Chirurgie: höhere Genauigkeit und Sicherheit mit intelligenter Lasertechnologie

Forschende der Universität Basel haben einen intelligenten Laser entwickelt, der in der Chirurgie zum Schneiden von Knochen eingesetzt werden könnte. Er schneidet und analysiert gleichzeitig das Gewebe und misst die Schnitttiefe. Dies könnte in Zukunft neue Anwendungen für die Laserchirurgie eröffnen und sie für den Patienten viel sicherer machen, weil das umliegende Weichgewebe besser geschützt wird.

In diesem Interview mit MEDICA.de erläutert Dr. Ferda Canbaz den aktuellen Stand der Forschung und die Einsatzmöglichkeiten des Lasers.

Frau Dr. Canbaz, können Sie uns zunächst erklären, wie sich dieses System von bisherigen chirurgischen Methoden unterscheidet?

Dr. Ferda Canbaz: Im Gegensatz zu bisherigen Methoden, bei denen sich Chirurgen auf ihre Intuition verlassen, um Gewebetypen zu ertasten und zu visualisieren, verwendet unser System zusätzliche optische Systeme wie Spektroskopie (LIBS) und optische Kohärenztomographie (OCT). Das LIBS-System entscheidet über den zu schneidenden Gewebetyp, und das OCT-System ermöglicht eine präzise Visualisierung von Schnittformen, Einstellungsprofilen und Gewebetiefe. Dies ist besonders wertvoll bei schwierigen Eingriffen, vor allem an den Grenzen von Hartgewebe, während gleichzeitig die Schädigung des umliegenden Weichgewebes minimiert wird.

Können Sie ein Beispiel dafür geben, wie der Laser funktioniert?

Canbaz: Der Prozess beginnt mit dem Scannen eines bestimmten Bereichs, um das Weich- und Hartgewebe zu identifizieren. Dazu werden nur zwei leicht invasive Laserimpulse eingesetzt, um eine Gewebekarte der Oberfläche zu erstellen. Dann fährt das optische System mit dem Schneiden des Knochens fort, während es verhindert, dass der Laser auf das Weichgewebe trifft. Diese Sicherheitsfunktion gewährleistet, dass das System erkennt, wo sich Weichgewebe befindet, solange es nicht deaktiviert ist. Sobald der Laser mit dem Schneiden von Knochengewebe beginnt, überwacht er kontinuierlich seine Position. Erreicht er Weichgewebe, stoppt der Laser automatisch, um Schäden zu vermeiden.

Dies ist wichtig, da Weichgewebe aufgrund seines hohen Wassergehalts und seiner hohen Absorption durch den Ablationslaser beschädigt werden kann. Hartes Gewebe wie Knochen ist dichter und wird nicht so schnell abgetragen.

Um diese Aspekte zu gewährleisten, wird das System strengen Tests mit Knochenproben unterzogen. Es verfügt über Funktionen, die eine versehentliche Schädigung von Weichgewebe verhindern, wie zum Beispiel das Scannen und Identifizieren von Weichgewebebereichen vor dem Beginn der Laserablation.

Canbaz: Der Schutz von Weichgewebe hat bei unserem Verfahren Priorität. Während wir die Genauigkeit und Leistung des Ablationsprozesses weiter verbessern, behalten wir die Risiken im Blick, die entstehen, wenn wir den ablativen Laser auf Weichgewebe richten, indem wir auch Nerven und Muskeln als Weichgewebe in unsere Experimente einbeziehen. Wie beim derzeitigen System haben wir nicht nur ein einziges Sicherheitsmerkmal, sondern auch immer eine sekundäre Messung, die dieses unterstützt.

Durch den Einsatz von Lasern wird die Sicherheit beim Schneien von Knochen deutlich erhöht, mit dem zusätzlichen Vorteil einer wesentlich geringeren thermischen Belastung im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen. Dadurch wird nicht nur das Weichgewebe in der Umgebung, sondern auch das angrenzende Knochengewebe entlang der Schnittlinie geschont.

Wenn der Gewebedifferenzierungslaser auf Weichgewebe trifft, verursacht er winzige Explosionen. Diese Explosionen führen dazu, dass kleine Partikel am Knochen haften bleiben, was dazu führt, dass diese Bereiche fälschlicherweise als Weichgewebe identifiziert werden. Um dieses Problem zu beheben, verwenden wir eine Näherungsanalyse. Bei dieser Methode werden die vier nächstgelegenen Punkte des Gewebes untersucht. Wenn alle vier entweder Weich- oder Hartgewebe anzeigen, fahren wir mit der Abtragung fort.

Unsere Entscheidung, den Laser zu aktivieren, basiert nicht nur auf dem unmittelbaren Analysepunkt, sondern auch auf dem umgebenden Kontext. Besteht Unklarheit über die Art des Gewebes, verzichten wir auf die Aktivierung des Lasers.

Wie stellen Sie sich mit Blick auf die Zukunft die Entwicklung und Anwendung dieser Technologie vor?

Canbaz: Wir sind Teil des MIRACLE-Projekts, das darauf abzielt, dieses intelligente Lasersystem zu einem kompakten, endoskopischen Gerät weiterzuentwickeln. Die Entwicklung im Rahmen dieses Projekts war Teil der Doktorarbeit von Dr. Arsham Hamidi. Darüber hinaus schätzen wir den Beitrag aller unserer Teammitglieder.

Unser Team arbeitet an der Entwicklung von Komponenten, die in kleinere endoskopische Geräte passen und gleichzeitig hohe Ablationsraten und präzise Energiezufuhr gewährleisten. Wir sehen ein großes Potenzial für diese Technologie in verschiedenen medizinischen Anwendungen, die über das Schneiden von Knochen hinausgehen.

Können Sie die Vorteile dieses Systems gegenüber herkömmlichen chirurgischen Methoden näher erläutern?

Canbaz: Unser System eliminiert die mit Metallgeräten verbundene thermische Belastung und bietet dem Chirurgen ein berührungsloses, hochpräzises und visuell vergleichbares Werkzeug. Mit einer Laserstrahlgröße von nur einem halben Millimeter und einer Auflösung, die mit der des menschlichen Auges vergleichbar ist, überwindet es die Grenzen herkömmlicher Methoden und bietet unvergleichliche Vorteile bei der chirurgischen Präzision und der Handhabung von Gewebe.

Wie sieht die Zukunft des intelligenten Lasersystems im Hinblick auf klinische Studien und Optimierung aus?

Canbaz: Wir optimieren das System kontinuierlich und untersuchen das Potenzial für klinische Studien. Das Smart-Laser-System stellt einen gewaltigen Fortschritt in der chirurgischen Technologie dar und hat das Potenzial, die Präzision zu verbessern, Gewebeschäden zu minimieren und endoskopische Verfahren zu revolutionieren. Es ist ein Beweis für das unermüdliche Streben nach sichereren und effektiveren medizinischen Behandlungen.