Udskiftning af knoglesave med smarte lasere

Brug af lasere frem for skalpeller og save har mange fordele ved kirurgi. Alligevel bruges de kun i enkeltstående tilfælde. Men det kan være ved at ændre sig:lasersystemer bliver hele tiden smartere og bedre, som et forskerhold fra universitetet i Basel viser.

Allerede tilbage i 1957, da Gordon Gould opfandt udtrykket "laser" (en forkortelse for "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"), forestillede han sig allerede mulighederne for dets anvendelse i medicin. Kirurger ville være i stand til at lave præcise snit uden selv at røre patienten.

Før det kunne ske, var der dog – og er stadig – mange forhindringer at overvinde. Manuelt styrede lyskilder er blevet afløst af mekaniske og computerstyrede systemer for at reducere skader forårsaget af klodset håndtering. Skift fra kontinuerlige stråler til pulserende lasere, som tænder og slukker sig selv hurtigt, har reduceret den varme, de producerer. Tekniske fremskridt gjorde det muligt for lasere at komme ind i oftalmologiens verden i begyndelsen af ​​1990'erne. Siden da er teknologien også gået videre inden for andre områder af medicinen, men kun i relativt få anvendelser har den erstattet skalpellen og knoglesaven.

Sikkerhedshensyn er den vigtigste hindring:hvordan kan vi forhindre skader på det omgivende væv? Hvor tæt kan skæredybden kontrolleres, så dybere lag af væv ikke ved et uheld beskadiges?

Forskere ved universitetet i Basel har netop ydet et vigtigt bidrag til sikker og præcis brug af lasere med deres nylige publikation i tidsskriftet Lasers in Surgery and Medicine . Forskerholdet, ledet af Dr. Ferda Canbaz ved Institut for Biomedicinsk Teknik i Basel og professor Azhar Zam, tidligere fra University of Basel, men nu baseret på New York University, har udviklet et system, der kombinerer tre funktioner:det skærer knogler, styrer skæredybden og skelner mellem forskellige væv.

Tre lasere rettet mod ét sted

Disse tre funktioner udføres af tre lasere, der er justeret til at fokusere på det samme sted. Den første laser fungerer som en vævssensor, idet den scanner omgivelserne på det sted, hvor knoglen skal skæres.

Pulser sendes med denne laser til overfladen med jævne mellemrum, så at sige, fordamper en lille smule væv hver gang. Sammensætningen af ​​dette fordampede væv måles med et spektrometer. Hver type væv har sit eget individuelle spektrum - sin egen signatur. En algoritme behandler disse data og skaber en slags kort, der viser, hvor knoglerne er placeret, og hvor det bløde væv er.

Først når alt dette er gennemført, aktiveres den anden laser, som skærer knogler, og så kun på steder, hvor knogler frem for blødt væv vises på det kort, der lige er blevet genereret. Samtidig måler den tredje laser – et optisk system – skæredybden og kontrollerer, at skærelaseren ikke trænger dybere ind end planlagt. Under skærefasen overvåger vævssensoren også konstant, om det korrekte væv skæres.

Autonom kontrol

"Det særlige ved vores system er, at det styrer sig selv - uden menneskelig indblanding," siger laserfysiker Ferda Canbaz.

Forskerne har indtil videre testet deres system på lårbensknogler og væv fra grise erhvervet fra en lokal slagter. De var i stand til at bevise, at deres system fungerer præcist ned til brøkdele af en millimeter. Hastigheden af ​​den kombinerede laser nærmer sig også en konventionel kirurgisk procedure.

Forskerholdet arbejder i øjeblikket på at gøre systemet mindre. De har allerede fået det ned til størrelsen af ​​en tændstikæske, når de kombinerer det optiske system og den skærende laser alene, som rapporteret i Optics Continuum . Når de har tilføjet vævssensoren og formået at miniaturisere hele systemet yderligere, burde de være i stand til at passe det ind i spidsen af ​​et endoskop for at udføre minimalt invasive operationer.

Mindre invasiv kirurgi

"At gøre mere brug af lasere i kirurgi er en værdig ambition af en række årsager," siger Dr. Arsham Hamidi, hovedforfatter af undersøgelsen. Kontaktfri klipning mindsker en del risikoen for infektioner, påpeger han. "Mindre og mere præcise snit betyder også, at vævet heler hurtigere, og at ardannelse reduceres."

Skæring på en kontrolleret måde ved hjælp af lasere gør det også muligt at påføre nye skæreformer, således at for eksempel et knogleimplantat fysisk kan låses sammen med den eksisterende knogle. "En dag kan vi måske undvære knoglecement helt," tilføjer Ferda Canbaz.

Der er også andre operationsområder, hvor denne form for kombineret opsætning ville være nyttig:det kan gøre det muligt at skelne tumorer fra det omgivende sunde væv med større præcision og derefter skære dem ud uden at fjerne unødvendig mængde af det tilstødende væv. En ting er sikker:Gordon Goulds vision om laseren som et alsidigt medicinsk værktøj kommer stadig tættere på.

Flere oplysninger: Arsham Hamidi et al., Multimodale feedbacksystemer til smart laserosteotomi:dybdekontrol og vævsdifferentiering, Lasere i kirurgi og medicin (2023). DOI:10.1002/lsm.23732 Arsham Hamidi et al.

Mod miniaturiseret OCT-styret laserosteotomi:integration af fiberkoblet Er:YAG-laser med OCT, Optics Continuum (2023). DOI:10.1364/OPTCON.497483

Journaloplysninger: Lasere i kirurgi og medicin

Leveret af University of Basel