Geringere OP-Risiken durch Laserchirurgie mit optischer Überwachung

Ein robotisch assistiertes Laserverfahren soll riskante chirurgische Eingriffe am Rückenmark oder am Gehirn durch optische Überwachung und präzise Regelung des Laserschneidprozesses sicherer machen. Im Gespräch mit MEDICA.de schildert Dr. Achim Lenenbach, Leiter der Abteilung Lasermedizintechnik und Biophotonik am Fraunhofer ILT, die hierzu stattfindenden Forschungsarbeiten.

Welche Probleme adressiert das robotisch assistierte Laserverfahren?

Dr. Achim Lenenbach: Bei einer Spinalkanalstenose wächst der Knochen in den Wirbelkanal hinein und drückt auf das Rückenmark. Es kommt bei den Betroffenen zu Lähmungserscheinungen und Schmerzen. Um den parasitären Knochen aus dem Wirbelkanal zu entfernen, wird der Wirbelkörper mit einer Highspeed Fräse geöffnet, wobei der Operateur den Fräskopf mit großem Druck auf den Knochen presst. Am Durchstoßpunkt kann es passieren, dass der Fräskopf unkontrolliert in den Wirbelkanal vorstößt und dabei das Rückenmark verletzt. Die Folge sind oft schwere Behinderungen wie Querschnittslähmung und Blasen-, Darminkontinenz.

Daher wollen wir einen Schneidlaserstrahl zum Öffnen des Wirbelkörpers einsetzen und diesem einen Messstrahl zur Überwachung des Laserschneidprozesses überlagern. Zum Monitoring des Schneidprozesses setzen wir das Verfahren der optischen Kohärenztomographie (OCT) ein, mit dem man die Schneidtiefe während des Schneidprozesses und die verbleibende Knochendicke messen kann. Ab 400 Mikrometer Knochenrestdicke sehen wir sowohl den Boden der Schnittfuge als auch die Innenseite des Knochens. So können wir in Echtzeit die Restdicke des Knochens bestimmen und darüber den Laserschneidprozess regeln.

Wie macht das System Eingriffe sicherer?

Lenenbach: Im Gegensatz zu einem spanenden Abtragsverfahren gibt es beim Laserschneidprozess keine mechanische Kraftübertragung. Wir tragen mit dem Laser berührungs- und trägheitsfrei Energie in den Knochen ein. Die Laserstrahlung wird vom Knochengewebe absorbiert, das Wasser im Knochen erhitzt sich und dehnt sich dabei sehr schnell aus. Diese adiabatische Expansion geschieht explosionsartig und sprengt Material in Mikrometerdimensionen aus dem Knochen heraus. Wenn wir viele Nanosekunden kurze Laserpulse sehr schnell mit Kilohertzfrequenzen nebeneinander setzen, ist dieser thermomechanische Gewebeabtrag sehr effizient, präzise und sicher.

Allein in Deutschland gibt es jährlich etwa 111.000 Spinalkanalstenosen-Operationen. Bei etwa 1,5 Prozent der Operationen kommt es dabei trotz aller Vorsicht des Chirurgen zum Kontakt des hochtourig drehenden Fräskopfes mit den Nervenbahnen im Wirbelkanal. Der fokussierte Laserstrahl wird beim Schneiden des Knochens mit einem Handstück vom Operateur über die Knochenoberfläche geführt. Im Gegensatz zur Fräse interagiert der Laser dabei nicht mechanisch, so dass der Operateur kein haptisches Feedback während der händischen Prozessführung erhält. Diese für den Operateur wichtige Rückkopplung muss ein kollaborativer Roboter künstlich (Cobot) erzeugen, mit dem das Handstück mechanisch verbunden ist. Er tut dies, indem er der Vorschubbewegung des Handstücks durch den Operateur mit einer Kraft entgegenwirkt. Den Vorschub gibt der Roboter immer erst dann frei, wenn der lokal bearbeitete Knochen bis auf eine definierte Restdicke abgetragen ist. Der Cobot nutzt hierfür die optische Restdickenmessung des OCT-Systems. Zudem hält er den richtigen Abstand zu der zu bearbeiteten Knochenoberfläche ein, damit der Laserprozess effizient abläuft.

KI spielt eine wichtige Rolle, um dieses haptische Feedback zu generieren. Der Roboter unterstützt aktiv die Bewegung des Operateurs, ohne ihn zu stören. Er muss dabei quasi ‚erahnen‘, in welche Richtung dieser das Handstück bewegen möchte. Dabei gibt ihm der Roboter zum Schutz von Risikostrukturen einen Bewegungskorridor vor.

Was sind weitere Anwendungsfelder in der Chirurgie?

Lenenbach: Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist das Laserkraniotom, mit dem man den Schädel öffnen kann und für das wir ebenfalls das Laserschneidverfahren einsetzen wollen. Eine interessante Anwendung hierfür ist die Implantation von Hirnschrittmachern für die tiefe Hirnstimulation (THS) bei Schüttellähmung (Tremor). Damit können die den Tremor verursachenden Aktionspotentiale im Gehirn unterdrückt werden. Das Laserkraniotom wird für Wachoperationen entwickelt, weil das mechanische Aufbohren der Schädeldecke bei vollem Bewusstsein für die lokal anästhesierten Patientinnen und Patienten psychisch sehr belastend ist. Das vibrations- und geräuscharme Laserverfahren geschieht hingegen fast unmerklich.

Ein anderer Anwendungsfall ist die Entfernung eines Tumors im Gehirn. Hier muss wegen der hohen Funktionsdichte des Gewebes sehr vorsichtige operiert und das gesunde Gewebe geschont werden. Dies kann man durch eine Wachoperation unterstützen, bei der komplexe Hirnfunktionen während der Operation getestet werden. Der Tumor wird dann bis an die Funktionsgrenze entfernt, das heißt bis neurologische Ausfallerscheinungen beginnen. Wir arbeiten bei der Entwicklung des Laserkraniotoms mit Dr. Peter Reinacher vom Neurozentrum der Uniklinik Freiburg zusammen, der mit uns das Verfahren der Laserkraniotomie entwickelt und die Anforderungen an das Laserkraniotom aus Anwendersicht definiert.

Wie sehen die weiteren Schritte in der Entwicklung aus?

Lenenbach: Da ist zum einen die Weiterentwicklung des Lasers. Bei der Kombination des Laserschneidprozesses mit einem Roboter ist es vorteilhaft, die Laserstrahlung über eine optische Faser zu führen. Im Moment wird zur Strahlführung ein Gelenkspiegelarm genutzt. Mit dem Fasereinsatz ist eine sehr viel kompaktere und stabilere Strahlführung, wie sie im Operationssaal erforderlich ist, möglich. Wir entwickeln dafür einen Kurzpulslaser, der bei einer Wellenlänge von drei Mikrometer 100 Nanosekunden kurze Pulse emittiert und effizient Knochen schneiden kann.

Ein anderer Entwicklungsschritt ist die Verknüpfung des Systems mit der präoperativen Bildgebung für eine Echtzeit-Visualisierung des Schneidprozesses. Mit einer Operationsplanungs- und Navigationssoftware auf der Basis von präoperativen Daten könnten wir bei der Laserkraniotomie und der Wirbelsäulen-Operation die Daten Live visualisieren und dem Operateur unter Angabe eines Zielkorridors die Schnittkurve und die aktuelle Laserfokusposition in den präoperativen Planungsdaten anzeigen.