專利名稱：用于使用圖像產生的拓撲皮膚模型來收獲及植入毛發的系統及方法
技術領域：
本發明大體來說涉及用于毛發收獲、植入及移植的系統及方法，且特定來說，涉及允許減少對所收獲毛發毛囊的潛在損壞并維持所收獲毛發毛囊的完整性的裝置及技術。
背景技術：
毛發移植程序已眾所周知，且通常涉及從“供體區域”(例如，患者頭皮的側邊緣及后邊緣或其它體表)收獲供體毛發移植物且將其植入于光禿區域(“受體區域”)中。多年以來已開發出用于收獲供體毛發移植物的各種技術。一個此種技術涉及從頭皮的后部區域切除一條皮膚且接著在顯微鏡下對所述條進行剖切以隔離個別毛發毛囊單位以供稍后植入到受體區域中。此技術具有眾多缺點，包含非常耗時、乏味、昂貴且需要縫合并產生疤痕。 近來，一些醫師采用一種稱為毛囊單位提取(“FUE”)的技術，其允許在不需要從患者的頭皮切割一條組織的情況下收獲個別毛囊單位。用于收獲毛囊單位的FUE方法允許通過利用具有切割邊緣及具有(例如)Imm的直徑的內部管腔的中空穿孔器直接從供體區域收獲個別毛囊單位。使用所述穿孔器在毛囊單位周圍的皮膚中做出小的圓形切口。此后，(例如)使用鑷子移除所述毛囊單位以供隨后借助專門設計的插入針植入到受體部位中。FUE程序避免與切割一條皮膚相關聯的疤痕、 減少患者的不舒適感且減少恢復時間，然而，其為費勁的程序、花費長時間來執行且其需要高程度的技術技能。第6，572，625號美國專利(“拉斯曼(Rassman)專利”)描述一種用于在FUE程序期間將毛發毛囊與中空收獲穿孔器對準的機制。拉斯曼專利中所描述的收獲程序教示用戶沿著待提取的毛囊單位的軸線來對準收獲儀器的軸線。
發明內容
根據本發明的一個方面，提供一種用于針對待收獲的毛囊單位對用于收獲毛囊單位的工具進行定向的方法。在一些實施例中，所述方法包括挑選用于收獲毛囊單位的工具的最小接近角；確定感興趣FU的出射角；將所述感興趣FU的所述出射角與所述工具的所述最小接近角進行比較；及基于所述感興趣FU的所述出射角與所述工具的所述最小接近角的所述比較的結果而相對于所述感興趣FU對所述工具進行定向。在一些實施例中，對所述工具進行定向包括使所述工具操作地連接到的機器人臂自動移動。在其它實施例中，對所述工具進行定向包括(例如)通過致動調整機構而對手持式工具進行手動定向。根據本發明的另一方面，提供一種用于從體表收獲毛囊單位的方法。此方法包括 在待收獲的FU上方定位具有管腔的收獲工具，所述FU具有伸長軸線；基于FU的出射角與收獲工具的選定最小接近角的比較的結果而相對于所述FU的伸長軸線對所述收獲工具進行定向；將所述收獲工具插入到待收獲的FU周圍的體表中；及移除所述FU。根據本發明的又一方面，提供一種用于對用于移植毛囊單位的工具進行定向的方法。在一些實施例中，所述方法包括挑選所述工具的最小接近角(舉例來說，通過使用工具的預先選擇的最小接近角)；確定感興趣FU的出射角；將所述感興趣FU的所述出射角與所述工具的所述最小接近角進行比較；及基于所述感興趣FU的所述出射角與所述工具的所述最小接近角的所述比較的結果而相對于所述感興趣FU對所述工具進行定向。在一些實施例中，所述工具為毛發植入工具，且所述方法針對相對于植入部位對所述毛發植入工具進行定向。根據本發明的另一方面，提供用于對用于植入毛囊單位的工具進行定向的另一種方法。此方法在于植入部位處不存在或存在非常有限數目的先存在毛囊單位時尤其有用。 在一些實施例中，所述方法包括產生具有出射角的一個或一個以上虛擬毛發或FU，舉例來說，通過使用基準標記；選擇或使用用于植入毛囊單位的植入工具的預先選擇的最小接近角；其中所述一個或一個以上虛擬毛發經產生使得所述一個或一個以上虛擬毛發的出射角等于或大于所述植入工具的最小接近角；及基于所述植入工具的最小接近角與所述一個或一個以上虛擬毛發的出射角的比較的結果而相對于所述一個或一個以上虛擬毛發對所述植入工具進行定向。根據本發明的再一方面，提供一種用于毛發移植的系統，其包括接口，其適于接收含有毛囊單位(FU)的圖像數據；及圖像處理器，其包括用于對所述圖像數據執行操作的一個或一個以上模塊，所述一個或一個以上模塊包含用于以下各項的指令選擇或使用在毛囊單位的移植中所使用的工具的預先選擇的最小接近角；確定所述FU的出射角；將所述 FU的所述出射角與所述工具的所述最小接近角進行比較；及基于感興趣FU的所述出射角與所述工具的所述最小接近角的所述比較的結果而相對于所述FU對所述工具進行定向。 所述系統可進一步包含圖像獲取裝置。在一些實施例中，所述系統為機器人系統，在其它實施例中，所述系統經配置以供與手持式毛發移植裝置一起使用。本發明的另一系統包括圖像獲取裝置及處理器，所述處理器經配置以用于確定感興趣FU的出射角；挑選在毛囊單位的移植中所使用的工具的最小接近角；將所述感興趣 FU的所述出射角與所述工具的所述最小接近角進行比較；及基于所述感興趣FU的所述出射角與所述工具的所述最小接近角的所述比較的結果而相對于所述感興趣FU對所述工具進行定向。一種制品包括機器可存取媒體，所述機器可存取媒體包含在由機器存取時致使所述機器執行包括以下各項的操作的數據確定感興趣FU的出射角；挑選在毛囊單位的移植中所使用的工具的最小接近角；將所述感興趣FU的所述出射角與所述工具的所述最小接近角進行比較；及基于所述感興趣FU的所述出射角與所述工具的所述最小接近角的所述比較的結果而相對于所述感興趣FU對所述工具進行定向。本文中所描述的系統及方法可經實施以供與用于移除生物單位(包含毛發收獲及/或移植)的手動、部分自動化及完全自動化(包含機器人)系統及程序一起使用。結合附圖閱讀以下詳細說明，本發明的其它及進一步目標及優點將變得顯而易見。
參考說明書、權利要求書及附圖，本發明的特征及優點將變得顯而易見，且同樣地變得更好理解，附圖中
圖1圖解說明根據現有技術的毛囊單位提取方法以及與此方法相關聯的毛發毛囊橫切；圖2是供與本發明的一些實施例一起使用的機器人系統的一個實例的示意性透視圖；圖3是示范根據本發明的表面擬合過程的一個實例的流程圖；圖4A及圖4B是展示感興趣毛囊單位的出射角及工具接近角的示意圖；圖5A及圖5B示范根據本發明相對于FU的工具定向的實例；圖6是根據本發明表面擬合建模在毛發植入中的使用的一個實例的示意性描繪；圖7是根據本發明表面擬合建模在毛發植入中的使用的另一實例的示意性描繪； 及圖8是供與用于毛發移植的手持式裝置一起使用的毛發收獲/植入系統的示范性實施例的示意圖。
具體實施例方式在以下具體實施方式
中，參考以圖解說明方式展示其中可實踐本發明的一些示范性實施例的附圖。在這點上，參考所描述的圖的定向，使用例如“頂部”、“底部”、“前部”、“后部”、“遠端”、“近端”等方向性術語。由于可以若干種不同定向來定位本發明的組件或實施例，因此方向性術語的使用是出于圖解說明目的而非限制性目的。應理解，在不背離本發明范圍的情況下，可利用其它實施例并可做出結構或邏輯改變。因此，不應將以下具體實施方式
視為具有限制意義，且本發明的范圍由所附權利要求書界定。參考系統或過程，形容詞“自動化”總體上意指特定系統或所述過程中的步驟的某一部分或全部涉及自主機構或功能；即，所述機構或功能不需要手動致動。最終，程序中的一個或一個以上步驟可以是自動化的或自主的，其中一些部分需要手動輸入。此定義涵蓋僅需要操作者按下ON開關或排定所述操作的自動化系統，且也涵蓋其中使用手持式工具但系統的某一機構自主地起作用(即，無人類輸入)來執行功能的系統。本文中所描述的自動化系統中的一些系統還可以是機器人輔助的或計算機/軟件/機器指令控制的。本發明的裝置及方法在手動程序及系統中以及在自動化程序及系統中都是有用的。本發明的工具可與機器人輔助的系統及程序一起使用。當提及使用系統的特定組件或過程中的特定步驟時，副詞“自動地”意指此步驟是自主地實現的，即，無實時手動輔助。如本文中所使用的術語“工具”或“收獲工具”或“植入工具”是指能夠從體表移除或收獲毛囊單位(“FU”)或將FU植入到體表中的任何數目的工具或末端執行器。在此意義上，體表可附接到人體或可以是從人體移除的一片皮膚或體組織。此類工具可具有許多不同的形式及配置。在許多實施例中，所述工具包含中空管狀軸且因此可標示為(例如) 插管、針或穿孔器。如本文中所使用的術語“操作地連接”、“耦合”或“安裝”或“附接”意指直接或通過一個或一個以上介入組件間接耦合、附接或安裝。如上文所提及，雖然本發明尤其適用于毛發收獲及植入中來提供用于收獲及植入毛囊單位(FU)的裝置及方法，但其并不限于毛發移植。需要患者皮膚表面的模型(其中假設所述皮膚表面具有一些毛發)的其它程序可從本文中所描述的發明的系統及方法受益。 本發明的一個適用性實例為用于美容或其它醫學目的的診斷皮膚成像。在一些應用中，本發明可與經設計以追蹤在長時間段內生長的毛發的視覺系統(例如，每一個別毛發接收一指紋，其中此指紋的一部分為毛發的自然出射角)一起使用。圖1圖解說明與用于毛囊單位收獲的現有裝置相關聯的某些問題。在毛囊提取技術期間，操作者將收獲穿孔器與毛發的在皮膚上面伸出的可見部分大致平行地對準，例如， 如第6，572，625號美國專利中所描述。接著通常用很大的力將穿孔器推到皮膚中。如圖1 中所見，毛囊單位(“FU”)的每一毛囊1具有毛球2 (表面下最底部分)及毛干3，所述毛干延伸穿過皮膚的表皮、真皮及皮下脂肪層。毛球2表示毛囊的關鍵結構中的一者，其含有毛囊干細胞及黑色素細胞，其它關鍵結構(未展示)包含(例如)皮脂腺、外根鞘。當收獲用于隨后植入于另一區域中的毛囊單位時，不損壞這些關鍵結構頗為重要。然而，基于FUE的裝置及方法的限制之一由以下事實引起毛發毛囊在皮膚下方并不維持相同生長方向。通常，毛發毛囊在皮膚下方顯著改變其方向或角度。如圖1中所見，毛干3在皮膚上面的部分的定向不同于毛干3在皮膚下面的部分的定向。一般來說， 已觀測到FU與皮膚的出射角比其皮下進程更具銳度。因此，將毛發收獲工具4與FU在皮膚上面的可見軸線對準并基于毛發毛囊在皮膚上面的可見部分來推進穿孔器可導致FU橫切、將其損壞或使得其變得不可用。如圖1中所見，沿著毛干3的軸線以銳角來推進毛發收獲工具4導致橫切(切斷)毛發毛囊在皮膚水平下面的含有毛球2的一部分。也已觀測到，以高速度指向頭皮且與定位成銳角的毛發毛囊對準的工具(例如中空穿孔器)1)將趨向于切削皮膚；2)將在皮膚中形成不一致且不合意的非對稱切口。舉例來說，穿孔器的前邊緣將比相對邊緣更深地向皮膚中做出切口。此為不合意的，因為借助前邊緣進行的較深切口可切割到毛囊中。已借助高速攝錄像且在臨床上觀測到此動作。為了避免或實質上減少上文所描述的問題，開發一種如本文中所描述的技術。所描述的系統及方法的益處包含減小在收獲期間對毛囊的橫切率；防止收獲針在體表(例如，頭皮)上滑動、刮傷皮膚表面或由于針可接近表面所成的銳角而不充分地穿透皮膚表面；以及改進毛發植入期間的美觀結果。針相對于體表(舉例來說，頭皮)的“接近角”(如參考圖4A更詳細地描述)在收獲及植入過程兩者中均為重要的。在收獲期間，需要避免幾乎平躺在頭皮上的那些毛囊，因為針在刺穿期間將趨向于沿著皮膚切削，由此增加橫切率。 在植入期間，需要匹配現存毛囊的角度，使得新植入的毛發毛囊較自然地彎曲。在兩種情況下，實時地計算患者頭皮(或其它相關體表)的模型并使用此模型來測量相機的視場(FOV)中的現存毛發的出射角以及針相對于所述體表的接近角為有益的。 在一些實施例中，利用平面模型(即，將患者的頭皮表示為平面)來對體表模型進行參數化。在其它實施例中，所述模型計及人體曲率及3D尺寸。因此，本文中所揭示的解決方案決不限于所描述的特定模型而僅作為實例提供。圖2是可由本文中所描述的發明的方法實施的機器人系統20的一個實例的示意性透視圖。系統20包含機器人臂22及組合件M，舉例來說，組合件M經安裝以用于在所述機器人臂的下管26上旋轉。展示各種箭頭以圖解說明系統20的移動能力。可在組合件 24中并入各種電機及其它移動裝置以使得工具觀的操作尖端能夠沿多個方向進行精細移動。示范性機器人系統20進一步包含至少一個成像獲取裝置四，下文更詳細地對其進行描述。圖像獲取裝置可安裝于固定位置中，或者其可耦合(直接或間接)到機器人臂或其它可控制運動裝置。展示工具28的操作尖端定位于體表30 (在此情況下為患者頭皮的其上具有毛發毛囊的一部分)上方。工具觀為任何數目的分別適用于從體表30移除毛囊單位及/或將毛囊單位植入到體表30中的收獲及/或植入工具。在一些實施例中，收獲工具與植入工具可組合于一個工具中，在其它實施例中，這些工具可為單獨的工具。圖2的處理器32包括用于處理從圖像獲取裝置四獲得的圖像的圖像處理器。處理器32還可指令機器人臂22及組合件M的各種移動裝置(包含收獲/植入工具)且(例如)通過如圖2中示意性展示的機器人控制件34而行動。機器人控制件34可操作地耦合到所述機器人臂且經配置以控制所述機器人臂的運動，包含基于由圖像獲取裝置獲取的圖像或數據的運動。或者，機器人控制件34可作為處理器32的一部分并入，使得所有工具 (包含收獲工具、機器人臂及所述組合件的任何其它可移動部分)的所有移動(包含基于由圖像獲取裝置獲取的圖像或數據的那些移動)的所有處理及控制均集中在一個地方。系統 20可進一步包括監視器35、鍵盤36及鼠標38。所述系統進一步包括適于接收圖像數據的接口，所述系統的各個部分允許操作者監視條件并視需要而提供指令。可在監視器35上看到體表30的放大圖像。另外，所述系統可包括適用于FU的收獲及/或植入或者適用于毛發治療計劃的其它工具、裝置及組件。圖2中所示的圖像獲取裝置四的一些非限制性實例包含一個或一個以上相機，例如任何市售相機。所述圖像獲取裝置可拍攝靜止圖像，或者其可為錄像裝置(例如攝錄像機)或任何其它圖像獲取裝置或傳感器。盡管立體或多視角成像裝置非常適用于本文中所描述的系統及方法，但并未必采用此類幾何形狀或配置，且本文中所描述的概念不受如此限制。同樣地，雖然圖像獲取裝置優選地為數字裝置，但其未必是數字裝置。舉例來說，所述圖像獲取裝置可為模擬TV相機，所述模擬TV相機獲取初始圖像，所述初始圖像接著經處理成數字圖像(舉例來說，經由模/數裝置，如商業現用幀捕獲器)以供將來在本發明的方法中使用。所述圖像獲取裝置可耦合到用以控制成像操作并處理圖像數據的處理系統(展示為并入于圖2中的處理器32中)。有時可稱為處理器的圖像處理器可包括經編程及經配置以執行本文中所描述的方法的任何適合裝置。其可并入有單個或多個處理器以控制各種子系統并提供用戶接口。 舉例來說，所述圖像處理器可編程有經配置以執行進一步更詳細描述的發明的方法的軟件。通過舉例而非限制的方法，適合圖像處理器可為包含一個或一個以上處理器或者其它類型裝置的數字處理系統。圖像處理器可為控制器或任何類型的個人計算機(“PC”)。或者，所述圖像處理器可包含專用集成電路(ASIC)或現場可編程門陣列(FPGA)。所述圖像處理器還可包含存儲器、存儲裝置及此項技術中通常已知的其它組件，且因此，此處不需要對其進行詳細描述。表面擬合過程及出射角確定的描述根據本發明的一個方面，提供用于依據圖像對皮膚或體表拓撲進行建模的方法。 圖3的流程解說明在本文中所描述的發明中所使用的表面擬合過程的一個實施例的實例。舉例來說，可使用如參考圖2所描述的圖像獲取裝置來獲得含有毛囊單位的體表的圖像。在一個實施例中，在每一圖像獲取事件的情況下使用兩個相機獲得兩個立體灰度圖像，舉例來說，左及右灰度圖像(100)。對所獲取圖像進行分段(110)。可(例如)使用圖像分段軟件來實現分段。由于毛發毛囊單位的物理屬性，可作為圖像分段過程的一部分而容易地將所述毛發毛囊單位的基點(即，從真皮冒出的端)與其尖端區分開。舉例來說，基點部分具有不同的輪廓且通常比遠尖端部分粗。此外，通常可識別毛囊單位的陰影，依據定義，其“附接”于基點處。在(120)處，執行立體重構以定位視場(FOV)中存在的一個或一個以上感興趣毛囊單位的位置。舉例來說，可在本發明中使用的一種立體重構過程描述于 2007年5月10日作為US 2007/0106306A1公開的共同擁有待決專利申請案中，所述申請案以引用的方式并入本文中。根據上文所提及的過程，識別毛發毛囊的中心的位置且在左及右經糾正圖像兩者中對其進行匹配。每一毛囊具有一“尾”-毛發離開體表(例如，頭皮) 的點及一“頭”-毛干的尖端。在左及右圖像兩者中識別每一毛發毛囊的頭及尾，其中可計算毛發毛囊的頭及尾的三維坐標。通過利用已知的相機幾何形狀，確定每一相關FU的3D 坐標，包含確定每一頭及尾的3D坐標。立體重構僅為定位感興趣毛囊單位的位置的一個實例。舉例來說，可通過利用兩個以上圖像來獲得關于視場中的毛囊的3D信息。或者，還可通過用激光“測距儀”裝置擴增視覺系統而從一個或一個以上灰度圖片獲得3D數據。—旦知曉相關毛發毛囊列表以及其頭及尾的3D坐標，就可執行與FU的尾坐標的表面擬合(130)。在圖3的實例中，假設頭皮的正成像的部分為平坦的且使用(例如)最小平方技術來執行表面擬合。在所示的實例中，表面表示患者頭皮。可將尾位置集合與以下形式的函數擬合(l)Ax+By+Cz+D = 0 [方程式 1]方程式1界定平面且因此系統將患者的頭皮表示為平面表面。一般來說，擬合函數可為高階多項式(例如，2階二次或更高)的函數，其考慮到頭皮的自然曲率。或者，可將網格與尾位置集合擬合，此將適用于(例如)由于在毛發移植程序的情況下局部麻醉劑的施加或腫脹而具有相當量的“局部凸塊”及“凹槽”的大體彎曲表面。盡管以上實例采用最小平方技術來執行表面擬合，但還可使用所屬領域的技術人員所熟知的任何數目的數學分析。可使用表面模型(平面表面、二次、高階多項式、網格、參數等)來計算每一感興趣毛囊單位的“出射角”及在程序中所使用的工具(例如，毛發收獲工具、毛發植入工具)的 “工具接近角”。圖4A及圖4B圖解說明平面擬合實例的以上角度。高階多項式擬合(例如二次擬合)將使用與頭皮表面的接觸點處的正切平面來計算出射角測量。在圖4A中，ΘΝ 表示工具150(例如針)與體表(例如頭皮)的接近角。在圖4B中，θη表示毛發毛囊1 與頭皮的出射角，而θ F2表示毛發毛囊2與頭皮的出射角，且N箭頭表示正交于頭皮表面的向量。以上描述是基于如何對皮膚(舉例來說，患者的頭皮)的小“區”進行表面擬合， 其中“小”是頭皮的大約為Icm2的區。對于顯著更大的區(舉例來說，3. 5cm2的面積)，平面假設可能行不通，因為實際上體表尤其是頭的表面并非平坦而是彎曲的。在此情況下，可通過將毛發尾坐標與2D半球形表面(在數學上描述為2D 二次曲面)擬合來近似曲率。可取所測量的毛囊尾坐標且可執行與所述形式的2D拋物線的二次擬合，舉例來說，如下ζ = A+R (x-x0) 2+R (y-y0)2，其中拋物型表面的頂點為( ，％)，其在頂點處的值為A，且患者的頭皮在經成像區中的曲率半徑為R。表面擬合過程在毛囊單位的收獲中的使用確定了存在截止點(或對于各種體表，為一系列截止點)，如果嘗試將例如針的工具與其出射角θ太小的給定毛發完全對準，那么在所述截止點處橫切的風險變高。圖5Α描繪此情形。毛囊單位F1具有“皮膚上面”干部分162、“皮膚下面”干部分164及出射角θη。 如從圖5Α可看出，出射角θ F1為完全銳角，且干部分162與164的方向之間存在顯著差異， 皮膚下面干部分164具有較不具銳度的皮下方向。另一方面，毛囊單位F2具有較豎直的出射角，且其干的“皮膚上面”部分與皮下部分較接近于平行。對毛囊F1的橫切風險相對高于 F2的橫切風險，因為展示F1幾乎平地躺在頭皮上。當與F1完全對準時，工具160 (例如收獲針)將具有在刺穿期間沿著表面切削或刮擦的較大傾向。此外，由于此毛囊下方的干及球比假定干離開皮膚的定向可能猜測出的情況更接近于表面法線地定向，因此工具160橫切 F1的可能性相對較大。相比之下，如果針160與F2完全對準，那么橫切此毛囊的風險減小， 因為較可能工具160將循著毛囊F2的皮下方向行進。在執行毛發收獲時，尤其是當使用例如機器人系統的自動化系統時，通常需要使待收獲的毛囊單位的位置的區域周圍的皮膚伸展。此可使用皮膚拉伸器裝置來完成。已觀測到，當使用皮膚拉伸器裝置時，其趨向于甚至進一步減小其中應用皮膚拉伸器裝置的區域中毛囊的出射角。舉例來說，在一些情況下，皮膚拉伸器裝置應用在5到12度的范圍中 (在一些情況下在7到10度的范圍中)減小相關FU的出射角。也就是說，組織處毛發的 “自然”出射角為50度，那么在應用皮膚拉伸器裝置之后，出射角測量為約43度。因此，如果用戶將工具與將可能被橫切的毛發毛囊對準，那么皮膚拉伸器裝置應用甚至進一步增加此類毛發毛囊的數目。類似地，鹽水到供體/受體區域中的注入可導致毛發的“自然”出射角的改變。皮膚拉伸裝置及鹽水注入可不僅用于機器人毛發移植程序中，而且與部分自動化的程序及使用手持式裝置的程序一起使用，因此，大量毛囊單位具有45°或小于45°的出射角的此問題可適用于所有類型的毛發移植程序。圖5B圖解說明根據本發明相對于感興趣FU來對工具進行定向的方法。基于各種因素及某些特性(包含在程序中所使用的工具或機構的幾何形狀及設計、促進所要皮膚表面穿透所需的力、相關區域中現存毛發的出射角的測量)，確定了存在截止工具接近角 θ。(也稱為工具的最小接近角)，低于所述截止工具接近角θ。，就不應將工具與相關FU對準。這是因為(例如)橫切而不切割組織或形成非對稱剖切的風險變得太高。換句話說， 如果毛囊的出射角小于θ。，那么代替將工具的軸線與毛囊單位的干的可見部分對準，用戶應以此截止工具接近角θ。來對工具進行定向。建議，對于某些工具及應用，截止或最小工具接近角θ。必須在約40°到65°的范圍中且優選地在45°到55°的范圍中且甚至更優選地在50°到55°的范圍中加以選擇。實際上，尤其是在采用皮膚拉伸器時，絕大多數的所收獲毛發將具有小于所建議θ。的出射角。在這些情形下，可通過將針的定向角限制為不小于截止接近角θ。而相對于感興趣FU對工具進行定向。在某些應用中，出于上文所提及的原因，可需要給相關的現存毛發毛囊的出射角添加約15°到20°來確定所要的最小接近角θ。。舉例來說，如果毛發出射角為35°，那么可使用大約50°的最小接近角來產生可接受的收獲結果。在圖5Α及圖5Β中，在F1的情況下，由于θ F1 < θ。，因此系統不與F1毛發向量對準，而是對針或穿孔器160”的軸線進行定向(假設F/的出射角為θ c)。將針精確地定位在由F1形成的垂直于頭皮表面的平面內的計算使用表面N的法線。根據如上文所描述的本發明一個方面，提供對用于收獲的工具進行定向的方法。此方法可用于使用例如展示為圖2中的實例的機器人系統的系統的程序以及各種其它自動化、部分自動化或手動系統(包含使用如參考圖8所描述的手持式裝置)中。作為初步步驟，獲得感興趣毛囊單位的圖像。此可通過此項技術中已知的任一技術來實現。舉例來說，在一些實施例中，具有所附接圖像獲取裝置的機器人臂(或醫師手中的便攜式裝置)可經定位使得收獲或植入區在相機的焦點內。根據所述方法的一個實施例，確定感興趣FU的出射角，挑選用于收獲毛囊單位的工具的最小接近角，并將感興趣FU的出射角與工具的最小接近角進行比較。基于感興趣FU的出射角與工具的最小接近角的比較的結果，相對于感興趣FU對所述工具進行定向。如果感興趣FU的出射角小于選定的最小接近角，那么將工具定向為最小接近角，而不將其與FU的實際出射角對準。在一些實施例中，可通過使工具耦合到的機器人臂自動移動來對所述工具進行定向。在其它實施例中，致動調整機構以根據以上方法對手持式工具進行定向。參考圖8來描述所述調整機構的各種實例。為了增加系統的吞吐量，可基于來自多個感興趣毛囊單位或一感興趣毛囊單位群組的信息將感興趣FU的出射角確定為群組代表性出射角。舉例來說，首先獲得所述毛囊單位群組/多個毛囊單位的圖像。如前所述，這可通過此項技術中已知的任一技術來實現。可確定所述群組中的毛囊單位中的每一者或所述毛囊單位群組中的代表性數目者或預定數目者的出射角，并計算所確定出射角的平均值或中值。挑選工具(例如用于收獲毛囊單位的工具)的最小接近角，并將毛囊單位群組的所確定出射角的平均值或中值(其現在用于表示感興趣FU的出射角)與所述工具的最小接近角進行比較。基于以上比較的結果，相對于所述群組中的毛囊單位中的每一者以相同接近角對所述工具進行定向。以此方式，可最小化在治療療程期間工具必須經歷的重新定向的次數，且增加效率。如前所述，如果感興趣毛囊單位的所確定“群組代表性”出射角小于選定的最小接近角，那么將工具定向為最小接近角。類似方法在與毛發植入工具一起使用時也適用。如先前所解釋，可取決于毛囊單位中的一者或一者以上的特定應用或位置來挑選最小工具接近角的各種范圍，或者在用于如下文所描述的毛發植入時，所述挑選可基于植入部位的位置。在一些實施例中，工具的最小接近角可取決于毛囊單位或毛囊單位群組的大體或特定位置而變化。舉例來說，在頭皮的頂部處的最小接近角可不同于在頭皮的側面或后部處的最小接近角。在其它實施例中，收獲(或植入)工具的最小接近角可基于毛囊單位(包含位于植入部位附近的那些毛囊單位及/或如參考毛囊單位的植入而描述的“虛擬毛發”)中的一者或一者以上的所確定出射角的線性函數、階梯函數、多項式函數或其它函數。根據本發明的又一方面，提供一種用于從體表收獲毛囊單位的方法。此方法包括在感興趣FU上方定位具有管腔的收獲工具。此感興趣FU具有伸長軸線。所述方法進一步包括基于FU的出射角與收獲工具的選定最小接近角的比較的結果而相對于所述FU的伸長軸線對所述收獲工具進行定向。將所述收獲工具插入到待收獲的感興趣FU周圍的體表中，并將所述FU從體表移除。確定FU的出射角可通過使用圖像產生的拓撲皮膚模型來實現，如上文所描述。可使用(例如)機器人系統來自動實現對收獲工具進行定向，或者如果如下文參考圖8所描述使用手持式工具，那么可手動完成對收獲工具進行定向。表面擬合過程在毛囊單位的植入中的使用在植入期間，對于其中在接近植入部位處存在先存在毛發的那些情況下，為了改進所植入毛發移植物的質量及外觀，需要算出待基于植入部位的區域(受體區域)中的先存在毛發的密度、位置及出射角植入的毛發毛囊的位置及所要定向(或出射角)。然而，與毛發收獲一樣，如果先存在毛發的出射角非常低(例如低于(例如)40°到45° )，那么使植入工具的接近角與先存在毛發的出射角匹配可為不合意的且將不提供令人滿意的結果。 舉例來說，用植入工具以非常低的角度接近體表(例如頭皮)可導致工具滑動、刮傷頭皮或不穿透到所要深度，且因此妨礙正確的植入。為了消除這些情形，已開發出以下方法。根據一些實施例，識別經擬合表面上的光禿點且接著產生具有匹配現存毛發的出射角的出射角的所提出假毛發或“虛擬毛發”(部位)。這些虛擬毛發需要經產生使得其躺在頭皮表面上，以便可接著恰在實際植入之前將植入工具與所述部位對準。圖6是此程序的描繪且其是基于患者在所提出植入部位的區域中具有一些先存在毛發的假設。類似于參考圖3所描述的過程，獲得、處理含有現存“真實”毛囊單位的圖像、對其進行分段，并識別FOV中的毛發(在圖6中，表示為F》。在200處，圖像處理器分析圖像(舉例來說，立體圖像)并識別其中可產生候選植入部位的光禿點集合。(圖6中的S》。隨后將現存毛發重構到其3D坐標中(在210處)并執行表面擬合(在220處)，舉例來說，如參考圖3所解釋。在230處， 通過產生虛擬毛發來創建植入部位。在一些實施例中，在產生虛擬毛發時，可挑選不提前使虛擬毛發定向與先存在毛發的定向自動匹配而是將每一相關出射角與工具的所推薦最小接近角進行比較，并產生虛擬毛發使得其決不以低于工具的最小接近角而出現。可取決于頭皮的正植入的特定區域而在與先前所提供的相同的范圍中選擇所推薦最小工具接近角， 舉例來說，在45°與65°之間。在其它實施例中，最初至少部分地基于先存在毛發的出射角而產生虛擬毛發。然而，在對植入工具進行定向的步驟期間，將虛擬毛發的出射角與工具的所建議最小接近角進行比較，且基于此比較的結果而對所述工具進行定向以用于植入， 如上文所描述。如果使用用于毛發移植的機器人系統，那么具有植入工具的機器人臂適當地對自身進行定向(取決于這些虛擬毛發的出射角與最小工具接近角之間的比較)。或者， 在使用手持式裝置進行的程序的情況下，固持植入工具的用戶基于相同比較的結果而對用于植入的工具進行定向。操作者還可挑選使這些自動產生的植入部位移動，如果需要如此的話。為了使此移動在物理上有意義，在操作者使用鼠標(某一其它指向裝置)來使個別毛發移動時，其尾位置經更改使得其躺在表示患者的頭皮的經擬合表面上。
如果FOV中存在眾多預先存在的真實毛發，那么前述過程是可行的。嚴格地說，對于平面擬合必須存在至少三個真實毛發，但實際上來說，對于穩健的回歸分析需要至少3x 個或3x個以上真實毛發。如果患者為全禿或高度稀疏的，那么系統可使用外部標記(基準)或解剖學標志(例如，痣、疤痕等)來執行表面擬合。圖7是使用放置于(例如)患者的頭皮上的基準(參見300)的此方法的圖解說明。在一些實施例中，可將基準放置于(例如)程序期間所使用的皮膚拉伸器而非實際體表(例如頭皮)上。在310處，獲取具有基準的體表的圖像，在320處，執行先前所描述的處理，包含基準及光禿點位置的分段、確定。在 330處，完成3D重構且在340處執行表面擬合。在執行表面擬合之后，產生虛擬毛發(或部位)，如350處所示，且如上文參考圖6所描述。如前所述，基于考慮植入工具(例如針)的最小接近角而確定此虛擬毛發的出射角或植入工具的定向。輸入考慮因素中的一者是頭皮的正被植入的區域。在發際線及顳部區中，需要銳度較大的角度/定向。在頭皮的頂部中， 銳度較小的角度為常見的。毛發植入的步驟(不論使用自動化系統還是手動系統)可與參考圖6所描述的那些步驟相同或類似。在用作實例的一個實施例中，用于相對于體表對用于植入毛囊單位的工具進行定向的方法可包括使用基準標記來產生具有出射角的一個或一個以上虛擬FU ；選擇或使用用于植入毛囊單位的植入工具的預先選擇的最小接近角；將所述一個或一個以上虛擬FU的出射角識別為不小于所述植入工具的最小接近角；及以所述一個或一個以上虛擬FU的所識別出射角對所述植入工具進行定向。在某些實施例中，可使用先前參考毛發收獲所描述的方法來實施組合式程序，且所述組合式程序進一步包括在對用于植入FU的工具進行定向時、在產生虛擬毛發時及在創建植入部位時的表面擬合過程及/或出射角確定。圖像處理器(例如參考圖2所描述的那些圖像處理器中的任一者)處理所獲得的圖像以識別關于感興趣毛囊單位的所要信息。所述圖像處理器可經配置以用于確定毛囊單位的出射角、挑選用于收獲毛囊單位的工具的最小接近角及將所述毛囊單位的出射角與所述工具的最小接近角進行比較。基于此比較的結果，所述圖像處理器可經配置以指令具有所附接收獲工具的機器人臂(或手動程序中的手持式工具)關于如何相對于毛囊單位進行定向。所述圖像處理器還可經配置以在毛發植入期間實踐本發明的方法，如上文所描述。舉例來說，所述圖像處理器可經配置以用于確定預先存在的毛囊單位的出射角、挑選用于植入毛囊單位的工具的最小接近角并將所述毛囊單位的出射角與所述工具的最小接近角進行比較。基于此比較的結果，所述圖像處理器可經配置以指令具有所附接植入工具的機器人臂(或手動程序中的手持式工具)關于如何相應地定向。本文中所揭示的發明還針對一種圖像處理器，其包括用于對圖像數據執行操作的一個或一個以上模塊或組件。上述的一個或一個以上模塊可包含用于以下各項中的一者或一者以上的指令接收含有FU的圖像；確定所述FU的出射角；選擇在毛發移植程序中所使用的工具的最小接近角；將所述FU的所述出射角與所述工具的所述最小接近角進行比較； 及基于感興趣FU的出射角與所述工具的最小接近角的比較的結果而相對于所述FU對所述工具進行定向。上文所提及的組件或模塊可包括出射角確定組件、角度比較組件(將感興趣FU的出射角與所述工具的選定最小接近角進行比較)、工具定向組件。各種所描述模塊及組件可為單個軟件或硬件產品的一部分。如上文所描述的圖像處理器可結合各種手動、部分自動化及完全自動化(包含機器人)毛發移植與治療系統及裝置(包含但不限于用于毛發收獲或毛發移植的系統)使用。類似地，本發明的圖像處理器可與毛發治療計劃系統一起使用。盡管本文中所描述的發明在用于收獲/移植毛發的機器人操作的系統中尤其有用，但其還將對借助手動/部分自動化/完全自動化手持式工具使用手動FUE技術來收獲毛囊單位的醫師提供大的益處，因為其將導引醫師來調整工具的插入角以避免橫切或以其它方式損壞待收獲的毛囊單位或組織。類似地，其將有益于使用手持式裝置執行植入的醫師。一個此種實施方案作為實例展示于圖8中。在此實施例中，醫師正使用手持式工具44 (舉例來說，收獲工具及/或植入工具)對患者進行手動操作，且他/她可佩戴具有高放大率的典型眼鏡50。圖像獲取裝置52 (例如一個或一個以上相機)可附接到手持式儀器或工具44。在一些額外實施例中，其可為獨立的圖像獲取裝置。圖像處理器(例如計算機 42)可執行如本文中所描述的各種步驟且執行圖像分析及處理，包含3D重構、表面擬合、確定現存毛囊單位的出射角、將出射角與工具的最小接近角進行比較及確定以上兩個測量之間的角偏移或在毛發植入程序的情況下確定虛擬毛發的所要出射角。監視器40可顯示增亮的毛囊單位、基準位置或光禿點以及所有其它有用數據，舉例來說，待收獲的毛囊單位的出射角以及手持式工具相對于此(此些)待收獲的毛囊單位的所提出定向或相對于FU將工具移動到恰當收獲位置中所需的調整角度/距離。類似地，在植入程序的情況下，監視器40可顯示在進行毛發植入中適用于實現正確的工具定向及植入角的額外參數，包含先前所論述的那些參數。在監視器上所顯示的信息的導引下，醫師可相對于經選擇用于收獲的FU調整他/她手中的收獲工具的工具接近角及定向或他/她手中的用于植入的植入工具的定向。對手持式工具進行定向可由多種不同的機構來致動，舉例來說，機械或電子機構。在一些實施例中，手持式工具的主體可操作地連接到具有角度指示器的導引結構或由其支撐。在監視器上所顯示的先前所確定的插入角的導引下，用戶可使工具的角度位置旋轉直到角度指示器上的讀數匹配監視器上的角度為止。所述工具可永久地或可拆卸地連接到導引結構及角度指示器。一些實施例可使用具有角度戳記的圓形刻度盤，在其它實施例中，其可為具有箭頭及燈的電子顯示器。圖8示意性地表示安裝于手持式工具44上的指示器M作為實例。在一些替代實施例中，手持式工具可包括電子地連接到成像系統的變換器或其它傳感器(在圖8中展示為56)。或者，傳感器 56可為成像系統52的一部分。如所屬領域的技術人員將了解，本發明的方法可至少部分地以軟件體現且在計算機系統或其它數據處理系統中實施。因此，在一些示范性實施例中，硬件可與軟件指令組合使用以實施本發明。舉例來說，本發明的制品可包括機器可存取媒體，所述機器可存取媒體包含在由機器存取時致使所述機器執行例如以下操作的數據確定感興趣FU的出射角(作為個別出射角或作為群組的表示)；挑選工具(例如，用于收獲毛囊單位的工具或用于植入毛囊單位的工具)的最小接近角；將感興趣FU的出射角與工具的最小接近角進行比較；及基于感興趣FU的出射角與工具的最小接近角的比較的結果而相對于感興趣FU對工具進行定向。可使用機器可讀媒體來存儲致使系統執行本發明的方法的軟件及數據。上文所提及的機器可讀媒體可包含能夠以可由處理裝置(舉例來說，計算機)存取的形式存儲及傳輸信息的任何適合媒體。所述機器可讀媒體的一些實例包含但不限于磁盤存儲裝置、快閃存儲器裝置、光學存儲裝置、隨機存取存儲器等。前文所圖解說明及描述的本發明實施例能有各種修改及替代形式，且應理解，一般來說本發明以及本文中所描述的特定實施例并不限于所揭示的特定形式或實施例，而是相反涵蓋歸屬于所附權利要求書的范圍內的所有修改、等效內容及替代方案。通過非限制性實例，所屬領域的技術人員將了解，參考一個圖或實施例所描述的特定特征或特性可在適合時與在另一圖或實施例中所描述的特征或特性組合。類似地，本發明并不限于包含機器人臂的機器人系統的使用，且可利用其它自動化、半自動化或手動系統。盡管已在本發明的優選實施例中描述了本發明，但應理解已使用的字詞為描述性而非限制性的字詞。因此，可在不背離本發明的真實范圍的情況下，在所附權利要求書內做出改變。
權利要求
1.一種用于對用于移植毛囊單位的工具進行定向的方法，其包括挑選工具的最小接近角；確定感興趣毛囊單位的出射角；將所述感興趣毛囊單位的所述出射角與所述工具的所述最小接近角進行比較；基于所述感興趣毛囊單位的所述出射角與所述工具的所述最小接近角的所述比較的結果而相對于所述感興趣毛囊單位對所述工具進行定向。
2.根據權利要求1所述的方法，其中確定所述感興趣毛囊單位的所述出射角包括確定多個毛囊單位的代表性出射角。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述代表性出射角包括所述多個毛囊單位的平均值或中值。
4.根據權利要求1到3中任一權利要求所述的方法，其中相對于所述感興趣毛囊單位對所述工具進行定向包括如果所述最小接近角比所述感興趣毛囊單位的所述出射角高， 那么將所述工具定向為所述最小接近角。
5.根據權利要求1到4中任一權利要求所述的方法，其中所述感興趣毛囊單位進一步包括頭及尾，且其中確定所述感興趣毛囊單位的所述出射角包括確定所述感興趣毛囊單位的所述頭及所述尾的3D坐標，以及執行與所述尾坐標的表面擬合。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述表面擬合包括平面擬合、二次擬合、三次擬合、網格擬合或參數擬合中的一者或一者以上。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述感興趣毛囊單位為虛擬毛發，且所述確定所述出射角包括產生所述虛擬毛發，使得所述虛擬毛發的所述出射角等于或大于所述工具的所述最小接近角。
8.根據權利要求1到7中任一權利要求所述的方法，其中對所述工具進行定向包括使攜載所述工具的機器人臂自動移動。
9.根據權利要求1到7中任一權利要求所述的方法，其中對所述工具進行定向包括致動手持式毛發收獲裝置的調整機構。
10.根據權利要求1到9中任一權利要求所述的方法，其中所述工具包括用于收獲毛囊單位的工具。
11.根據權利要求1到10中任一權利要求所述的方法，其中挑選所述最小接近角包括選擇或使用預先選擇的最小接近角。
12.根據權利要求1到11中任一權利要求所述的方法，其中基于毛囊單位中的一者或一者以上的位置或者基于植入部位的位置而挑選所述最小接近角。
13.根據權利要求1到12中任一權利要求所述的方法，其中基于線性函數或階梯函數或多項式函數而挑選所述最小接近角。
14.根據權利要求1到13中任一權利要求所述的方法，其中所述工具的所述最小接近角為約45度到65度。
15.根據權利要求1到6、8到9及11到14中任一權利要求所述的方法，其中所述工具為毛囊單位植入工具，且其中所述感興趣毛囊單位為位于植入部位或虛擬毛發附近的毛囊單位。
16.根據權利要求1到6、8到9及11到14中任一權利要求所述的方法，其進一步包括至少部分地基于現存毛發的所述出射角而產生一個或一個以上虛擬毛發，且其中所述感興趣毛囊單位包括所述一個或一個以上虛擬毛發。
17.根據權利要求7或16中任一權利要求所述的方法，其中使用基準標記來產生所述一個或一個以上虛擬毛發。
18.一種用于毛發移植的系統，其包括接口，其適于接收含有毛囊單位的圖像數據；以及圖像處理器，其包括用于對所述圖像數據執行操作的一個或一個以上模塊，所述一個或一個以上模塊包含用于以下各項的指令選擇或使用在毛囊單位的移植中所使用的工具的預先選擇的最小接近角；確定所述毛囊單位的出射角；將所述毛囊單位的所述出射角與所述工具的所述最小接近角進行比較；基于所述毛囊單位的所述出射角與所述工具的所述最小接近角的所述比較的結果而相對于所述毛囊單位對所述工具進行定向。
19.根據權利要求18所述的系統，其進一步包括圖像獲取裝置。
20.根據權利要求18到19中任一權利要求所述的系統，其中所述系統為機器人系統， 且其進一步包括機器人臂，且所述工具操作地連接到所述機器人臂。
21.根據權利要求18到20中任一權利要求所述的系統，其進一步包括監視器，所述監視器經配置以顯示所述毛囊單位的所述出射角與所述工具的所述最小接近角的所述比較的所述結果。
22.根據權利要求18到21中任一權利要求所述的系統，其中所述系統包括毛發收獲工具、毛發植入工具或組合式毛發收獲/移植工具中的一者或一者以上。
23.根據權利要求18所述的系統，其中所述用于確定所述毛囊單位的所述出射角的指令包括用以產生虛擬毛發的指令，且所述接口適于接收含有所述虛擬毛發的圖像數據。
全文摘要
本發明提供用于相對于待收獲的毛囊單位對毛發收獲工具進行定向的系統及方法。此外，提供植入毛囊單位的系統及方法，所述系統及方法是基于現存毛囊單位的定向或基于預定插入角。所述所提供的系統及方法使用圖像處理及圖像產生的拓撲皮膚模型。在一些實施例中，舉例來說，使用平面擬合、二次擬合、三次擬合、網格擬合及參數擬合來執行表面擬合。
文檔編號A61B19/00GK102341045SQ201080010692
公開日2012年2月1日 申請日期2010年3月3日 優先權日2009年3月11日
發明者米格爾·G·卡納萊斯, 謝赫爾扎德·A·庫雷希 申請人:修復型機器人公司