儀可再次運行以校驗足夠的組織深度。診斷掃描可與治療掃描儀交織地運行，或僅在治療塊開始時運行。
治療框是治療頭下要治療的區域。HIFU換能器根據來自治療控制器的參數運行。換能器或通過微型定位系統移動來機械地掃描該框的區域，或者使用電氣操縱的HIFU換能器(諸如相位陣列)來電子地移動焦點區域。創傷的深度、密度和大小可受換能器的掃描速度影響(焦點多快地電子或機械地移過該組織)。改變強度、PRF或疊加治療行也會影響創傷的大小和形狀。通過調整一個或多個這些參數，就有可能產生大或小、深或淺的創傷，并允許用戶在壞死程度上進行一定程度的控制。因而用戶可減少壞死量并產生羽化效果，從而當治療頭接近脂肪組織的邊界時，組織壞死的體積得到減少。這允許期望的組織治療而沒有損壞非脂肪組織的風險。它還允許用戶擴大深層脂肪組織區域中的壞死區域，以產生更大區域的壞死，從而產生期望結果。
創傷羽化和均勻治療值—在輪廓線之間，治療密度隨著羽化治療作用從均勻的治療值而改變。
盡管本發明易于作各種更改并可具有多種可選形式，但其特定示例已在附圖中示出并在此作了詳細描述。然而，應當理解，本發明并不限于所揭示的特定形式和方法，而是相反本發明涵蓋落于所附權利要求書范圍內的所有更改、等效體和可選方案。
權利要求
1.一種用于向身體區域施加能量的系統，所述系統包括包括能量施加器的掃描頭；用于將掃描頭懸置于空間的裝置；以及與掃描頭和懸置裝置相連的治療控制器，所述治療控制器適于監視掃描頭的位置和能量傳送，同時提供對定位所述掃描頭的引導。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述懸置裝置還包括用于跟蹤所述掃描頭的空間位置的裝置。
3.如權利要求1所述的系統，其特征在于，用于將掃描頭懸置于空間的裝置允許手動地在空間重新定位所述掃描頭。
4.如權利要求1所述的系統，其特征在于，用于將掃描頭懸置于空間的裝置包括能夠響應于輸入指示重新定位所述掃描頭的機械臂。
5.如權利要求1所述的系統，還包括與所述掃描頭相連的治療控制器，以監視所述掃描頭的位置、并基于所述掃描頭的手動定位確定治療區域，所述治療控制器適于從用戶處接收其它治療信息。
6.如權利要求5所述的系統，其特征在于，所述治療控制器與控制器物理地分開，并適合基于所確定的治療區域和其它治療信息產生治療方案。
7.如權利要求6所述的系統，其特征在于，所述治療控制器還適合將所述治療方案傳送給控制器。
8.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述能量施加器包括至少一個振動換能器。
9.如權利要求8所述的系統，其特征在于，所述能量施加器可定位地安裝在掃描頭內。
10.如權利要求9所述的系統，其特征在于，所述掃描頭包括與治療控制器相連的伺服控制的能量施加器安裝系統，從而所述治療控制器可調節掃描頭內能量施加器的位置。
11.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述掃描頭包括與所述治療控制器電子通信的導航顯示器，從而所述治療控制器可向用戶顯示引導信息。
12.如權利要求11所述的系統，其特征在于，所述導航顯示器包括視頻屏幕、LED矩陣、分立的發光元件、以及與所述治療控制器的通信裝置。
13.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述導航顯示器安裝在所述掃描頭上。
14.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述懸置裝置包括關節式臂桿。
15.如權利要求14所述的系統，其特征在于，所述關節式臂桿安裝在獨立基座上。
16.如權利要求15所述的系統，其特征在于，所述關節式臂桿包括用于提供所述掃描頭位置的跟蹤的數字編碼器。
17.如權利要求1所述的系統，其特征在于，用于將掃描頭懸置于空間的裝置是一機械臂。
18.一種用于產生相匹配的身體外形和接近體表的皮下組織圖的系統，所述系統包括用于產生患者身體的體表圖像的三維成像裝置；用于產生所述患者身體的皮下圖像的組織成像裝置；以及用于使所述體表圖像和所述皮下圖像的多個標記相匹配的相關手術設備。
19.如權利要求18所述的系統，其特征在于，所述相關手術設備還包括與所述三維成像裝置和所述組織成像裝置電子通信的計算機。
20.如權利要求18所述的系統，其特征在于，所述三維成像裝置是一個或多個光學照相機。
21.如權利要求20所述的系統，其特征在于，所述光學照相機是高分辨率照相機。
22.如權利要求20所述的系統，其特征在于，所述光學照相機提供數字圖像輸出。
23.如權利要求18所述的系統，其特征在于，所述組織成像裝置是一MRI設備。
24.如權利要求18所述的系統，其特征在于，所述組織成像裝置是一超聲波設備。
25.一種用于定位醫療設備的系統，所述系統包括機械臂；用于控制機械臂的第一控制裝置；在治療頭內移動定位的醫療設備，所述治療頭與機械臂相連；用于控制醫療設備在治療頭內的移動的第二控制裝置；以及與機械臂、第一控制裝置、醫療設備和第二控制裝置電子通信并用于協同手術的電子控制器。
26.一種用于定位醫療設備的系統，所述系統包括機械臂；用于控制機械臂的控制裝置；固定定位于治療頭內的醫療設備，所述治療頭與機械臂相連；以及用于翻譯從所述控制裝置接收的移動指令、并用于將所述移動指令中繼給所述機械臂的電子控制器。
27.一種用于引導能量發射器在患者身體上移動的裝置，所述裝置包括具有至少一個能量發射器的可移動治療頭；導環；以及用于跟隨導環移動并使治療頭基本上位于導環中央的跟蹤系統。
28.一種用于定位醫療設備的系統，所述系統包括負載平衡臂；在治療頭內移動定位的醫療設備，所述治療頭與負載平衡臂相連；以及用于控制醫療設備在治療頭內的移動的裝置。
29.一種將能量施加到一身體區域的方法，所述方法包括向治療控制器提供治療方案；響應于治療控制器所產生的引導，在身體表面上掃描掃描頭，同時能量從所述掃描頭傳送；監視掃描頭的位置和能量傳送，以產生位置數據并將所述位置數據傳送給治療控制器；以及如果位置和/或能量傳送落于治療方案之外，則產生警報。
30.如權利要求28所述的方法，其特征在于，提供所述治療方案包括在能量傳送之前用掃描頭手動地在身體區域上掃描，以產生要治療區域的體積圖，其中所述圖被提供給治療計劃程序。
31.如權利要求29所述的方法，其特征在于，提供所述治療方案還包括將其它治療參數輸入到治療計劃程序中，以基于體積圖和多個其它治療數據產生治療方案。
32.如權利要求30所述的方法，其特征在于，所述治療方案在發送能量數據之前被電子傳送給治療控制器，并包括有關能量傳送位置和能量劑量的信息。
33.如權利要求28所述的方法，其特征在于，手動掃描響應于所述掃描頭提供的引導信息來執行。
34.如權利要求32所述的方法，其特征在于，所述引導信息包括視覺信息和可聽信息的至少之一。
35.如權利要求28所述的方法，還包括響應于治療計劃程序因響應掃描頭的受監視位置而產生的數據，自動地定位掃描頭內的能量施加器，以補償受監視定位相對于治療方案的誤差。
36.如權利要求34所述的方法，其特征在于，所述掃描頭增量式地在連續的治療位置上前進，其中當所述掃描頭在每個位置上時重新定位所述能量施加。
37.如權利要求28所述的方法，其特征在于，產生警報包括產生可聽信號、產生可視信號、減少能量傳送、關閉系統、或切斷掃描頭電源的至少之一。
38.一種執行脂肪治療療程的方法，包括以下步驟(a)確定人對治療用超聲治療的適應性；(b)標記人身上要治療的區域；(c)為治療用超聲治療而定位患者；(d)將已標記區域掃描到計算機中；(e)使用治療計劃軟件包設置治療用超聲治療步驟；(f)使用通過治療計劃軟件控制的計算機系統激活治療用超聲治療步驟；(g)使用治療計劃軟件記錄治療的進度；以及(h)向所述患者提供可能需要的任何附加治療后輔助。
39.一種使用治療用超聲波破壞患者的脂肪組織的方法，包括以下步驟(a)確定患者脂肪組織的一個或多個位置；(b)定位患者使所述脂肪組織被安置為相對均勻地分布；(c)用治療超聲換能器照射患者脂肪組織的位置。
40.如權利要求38所述的方法，其特征在于，確定患者脂肪組織的一個或多個位置的步驟(步驟(a))包括以下步驟(a1)用標記筆劃出皮膚區域的輪廓，所述輪廓符合脂肪組織的估計邊界區域；以及(a2)通過執行成像超聲波掃描校驗脂肪組織的存在。
41.如權利要求39所述的方法，還包括以下步驟(a3)在計算機中記錄所述脂肪組織體積的位置。
42.如權利要求39所述的方法，其特征在于，步驟(a1)的標記筆還包括能夠由電子傳感器檢測的特定墨水。
43.如權利要求38所述的方法，還包括以下步驟(d)在步驟(c)后估計脂肪組織的一個或多個位置。
44.如權利要求38所述的方法，其特征在于，確定患者脂肪組織的一個或多個位置(步驟(a))由3D成像系統執行。
45.一種產生具有脂肪組織體積的位置的3D身體示圖的方法，包括以下步驟(a)使用3D成像系統產生身體的3D圖像；(b)將身體的3D圖像輸入成計算機可讀格式；(c)用3D繪圖軟件應用程序產生身體的3D身體示圖；以及(d)用與3D繪圖軟件應用程序電子通信的診斷超聲設備掃描身體，使得由診斷超聲設備檢測的脂肪組織區域被適當地置于3D身體示圖中。
46.如權利要求44所述的方法，其特征在于，產生身體的3D圖像的步驟還包括以下步驟(a)使用多個照相機將身體定位在3D圖像捕捉設備內；(b)使用來自3D圖像捕捉設備的組合圖片來構建3D圖像。
47.一種使用3D身體示圖塑身的方法，包括以下步驟(a)分析3D身體示圖以得出要去除的脂肪組織體積；(b)確定可使用塑身術安全去除的脂肪組織量；(c)扣除在步驟(b)中要去除的脂肪組織體積以產生第二3D身體示圖；其中醫生和患者可比較第一3D身體示圖和任意多個第二3D身體示圖，以選擇要進行塑身術的所需量。
48.如權利要求46所述的方法，其特征在于，所述塑身術是皮下脂肪抽吸術。
49.如權利要求46所述的方法，其特征在于，所述塑身術是治療用超聲波手術。
50.如權利要求46所述的方法，其特征在于，所述塑身術是藥物療法。
51.如權利要求46所述的方法，其特征在于，所述塑身術是皮下脂肪抽吸術、治療用超聲波手術或藥物療法的一種或多種的組合。
52.一種用于去除脂肪組織的方法，包括以下步驟(A)確定要處理的組織的體積和區域；以及(B)用以連續運動掃過所述組織區域的脈沖波PWHIFU換能器處理所述體積。
53.如權利要求51所述的方法，其特征在于，步驟(a)還包括以下步驟(A1)通過在患者身體上建立一條或多條輪廓線來勾劃出治療區域；(A2)將所述治療區域定向成所述脂肪組織體積具有基本對稱的組織深度；(A3)掃描所述治療區域以校驗脂肪組織深度；以及(A4)在所述治療區域上標記治療區域網格。
54.如權利要求52所述的方法，其特征在于，在患者身上標記治療區域網格的步驟用手術標記筆實現。
55.如權利要求52所述的方法，其特征在于，在患者身上標記治療區域網格的步驟用油墨滾筒實現。
56.如權利要求52所述的方法，其特征在于，在患者身上標記治療區域網格的步驟用墨水噴霧器和絲網模板實現。
57.如權利要求51所述的用于去除脂肪組織的方法，其特征在于，步驟(B)還包括(B1)將治療頭置于患者身體上，并與治療區域網格對齊；(B2)標識要用治療頭掃描的治療區域；(B3)選擇多個治療參數；(B4)校驗組織深度和連接；以及(B5)當所述換能器激活時，使用線性移動的脈沖波HIFU換能器施加治療用超聲波。
58.如權利要求56所述的方法，還包括以下步驟(B6)記憶所有先前的治療位置。
59.如權利要求56所述的方法，還包括以下步驟(B7)按需重復步驟B1-B6任意次。
60.一種使用負載平衡臂定位超聲治療頭的空間位置的方法，所述治療頭包括用于懸置在治療頭內的能量施加器的運動控制器，所述方法包括以下步驟(A)將力施加在治療頭上；以及(B)向所述運動控制器提供電子引導。
61.如權利要求59所述的方法，其特征在于，步驟(A)中施加的力小于所述治療頭的重量。
62.如權利要求59所述的方法，其特征在于，步驟(A)中施加的力為人力。
63.如權利要求59所述的方法，其特征在于，步驟(A)中施加的力為機械力。
64.如權利要求59所述的方法，其特征在于，步驟(B)中的電子引導是從計算機輸入設備中接收的。
65.如權利要求59所述的方法，其特征在于，步驟(B)中的電子引導是從治療控制器中接收的。
全文摘要
描述了一種使用諸如HIFU換能器的能量施加器來去除脂肪組織的系統和方法。該系統具有包含能量施加器的掃描頭、用于承載掃描頭質量的機械臂、以及用于控制掃描頭的操作的諸如計算機的治療控制器。治療控制器可以是通用計算機的一部分，并可用作機器人控制器來自動進行治療。方法還包括以快速、非侵入方式去除脂肪組織。
文檔編號A61B5/05GK1984601SQ200480035622
公開日2007年6月20日 申請日期2004年12月29日 優先權日2003年12月30日
發明者J·U·奎斯特蓋德, T·艾特切爾司, G·P·達林頓, C·S·戴斯雷茨 申請人:利普索尼克斯股份有限公司