机器人辅助激光手术降低手术风险

在老龄化社会中，背部疾病已成为一种普遍的衰弱病症。在许多情况下，根本原因是椎管狭窄。椎管内形成骨性狭窄，压迫脊髓。结果导致慢性疼痛和瘫痪症状。仅在德国就有约 111000个病例，病情严重到只能通过手术对椎管进行减压。外科医生会使用高速切割机打开椎管，以去除椎管内生长的束缚物。

 

将激光手术与术前成像和术中光学测量方法相结合进行切割控制，可实现高度精确和安全的椎管狭窄手术治疗

 

椎管内手术的风险

这种手术对外科医生来说具有挑战性。铣削需要很高的接触压力，因此需要很强的体力，同时，由于非常接近脊髓和神经根，因此需要很灵巧的操作。在1.5%的手术中，高速旋转的铣头会接触到神经束。在这种情况下，受影响者有可能出现膀胱和直肠失禁或截瘫。这种灾难性的外科手术，除了给受术者带来个人痛苦和生活质量下降之外，还给医疗团队带来心理压力，并给医疗系统带来大量的后续费用。

为了最大限度地降低在关键神经元结构附近进行手术的风险，弗劳恩霍夫国际技术研究院激光医疗技术和生物光子学部主任Achim Lenenbach博士领导的研究团队，正在推动机器人辅助激光手术系统的发展。用于神经外科手术的轻柔开颅解决方案，已经取得了很大进展。

在这里，短脉冲激光器取代了铣床。此外，切割深度可通过光学相干断层扫描（OCT）进行连续测量。他解释说：我们打算将来将这种方法用于脊柱外科手术。关于机器人辅助激光手术系统精确安全地切割骨骼的想法，已经提交了专利申请。

 

短脉冲激光和OCT测量，用于精确切割硬组织

这种激光手术系统的原理是利用纳秒级激光脉冲消融骨组织。短脉冲持续时间的优势不仅在于与周围材料的热相互作用最小，从而防止切口边缘碳化并促进愈合过程，而且还能确保显微手术的高度精确性。这是因为只有当红外激光脉冲击中硬组织时，才会产生局部热机械效应：储存在骨骼中的水分会爆炸性地蒸发，并在骨骼中形成微裂缝。

为了在温和的切割过程中达到外科手术所需的消融率，喷雾系统会湿润骨骼表面，同时振镜扫描仪会引导激光焦点沿着预定的切割线移动。这也减少了对周围组织的热应力。用于椎管手术时，还必须对切割过程进行监控。为此，切割激光束与OCT测量光束叠加在一起，扫描仪也将OCT测量光束引导至骨骼表面。

该系统能对切割区域进行三维检测：光束能穿透骨组织，并能从约400微米的残余厚度中确定切口底部剩余骨板的厚度。因此，与切割过程同步进行的OCT测量，是根据残余骨厚度对切割过程进行可靠且高度安全控制的关键。一旦达到单独定义的残余厚度，切割过程就会自动停止。然后，外科医生就可以轻而易举地抬起松动的骨头，而不会危及椎管内的神经束。

高科技实现安全医疗

Lenenbach解释说：基于对激光切割过程的定时光学监控和精确控制，我们的手术可以避免将来对脊髓和神经根造成严重伤害。同时，该系统的使用有望最大限度地减少并发症，而并发症往往会不必要地延长椎管狭窄手术后的住院时间。

针对脊柱手术，弗劳恩霍夫研究人员正计划进一步开发现有的应用器，该应用器专为头部手术而设计。它包含扫描仪和光学镜片等光学功能元件，并引导聚焦切割激光和OCT测量辐射沿切口线移动。现在需要将这种应用器微型化，并设计成符合人体工程学的手机，以便外科医生也能手动执行目前的自动切割过程。

外科医生将得到协作机器人系统的支持，以便对涂抹器进行精确的手动引导。研究小组还计划在进一步开发过程中解决另一个以前未解决的问题：铣刀与骨骼直接接触，可为外科医生提供直接的触觉反馈，而这种反馈必须通过非接触式激光切割过程中的迂回来提供。

为此，研究人员计划使用协作机器人的传感器和致动器。这是因为协作机器人的力矩传感器系统能确定机器人手臂上的力效应，然后致动器系统就能在手动引导激光涂抹器时为操作员提供触觉反馈。

如果将协作机器人的触觉反馈与OCT传感器技术相结合，外科医生就可以根据力效应控制机头的进刀量，这样只有在局部切割过程达到规定的残余厚度时才会进刀。局部微切割和进刀的迭代，再加上有效的硬组织切除，将形成一个准连续的切割过程。

 

为外科医生提供触觉和视觉反馈

除了触觉反馈外，外科医生的视觉定位对半自动激光手术的安全性也至关重要。因此，激光手术系统应与手术规划软件和导航系统相连接。在这样一个集成系统中，激光生成的切口可以在术前生成的图像数据中实时显示。外科医生可以在监视器上看到切口已经穿透骨头多深，以及距离神经元风险结构有多近。

 

激光喷涂机集成了微型扫描仪、望远镜、OCT传感器和光束位置监测功能

在计划中的研究项目中，手术规划和导航软件的开发将由在这一领域拥有成熟专业知识的行业合作伙伴负责。Lenenbach说：研究所开发的激光手术系统，能够以亚毫米级的精度实施术前规划的切口。

长期研究目标是将机器人辅助激光切割硬组织的程序，确立为靠近关键结构手术的黄金标准。这将使成千上万的病人不必再担心在此类手术中脊髓损伤的后果，而这已成为全世界每年成千上万病人的痛苦现实。

 

温和、无声的开颅手术

为了在神经外科手术中测试复杂的大脑功能，外科医生必须在清醒、局部麻醉的病人身上进行手术。这样，外科医生就可以与病人进行互动，测试他们的干预如何影响大脑功能。然而，在病人清醒的情况下打开颅骨对他们的心理造成极大的压力。对此，研究所开发的一种新型机器人辅助和光学精确监控激光手术，可在病人清醒时进行温和、无振动和几乎无声的开颅手术。使用短脉冲激光辐射消融颅骨组织。

为了最大限度地提高成功几率，医学必须为接受清醒开颅手术的患者提供心理安慰。为此，Lenenbach和他的团队正在开发一种创新的机器人辅助激光手术。从机械器械到激光技术的转变，旨在使开颅手术变得几乎无声、无振动和轻柔，从而使清醒状态下的神经外科手术比以前更加频繁。该手术还旨在最大限度地降低开颅手术中脑膜损伤的风险，并通过对激光过程的感官控制改善术后愈合过程。

本着这一目标，项目团队正在开发一种高效、安全且基本自动化的激光切割工艺。其核心部件是一种CO2激光器，具有120ns的短激光脉冲。短脉冲可确保切割边缘输入的热量不会产生碳化效应。这是因为骨组织的热损伤会阻碍愈合过程。由于照射时间很短，纳秒脉冲在去除硬组织的同时不会明显加热周围组织。

新的激光手术切口边缘干净整洁，不受热影响。不过，在日常临床实践中，效率也很重要。Lenenbach报告说：目前的消融率达到了1.6mm³/s。在临床应用中，高效的切割过程需要2.5mm³/s。为了实现这一目标，他们使用了专门针对骨切割过程的固体激光器。

以前，CO₂激光束是通过铰接式镜臂引导的。然而，为了提高效率、可重复性和灵活性，研究小组为激光开颅器配备了光纤引导的固体激光器，该激光器可在3µm左右的中红外光谱范围内发射100ns的短激光脉冲。这种波长的光能被骨组织很好地吸收，可以在光纤中引导，因此比CO₂激光辐射更容易与机器人结合。

与机械臂的结合还可以为进一步的医疗应用铺平道路。除其他外，这对脊柱手术也很有意义，因为脊柱手术因靠近脊髓而存在风险。传感器控制的短脉冲激光过程可以最大限度地降低这方面的风险。

由于激光开颅手术所需的波长为3µm、脉冲持续时间为100ns的短脉冲激光源在市场上还没有销售，研究所激光和光学系统部门正在与工业合作伙伴共同开发这种激光源。这样就能达到目标消融率，同时不会对周围的硬组织造成热损伤。

 

作者：弗劳恩霍夫激光技术研究所
本刊编译整理

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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