Ein neuer Laser-
Schneidrekord
Ein Laser-Roboter, der Knochen präzise schneidet: Das ist das Ziel des MIRACLE II-Projekts an der Universität Basel. Auf dem Weg dorthin hat nun die Forschungsgruppe von Ferda Canbaz einen wichtigen Fortschritt erzielt: Mit einer neuen Lasermethode gelang es dem Team, Knochenschnitte von bis zu 4,4 Zentimeter Tiefe durchzuführen – ein Rekord.
Noch immer zählen Sägen und Bohrer zu den wichtigsten Werkzeugen der Knochenchirurgie. Wenn es nach dem von der Werner Siemens-Stiftung (WSS) unterstützten MIRACLE II-Team an der Universität Basel geht, dann wird dieser Werkzeugkasten in Zukunft durch Laser ergänzt. «Beim Sägen und Bohren entsteht an der Reibungsfläche grosse Hitze, die das Gewebe rund um die Schnittstelle zerstören kann», sagt Ferda Canbaz, Leiterin des Zentrums für intelligente Optik am Department of Biomedical Engineering (DBE) der Universität Basel und Gruppenleiterin im MIRACLE II-Projekt.
Laser hingegen üben keinen mechanischen Druck aus. Das ist schonender für das umliegende Gewebe und vermindert das Risiko, dass winzige Risse im Knochen entstehen. Zudem gelten Laser als extrem präzise und flexibel. Sie könnten auch spezielle Schnittformen ermöglichen, in die sich zukünftig massgeschneiderte, 3D-gedruckte Implantate einfügen lassen, wie sie ebenfalls im Rahmen von MIRACLE II entwickelt werden.
Bis heute kommen Laser allerdings vorwiegend in der Weichteilchirurgie zum Einsatz, zum Beispiel in der Augenchirurgie oder für Hautbehandlungen. Beim Knochenschneiden stösst die Technik an Grenzen: Mit bisherigen Lasern sind nur Knochenschnitte von zwei bis drei Zentimeter Tiefe möglich. Das reicht für manche Eingriffe am Kiefer oder im Gesicht – etwa durch den von einem DBE-Spin-off entwickelten Laserroboter CARLO. Für andere, zum Teil sehr häufige Operationen wie das Einsetzen von Knie- oder Hüftimplantaten ist es zu wenig.
Energieverteilung verändert
Nun aber haben Ferda Canbaz und ihr Team eine Möglichkeit gefunden, um die Schnitttiefe von Lasern deutlich zu erhöhen. In einer Publikation im Fachmagazin «Scientific Reports» (*) zeigen sie auf, wie sich Knochenschnitte bis in eine Tiefe von 4,4 Zentimetern ausführen lassen. Natürlich könnte man dazu einfach die Energie des Laserstrahls erhöhen. Doch das wäre keine gute Idee, sagt Ferda Canbaz. «Ist die Energie zu hoch, beginnt der Knochen zu verkohlen – und die Heilung verschlechtert sich.»
Stattdessen kamen die Forschenden auf die Idee, eine andere Verteilung der Energie im Laserstrahl auszuprobieren. Im Querschnitt betrachtet, ist der Laserstrahl üblicherweise in der Mitte am stärksten und wird zum Rand hin schwächer – ganz ähnlich wie bei einer Taschenlampe, deren Lichtkegel im Zentrum am hellsten ist. Im Querschnittsprofil ergibt die Lichtintensität eine sogenannte Gauss-Kurve mit einer abgerundeten Spitze in der Mitte. Bei einem solchen Profil absorbieren die Wände des Schnitts bei zunehmender Tiefe immer mehr Energie – irgendwann reicht sie nicht mehr aus, um Knochenmaterial abzutragen.
Statt des Gauss-Profils verwendeten die Forschenden deshalb einen Laser, bei dem die Energie des Strahls gleichmässig über die gesamte Fläche verteilt ist. Erst ganz am Rand fällt sie abrupt ab. Ihrer Profilform wegen wird diese Verteilung im Englischen als «top hat» bezeichnet, also «Zylinderhut». Der Vorteil: Dank der gleichmässig verteilten Energie kann der Laser schneller und effizienter schneiden – und tiefer ins Gewebe vordringen.
Einstweiliger Rekord
Das Team testete die beiden Laser-Profile an Rinderknochen – unter denselben Bedingungen: Der Knochen wurde fortwährend mit Druckluft und Wasser gereinigt und gekühlt, um Hitzeschäden zu vermeiden und die Schnittfläche freizuhalten. Dabei zeigte sich die Überlegenheit der Top-Hat-Methode: Mit ihr erreichte das Team eine Schnitttiefe von 4,4 Zentimeter, mit der Gauss-Methode bloss 2,6 Zentimeter.
Damit habe die neue Methode ihre Erwartungen übertroffen, sagt Ferda Canbaz. Denn der von den Forschenden verwendete Top-Hat-Laser verfügte über eine nur etwa halb so gute Strahlenqualität wie der verwendete Gauss-Laser. «Gemessen daran hätte der Top-Hat-Laser nur halb so tief schneiden dürfen», sagt Ferda Canbaz. «Er schneidet aber doppelt so tief – wir erreichen also eine fast vierfache Verbesserung.»
Die Forscherin ist deshalb auch überzeugt, dass sich die Schnitttiefe noch einmal vergrössern lässt – und damit theoretisch für praktisch sämtliche knochenchirurgischen Eingriffe einsetzbar würde. Bei einer Knieprothese beispielsweise sind chirurgische Eingriffe bis ungefähr sieben Zentimeter Knochentiefe nötig. «Solche Tiefen sollten sich erreichen lassen», sagt Ferda Canbaz.
Schneller schneiden
Allerdings ist die Schnitttiefe nicht der einzige Aspekt, den es weiter zu verbessern gilt. Schwieriger – und wissenschaftlich spannender – sei die Optimierung der Schneidegeschwindigkeit, sagt Ferda Canbaz. Denn noch sind Laser-Knochensägen deutlich langsamer als solche aus Metall: Der Top-Hat-Laser trug ungefähr 0,4 Kubikmillimeter Material pro Sekunde ab. Das ist zwar fast doppelt so viel wie der Gauss-Laser – aber über 20-mal weniger als eine Knochensäge während einer Kniegelenkersatz-Operation.
«Wir müssen die Geschwindigkeit der Laser um ein Mehrfaches steigern», sagt Canbaz. Das sei zwar eine Herausforderung. «Aber wir arbeiten daran. Wir haben einige Ideen, um das zu bewerkstelligen.» Ausserdem geht es in den nächsten Schritten darum, das Laserschneide-System vom toten Rinderknochen an das komplexe Umfeld im menschlichen Körper anzupassen.
Gewebe und Abstände messen
Im Rahmen des MIRACLE II-Projekts stellen sich zudem mehrere zusätzliche Herausforderungen. Zum einen muss die Laseroptik für minimalinvasive Eingriffe in einer miniaturisierten Robotik-Spitze in den Körper gebracht werden. Zum anderen braucht es Steuerungs- und Sicherungsmechanismen: «Der Laser, den wir hier getestet haben, schneidet alles durch, was sich ihm in den Weg stellt», sagt Canbaz. «Die MIRACLE-Sonde aber benötigt Mess- und Feedback-Systeme.» Denn schliesslich darf der Laser im Körper den Knochen nur an einer bestimmten Stelle bis in eine bestimmte Tiefe schneiden, um das umliegende Gewebe nicht zu schädigen.
Noch ist viel Arbeit nötig, um diese Ziele zu erreichen. Aber für Ferda Canbaz und das gesamte MIRACLE II-Team ist klar: Die Chirurgie der Zukunft ist personalisiert. Implantate werden künftig per 3D-Druck in allen möglichen Formen genau passend hergestellt werden – und die dazu nötigen Knochenschnitte müssen präzise und minimalinvasiv erfolgen. «Um all diese Formen zu schneiden, eignen sich Knochensägen nicht», sagt Ferda Canbaz. «Dafür sehe ich keine andere Möglichkeit als Laser.»
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