Basler Team optimiert Laser für die Knochenchirurgie

Chirurgische Laser gelten als präzise und kontaktlose Alternative zu Säge und Bohrer. In der Knochenchirurgie stiessen sie bislang jedoch rasch an Grenzen: Die erreichbare Schnitttiefe war zu gering, die Abtragsleistung zu langsam.

Ein Team der Universität Basel berichtet nun über einen technischen Ansatz, der diese Limitation teilweise überwindet. In «Scientific Reports» zeigen die Forschenden um Ferda Canbaz, dass sich mit einem veränderten Strahlprofil Schnitte bis zu 4,4 Zentimetern Tiefe erzielen lassen.

Bisherige Lasersysteme arbeiten meist mit einem sogenannten Gauss-Profil: Die Energie ist im Zentrum des Strahls am höchsten und nimmt zu den Rändern hin ab. In hartem Gewebe wie Knochen führt dies dazu, dass der Abtrag mit zunehmender Tiefe ineffizient wird. Die Schnittwände absorbieren einen Teil der Energie; der Prozess kommt ins Stocken.

Das Basler Team wählte einen anderen Ansatz. Statt die Energie zu erhöhen – was das Risiko von Verkohlung und verzögerter Heilung bergen würde – veränderten die Forschenden die Energieverteilung im Strahl.

Beim sogenannten «Top-Hat»-Profil ist die Intensität über die gesamte Fläche gleichmässig verteilt und fällt erst am Rand abrupt ab.

Der Effekt im Experiment an Rinderknochen: Während der Laser mit Gauss-Profil rund 2,6 Zentimeter tief schnitt, erreichte das Top-Hat-Profil 4,4 Zentimeter.

Trotz dieses Fortschritts bleibt die Abtragsrate limitiert. Der Laser entfernt derzeit rund 0,4 Kubikmillimeter Knochen pro Sekunde; eine mechanische Säge kommt auf etwa 11 Kubikmillimeter – mehr als das Zwanzigfache. Für den klinischen Alltag ist das System damit noch zu langsam.

Die Versuche erfolgten ex vivo an Rinderknochen, unter Kühlung mit Wasser und Druckluft, um thermische Schäden zu minimieren. Wie sich das Verfahren unter in-vivo-Bedingungen bewährt, ist offen. «In weiteren Schritten müssen wir untersuchen, wie wir das System an die komplexere Situation im Körper anpassen können. Dann geht es auch darum, umliegendes Gewebe zu schonen», sagt Canbaz in einer Mitteilung.

Sollte es gelingen, Schnitttiefe und Geschwindigkeit weiter zu steigern, könnte die Laser-Osteotomie vor allem dort interessant werden, wo hohe Präzision gefragt ist.

Da Laser keinen mechanischen Druck ausüben, können sie das Risiko für Mikrorisse reduzieren und speziellere Schnittformen ermöglichen. Damit liessen sich beispielsweise massgeschneiderte, 3D-gedruckte Implantate besser einfügen.

Vorerst wird die klassische Knochensäge zwar nicht verschwinden. Doch die physikalische Optimierung des Strahlprofils zeigt, dass das Potenzial der Laser-Osteotomie noch nicht ausgeschöpft ist.