Bahnbrechende Lasertechnologie ermöglicht eine tiefere und effizientere Knochenchirurgie

Laser schneiden präzise und berührungslos – ideal für die Chirurgie. Das Problem besteht darin, dass sie in hartem Gewebe wie Knochen zu langsam sind und nicht tief genug schneiden. Forscher der Universität Basel haben nun eine Möglichkeit aufgezeigt, mit einem chirurgischen Laser deutlich tiefer und schneller zu schneiden als mit bisherigen Lasersystemen.

Säge, Meißel und Bohrer sind bewährte Werkzeuge in der Knochenchirurgie. Zukünftig könnten Laser diesen Werkzeugkasten ergänzen, insbesondere wenn es um sehr präzise Schnitte geht. Da Laser keinen mechanischen Druck ausüben, können sie das Risiko von Mikrorissen verringern und speziellere Schnitte ermöglichen. Dies würde beispielsweise das Einsetzen von Gelenkimplantaten, auch individuell angefertigten, 3D-gedruckten Implantaten, erleichtern.

Laser werden bereits für Weichgewebe eingesetzt. Bei Knochen waren Schnitte bisher jedoch nur bis zu einer Tiefe von 2 bis 3 Zentimetern möglich, viel zu flach für beispielsweise Gelenkimplantate. Ein Grund für die unzureichende Schneidleistung ist die Form des Laserstrahls.

Forscher um Dr. Ferda Canbaz vom Departement Biomedizinische Technik der Universität Basel berichten nun in der Fachzeitschrift von einem Durchbruch Wissenschaftliche Berichte: Schnitte bis zu einer Tiefe von 4,5 Zentimetern erreichten sie durch ein anderes Profil des Laserstrahls, also eine andere Verteilung der Energie im Strahl. Dadurch konnten sie das Knochenmaterial effizienter und schneller entfernen.

Gleichmäßigere Energieverteilung

Eine Erhöhung der Energie des Laserstrahls wäre keine gute Lösung. Dies könnte den Knochen verkohlen und den Heilungsprozess negativ beeinflussen. Deshalb haben wir die Form des Lasers bzw. sein Profil verändert.“

Dr. Ferda Canbaz, Departement Biomedizinische Technik, Universität Basel

Beim üblichen Profil ist der Balken in der Mitte am stärksten und wird zum Rand hin schwächer. Dies ähnelt dem Strahl einer Taschenlampe, der in der Mitte am hellsten ist und nach außen verläuft. Die Intensität ähnelt einer Gaußschen Kurve mit einer abgerundeten Spitze in der Mitte. Beim neuen Profil ist die Spitze mit einer Kappe versehen, wodurch die Energie des Laserstrahls gleichmäßiger über die gesamte Oberfläche verteilt werden kann, bevor sie an der Kante abrupt abfällt, daher der Name „Zylinderhut“. „Da die Energie gleichmäßiger übertragen wird, schneidet der Laser effizienter und schneller“, sagt Doktorand und Erstautor Mingyi Liu.

Das Team testete die beiden Laserprofile an Rinderknochen. Der Knochen wurde mit Druckluft und Wasser gereinigt und gekühlt, um Hitzeschäden zu vermeiden und den Schnitt frei zu halten. Die Versuche ergaben, dass der Laser mit der üblichen Gauß-Verteilung nur etwa 2,6 Zentimeter tief schnitt, derjenige mit dem neuen Top-Hat-Profil erreichte jedoch eine Tiefe von 4,4 Zentimetern.

Effizienz auch in der Tiefe

„Ein entscheidender Faktor für die Schneideffizienz ist die Tatsache, dass beim herkömmlichen Laserprofil die Wände des Schnitts einen Teil der Energie absorbieren. Ab einer bestimmten Tiefe reicht die Energie am Boden des Schnitts nicht aus, um noch tiefer zu schneiden.“

Das Zylinderprofil überwindet dieses Problem, da die Energie im Strahl anders verteilt wird und somit nicht von den Wänden des Schnitts verbraucht wird.“

Große Fortschritte bei der Schnitttiefe

Die Forscher arbeiten nun daran, die Schnitttiefe und Geschwindigkeit ihres Lasers weiter zu optimieren. Die Laserklinge ist immer noch deutlich langsamer als eine Metallklinge: In einer Sekunde kann sie etwa 0,4 Kubikmillimeter abtragen, während eine mechanische Säge mit 11 Kubikmillimetern mehr als 20 Mal so viel abtrennt. Das bedeutet, dass der Laser zwar noch zu langsam ist, sich aber erstmals der erforderlichen Tiefe nähert.

„In den nächsten Schritten müssen wir auch untersuchen, wie wir das System an die komplexere Situation im Körper anpassen können. Dabei geht es auch um den Schutz des umliegenden Gewebes“, erklärt Canbaz.

Die Arbeit des Forschungsteams ist Teil des Projekts „Miracle“, das innovative Technologien für die Knochenchirurgie entwickelt und von der Werner Siemens Stiftung gefördert wird. Die Entwicklungen sind Teil des ersten Schritts des Innosuisse-Projekts „Laser-Blade“, einer Zusammenarbeit mit dem Medizintechnikunternehmen Smith&Nephew.

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