Laser w chirurgii nie jest nowością. Od lat wykorzystuje się go do cięcia i koagulacji tkanek miękkich. Kość pozostawała jednak wyzwaniem. Dotychczasowe systemy pozwalały na nacięcia o głębokości zaledwie 2-3 cm. To za mało, by wykonywać typowe zabiegi ortopedyczne, takie jak przygotowanie loży pod endoprotezę stawu. Intuicyjnie można by sądzić, że rozwiązaniem jest zwiększenie mocy. Zespół z Uniwersytetu w Bazylei poszedł jednak inną drogą.

- Zwiększanie energii wiązki nie byłoby dobrym rozwiązaniem. Mogłoby to prowadzić do zwęglenia kości i negatywnie wpłynąć na proces gojenia. Dlatego zmieniliśmy nie moc, lecz kształt wiązki, a dokładniej jej profil energetyczny - wyjaśnia dr Ferda Canbaz z Wydziału Inżynierii Biomedycznej Uniwersytetu w Bazylei.

Zmiana wiązki lasera

Standardowo wiązka ma tzw. profil Gaussa - energia jest największa w centrum i stopniowo maleje ku brzegom. W praktyce oznacza to, że ściany powstającego nacięcia pochłaniają część energii. Im głębsze cięcie, tym mniej mocy dociera do jego dna. W pewnym momencie proces ablacji po prostu się zatrzymuje. Badacze zastosowali inny rozkład, tzw. profil top hat. W tym przypadku energia jest rozłożona równomiernie na całej średnicy wiązki, a dopiero na krawędzi gwałtownie spada.

- Ponieważ energia przekazywana jest bardziej równomiernie, laser tnie wydajniej i szybciej - tłumaczy doktorant Mingyi Liu, pierwszy autor publikacji.

Nową metodę przetestowano na oczyszczonych kościach bydlęcych. Podczas cięcia materiał był chłodzony sprężonym powietrzem i wodą, aby zapobiec przegrzaniu i uszkodzeniom termicznym. Przy klasycznym profilu Gaussa uzyskano nacięcia o głębokości ok. 2,6 cm. W przypadku profilu top hat głębokość sięgnęła 4,4-4,5 cm.

- W konwencjonalnym profilu ściany nacięcia pochłaniają część energii. Na pewnej głębokości ilość energii docierającej do dna jest już niewystarczająca, by usuwać kolejne warstwy kości. Profil top hat omija ten problem, ponieważ energia nie jest "zużywana" przez ściany w taki sam sposób - wyjaśnia dr Ferda Canbaz.

Precyzja bez nacisku, ale z ograniczeniami

Laserowe cięcie ma jedną przewagę nad narzędziami mechanicznymi: brak kontaktu. Piła czy wiertło wywierają nacisk, generują wibracje i mogą powodować mikropęknięcia. Laser usuwa materiał poprzez ablację - bez mechanicznego obciążania tkanki. To szczególnie istotne w kontekście rosnącej popularności implantów personalizowanych, wytwarzanych w drukarce 3D.

Mimo spektakularnej poprawy głębokości, technologia ma swoje ograniczenia. Obecny system usuwa ok. 0,4 mm sześciennego kości na sekundę. Dla porównania mechaniczna piła chirurgiczna usuwa ok. 11 mm sześciennych w tym samym czasie - ponad 20 razy więcej. Zespół pracuje nad zwiększeniem zarówno prędkości, jak i efektywności procesu.

Badania, opisane w Nature, są częścią projektu MIRACLE II, finansowanego przez Werner Siemens Foundation. Program koncentruje się na rozwoju innowacyjnych technologii dla chirurgii kostnej, w tym systemów zrobotyzowanych i komputerowo wspomaganego planowania zabiegów. Równolegle realizowany jest projekt Laser-Blade. Celem nie jest jedynie stworzenie "laserowej piły", lecz całego ekosystemu: od planowania 3D, przez prowadzenie robota chirurgicznego, po precyzyjne, bezkontaktowe cięcie.

Czytaj także:

Przeszczep twarzy po eutanazji. Historyczna operacja w Barcelonie

Inteligentne leki nadchodzą. Nowy sposób sterowania receptorami