专利名称：用于去除脂肪组织的系统和方法
技术领域：
本发明涉及去除脂肪组织(脂肪)的系统和方法。
背景技术：
塑身已发展成减少人们体重并使其恢复更纤瘦、更苗条身体外形的高级追求。整容外科已随着工具和技术的开发而得到相当迅速的发展。用于快速的体重减轻和塑身的一种通用治疗方法是皮下脂肪抽吸术。
皮下脂肪抽吸术是通过塑造和去除不想要的脂肪而显著地改善不同身体区域的形状和轮廓的身体造型方法。每年都会有20万例以上的皮下脂肪抽吸术。皮下脂肪抽吸术领域中的最新改革和发展包括肿胀技术和超声波辅助技术。常规的皮下脂肪抽吸术通过在需要位置作一些小切口、然后在皮下脂肪层植入中空管或插管来进行。该插管与真空相连，且在较高抽吸力下脂肪被吸除。该治疗方法不加选择地去除脂肪、结缔组织、血管和神经组织。该治疗方法导致出血、瘀伤、创伤、和失血，从而限制可能去除的脂肪量。
肿胀技术允许在手术期间去除多得多的脂肪而失血量较少。肿胀皮下脂肪抽吸术在抽吸之前向脂肪层注入大量的盐和肾上腺素溶液。插管再次用于抽吸设备以去除脂肪。该治疗方法减少了常规皮下脂肪抽吸术的出血量。但是该治疗方法仍然去除了大量的结构组织、血液和神经末梢。
最新公认的革新是超声波辅助脂肪移植术(UAL)。UAL利用尖端以超声波频率振动的钛插管。该振动使邻近的大量脂肪细胞分裂并使它们基本上液化，以便于去除。UAL使用低功率抽吸并仅在插管尖端附近抽取脂肪物质。该技术更为精细且对组织更为柔和，从而出血量较少、瘀伤较少、不太疼痛、而复原快得多。
超声波在外科手术中的使用并不限于UAL。高强度聚焦超声(HIFU)技术已由他人用于癌症的治疗。
Cain等人的美国专利6,309,355揭示了一种在目标组织中产生微气泡、然后使用超声波源使微气泡产生空穴效应、以去除附近组织的方法。较佳实施例使用低频超声波源(低于500kHz)来引起气穴。一诊断仪器被用来确定各手术损伤的位置。
Eshel等人的PCT申请WO 02/054018 A2提供在一人体区域中溶解脂肪组织，同时并不溶解非脂肪组织的方法。该方法描述在身体中使用HIFU与诊断成像系统以及计算机相连，来跟踪用HIFU能量照射的区域。
过去几十年间已在HIFU的开发中有了若干革新。强度已增大到在气泡因气穴形成时，沸腾可在极短时间段(～1秒)中发生。气泡极大地增加了超声波的吸收、以及伴随对组织的快速加热。Haifu(中国重庆)公司已生产了使用超声波治疗实体瘤的治疗设备。当施加器在围绕包含肿瘤组织的水袋内移动时，施加超声波能量。
其它疗法主要取决于使组织坏死的加热机制。若干论文报告在组织中产生气穴而不必将组织温度增高到坏死程度。这些方法向组织施加高强度连续波(CW)超声疗法，以便于产生空穴气泡(有时称为“稳定”气穴)，这些气泡的主要目的是增强吸收和减少加热时间。采用与脉冲波(PW)超声相似的快速重复的极高强度短脉冲的治疗可产生具有极短寿命(微秒)的空穴气泡。这些气泡导致对组织的极大机械损伤，它可由短脉冲(～5-30秒)周期性地重复而无需大量伴随的组织加热。仔细地斟酌疗法参数可例如通过剪切力、瞬时气穴冲击波、或稳定的气穴压力来增强机械损伤，而无需将组织加热到热坏死程度。
HIFU疗法可用若干方法和方法组合来应用。大多数HIFU疗法通过将HIFU应用于一个点并通电给定时间段(通常为1～4秒)来应用。强度水平通常被选择为将施加器焦点处的组织加热到凝固性坏死的点，尽管其它报告将该组织加热到超过水的沸点(100℃)。在一个声照射周期之后，施加器关闭并移到新的位置；通常离之前的施加处几毫米。直到组织已冷却了从几秒到几分钟的一时段，施加器才再次开启。施加器再次开启并产生新的创伤。用该方法治疗大量组织要化数小时。
以下附加参考文献是本领域中相关的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。
上述参考文献描述了与本发明相关的超声波技术，以及用它们来去除人体内组织的方法。然而在现有技术中有一显著缺点。没有允许患者和医生能一起设计期望的塑身计划以实现患者所期望的结果的示教。在现有技术中没有准确存储从一个治疗到下一个治疗已对患者作了什么的信息的装置。这使一次完成所有治疗成为必要，产生患者治疗过度的可能，或者医生必须通过感觉或查看患者的脂肪组织区域作出猜测，以确定在前一治疗中已作了什么。当患者已进行了非侵入性HIFU治疗时，医生将完全失去方向且无法确定需要什么适当的后续治疗。
此外，现有技术的超声波疗法深受不能快速处理大量组织的困扰。因而，只要处理大块或大量，侵入性疗法就是较佳的。
因此，本发明的一个目的是提供一种装置，通过它患者和医生可确定适当的治疗方法并感觉可实现的结果。
本发明的另一个目的是提供用于准确确定患者的脂肪组织量的装置。
本发明的又一个目的是提供用于精确跟踪治疗及其对患者的效果的装置，从而患者可将期望治疗延长以降低或消除因一次性进行大规模疗法的不适和危险。
本发明的再一个目的是提供用于准确映射人体内手术创伤位置的装置。
本发明的另一个目的是提供与侵入式疗法相似地快速去除大量脂肪组织的装置和方法。
这些目的的任一个或多个在以下揭示中解决。
发明内容
在此所述的是用于去除脂肪组织的系统和方法。在第一实施例中，有用于向身体区域施加能量的系统，该系统包括包括能量施加器的扫描头、用于将扫描头悬置于空间的装置、以及与扫描头和悬置装置相连的治疗控制器。该治疗控制器适于监视扫描头的位置和能量传送，同时提供对定位该扫描头的引导。
在第二实施例中，有用于产生相匹配的身体外形的、接近体表的皮下组织图的系统，该系统包括用于产生患者身体的体表图像的三维成像装置、用于产生患者身体的皮下图像的组织成像装置；以及用于使体表图像和皮下图像的多个标记相匹配的相关手术设备。
在第三实施例中，有用于定位医疗设备的系统，该系统包括机械臂；用于控制机械臂的第一控制装置在治疗头内可移动定位的医疗设备，该治疗头与机械臂相连；用于控制医疗设备在治疗头内的移动的第二控制装置；以及与机械臂、第一控制装置、医疗设备和第二控制装置电子通信并用于协同手术的电子控制器。
在又一实施例中，有用于定位医疗设备的系统，该系统包括机械臂；用于控制机械臂的控制装置；固定定位于治疗头内的医疗设备，该治疗头与机械臂相连；以及用于翻译从控制装置接收的移动指令、并用于将移动指令中继给机械臂的电子控制器。
在另一实施例中，有用于引导能量发射器在患者身体上的移动的装置，该装置包括具有至少一个能量发射器的可移动治疗头；导环；以及用于跟随导环移动并使治疗头基本上位于导环中央的跟踪系统。
在又一实施例中，有用于定位医疗设备的系统，所述系统包括负载平衡臂；在治疗头内可移动定位的医疗设备，该治疗头与负载平衡臂相连；以及用于控制医疗设备在治疗头内的移动的装置。
还有使用所述系统的方法。在有将能量施加到身体区域的方法的实施例中，该方法包括以下步骤第一，向治疗控制器提供治疗方案；第二，响应于治疗控制器所产生的引导，在身体表面上手动地扫描扫描头，同时能量从所述扫描头传送；第三，监视扫描头的位置和能量传送，以产生位置数据并将该位置数据传送给治疗控制器；最后，如果手动位置和/或能量传送落于治疗方案之外，则产生警报。
在第二实施例中，有执行脂肪移植术的方法，包括以下步骤(a)确定人对治疗超声术的适应性；(b)标记人身上要处理的区域；(c)为治疗超声术定位患者；(d)将已标记区域扫描到计算机中；(e)使用治疗计划软件包设置治疗超声术；(f)使用通过治疗计划软件控制的计算机系统激活治疗超声术；(g)使用治疗计划软件记录治疗的进度；以及(h)向该患者提供可指定的任何附加术后辅助。
在另一实施例中，有使用治疗超声波去除患者的脂肪组织的方法，包括以下步骤确定患者脂肪组织的一个或多个位置；将患者定位在治疗床上；用治疗超声换能器照射患者脂肪组织的位置。
在又一实施例中，揭示了产生3D身体示图的方法。产生具有脂肪组织量的位置的3D身体示图的方法包括以下步骤使用3D成像系统产生身体的3D图像；将身体的3D图像输入成计算机可读格式；用3D绘图软件应用程序产生身体的3D身体示图，并用与3D绘图软件应用程序电子通信的诊断超声设备扫描身体，使得由诊断超声设备检测的脂肪组织区域被适当地置于3D身体示图中。
在再一实施例中，有使用3D身体示图塑身的方法，包括以下步骤分析3D身体示图以得出要去除的脂肪组织量；确定可使用塑身术安全去除的脂肪组织量；扣除要去除的脂肪组织量以产生第二个3D身体示图，其中医生和患者可比较第一3D身体示图和任意多个第二3D身体示图，以选择要进行塑身术的所需量。
在另一实施例中，有用于去除脂肪组织的方法，包括以下步骤确定要治疗的组织的体积和区域；以及用以连续运动扫过该区域的脉冲波(PW)HIFU换能器治疗该体积。
在又一实施例中，有使用负载平衡臂定位超声治疗头的空间位置的方法，该治疗头包括用于悬置在治疗头内的能量施加器的运动控制器。该方法包括以下步骤，首先将力施加在治疗头上，其次向运动控制器提供电子引导。
图1示出本发明的侧视图。
图2示出扫描头。
图3示出除气电路的示意图。
图4A-B示出治疗头的元件。
图5示出具有类似计算机的输入设备的臂。
图5A-B示出导环控制装置。
图6示出光学导环控制装置。
图7示出伸缩接头。
图8示出3D立体成像系统。
图9A-C示出标记患者身体的方法。
具体实施例方式
定义在本说明书中，我们称“治疗控制器”为负责本发明所使用的医疗方法的计划、协调和操作的设备。该治疗控制器是一计算机设备。它可以是专用的特别构建的计算机系统或通用计算机，具有足够的硬件和软件资源来提供本系统的命令和控制即将治疗头、能量发射器、和机械臂控制在所需范围内。有时我们称为治疗方案软件、治疗控制器、或用于执行超声治疗的程序。每一个这些元素通常都在治疗控制器的名单中，作为本发明的基本元件或治疗控制器的特定子单元。
此外，我们在此使用术语“电子通信”来包括组分(不管是硬件还是软件的)间所有形式的电子信号和功率耦合。因而我们称数据、指令、代码、和/或功率的发送为电子通信，不管这种发送是单向的、双向的、还是响应于对这种电功率或信息的查询或指令或需要。部件之间电子的任何有意移动都是“电子通信”。
通过“治疗头”，我们表示用于包含能量施加器的外壳。该外壳可特别地设计成外形拟合能量施加器，使外壳、或具有结合一些附加设备的附加体积的外壳的体积最小化。这些设备可包括用于使能量施加器在外壳内移动、或使用蓄液池、或具有附加传感器的小马达系统、用于将信息中继给置于治疗头外部的组件的引导设备。在先前的描述中，我们将术语“端部作用头”或“作用头”赋予“治疗头”。术语“治疗头”、“扫描头”和“端部作用头”被视为是可互换的。
HIFU系统描述本发明是用于将能量施加到某一身体区域的系统。该系统具有三个主要子系统扫描头、悬置设备和治疗控制器。扫描头包括能量施加器和蓄液池。悬置设备通常是机械臂。第三组件是与扫描头和用于悬置扫描头的装置电子通信的治疗控制器。治疗控制器用于监视扫描头的位置和/或能量传送，同时提供定位扫描头的引导系统。
本发明的系统10具有包括能量施加器600(参见图1)的扫描头500。系统10还具有将扫描头悬置在空中的装置，诸如机械臂200。悬置装置支撑扫描头500的大部分重量，并允许用户手动地将扫描头500在空中重新定位，或者通过机器人控制器来移动扫描头。悬置装置还可提供与扫描头相对于病人身体的位置相关的信息。当扫描头500在空中移动时可从该扫描头500收集数据，以提供扫描头的跟踪信息。还有与扫描头和悬置装置耦合的治疗控制器250。该治疗控制器可以是计算机400的一部分、或是独立的智能设备。该治疗控制器监视扫描头的位置和能量传送，同时向用户提供相对于患者身体将扫描头移到哪儿的引导。
系统10具有可任选地安装在多个脚轮102上的底座100。轮闸110可用来将基座100固定在适当的位置上。可选手柄120可用来移动基座100。基座100包含作为独立设备、或作为较大计算机400的一部分的治疗控制器250。诸如马达232的可选运动产生设备也可包含在基座100中。机械臂200通过杆202锚定在基座100上。旋转接头212还可包含旋转编码器222。
每个臂段都具有相应的接头214、216、218和可选编码器224、226、228。臂段204、206、208从基座伸出并支持治疗头(或扫描头)500。固定器260用来连接治疗头500和机械臂200的最远段208。附加接头240、210向治疗头500或可选显示设备242提供附加自由度。每个臂段内所包含的是用来在空中移动治疗头500、或与治疗头的重量平衡的力产生设备234、236、238。
现在我们依次讨论每一个子系统。
扫描头扫描头(也称为治疗头)是包含能量施加器、以及在治疗期间能量施加器的有效操作所需的任何附加设备的外壳。多种设计可选择用于扫描头子系统。治疗头通常被配置成倒置的杯或钟，具有在其底部有一孔缝隙的腔室。该腔室可分成两部分，形成其间具有密封层的上腔室和下腔室。上腔室包含能量施加器的操纵和控制所需的电子和马达驱动单元。下腔室包含能量施加器、超声波耦合液、以及该系统适当操作所需的传感器。
最好治疗头的外部设计是人与机械控制的，所以用户可用一个手抓住它并抵住患者的皮肤表面移动或定向治疗头时。人机控制配合用于抓握和导向而不用来承载重量，因为治疗头旨在由机械装置支撑。治疗头(图2)通过固定器260与机械臂200相连。从治疗头的顶端有多条连线531，用来使治疗头内的组件与治疗控制器250、电子控制器(计算机)400以及除气系统7相连。这些线使治疗头500和基座单元100之间保持电子通信和流体连接。
在本实施例中，治疗头具有上腔室504和下腔室502。有隔离两个腔室的流体密封层，且可有一个或多个通孔。如果呈现通孔，则它们用于机械链接520、528、电子通信线路、以及可能流体流动线路712。上腔室504最好包含一对马达驱动单元508、510。下腔室502包含至少一个能量施加器600。能量施加器通过对所使用适当形式的能量是透明的孔590传送。在马达驱动设备和能量施加器之间有连接装置。此外，有使马达驱动单元、能量施加器、和流路与基座中相应元件(治疗控制器和除气系统7)相连的多条电缆。
除气系统(图3)驻留在基座100内，但具有延伸到下腔室502的流路712。流路具有流体泵701、真空泵704、真空腔室706和用于气体的排气线726。可任选地，除气系统可具有蓄液池708、冷却器710、一对输入或排气阀720、722、以及旁通阀724和旁通输液管718。传感器716、714也可用于监视回路中的流体。液体502用于帮助耦合换能器600与患者，并减少换能器600附近的任何气穴效应。
现在更详细地示出治疗头500(图4A)。在外壳566内有一能量施加器600。该外壳具有允许辐射能量从外壳通往患者的窗口590。该治疗头500最好足够小且足够轻，使医生能用一只手轻易地移动它。如果医生由支撑治疗头500重量的关节式臂杆200帮助，则该治疗头500可在大小和重量上增加。有在治疗头500和外部计算机400或治疗控制器250之间延伸的数据链接572。有顶部或上腔室564，以及底部或下腔室566。
治疗头500可安装在由基座100支撑的关节式臂杆200上。该关节式臂杆200将使其移动和功能受计算机400或治疗控制器250监视或控制。
最好治疗头500包含用于在外壳内移动能量施加器600的马达驱动器508、510。马达驱动器直接、或通过齿轮组件(未示出)连接到一对推杆520、528。然后推杆移动一对开槽驱动器520’、528’。开槽驱动器沿在两个开槽驱动器的交界处承载能量施加器的推杆移动。当推杆响应于马达的运动旋转时，开槽驱动器在开槽推杆的运动范围内支撑能量施加器。旋转编码器530放置在推杆520、528上，使能量施加器的运动可准确地测量。
在另一可能实施例中(图4B)，马达驱动单元508、510可用来控制与附于能量施加器的板534b磁性耦合的板534a。该板由马达移动，且作为响应能量施加器也移动。除磁性连接外，能量施加器与任一类推杆或移动设备都无物理连接。仍然需要通孔，从而能量施加器与治疗控制器250和计算机400保持电子通信。然而，即使该通孔仍然可使用短程“无线”通信设备来去除。
下腔室566是不漏液体的，所以液力耦合溶液502可被引入到该腔室中。该液体围绕能量施加器，并提供施加器和患者的耦合。最好能量施加器是HIFU换能器。液体用来提供耦合，从而超声波能量可被传送到治疗头的外部。耦合液体通过与基座100中的除气系统相连的一对供给软管进出下腔室。因为众所周知HIFU发射会产生气穴，且气穴不利地影响超声波传输，所以需要在系统工作时使液体除气。因而，液体在治疗头的一侧进入下腔室，并从另一侧引出。当液体在通过下腔室在一个方向上流动时液流建立，且可在HIFU疗法中形成的任何气泡都被去除，而不被允许在腔室内流动而可能干扰该疗法。
被允许在腔室内流动而可能干扰该疗法。
放气系统7利用精心设计的组件和步骤来从溶液中去除气体。此外，可添加冷却器来冷却液体。根据流体动力学，冷却后的液身体外形成气泡的可能性比温暖液体小。此外，经冷却的耦合液有助于降低治疗换能器的温度，并允许HIFU换能器工作更长时段而不累积热量。该液体循环系统可使用适用于超声波耦合的任何液体，只要该液体具有相对较低的粘性，使它可以有效地流通和放气。最佳的溶液是水。
扫描头或治疗头500还可在下腔室的外部结合许多传感器。传送能量的孔靠在患者皮肤上放置。在HIFU治疗期间，可利用各种传感器来促进治疗头在患者体表上的有效跟踪，并便于设备的安全操作。治疗头还可将触觉传感器结合于其中。触觉传感器通过第一控制装置或通过显示器或警报设备向用户提供压力反馈。传感器测量治疗头施加在患者身体上的压力，并向用户提供电阻反馈、或分度压力信息，以使用户能感觉到治疗头在治疗期间施加在患者皮肤上的压力大小。反馈可用来给予用户足够的触觉响应度，以防止机械臂伤害患者。或者，机械臂可使安全限制置于电阻反馈上，以防止对患者的伤害，或防止在治疗中患者皮肤轮廓的过度变形。具体地，当医疗设备是或包括用于处理脂肪组织的治疗换能器时，重要的是不要使组织体积过度压缩或变形达到换能器的焦点区域不再落于脂肪组织体积内的程度。由于这种组织体是“软”的(与接近体表的具有骨骼或硬质组织的肌肉组织或区域相反)，它是便于变形的。因而，触觉传感器有必要被调整成即使对患者皮肤有较小压力也有响应。这容许用最小的组织变形对用户作更强的电阻反馈。
触觉传感器结合用来使治疗头与患者身体保持接触的负载感测设备工作。负载设备可以是机械臂力产生机构的一部分，或者是用来抗衡治疗头重量的一部分、同时使足够的重量能通过治疗头传送以保持治疗头与皮肤表面的接合的单独平衡设备。
各种跟踪传感器可用来在治疗头于病人身上移动时检测并跟踪其位置和方向。位置信息可按需存储并结合到精确的映射构件中。体积测量跟踪程序可提供有关所处理组织的实时信息(参见以下内容)。
在一可选实施例中，扫描头只有一个充液腔室。马达组件可位于该充液腔室内(使用在液体密封外壳内的马达)，或者马达组件设置在治疗头的外部。在本实施例中，马达组件可位于臂200的远端臂段208上，与治疗头相对。马达组件可通过驱动电缆、同步齿形带或其它机械设备将运动传给能量施加器600。
动器驱动的液体提供。在本实施例中，治疗头内产生的流体力也可用来提供移动能量施加器的原动力。
能量施加器最好是具有可用于组织扫描的一个或多个诊断超声元件的HIFU超声换能器。“一列式”(“a-line”)扫描器可置中以透视HIFU换能器的焦点区域，或者可在HIFU换能器的周边排成阵列以查看焦点区域附近的组织。一列式扫描可在HIFU扫描之前、期间、或之后执行，且最好一列式成像与阵列换能器并发地进行，或者与HIFU换能器的脉冲波形式交织、或者以通过HIFU焦点区域或围绕它的持续扫描形式。能量施加器600由多个元件602、604、606表示，以表示多种能量施加器可被组合成单个设备并在治疗期间协同操作。换能器容器640用来在使用组合换能器组件的情形中将多个换能器元件保持在适当的位置。
HIFU换能器可在参数的足以导致细胞坏死的任何范围上操作。在一实施例中，本发明的系统利用在1-4MHz的频率上操作、具有高达30Mpa的压力的HIFU换能器，使用1KHz或更高的脉冲重复频率(PRF)。换能器以4-30毫米/秒的速度在患者的皮肤表面上作单方向移动。换能器类似于手动打字机的回车那样返回一侧。治疗行的行间距范围为1-3毫米。
扫描头使用超声波耦合剂与患者耦合。耦合剂可以是结合扫描头内环流系统使用的声学凝胶、或耦合液。
如果使用管路内除气的耦合剂，则液体通过扫描头环流并返回到流体除气或冷却的主单元。流体通过衬垫、或通过注满完全浸浴能量施加器的小池502流经能量施加器之前。然后能量施加器通过声学窗口或其它可传送窗口“播送”其能量。窗口可结合到扫描头中，或者它可以是附件，诸如以一次性换能器密封件的形式。
用于悬置扫描头的装置具有位置编码器的臂用于将扫描头悬置于空中的装置的一个实施例是具有位置编码器的臂。这是为在治疗期间承载负载而设计的臂。该臂包括用于固定关节式臂杆的基座。该关节式臂杆具有以可移动方式固定到基座上的近端，以及远端。有至少一个结合到臂的位置编码器。容器位于远端用于承载扫描头。还有用于在扫描头连接时使臂负载平衡的装置，从而位置编码器能实时地跟踪臂的位置。
一个或多个位置编码器用来跟踪关节式臂杆的运动。位置编码器最好足够灵敏以跟踪小到1毫米或更小的位置变化。旋转编码器是较佳的，并可包括在关节式臂杆的接头中，使每个臂段相对于基座、或相对于另一臂段、或相对于治疗头的运臂杆的接头中，使每个臂段相对于基座、或相对于另一臂段、或相对于治疗头的运动能得以跟踪。旋转编码器测量在关节式臂杆移动时臂段之间的角度变化。通过跟踪移动部件之间角度的变化，并知道每个臂段的固定长度，则任何接头的位置可使用数学计算来确定。如果扫描头或其它医疗设备通过也具有编码器的接头固定在关节式臂杆上，则接头角度的改变将有助于准确地确定扫描头的位置。尽管旋转编码器可能是跟踪臂位置的最直接装置，但也可使用其它类型的编码器。
负载平衡可采取有源或无源形式。在无源形式中，用于负载平衡的装置包括对使用期间关节式臂杆的变化提供平衡的机械结构。该机械结构确保臂总是足够平衡，以使治疗头因重力、接头滑动或臂滞后引起的任何移动最小化。该臂具有用于包括负载平衡的已知方法的装置，以及用于产生或保持力的设备。所产生的力用于负载平衡，并可以是有源的力产生设备(例如任何类型的马达)或无源的力产生设备(例如弹簧或平衡重、或一些类型的压力缸)。力产生设备或方法的确切形式并不特别重要，因为本发明依赖于在相应领域中非常确实的力产生方法和设备。
臂附于具有足够重量的加重基座上，不管臂在附加治疗头时移动的位置和角度如何都锚定该臂。因而臂可达其最大伸展范围，并达到致使重力中心处最大移动的角度，但基座必须足够重或者充分锚定，使该臂不会翻倒或变得不稳定。用来将臂接到基座的接头允许臂相对于基座的旋转移动，和/或臂相对于基座的倾斜和偏向。基座和臂近端之间的接头包括无源或有源力产生设备形式的负载平衡设备。
臂包括两个或多个段，且负载平衡结构在每个段之间独立地(每个段相对于臂的其它段自平衡)或相关地(每个段结合一个或多个相邻段平衡)使用。最远臂段的负载平衡也必须对治疗头和在治疗期间它可产生的任何位置变化进行调节。
为了保持负载平衡特征，附于臂远端的治疗头的重量必须不超过负载平衡装置的重量补偿能力是不言而喻的。类似地，臂本身的移动范围应受到限制，以防止臂变得不平衡。负载平衡结构应当在治疗头在水平平面上伸展到远离基座时(最不平衡的配置)补偿治疗头的负载和重力中心的变化。最好负载平衡结构还对可伴随臂移动的任何滞后作补偿。因而，负载平衡机构的能力越大，关节式臂杆上可允许的移动范围也越大。使用臂的编码器来确定位置，就可能取决于治疗头的重量来控制臂的移动范围。治疗头本身可以可由臂读取的数据芯片的形式向关节式臂杆提供数据。数据芯片可包含作用头或治疗头的质量及其操作设计的信息。也就是说，每当新的治疗头附加到臂的远端时，臂的移动控制器就可“智能”地指出所许可的移动范围。因而，移动限制或“停止”的范围可在使用负载平衡设备(在它可电气控制的情形中)的臂上实现，或者当移动范围接近可接受限制时控制器可发出警报。这种警报可以是声调、警告灯光或其它易于传送给用户的信号。或者可手动或自动地设置机械障碍，以在开始治疗之前禁止臂移到平衡范围之外。
由编码器产生的数据被中继给控制器。控制器是用于向装置提供位置跟踪设备或闭环控制机构的计算机设备。在无源模式中，控制器并不向关节式臂杆提供有源力，相反它向用户提供臂在哪里应移动、在哪里不应移动的信号。
在无源模式中，负载平衡装置可以是与关节式臂杆同轴的简单平衡重和弹簧，从而臂的移动将按需产生平衡重和/或弹簧的位置或臂本身的相应变化。可将四杆式臂视为一示例。独立无源负载平衡机构的使用是较佳的。用该方式，当臂移动时，每个臂段与所有其它臂段同时平衡。
在相关无源模式中，可再使用一系列弹簧和平衡重，尽管使用设计成当压力施加在臂远端(或治疗头)时或响应于触发机构的激活而松弛的气体、液压或气动马达将更为有效。来自这些无源的力产生设备的压力或力是一旦臂已手动地置于所需位置时重建的。臂段上的这种压力或力防止臂再次移动，直到操作人员释放这种固定的压力或力为止。
在又一实施例中，使用任何类型的有源力产生设备(诸如气缸/液压缸或气动马达)有源负载平衡机构可供使用。这些可基于用户通过机器人驱动器提供的命令来独立或相关地操作。有源负载平衡机构的一个优点是在治疗期间关节式臂杆可自动补偿臂定位、同时使治疗头处于所需位置的方法。例如，当用户想要改变治疗头的横摇、纵摇或平摇以匹配患者身体的局部轮廓，这可通过在用于将扫描头连接到臂远端的接头内移动治疗头来实现。扫描头方位的改变可取决于扫描头的大小和重量导致对关节式臂杆的平衡的微量或重大改变。使用有源负载平衡机构，机器人驱动器可调节扫描头方位中的变化，而不改变臂远端的位置。
本发明的位置编码器可以是结合在臂本身内的机械或光学编码器，或者它可以是在臂外部使用的一个或多个反馈设备。编码器的可选实施例包括使用一个或多个光学设备用于在臂移动时跟踪其位置。臂将结合传感器可简便标识和跟踪的多个光学可读标签。另一个可选方案是在近端尖端处可以有单个RF发射器，以及位于基座或外部固定位置的RF接收器。RF数据将使控制器能跟踪远端的移动，并知道作用头置于何处。这些实施例和任何等效方案都未视为较佳实施例，但仍然在本发明公开范围内。
控制器可以是从编码器接收数据的软件应用程序或硬件设备(或两者的组合)，并计算治疗头的位置。控制器还可计算装置的每一段的位置，并映射装置在空中的移动。因为编码器与控制器电子通信，用于知晓治疗头在何处的数据基本上实时地出现。数据的计算机处理中的延迟是太微小以致用户不能检测的间隔。即使在治疗进行的过程中，使用本发明由医生手动进行的治疗也不会体验到任何明显的或可行的延迟。
除了计算装置在空间的位置之外，控制器可通过用作装置的任何致动控制组件的机器人控制器，来向臂提供移动信息。该控制器还从外部馈入中接收数据，或从数据文件中读取信息。用该方式控制器可用作机器人控制器，以遵从来自用户或另一计算机的实时命令，或读取提供映射的数据文件、或治疗头必须遵从的一系列移动命令。此外，如果治疗头需要在特定坐标上精确激活，则控制器也可处理这些操作。
远端具有附加其上的治疗头。该附加必须是固定的，但也应是可移动的，从而治疗头可在治疗步骤之间移动，或可在不同治疗步骤之间互换。治疗头和关节式臂杆的远端之间的移动范围类似地可使用在连接治疗头和关节式臂杆的接头中的旋转编码器确定。治疗头和关节式臂杆之间的接头可具有多个旋转接头或球形接头，以允许治疗头的更大活动性。每个接头中的编码器、或能准确测定三维接头中角度变化的编码器提供所需信息来确定治疗头的确切位置。类似地，一旦与基座之间的角度和距离得到确定，包括任何附加信息，诸如特定医疗臂距离从基座到远端的链中最后一个编码器的长度，并确定作用头或治疗头的确切三维坐标位置就简单了。
或者，机器人关节式臂杆可按照以下准则构建，或者它可以是大设备。再一次，基座被锚定在地板、或墙、或桌面上。治疗或所使用医疗设备的类型将支配机器人关节式臂杆的大小。需要更稳固支持结构的医疗设备自然会需要具有更大承载能力、以及结合到基座中的更大稳定因素的臂。较小设备可使用能便携、并能使用夹具或类似装置锚定在桌面上的臂。
无位置编码器的负载平衡臂与前述负载平衡手设备相似，治疗头可从负载平衡或机械臂悬置于空中，而没有利用位置编码器。在此描述臂的手动变体，其中臂提供先前所述的负载承载能力，而没有位置感测和跟踪能力。这种臂既便于制造和生产，又便于维护，但是它缺乏前一实施例的精确度。
没有位置编码器的臂主要可用作负载承载臂，使用户不必承受治疗头的重量。所示的臂共享先前所述的许多元件。臂200具有基座100和多个臂段204、206、208。臂200通过平台202固定在基座100上，并具有多个用于在移动时保持臂位置的张力调整器234、236、238。治疗头500放置在可相对于远端臂段208旋转的容器260中。用户通过将治疗头用作控制装置来操作臂的位置。用户可抓住治疗头并在空中移动治疗头，而臂支持治疗头的重量并使治疗头位于用户期望之处。在本实施例中，臂缺乏根据可通过治疗控制器提供的任何位置校正治疗头的位置的能力。相反用户将不得不保持适当的定位。或者，承载治疗头500的主要负载的臂段之一可使用平衡块238’，而不使用力产生臂238。
在本实施例中，用张力产生设备替换机器人力产生设备。这些提供了足够的克服接头滑动、滞后和重力的阻力，但诸如在用户施力移动治疗头时能适应附加力的施加。一旦所加力被释放，则张紧设备保持治疗头的位置。
臂的制导系统置于机械臂上的治疗设备的制导系统最好由协调工作的两个组件组成。第一控制装置通过控制机械臂的移动，提供对治疗设备的“宏观”级控制。第二控制装置向治疗头内的医疗设备提供“微观”级控制。
机械臂的命令和控制由第一控制装置(图5)提供。所示系统具有与前述相同的元件，另外加上安装在远端臂段208上的类似计算机的输入臂244。还有可任选的滑动接头216’(图7)。第一控制装置向马达或机械臂的其它力产生装置提供移动指令。除了对机械臂的移动指令之外，第一控制装置还可通过视觉显示器242向用户提供有效的位置信息。
第一控制装置可以是能引导机械臂移动的各种不同设备。在第一控制装置的第一实施例中，计算机输入设备可用来提供治疗头的有效定位，并向机械臂提供移动指令。计算机输入设备可以是通常用来向计算机屏幕上的指针(光标)据供移动命令的任一类输入设备。这些通常是两维输入设备，诸如鼠标、书写板鼠标或跟踪球。此外，三维输入设备可用来在计算机屏幕上提供三维视觉帧中的定位。这些设备通常被示例为操纵杆、D控制器等。最后虚拟环境中移动的真正自由度可通过诸如通常在计算机辅助设计(CAD)应用中使用的“空间球”的六个自由度(DOF)设备来提供。用作第一控制装置的输入设备可以是现货供应的计算机输入设备，或者是特别设计用来与机械臂一起操作的设备。用于第一控制装置的设备是可互换的，从而取决于用户喜好或治疗要求，即使在使用同一机械臂时，也可从一个治疗到下一治疗地使用不同的输入设备。
到下一治疗地使用不同的输入设备。
尽管最好机械臂和输入设备具有相同的自由度，但这并非是必需的。用于第一控制装置的输入设备是可互换的。也就是说，输入设备没有必要永久地或固定地附连在机械臂上。输入设备可通过诸如通常用于计算机输入设备的计算机接口相连。因而，一个输入设备可具有三个DOF而另一个可具有六个DOF，两者都适合通过共同的接口端来命令和控制机械臂。理想地，机械臂通过治疗头具有六个DOF，并具有足够的灵活性和伸展度来使六个DOF能传送给治疗头，而不会与在治疗期间呈现的其它物体(诸如患者或用户)有物理干扰。
输入设备的移动用与计算机输入设备产生要在计算机屏幕上显示的光标或其它虚拟物体的虚拟位置信息的相同方法来产生移动指令。然而，除了输入设备所提供的虚拟移动和位置信息以外，移动信息还被翻译成对用来控制机械臂的马达或力产生设备的实际移动命令。用该方式使用计算机输入设备使用户能操作可能较沉重和笨重的医疗设备，而无需使用比操作计算机输入设备所需的更多的力气。与方向固定的一些计算机输入设备(诸如I-字形或光标箭头)不同，在所述输入设备的计算机屏幕上显示的光标的方向最好与医疗设备的已知方位相对应。例如，光标箭头可指向与医疗设备发射能量的方向相同或相反的方向。因而输入设备的移动、以及光标在虚拟环境中方位的变化将产生医疗设备或治疗头的位置和方向中的相应变化。
与正常的计算机输入设备相似，本发明系统所使用的输入设备在其上可具有按钮、或滚轮、或其它驱动器，它们可被编程为与系统的可特定操作元件相对应。例如，输入设备上的按钮可用来在启闭机械臂上的马达之间切换，从而激活医疗设备来执行治疗或刷新某些传感器数据。
输入设备在本发明中的应用与这些设备的一般应用的重要区别在于这些输入设备的重新定位方面。计算机输入设备可便于补偿用户的人机控制需求而重新定位可能是常识。例如，鼠标或操纵杆可取得并移动，同时鼠标指针、I字形等的实际位置保持不变。计算机输入设备的该优点可在一定限度内适应于用作机械臂的第一控制装置的输入设备。
该优点可被转化成当重新定位输入设备时，在治疗头、医疗设备或机械臂的移动暂停时对机械臂的控制。然而，当输入设备用来跟踪治疗头、医疗设备或机械臂相对于患者的实际放置的路径(参见下文)，或治疗头、医疗设备或机械臂相对于患者身体的位置的代表性表示时，该优点不能转化。
代表性放置涉及替代实际皮肤表面使用的患者皮肤表面的图或模型。在跟踪系统的一个可选实施例中，患者皮肤表面的图可使用投影图像和照相机产生。投影仪将图像投射在规则间隔的网格线或网格块的患者身体上。这些线从模板中投射，该模板具有已知的线条间隔。只要每条线之间的距离为已知，线条间隔就可以是规则的或不规则的。所投射的线条图像以偏离投影线的角度落于由照相机检测的患者表面上。照相机读取线条之间的距离，从而产生直角三角形一边的第二距离值。因而使用简单的三角学，可确定线条之间的高度距离。
跟踪系统可跟踪投影图的两维图像，其中斜面上的实际距离通过数学计算而不是直接测量来确定。用该方式两维图提供了距离和斜率的良好近似，使超声波系统适用于较长的(或较短的)斜坡距离，并传送适当的能量水平。
类似地，在跟踪系统的另一实施例中，可使用患者的三维表示。该三维表示可以是画有等高线的模型，或从实际患者的身体导出的投影。该三维表示无需太大或太精确，只要它大到足以包括所需治疗区域，准确到使将在实际患者身体上跟踪的换能器的焦点区域不会投影到不应治疗的肌肉组织或其它组织中。
在这些跟踪系统实施例的任一个中，应理解在使用患者皮肤表面的代用品的模型或跟踪系统中保持足够的准确度是必要和有利的，从而实际的治疗设备仅继续治疗不需要的脂肪组织。成像或一列式扫描换能器可用来确保在治疗期间治疗严格施加在脂肪组织上。这允许实时地检测脂肪组织，并提供在成像传感器检测到非脂肪组织的情形时使系统关闭或切断的检测手段。即使用户感觉到治疗头处在适当的脂肪组织区域上，设备本身也具有安全备份。
在实际放置情形中，出于以上的相同原因输入设备的重新定位是不需要的，除非输入设备的重新定位将对应于医疗设备、治疗头或机械臂的放置中的直接变化。
用作第一控制装置的计算机输入设备可直接安装在机械臂上。较佳地具六个DOF的输入设备在该情形中被安装，并位于基本接近治疗头之处。用户可通过手动地操纵输入设备(诸如操纵杆或空间球)、并查看转换成机械臂的移动的输入设备的移动命令，来操作输入设备。用户因而“处在工作回路中”，只要关注机械臂的控制和引导并能对治疗头的角度和定位作出判定，而无需检查具有机械臂的移动的虚拟表示的显示屏。用户可在六个DOF中调节治疗头的定位，同时作为机械臂的控制回路中的一个用户。
视觉显示设备242可安装在机械臂上，从而用户可在查看显示设备242时操纵治疗头500。用该方式用户可估算显示屏上的传感器信息和数据，同时使用该输入设备来引导医疗设备、治疗头或机械臂的移动。传感器所提供的数据在屏幕上显示，并使用户能操纵输入设备来使医疗臂或治疗头的有效性和安全性最大，而不被迫使沿若干不同方向上观看以收集引导该系统所需的信息。
在另一实施例中，第一控制装置可以是置于患者身体上的导环267(图6)。在该实施例中，导环267提供目标数据，并有结合到机械臂200中或治疗头500中(或在两者中都具有元件)的跟踪系统。为作说明，制导系统可以是从机械臂200上的发射器256发出光线的光学跟踪设备。光线从导环上的发射器258反射。所反射的光线形成置于治疗头500周围的光学检测器262能够读取的图案或方向。光学传感器262因而能确定导环267的中心在哪里，并向机械臂提供移动或方向命令指令，从而机械臂移动使治疗头保持在目标环内的中央。
目标环在中间是透明的，或具有一孔。孔或透明材料必须不会明显干扰医疗设备可发射的任何能量，也不会干扰可结合到医疗设备中的传感器。环可由柔性材料制成，从而当靠在患者身体上放置时，它可依从患者的轮廓，或者它可以是刚性的，以便于向用户和/或治疗控制器提供确定的参考平面。系统的用户可沿患者体表手动地移动目标环，同时跟踪系统跟踪目标环中的移动和角度变化。跟踪系统向机械臂提供适当的命令和控制信息且使治疗头又移动，从而医疗设备尽可能地保持在目标环中心，使医疗设备与目标环的一般平面垂直。
或者用户可将目标环置于患者身上的一个地方，并允许微处理器(第二控制装置)来治疗导环中心内的区域。
目标环可制造成一侧适合在患者身体上平滑滑动。应当用硅或聚合物材料处理它，以降低设备在患者身上移动时的摩擦力。面向跟踪系统的一侧(背离患者身体)在其上具有足够的视觉提示或标记，以产生不对称的反射或折射图。这样，跟踪系统将能够确定面对的方向并旋转，以适应目标环的旋转，使医疗设备或治疗头在所有时间都可适当定向。
目标环267可通过使用围绕治疗头周边并与目标环相连的金属线或相似功能的应变仪264，来与治疗头500物理连接(图5A-B)。目标环267在患者身体上的移动产生电子控制器400、250可检测的金属线或应变仪264中的应变、并对应于减少该应变而移动治疗头500。用该方式治疗头可使用物理连接来跟随目标环。或者治疗头可具有磁性线圈，而目标环具有相似磁场。电磁场的强度或电荷的变化使系统能检测目标环的移动和方向，并通过移动治疗头作为响应来作出相应的补偿。
或者，跟踪系统可制成能跟随在患者身体上描绘或印记的可检测路径。在该实施例中，用户或操作人员可将治疗头置于患者身体上(物理接触或接近患者身体)。因而跟踪系统用作第一控制装置，并自动跟随患者身体上的路径。第二控制装置可以是在治疗头跟踪患者身体上的路径时，用户可控制来提供医疗设备位置的微控制的输入设备。或者，电子控制器或治疗控制器可具有一程序，它用作用于移动或振荡治疗头或医疗设备的第二输入设备。该移动或振荡将用作“摇摆”相似效应，它将跟踪系统操作时清除换能器曾聚焦的患者皮肤下的一个区域。
基准点可置于患者皮肤上，以使跟踪系统跟随。如果电子控制器具有对由离散基准点限定的表面区域上跟踪的程序或指定响应，就没有必要在患者身体上画出路径以便跟踪系统跟随。在该情形中，第一控制装置可用来将机械臂和治疗头带入由基准点标记限定的区域内。第二控制装置可根据其程序参数在基准点标记内取得并移动治疗头。引导医疗设备或治疗头的移动的软件程序变成第二控制装置。在要治疗的表面区域较大时，第一和第二控制装置可同时协同操作。即，用户可引导机械臂，而作为第二控制装置操作的医治疗序处理医疗设备在限定治疗区域内的移动。
另一实施例使跟踪系统与输入设备组合，从而用户可使用输入设备来手动引导机械臂、治疗头和医疗臂，以跟随在患者身体上描绘出的路径。再一次第二控制装置可以是自动路径调节指令，当机械臂在患者身体上划出路径时向治疗头的移动提供人为摆动。
又一实施例提倡使用与计算机输入设备设计相似的定制输入设备，但在构建时结合到机械臂内。在该实施例中，控制装置被结合到基本上接近治疗头的机械臂的远端。所结合的第一控制装置利用与诸如光学跟踪元件、应变仪、力扭矩换能器等的计算机输入设备相似的技术。但是，输入设备被建成为具有与臂相同的DOF，并被放置成便于用户使用。
第二控制装置提供治疗头内医疗臂的移动命令和控制。第二控制装置在治疗头具有用于移动治疗头本身内医疗设备的微型马达组合或其它力产生装置时使用。用该方式机械臂可得到命令将治疗头移到相对于患者身体的所需位置或地点，且第二控制装置可用于医疗设备的精确放置。因而，第一控制装置提供“宏观”级控制，而第二控制装置提供“微观”级控制。
或者，第二控制装置可以是向治疗头内微型马达组合提供移动指令的软件程序。因而，医疗设备在治疗期间的精确放置可留给自动化系统。这使系统能响应于预设参数或响应于实时传感器数据，将医疗设备置于精确位置达精确时段。
在第二控制装置的另一可选实施例中，自动方向变化或“摆动”可被结合到从第一控制装置中继到机械臂的移动指令中。用该方式第一控制装置仍然提供“宏观”级移动指令，而自动变化提供可不通过从第一控制装置接收的移动方向的直接转换来模拟或实现的一些“微观”级移动命令。
在又一实施例中，用作第一控制装置的输入设备可在宏观制导模式和微观制导模式之间切换。可用一开关来在模式之间切换，从而允许用户能与单个输入设备交互，并使第一和第二控制装置都可供使用。操作时，用户能将输入设备用作第一控制装置，以提供机械臂的宏观定位、以及治疗头或医疗设备的放置。一旦治疗头处于要治疗的邻近区域，如宏观级制导所能最好确定的，用户可切换到微观级控制。输入设备现在变成用于精细控制治疗头内医疗设备的第二控制装置。或者，附在用于机械臂的主要力产生装置的精细马达控制可在使用相同的力产生设备时提供微观级控制。这与在光学显微镜上发现的粗调和微调聚焦相似。在机械臂的马达使用中的应用将是控制精细啮合齿轮对普通齿轮、或精细对粗略的力产生元件之一。
机械臂还可使位置或移动编码器在其中建立。编码器被用来在使用系统期间跟踪治疗设备的位置、以及每个臂段的移动。对机械臂而言最好具有教学模式。教学模式可由操作人员通过所需的一组移动操作来手动地引导臂。电子控制器可“观察”臂的移动并记忆开始位置、最终位置、以及开始和最终位置之间所经的路径。该移动可由电子控制器记忆，并通过重新调用移动指令来按需经常重复。多条移动路径可按需存储在计算机存储器中。
在输入设备安装在臂的实施例中，滑动接头(图7)可结合到臂中，以有助于使输入设备上使用的一些超量力或扭矩不会影响机械臂的移动位置。滑动接头被设计成帮助吸收或减少超量力。例如，旋转力可加在输入设备上，以使治疗头改变其轴向旋转。如果用户施加了太多的旋转力，则输入设备可被推到物理或人工挡块。此时，过量的旋转力可消耗在滑动接头中。输入设备的旋转轴可安装在双轮轴承组件2163中。一旦输入设备抵达其挡块，附加力就克服阈值力水平并使平台能在双轴承环内旋转。因而额外的旋转力被无害地消耗。滑动接头有必要具有通孔，使数据信息能从输入设备传送到电子控制器。滑动接头还可包括用作与臂的任何物理连接、或从输入设备到治疗头的通孔的物理孔。
除双轴承轮2163外，滑动接头可包括附加轴，其中力可被吸收以便于使臂与不必要的力隔离。用该方式，多个平面中的旋转和扭矩力可为已知，以保护机械臂的准确度。输入设备可吸收超过最大力的力，且未由滑动接头抵消的力会受到机械臂的限制。机械臂可感测外力(那些并非源自从输入设备接收的指令的力)并通过施加相反的力来作补偿。当用户积极地处理输入设备以尝试并适当定位治疗头时，该“站点保持”在复杂环境中是有用的。
第一控制装置的DOF可被分成机器人成分和手动成分。机械臂可用任何数量的DOF来构建，而治疗头对剩余的所需DOF作手动调节。例如，如果机械臂用三个DOF来构建，且第一输入设备是具有三个DOF的计算机输入设备，则治疗头可安装在允许未由机械臂提供的三个附加DOF的接头上。跟踪系统会仍然跟踪医疗设备的位置，将手动和机器人DOF成分编辑到单个空间位置，用于视觉表示和治疗跟踪目的。这种系统可使治疗头轴向安装到输入设备，其中机械臂可通过输入臂调节，而治疗头可同时手动“瞄准”。
注意对控制装置的手动附加的使用可以是第一或第二控制装置的分量。如果治疗头具有用于移动治疗头内医疗设备的微观位置马达，则对治疗头的DOF的手动分配将是第一控制装置的分量。该情形中的第一分量将是机械臂的命令和控制。在此用户可将治疗头本身用作输入设备，以定向治疗头和机械臂。微观位置控制将用治疗控制器或电子控制器保持，并移动治疗头内的能量发射器。或者，如果医疗设备固定在治疗头内，则DOF的手动分量将构成第二控制装置，而机械臂的命令和控制会另外保持为第一控制装置。在此手动定位代替对机器人路径或人工引导摆动的自动调节。
第一输入设备并非必须放置在接近治疗头之处。第一和第二控制装置可放置在离治疗头更远处。例如当机械臂和治疗头打算远程操作时，控制装置可放置在靠近远程计算机处，其中用户跟随治疗头在患者身体上的移动的视觉或虚拟表示。该可选实施例保留用于与众不同的不需要医生接近患者身体的治疗中。
关节式臂杆的移动装置或马达应具有速率限制，从而臂不易于有任何导致对患者或操作人员的伤害的移动。移动控制器因而不仅将控制端部作用头的重新定位速度，而且将控制任何单段臂在空间移动的速度，从而避免或至少减少不经意中碰到操作人员或观察人员的可能性。
可任选地，显示臂242可放置在臂208的远端附近，从而在治疗期间向用户提供视觉反馈和信息显示。
医疗控制器电子控制器用来协调系统各元件的功能。电子控制器可以是一个或多个计算机、或适用于本发明的其它专用电子设备。电子控制器从第一控制装置接收输入信息，不管该第一控制装置是计算机输入设备、导环、还是跟踪系统。然后电子控制器将输入信息转换成用于机械臂的移动指令。可实现第二数据路径，它可提供要重现在显示臂上的虚拟视觉对象。移动和显示数据路径的数据流必须适当地关联，使该移动和系统移动的视觉表示能准确地重合。
电子控制器还必须协调第二控制装置的输入。如果第二控制装置与第一控制装置同步操作，则电子控制器必须协调其移动，使医疗设备以根据所执行治疗的方式通过患者身体的治疗区域。电子控制器有必要准确地编译第一控制装置和第二控制装置的移动命令，从而对患者没有危险。如果第二控制装置用与第一控制装置分开的单独时间帧操作，则电子控制器仅需要确保医疗设备位置的命令和控制得到适当控制器的适当控制。类似地，电子控制器必须通过防止医疗设备在患者身体上的未经授权或不适当移动，来确保患者身体的安全。
电子控制器可作为治疗控制器。如果计算机被用作电子控制器，则它可具备执行可用作医疗设备的控制器的预加载软件的能力，或者它可具有诸如PCI总线接口的扩展插槽，该扩展插槽可接受作为治疗控制器操作的一个或多个板。对本发明的电子控制器而言，与医疗设备的治疗控制器有密切电子通信以确保医疗设备和治疗头的移动和物理放置根据治疗实现是有利但并非必需的。
第二控制装置可以是用来提供输入的物理设备，诸如辅助计算机输入设备，或者是切换后提供精细位置控制的第一控制装置。或者，第二控制装置可以是向治疗头内的医疗设备提供预先编程的移动指令的软件程序。类似地，第二控制装置可以是自动添加到第一控制装置移动指令的固定或受限制的可变运动，以向机械臂运动提供摆动或其它稳定的状态变化。
治疗控制器最好在治疗真正开始之前就具有治疗区域的三维图(参见以下小节3.0)。治疗控制器可在实际治疗期间监视扫描头的进展，并将其与要治疗组织的图作比较。治疗的局部进展可通过结合本发明治疗头一起使用的位置跟踪设备来处理。
能量施加器的位置控制和跟踪在程序上是本发明系统能有效去除脂肪组织的一种方法。可在脂肪组织中产生显著的精度，以致于产生所消除组织的创伤或组织坏死。精密度可通过利用各种位置传感器和用于调节能量施加器的位置的控制装置而产生。
治疗头500内能量施加器600的位置可使用与微型马达组合链接的马达编码508、510连接到能量施加器600的执行元件508、520、516的移动量。这是隔离能量施加器的位置的第一步骤。一旦能量施加器600的位置在扫描头500的外壳内为已知，应相对于患者人体确定扫描头500的位置。可使用一系列光学传感器5551、5552来精确测量扫描头在患者皮肤上行进的物理距离。这些光学传感器还可用来确定旋转变化(扫描头绕其基本上与患者皮肤垂直的中心轴旋转的量)，以及角度变化(相对于不在扫描头中心的轴的旋转)。此外，关节式臂杆中的编码器可用来确定扫描头500的位置在三维中的变化。因而，如果扫描头500在人体一侧上移动，则将不会丢失三个位置感测机构。计算机400或治疗控制器250可协调数据，并用高度组织的精确方式跟踪位置和剂量。可任选地，所有数据可使用机载处理器532在机器上跟踪。处理器职责的划分可有助于减轻负载，并加速数据接收和向操作人员输出信号之间的响应时间。
如果出于某些原因扫描头未跟踪上患者皮肤，则跟踪系统允许将扫描头返回到患者皮肤并确保扫描头的适当定向，从而该过程可立即开始，而不会有涉及尝试确定哪些组织已治疗而哪些组织尚未治疗的猜测。重新定位涉及将扫描头置于基准位置，并根据围绕外壳下半部分的法兰(未示出)对齐该扫描头。
确定并跟踪能量施加器的位置的三个设备的任一个的使用允许显示处理要在监视器、LCD或其它设备上显示的当前疗法的组织图或层理图，它们可由用户适当解释从而他或她可确定要将扫描头移到哪里以继续该治疗。便于治疗的指示符可像不同强度的可听音调(一种音调用于在未经治疗区域上移动，而一种音调用于在已治疗区域上移动)一样简单，来指示光线、特别详细的视频显示。显示器可安装在本系统的外部，或结合计算机、治疗控制装置使用，或者是安装在扫描头上、或接近扫描头的较小显示器。
还揭示了使用本发明的方法。首先有用于将能量施加到身体区域的方法。该方法包括第一，向治疗控制器提供治疗方案。第二，响应于治疗控制器产生的引导，手动地在身体表面上用扫描头扫描，同时从扫描头传送能量。第三，监视扫描头的位置以及从中的能量传送以产生位置数据，并将位置数据传送给治疗控制器，以及第四，如果手动位置和/或能量传送落于治疗方案之外，则产生警报。然后将图加载入治疗控制器。其它治疗参数应尽可能地输入到治疗控制器中。这有助于基于虚拟图和其它治疗数据产生治疗方案。
用于产生3D立体组织图的系统还有用于产生相匹配的身体外形和接近体表的皮下组织图的系统(图8)。该还有用于产生相匹配的身体外形和接近体表的皮下组织图的系统(图8)。该系统有三个组件。第一为三维成像装置802，用于产生患者身体的体表图像。第二为组织成像装置850，用于产生患者身体的皮下图像。第三为关联操作设备875，用于使所述体表图像和所述皮下图像的多个标记相匹配。
三维成像装置可以是能够拍摄患者皮肤表面的详细图像映射的高分辨率照相机系统或其它光学照相机。只要照相机系统能准确跟踪感兴趣的患者身体区域的曲率和形状，皮肤的分辨率构件无需是照相机系统的重要组分。立体成像系统可以是3D超声波系统或内插2D超声波成像设备。或者，组织成像设备可以是MRI或X射线设备。最好视觉成像系统和组织成像系统将产生可由计算机处理的电子图像。
关联操作设备可以是通用或专用计算机，或类似的智能逻辑设备。该设备还可以是软件程序。该关联操作处理体表和皮下图像之间多个标记的匹配，以便于产生准确的三维组织图。所使用的标记可以是易于标识的患者的自然标记。然而，标记最好是两个成像设备能检测的多个基准点。一旦图像被捕捉到并电子存储，两个图像的数据就能使用基准点来关联。对两个成像系统而言，没有必要用相同比例尺来捕捉图像，因为该关联操作还可执行缩放作业以确保在关联发生之前一个或两个图像都被调节成所需比例。
一旦图像相关联，就产生新的三维图。新的图具有相匹配的体表形状和接近体表的皮下特征。系统所使用的基准点可具有有助于使图像映射相关联的各个参数。例如，基准可包括上或下的指示符，因而成像系统在捕捉到图像之后可确定基准点的方向。使用具有方向数据的多个基准点，精确地确定由系统产生的第二图像的匹配叠加位置就可能了。基准点最好可由两个图像系统(体表和皮下)检测，但并非是必需的。用户可将一个成像系统而非另一个成像系统可检测的多个基准点放置在患者身体上。只要用户用第二个系统可检测的其它基准点来代替，关联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。不像传统的使用真空插管的皮下脂肪抽吸术，这里没有对患者皮肤的穿刺。脂肪细胞或脂肪组织的消除通过气穴产生的热或机械分裂实现，这两种效果由直接照射、最好由高强度聚焦超声(HIFU)产生。因而在用于减少脂肪组织的非侵入性过程中，没有直接观察多少组织受到影响的方法。在皮下脂肪抽吸术中，主治医生能够观察到去除或消除的脂肪量，但在非侵入性过程中，这种直接观察是不可能的。本发明的用户将不得不依赖诊断超声设备或其它传感器来帮助确定被处理组织的量。
在此所述的多种方法的一个共同方面是估计要处理脂肪组织的区域。使用“捏掐”(pinch)测试的当前技术可提供用于在此所述系统和方法的合理开始地点。捏掐测试由整形外科用来估计脂肪组织的区域。患者P可具有他或她想要去除的局部脂肪组织。医生可通过在患者身上画一系列轮廓线C1、C2、C3、……、Cx(图9A)来估计脂肪组织。
将超声波能量施加在身体区域的方法在一实施例中，本发明的方法提供用于将能量施加在身体区域的方法。该方法具有四个步骤。第一步骤是向治疗控制器提供治疗方案。第二步骤是响应于治疗控制器产生的引导，在身体表面上用扫描头扫描，同时从扫描头传送能量。第三步骤是监视扫描头的位置以及扫描头的能量传送以产生位置数据，并将该位置数据传送给治疗控制器。第四步骤是，如果位置和/或能量传送落于治疗方案之外，则产生警报。
在步骤一，治疗方案被提供给治疗控制器。在此用户标识患者的治疗需求，并根据患者需求选择治疗方案。在去除脂肪组织的较佳应用中，用户将从可能选项列表中选择要去除多少脂肪组织、脂肪去除的步幅、深度、能量流、和所需其它参数。用户可能并不熟悉促成每个治疗方案的技术要素，但将基于所需结果进行选择。诸如选择一方案以去除沿8厘米宽2厘米深12厘米长的脂肪组织。用户能理解的程序变量比机器操作实现结果的方法更符合结果。一旦选定治疗方案，用户就将所需治疗方案输入治疗控制器。该治疗控制器确定将产生所需治疗方案的操作协议。
第二步骤涉及用扫描头扫描患者。扫描头(或治疗头)是有源的，使超声波能量能被传送给患者以去除脂肪组织。该扫描头根据治疗控制器的协议移动。该移动可通过手动装置或自动装置实现。在手动模式中，治疗控制器提供用户跟随的线索。用户响应于这些线索在病人身上移动扫描头。在自动装置中，治疗控制器直接控制一设备或装置，诸如机械臂，以引导扫描头的移动。
第三步骤是监视位置和由扫描头传送的能量。位置和传送信息以与治疗控制器(通过用户或机械臂)所使用协议可比的数据馈入形式传送给治疗控制器。治疗控制器根据该协议持续监视输入数据，以在治疗期间确保患者的安全。
第四步骤是警报。如果位置或能量传送在协议的可接受范围之外，则治疗控制器发出警报。该警报可以是明确的以便用户监视，或者可以是内嵌式切断开关以立即关断扫描头中的任何能量发射器。
步骤一在治疗的开始时选择，但步骤二、三和四持续执行以确保适当的疗法应用于患者。
用于执行脂肪整形治疗的方法在第二实施例中，有一种用于执行脂肪整形治疗的方法。该方法具有以下步骤第一，确定患者对超声波疗法的适应性。第二，标记患者身上要治疗的区域。第三，定位患者以进行超声波治疗。第四，将所标记区域扫描到计算机中。第五，使用治疗计划软件包设置超声波治疗。第六，使用通过治疗计划软件控制的计算机系统激活超声波治疗。第七，使用治疗计划软件记录治疗的进展，以及最后向患者提供所要求的任何其它术后帮助。
本发明的各方法都理想地适于提供塑身治疗的最大程度的安全长期校正，可选择附加治疗和药物疗法使用，同时保持患者的虚拟图以确保治疗是长期有效和安全的。
总之，所揭示的各方法结合到执行脂肪整形术的方法的又一方面，包括以下步骤(a)确定患者对超声波疗法的适应性；(b)标记患者身上要治疗的区域；(c)定位患者以进行超声波治疗；(d)将所标记区域扫描到计算机中(e)使用治疗计划软件包设置超声波治疗；(f)使用通过治疗计划软件控制的计算机系统激活超声波治疗；(g)使用治疗计划软件记录治疗的进展；以及(h)向患者提供所要求的任何其它术后帮助。
以下示例示出所述方法。
示例I步骤1患者造访进行初次咨询，像传统的脂肪整形一样。如果患者决定继续治疗，则可提供可具体配制以在治疗期间或之后提供一些好处的膳食补充、药物、专用奶油等。示例包括在治疗前服用的菠罗蛋白酶和五羟黄酮、以及治疗后服用的山金车(Arnica Montana)，以促进康复并减少肿胀。
步骤2在治疗当天，医生用对传统脂肪整形患者所做的相似方式标记患者。标记笔中的墨水可包含附加试剂(例如紫外线墨水)以增强通过传感器对皮肤上墨水的可检测性。这对深色皮肤特别有用。
步骤3患者定位作治疗。患者在治疗期间应在同一位置。在大多数情形中，对躺在床上的患者进行治疗，因而该术前步骤对卧姿患者进行。患者的脂肪厚度可用例如超声波在要治疗区域上画出。诊断超声波系统可与从脂肪与下层肌肉之间的边界上检测到强反射的图像分析系统组合，并记录该厚度以及位置信息。该位置信息出自附于超声波换能器的位置感测设备。因为仅需要深度信息，诊断超声波单元可用更简单的脉冲回波一列式系统代替。参考标记可在患者身体上绘制，或用诸如贴纸的另一方式标记，以提供用于位置感测系统的参考位置。该脂肪厚度映射或其子集可存储，作为下次患者就医时的参考以例如在视觉上展示所实现的真实效果。
步骤4治疗前身体标记也使用上述的位置感测系统扫描到计算机中。这可通过跟踪用与定位系统耦合的电子笔画下的标记，或通过结合定位系统对标记的光学检测来实现。理想地，该扫描到计算机中的标记图可被引用到如上所述获取的脂肪厚度图。在全部情形中定位系统通常记录三～六个自由度(即x、y、z、纵摇、平摇、横摇)。
步骤5现在专业人员与计算机上提供的治疗计划软件交互，访问如上获取的标记和厚度数据。我们期望我们能局部地控制治疗的美观效果，例如通过改变治疗的深度、时间或密度来影响或多或少的组织。治疗计划软件的点是将这些系统变量与要实现的期望整体美观效果相连。例如，专业人员可判断在中心区域脂肪应减少2厘米，在外围区域则逐渐变小为减少1厘米，在该区域外则“羽化”(减少)为0。专业人员通过标识所绘轮廓的视觉表示上的期望效果、以及可任选的脂肪厚度来进行。所绘轮廓和标记可在治疗计划软件中编辑或更改。用户例如可通过用鼠标在相应治疗前标记内点击来标识2厘米区域、或在触摸屏上指出它、并键入或从菜单中选择该区域对应于2厘米厚度。如果轮廓需要更改，则它们可通过通常在类似Adobe Illustrator的绘图软件中发现的方法来通过软件更改。例如，如果所绘轮廓的贝塞尔表示由软件保存，则可提供贝塞尔“句柄”、“控制点”或“结”用于绘图软件中典型的用户交互和更改。1厘米区域用相似方法标识。转换区域可通过简单选择2厘米轮廓的一侧或两侧渐变到1厘米的固定距离、以及从1厘米转换到0的固定距离来标识。转换距离是可变的，且实际上可用定点设备绘制到计算机中，或可通过扫描到计算机中并标识为转换区域的术前标记表示到计划软件中。用户还可通知治疗控制器在转换区域中期望什么效果，例如线性下降或一些其它曲线形状，以及应使用系统变量(例如深度、功率、时间、密度)的什么组合来实现效果。深度、转换区域、受影响变量等可用不同色彩或不同标记在视觉上显示，以便于识别。当编辑和识别过程完成时，计算机计算达到所期望美观效果的涉及所有相关系统变量的治疗方案。
步骤6在实际治疗的过程期间，包含高强度超声波换能器的治疗头与上述定位系统相连，允许系统计算机将治疗头的当前位置与治疗方案的计算机表示相关。然后计算机控制治疗变量以实现期望的美观效果。在以上示例中，当治疗头移过2厘米区域时，适当的功率、脉冲周期等都施加到治疗头上以实现2厘米的受影响组织。当治疗头通过转换区域移到1厘米区域时，可减小功率和周期以便于影响组织的变化厚度直到达到1厘米效果。类似地，该“羽化”效果在治疗头于1厘米区域外移动时实现，且如果治疗头在治疗区域外，换能器不被允许引发。整个治疗方案和记录可被存储，以便将来参考。
步骤7在治疗后，与常规的脂肪整形术一样，患者被要求在治疗区域上穿戴保护服，并可服用其它药物或营养补充以促进恢复或减轻不适感。
使用HIFU去除脂肪组织的方法在第三实施例中，有使用治疗超声波去除患者的脂肪组织的方法。该方法具有以下步骤第一，确定患者身上脂肪组织的一个或多个位置。第二步骤是定位患者，使得脂肪组织相对均匀地分布(最好正面朝上)，且第三步骤，用治疗超声波换能器来照射患者脂肪组织的位置。
用该方法，首先必须确定要治疗的脂肪组织区域的位置和大小。这可通过像“捏掐”或“夹紧”(clamp)测试的常规方法来进行，或者它可通过使用诸如诊断超声波系统的医疗扫描仪、或前述三维立体映射设备来确定。所以，尽管医生可轻松地依赖于他或她使用捏掐测试的技术，但脂肪组织的边界和深度必须尽可能准确地进行估计。因而，需要某些类型的成像扫描仪。一旦确定了组织的体积和深度，就可用外科手术笔或其它设备来标记皮肤，所以用户将能够清晰地标识要治疗的区域。
然后患者用将促使照射步骤成功的方式定向。在此患者用一方式定向在床上或椅子上，从而要处理的脂肪组织尽可能地正面朝上。这使脂肪组织能安放成围绕中心相对均匀地分布，以使要治疗的组织深度最好是对称的。
最后治疗脂肪组织区域。脂肪组织体积用治疗超声波换能器进行治疗。如果在步骤2组织层已均匀和一致地安放，则治疗可均匀地施行。
创建三维身体图的方法还描述创建三维身体图的方法。创建具有脂肪组织体积的位置的3D身体图的方法具有以下步骤第一，使用3D成像系统产生身体的3D图像。第二，将身体的3D图像输入成计算机可读格式。第三，用3D映射软件应用程序创建身体的3D身体图，以及第四，用与3D映射软件程序电子通信的诊断超声波设备扫描身体，使诊断超声波设备所检测的脂肪组织区域被适当地放置在3D身体图中。
该第一方法的细节如下。3D成像系统包括拍摄患者快照的多个照相机。快照涉及同时拍摄图片的所有3D成像系统的照相机。因而，视觉图像可从所有侧面捕捉整个身体。为此，患者可能必须脱掉衣服，并裸体或半裸体地站立在成像系统的焦点处。成像系统与用来拍摄从全部角度同时显示汽车的汽车广告的成像系统相似。来自3D照相机系统的图像被叠加并适当调节，从而产生人体的单一综合图。所使用的成像系统是高度准确的，并可转换成机器可读形式。
3D成像系统中的照相机可拍摄正常胶卷图像或数字图像。然而不管所拍摄的图像类型是什么，图像必须被适当叠加而产生单个人体图像。然后图像被转换成人体的3D身体外形图并存储在计算机中。该过程依赖于3D图像捕捉系统的准确度来准确地重构人体图像。然后软件必须将图像适当地转换成身体外形图。一旦产生人体的身体外形图，可存储该数据用作后来的检索。该第一图像是患者的术前3D图。
一旦已绘制了术前图，患者就进行诊断超声波扫描。该扫描可像一列式或b模式扫描一样简单，以确定给定区域中的脂肪密度和深度。然而，较佳模式是高分辨率的成像系统，从而可看见和记录脂肪层的细节。诊断成像系统与计算机、软件和术前图进行电子通信。通过使用位置定位传感器或精确定位控制器，诊断扫描相对于身体的位置和方向被记录并添加在术前图上。这允许医生产生患者脂肪沉积的体积图。相叠加的成像使患者和医生都能看到什么区域可用于治疗(侵入式或非侵入式)、并通过采样要去除的一定量的脂肪并查看患者看起来将像什么而把玩各模型。这涉及使用术前模型为基准产生抽象模型，以及对术前模型的任何投射改变来查看最终结果。
使用3D身体图的方法在另一实施例中，有使用3D身体图塑身的方法。该方法具有以下步骤第一，分析3D身体图，得出要去除的脂肪组织体积。第二步骤是确定使用塑身治疗可安全去除的脂肪组织的体积。第三步骤是减去要去除的脂肪组织体积以产生第二3D身体图，其中医生和患者可比较第一3D身体图和任何数量的第二3D身体图，以选择要执行的塑身治疗的期望量。
在该方法中，第一身体图使用在此揭示的抽象系统产生。该第一身体图表示在开始任何治疗之前患者的起始点。治疗控制器可用来创建显示去除脂肪组织体积后的身体轮廓的第二图。通过用该方法使用治疗控制器，患者可能看到用多类治疗方法得到的可能最终治疗结果。因而，患者和医生可基于患者的3D身体图得到一个或多个治疗后患者看起来如何的估计。该信息可由医生和患者用来指导治疗，并确定为期望目标的安全治疗次数，或确定对于某些次数的治疗可去除脂肪组织的最大量。
其它去除脂肪组织的方法在用于去除脂肪组织的另一实施例中，有一种用于去除脂肪组织的方法，具有以下步骤首先，确定要治疗组织的体积和区域；其次，以持续模式使用扫过组织区域的脉冲波HIFU换能器来治疗该体积。
手术时，确定脂肪组织的呈现和位置的步骤可与前述的并使用具有计算机的3D抽象系统来创建术前模型的方法极为相似。然而，当前脂肪整形的治疗提供了通过在患者皮肤上使用标记来快速确定脂肪组织区域的一方面。用该方式医生使用他或她自己的经验和实际训练，能够标识患者需要手术的“问题”区域。医生使用标记来划出皮肤区域，表示脂肪组织的区域。一旦这得到了执行，则患者可如上进入创建3D术前模型的过程，但是照相机具有能够检测皮肤上的已标记区域并将其结合到3D身体外形图的优点。标记中所使用的墨水可包含允许照相机在特定情形下查看它的特定染料或颜料。例如，使用在特定光线下可见的荧光染料。
定位患者与前述治疗相似地进行。然后患者用高强度聚焦超声(HIFU)设备治疗，以去除选定的脂肪组织区域。HIFU设备被特别设计成结合在上述超声波诊断步骤中使用的精确定位传感器或定位机构。用该方式，超声波治疗的方向和位置为已知，且可添加到患者的术前图上。如果高强度聚焦超声器件也附于成像系统，则可记录其它细节，从而HIFU换能器的每个脉冲或发送可被实时记录并添加到术前图上。用该方式，治疗的照射步骤可安全和精确地执行，因为计算机可记录每个治疗位置。
通过使用在记录HIFU治疗的计算机和HIFU换能器之间的反馈通信回路可实现增强式安全特征，因为计算机可防止HIFU换能器引发到已治疗的区域，或者通过确保创伤之间有一些最小量级的间隙。该间隙可以是三维几何形状的创伤、或时间上更复杂的间隙。当患者可进行多次治疗时，系统记录先前HIFU创伤的位置，并防止同体积的照射直到已过了足够长的时间间隔。3D几何形状和创伤时间序列的组合，以及结合HIFU治疗的强度、大小和持续时间的其它参数也可由计算机系统控制。
当照射治疗完成时，患者可使用诊断成像设备来重新扫描，以确定按计划治疗成功的延续。从术后评估中，医生可计划并安排附加治疗，或更改已计划附加治疗的时间表以安全有效的方式迎合患者的需要。
取决于对患者执行的治治疗度，患者可辅以药物，或用保护服帮助身体的复原或塑身。
示例II去除脂肪组织的方法涉及以同步扫描和脉冲波转换法使用前述治疗头。用该方法，患者如前所述进行准备。绘制一组轮廓线来标识对应于要治疗组织体的区域(图9A)。线或网格块可叠加在轮廓线上(图9B)。治疗头被用来扫描组织区域，以证实有足够深度的脂肪组织(图9C)。一旦完成，就开始治疗。
通过使用脉冲波模式的治疗换能器，以3～50毫米/秒的速度在治疗块上移动扫描头来进行治疗。机械臂可移动换能器，或者用户可用跟踪每一次扫描移动的距离的仪器来移动治疗头。
微定位系统还可用于治疗头中，以掠过治疗头的移动线。这允许治疗更大的区域，随后允许更大体积。这容许坏死组织的体积得以增大，减少治疗该组织体积所需的时间，并使非侵入性治疗在时间上更接近侵入性治疗。
在用于去除脂肪组织的另一方法中，执行三个一般步骤。第一步骤是确定要治疗的组织的体积和区域。第二是治疗该体积和区域的组织，以及最后确定治疗该体积和区域的有效性。
第一步骤涉及确定要治疗组织的体积和区域。当前整形外科依赖于他们多年的经验来确定患者可能具有的脂肪组织。触诊使医生能在要用脂肪整形术去除的脂肪组织区域周围建立轮廓线。该相同方法可用作医生建立轮廓线的起始点。脂肪组织在轮廓线下的深度需要使用超声波扫描来校验。
一旦建立了轮廓线，患者就必须定向成使要治疗的轮廓线能以组织可由治疗头接近的方式放置。治疗头需要具有较宽的移动范围，但患者的方向是重要的，因为治疗头可采用的许多方向对仪器用户或要治疗的患者而言既不舒服也不实用。一般而言，方向应当是脂肪组织的表面区域正面朝上并且通常是平坦的。这允许脂肪组织“安放”成不会过度集中于某一侧的稳定体积，与患者休息时以组织不规则地安放的方式呈现要治疗的体积和表面相反。组织深度和体积中的规律性将有助于用户进行更均衡和有效的治疗。
在用有益于用户、治疗头和患者舒适的方式定向患者之后，治疗头用诊断扫描模式在轮廓线区域中使用。要校验脂肪组织深度需要对患者扫描，以向系统和用户提供准确的信息，使治疗头不会去除不应当去除的脂肪组织。简言之，在治疗开始之前有必要校验在轮廓线区域内有足够深度的脂肪组织。如果发现脂肪组织深度不足，则必须重画轮廓线以符合安全标准。
假设脂肪组织深度和体积足以启动治疗过程，则用户可在患者身体上开始标记治疗区域网格。期望治疗区域网格至少与轮廓线所包围的区域一样大，并可能延伸到轮廓线之外。治疗区域网格可用手术标记笔、具有模板或样板的墨水滚筒或喷雾器在患者身上作标记。其它产生治疗区域网格的方式也是可能的。
在已确认组织体积并已安置治疗区域网格之后，用户可使用主接口将患者数据和期望治疗参数输入治疗设备。各个参数可被输入到设备中，并且用户可得到所需或期望的任何信息。一旦机器已适当编程，就完成确定要治疗组织的体积和区域的主要步骤，且用户可继续到实际治疗该体积和区域的组织的第二主要步骤。
首先用户将治疗头置于患者身体上，并与治疗区域网格对齐。如果治疗头在其上具有可与治疗区域网格对齐的基准标记，则也应与基准对齐。这使得治疗头能准确定位以作治疗。如果有易于标识的图案，诸如治疗区域网格中象角落或其它位置的显著起始位置，则用户可从那里开始。此外，治疗控制器或主接口可具有用于确定已治疗了那些区域的跟踪系统，因而用户无需跟踪该信息。
接着，用户标识要用治疗头扫描的治疗区域。这将是第一扫描区域，并且可有像扫描头的足印(覆盖面积)能安放轮廓线区域的次数一样多的扫描区域。当治疗头到位时，诊断扫描仪可再次运行以校验足够的组织深度。诊断扫描可与治疗扫描仪交织地运行，或仅在治疗块开始时运行。
治疗框是治疗头下要治疗的区域。HIFU换能器根据来自治疗控制器的参数运行。换能器或通过微型定位系统移动来机械地扫描该框的区域，或者使用电气操纵的HIFU换能器(诸如相位阵列)来电子地移动焦点区域。创伤的深度、密度和大小可受换能器的扫描速度影响(焦点多快地电子或机械地移过该组织)。改变强度、PRF或叠加治疗行也会影响创伤的大小和形状。通过调整一个或多个这些参数，就有可能产生大或小、深或浅的创伤，并允许用户在坏死程度上进行一定程度的控制。因而用户可减少坏死量并产生羽化效果，从而当治疗头接近脂肪组织的边界时，组织坏死的体积得到减少。这允许期望的组织治疗而没有损坏非脂肪组织的风险。它还允许用户扩大深层脂肪组织区域中的坏死区域，以产生更大区域的坏死，从而产生期望结果。
创伤羽化和均匀治疗值—在轮廓线之间，治疗密度随着羽化治疗作用从均匀的治疗值而改变。
尽管本发明易于作各种更改并可具有多种可选形式，但其特定示例已在附图中示出并在此作了详细描述。然而，应当理解，本发明并不限于所揭示的特定形式和方法，而是相反本发明涵盖落于所附权利要求书范围内的所有更改、等效体和可选方案。
权利要求
1.一种用于向身体区域施加能量的系统，所述系统包括包括能量施加器的扫描头；用于将扫描头悬置于空间的装置；以及与扫描头和悬置装置相连的治疗控制器，所述治疗控制器适于监视扫描头的位置和能量传送，同时提供对定位所述扫描头的引导。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述悬置装置还包括用于跟踪所述扫描头的空间位置的装置。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用于将扫描头悬置于空间的装置允许手动地在空间重新定位所述扫描头。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用于将扫描头悬置于空间的装置包括能够响应于输入指示重新定位所述扫描头的机械臂。
5.如权利要求1所述的系统，还包括与所述扫描头相连的治疗控制器，以监视所述扫描头的位置、并基于所述扫描头的手动定位确定治疗区域，所述治疗控制器适于从用户处接收其它治疗信息。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述治疗控制器与控制器物理地分开，并适合基于所确定的治疗区域和其它治疗信息产生治疗方案。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述治疗控制器还适合将所述治疗方案传送给控制器。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量施加器包括至少一个振动换能器。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述能量施加器可定位地安装在扫描头内。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述扫描头包括与治疗控制器相连的伺服控制的能量施加器安装系统，从而所述治疗控制器可调节扫描头内能量施加器的位置。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描头包括与所述治疗控制器电子通信的导航显示器，从而所述治疗控制器可向用户显示引导信息。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述导航显示器包括视频屏幕、LED矩阵、分立的发光元件、以及与所述治疗控制器的通信装置。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述导航显示器安装在所述扫描头上。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述悬置装置包括关节式臂杆。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述关节式臂杆安装在独立基座上。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述关节式臂杆包括用于提供所述扫描头位置的跟踪的数字编码器。
17.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用于将扫描头悬置于空间的装置是一机械臂。
18.一种用于产生相匹配的身体外形和接近体表的皮下组织图的系统，所述系统包括用于产生患者身体的体表图像的三维成像装置；用于产生所述患者身体的皮下图像的组织成像装置；以及用于使所述体表图像和所述皮下图像的多个标记相匹配的相关手术设备。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述相关手术设备还包括与所述三维成像装置和所述组织成像装置电子通信的计算机。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述三维成像装置是一个或多个光学照相机。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述光学照相机是高分辨率照相机。
22.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述光学照相机提供数字图像输出。
23.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述组织成像装置是一MRI设备。
24.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述组织成像装置是一超声波设备。
25.一种用于定位医疗设备的系统，所述系统包括机械臂；用于控制机械臂的第一控制装置；在治疗头内移动定位的医疗设备，所述治疗头与机械臂相连；用于控制医疗设备在治疗头内的移动的第二控制装置；以及与机械臂、第一控制装置、医疗设备和第二控制装置电子通信并用于协同手术的电子控制器。
26.一种用于定位医疗设备的系统，所述系统包括机械臂；用于控制机械臂的控制装置；固定定位于治疗头内的医疗设备，所述治疗头与机械臂相连；以及用于翻译从所述控制装置接收的移动指令、并用于将所述移动指令中继给所述机械臂的电子控制器。
27.一种用于引导能量发射器在患者身体上移动的装置，所述装置包括具有至少一个能量发射器的可移动治疗头；导环；以及用于跟随导环移动并使治疗头基本上位于导环中央的跟踪系统。
28.一种用于定位医疗设备的系统，所述系统包括负载平衡臂；在治疗头内移动定位的医疗设备，所述治疗头与负载平衡臂相连；以及用于控制医疗设备在治疗头内的移动的装置。
29.一种将能量施加到一身体区域的方法，所述方法包括向治疗控制器提供治疗方案；响应于治疗控制器所产生的引导，在身体表面上扫描扫描头，同时能量从所述扫描头传送；监视扫描头的位置和能量传送，以产生位置数据并将所述位置数据传送给治疗控制器；以及如果位置和/或能量传送落于治疗方案之外，则产生警报。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，提供所述治疗方案包括在能量传送之前用扫描头手动地在身体区域上扫描，以产生要治疗区域的体积图，其中所述图被提供给治疗计划程序。
31.如权利要求29所述的方法，其特征在于，提供所述治疗方案还包括将其它治疗参数输入到治疗计划程序中，以基于体积图和多个其它治疗数据产生治疗方案。
32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述治疗方案在发送能量数据之前被电子传送给治疗控制器，并包括有关能量传送位置和能量剂量的信息。
33.如权利要求28所述的方法，其特征在于，手动扫描响应于所述扫描头提供的引导信息来执行。
34.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述引导信息包括视觉信息和可听信息的至少之一。
35.如权利要求28所述的方法，还包括响应于治疗计划程序因响应扫描头的受监视位置而产生的数据，自动地定位扫描头内的能量施加器，以补偿受监视定位相对于治疗方案的误差。
36.如权利要求34所述的方法，其特征在于，所述扫描头增量式地在连续的治疗位置上前进，其中当所述扫描头在每个位置上时重新定位所述能量施加。
37.如权利要求28所述的方法，其特征在于，产生警报包括产生可听信号、产生可视信号、减少能量传送、关闭系统、或切断扫描头电源的至少之一。
38.一种执行脂肪治疗疗程的方法，包括以下步骤(a)确定人对治疗用超声治疗的适应性；(b)标记人身上要治疗的区域；(c)为治疗用超声治疗而定位患者；(d)将已标记区域扫描到计算机中；(e)使用治疗计划软件包设置治疗用超声治疗步骤；(f)使用通过治疗计划软件控制的计算机系统激活治疗用超声治疗步骤；(g)使用治疗计划软件记录治疗的进度；以及(h)向所述患者提供可能需要的任何附加治疗后辅助。
39.一种使用治疗用超声波破坏患者的脂肪组织的方法，包括以下步骤(a)确定患者脂肪组织的一个或多个位置；(b)定位患者使所述脂肪组织被安置为相对均匀地分布；(c)用治疗超声换能器照射患者脂肪组织的位置。
40.如权利要求38所述的方法，其特征在于，确定患者脂肪组织的一个或多个位置的步骤(步骤(a))包括以下步骤(a1)用标记笔划出皮肤区域的轮廓，所述轮廓符合脂肪组织的估计边界区域；以及(a2)通过执行成像超声波扫描校验脂肪组织的存在。
41.如权利要求39所述的方法，还包括以下步骤(a3)在计算机中记录所述脂肪组织体积的位置。
42.如权利要求39所述的方法，其特征在于，步骤(a1)的标记笔还包括能够由电子传感器检测的特定墨水。
43.如权利要求38所述的方法，还包括以下步骤(d)在步骤(c)后估计脂肪组织的一个或多个位置。
44.如权利要求38所述的方法，其特征在于，确定患者脂肪组织的一个或多个位置(步骤(a))由3D成像系统执行。
45.一种产生具有脂肪组织体积的位置的3D身体示图的方法，包括以下步骤(a)使用3D成像系统产生身体的3D图像；(b)将身体的3D图像输入成计算机可读格式；(c)用3D绘图软件应用程序产生身体的3D身体示图；以及(d)用与3D绘图软件应用程序电子通信的诊断超声设备扫描身体，使得由诊断超声设备检测的脂肪组织区域被适当地置于3D身体示图中。
46.如权利要求44所述的方法，其特征在于，产生身体的3D图像的步骤还包括以下步骤(a)使用多个照相机将身体定位在3D图像捕捉设备内；(b)使用来自3D图像捕捉设备的组合图片来构建3D图像。
47.一种使用3D身体示图塑身的方法，包括以下步骤(a)分析3D身体示图以得出要去除的脂肪组织体积；(b)确定可使用塑身术安全去除的脂肪组织量；(c)扣除在步骤(b)中要去除的脂肪组织体积以产生第二3D身体示图；其中医生和患者可比较第一3D身体示图和任意多个第二3D身体示图，以选择要进行塑身术的所需量。
48.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述塑身术是皮下脂肪抽吸术。
49.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述塑身术是治疗用超声波手术。
50.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述塑身术是药物疗法。
51.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述塑身术是皮下脂肪抽吸术、治疗用超声波手术或药物疗法的一种或多种的组合。
52.一种用于去除脂肪组织的方法，包括以下步骤(A)确定要处理的组织的体积和区域；以及(B)用以连续运动扫过所述组织区域的脉冲波PWHIFU换能器处理所述体积。
53.如权利要求51所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包括以下步骤(A1)通过在患者身体上建立一条或多条轮廓线来勾划出治疗区域；(A2)将所述治疗区域定向成所述脂肪组织体积具有基本对称的组织深度；(A3)扫描所述治疗区域以校验脂肪组织深度；以及(A4)在所述治疗区域上标记治疗区域网格。
54.如权利要求52所述的方法，其特征在于，在患者身上标记治疗区域网格的步骤用手术标记笔实现。
55.如权利要求52所述的方法，其特征在于，在患者身上标记治疗区域网格的步骤用油墨滚筒实现。
56.如权利要求52所述的方法，其特征在于，在患者身上标记治疗区域网格的步骤用墨水喷雾器和丝网模板实现。
57.如权利要求51所述的用于去除脂肪组织的方法，其特征在于，步骤(B)还包括(B1)将治疗头置于患者身体上，并与治疗区域网格对齐；(B2)标识要用治疗头扫描的治疗区域；(B3)选择多个治疗参数；(B4)校验组织深度和连接；以及(B5)当所述换能器激活时，使用线性移动的脉冲波HIFU换能器施加治疗用超声波。
58.如权利要求56所述的方法，还包括以下步骤(B6)记忆所有先前的治疗位置。
59.如权利要求56所述的方法，还包括以下步骤(B7)按需重复步骤B1-B6任意次。
60.一种使用负载平衡臂定位超声治疗头的空间位置的方法，所述治疗头包括用于悬置在治疗头内的能量施加器的运动控制器，所述方法包括以下步骤(A)将力施加在治疗头上；以及(B)向所述运动控制器提供电子引导。
61.如权利要求59所述的方法，其特征在于，步骤(A)中施加的力小于所述治疗头的重量。
62.如权利要求59所述的方法，其特征在于，步骤(A)中施加的力为人力。
63.如权利要求59所述的方法，其特征在于，步骤(A)中施加的力为机械力。
64.如权利要求59所述的方法，其特征在于，步骤(B)中的电子引导是从计算机输入设备中接收的。
65.如权利要求59所述的方法，其特征在于，步骤(B)中的电子引导是从治疗控制器中接收的。
全文摘要
描述了一种使用诸如HIFU换能器的能量施加器来去除脂肪组织的系统和方法。该系统具有包含能量施加器的扫描头、用于承载扫描头质量的机械臂、以及用于控制扫描头的操作的诸如计算机的治疗控制器。治疗控制器可以是通用计算机的一部分，并可用作机器人控制器来自动进行治疗。方法还包括以快速、非侵入方式去除脂肪组织。
文档编号A61B5/05GK1984601SQ200480035622
公开日2007年6月20日 申请日期2004年12月29日 优先权日2003年12月30日
发明者J·U·奎斯特盖德, T·艾特切尔司, G·P·达林顿, C·S·戴斯雷茨 申请人:利普索尼克斯股份有限公司