Lasery od lat rewolucjonizują chirurgię tkanek miękkich, oferując precyzję i bezkontaktową pracę. W przypadku twardych struktur, takich jak kość, ich zastosowanie było jednak ograniczone – przede wszystkim przez niewystarczającą głębokość i tempo cięcia. Naukowcy z Uniwersytetu w Bazylei ogłosili przełom: nowy profil wiązki laserowej pozwolił osiągnąć głębokość cięcia 4,4–4,5 centymetra, czyli niemal dwukrotnie większą niż w przypadku dotychczasowych systemów. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Scientific Reports”.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak naukowcy z Bazylei zwiększyli głębokość cięcia kości laserem do 4,4–4,5 cm, ustanawiając nowy rekord.
- Dlaczego zmiana profilu wiązki z Gaussa na „top hat” okazała się skuteczniejsza niż zwiększanie mocy lasera.
- W jaki sposób równomierny rozkład energii ogranicza straty na ścianach nacięcia i poprawia wydajność cięcia.
- Jakie znaczenie może mieć ta technologia dla chirurgii ortopedycznej, implantów 3D i medycyny personalizowanej.
Laser w chirurgii kostnej – dlaczego to tak trudne?
W chirurgii kostnej standardem pozostają piły, dłuta i wiertła. Narzędzia mechaniczne są szybkie i skuteczne, ale wywierają nacisk na tkankę, co może prowadzić do mikropęknięć i dodatkowych uszkodzeń. Laser, działając bezkontaktowo, nie generuje sił mechanicznych. Oznacza to potencjalnie mniejsze ryzyko mikrouszkodzeń oraz możliwość wykonywania bardziej złożonych, precyzyjnych cięć – szczególnie istotnych przy implantach stawowych, w tym indywidualnie projektowanych i drukowanych w technologii 3D.
Problem polegał jednak na ograniczonej głębokości penetracji. Dotychczasowe systemy pozwalały przeciąć kość jedynie na 2–3 centymetry. To zbyt mało w przypadku wielu procedur ortopedycznych.
Kluczowa zmiana: inny profil wiązki laserowej
Zespół pod kierownictwem dr. Ferdy Canbaza z Wydziału Inżynierii Biomedycznej Uniwersytetu w Bazylei postawił nie na zwiększenie mocy, lecz na zmianę rozkładu energii w wiązce. Jak wyjaśnia Canbaz:
Zwiększenie energii wiązki laserowej nie byłoby dobrym rozwiązaniem. Mogłoby to zwęglić kość i negatywnie wpłynąć na proces gojenia – wyjaśnia Ferda Canbaz. Dlatego zmieniliśmy kształt lasera, a właściwie jego profil.
Standardowy profil Gaussa oznacza, że energia jest najwyższa w centrum wiązki i stopniowo maleje ku krawędziom – podobnie jak światło latarki. Taki rozkład powoduje, że część energii jest pochłaniana przez ściany powstającego nacięcia, ograniczając głębokość cięcia.
Nowy profil typu „top hat” (cylindryczny) zapewnia niemal równomierny rozkład energii na całej średnicy wiązki, z gwałtownym spadkiem na krawędzi. Dzięki temu energia jest wykorzystywana efektywniej, a straty na ścianach nacięcia są minimalizowane. Jak podkreśla główny autor badania, doktorant Mingyi Liu:
Ponieważ energia jest przekazywana bardziej równomiernie, laser tnie wydajniej i szybciej.
Rekordowa głębokość – 4,4 centymetra
W badaniach eksperymentalnych przeprowadzonych na kościach bydlęcych porównano dwa profile wiązki:
- profil Gaussa – osiągnął głębokość około 2,6 cm,
- profil „top hat” – umożliwił cięcie do 4,4 cm.
To niemal dwukrotny wzrost głębokości.
Podczas testów powierzchnia kości była chłodzona sprężonym powietrzem i wodą, aby zapobiec uszkodzeniom cieplnym oraz utrzymać czystość linii cięcia. Kontrola temperatury jest kluczowa, ponieważ nadmierne przegrzanie może prowadzić do martwicy tkanki kostnej i zaburzeń gojenia. Liu tłumaczy mechanizm przewagi nowego rozwiązania:
Kluczowym czynnikiem wpływającym na wydajność cięcia jest fakt, że w przypadku konwencjonalnego profilu laserowego ściany cięcia pochłaniają część energii. Przy pewnej głębokości energia na dnie cięcia nie jest wystarczająca, aby ciąć głębiej. Profil typu „top hat” rozwiązuje ten problem, ponieważ energia w wiązce jest rozprowadzana inaczej i w związku z tym nie jest pochłaniana przez ściany cięcia.
Wciąż wolniejszy niż piła – ale z nowym potencjałem
Mimo przełomu w zakresie głębokości, laser nadal ustępuje narzędziom mechanicznym pod względem szybkości. Obecnie w ciągu sekundy usuwa około 0,4 mm³ materiału, podczas gdy piła mechaniczna usuwa około 11 mm³ – ponad 20 razy więcej.
Oznacza to, że technologia nie jest jeszcze gotowa do rutynowego zastąpienia narzędzi tradycyjnych. Po raz pierwszy jednak osiągnięto wymaganą głębokość, co otwiera drogę do dalszej optymalizacji parametrów. Jak podkreśla Canbaz:
W ramach kolejnych kroków będziemy musieli również zbadać, jak możemy dostosować system do bardziej złożonej sytuacji w organizmie. W tym przypadku również chodzi o ochronę otaczających tkanek.
Projekt Miracle i współpraca z przemysłem
Badania stanowią część projektu Miracle, którego celem jest opracowanie innowacyjnych technologii w chirurgii kostnej. To jednocześnie pierwszy etap projektu Innosuisse Laser-Blade, realizowanego we współpracy z firmą technologii medycznej Smith & Nephew.
Połączenie badań akademickich z partnerem przemysłowym zwiększa szanse na translację wyników do praktyki klinicznej. Jeśli uda się poprawić szybkość cięcia przy zachowaniu precyzji i kontroli termicznej, laser może stać się realną alternatywą w wybranych procedurach ortopedycznych.
Znaczenie dla przyszłości chirurgii
Nowy rekord głębokości – 4,4–4,5 cm – ma wymiar nie tylko techniczny, lecz także kliniczny. Potencjalne korzyści obejmują:
- większą precyzję cięć przy implantach stawowych,
- mniejsze uszkodzenia mechaniczne tkanki,
- możliwość wykonywania niestandardowych geometrii nacięć,
- integrację z systemami robotycznymi i planowaniem 3D.
W dobie personalizowanej medycyny i implantów projektowanych pod konkretnego pacjenta technologia laserowa może w przyszłości stanowić ważny element chirurgii wspomaganej cyfrowo. To przykład, jak innowacje w medycynie przesuwają granice precyzji, bezpieczeństwa i personalizacji leczenia operacyjnego.
Główne wnioski
- Zespół z Uniwersytetu w Bazylei osiągnął głębokość cięcia 4,4–4,5 cm, podczas gdy standardowy profil Gaussa pozwalał na około 2,6 cm.
- Kluczową innowacją było zastosowanie profilu wiązki typu „top hat”, zapewniającego równomierny rozkład energii i mniejsze jej pochłanianie przez ściany nacięcia.
- Laser usuwa obecnie około 0,4 mm³ materiału na sekundę, co jest ponad 20 razy mniej niż piła mechaniczna (ok. 11 mm³/s), ale po raz pierwszy osiąga wymaganą głębokość kliniczną.
- Badania opublikowano w „Scientific Reports” w ramach projektu Miracle, będącego częścią współpracy Innosuisse Laser-Blade z firmą Smith & Nephew.
Źródło:
- https://www.nature.com/articles/s41598-026-37117-6
- University of Basel
