Laser schneidet Knochen tiefer als bisher
Einsatz von System mit Top-Hat-Strahlprofil verbessert Tiefe des Abtrags um mehr als fünfzig Prozent gegenüber Gauß-Profil.
Säge, Meißel und Bohrer sind bewährte Werkzeuge der Knochenchirurgie. In Zukunft könnten Laser diesen Werkzeugkasten ergänzen, vor allem wenn es um sehr präzise Schnitte geht. Da Laser keinen mechanischen Druck ausüben, können sie das Risiko für Mikrorisse reduzieren und speziellere Schnittformen ermöglichen. Damit ließen sich beispielsweise Gelenkimplantate besser einfügen, und zwar auch maßgeschneiderte, 3D-gedruckte Implantate.
Für weiche Gewebe kommen Laser bereits heute zum Einsatz. Bei Knochen waren Schnitte bisher aber nur bis zu einer Tiefe von zwei bis drei Zentimetern möglich, viel zu wenig beispielsweise für Gelenkimplantate. Einer der Gründe für die mangelnde Schneidleistung liegt in der Profilform des Laserstrahls.
Forschenden um Ferda Canbaz vom Department of Biomedical Engineering der Universität Basel ist es gelungen, Schnitte bis in eine Tiefe von 4,4 Zentimetern durchzuführen. Indem sie ein anderes Profil des Laserstrahls, verwenden, können sie das Knochenmaterial effizienter und schneller abtragen.
„Die Energie des Laserstrahls zu erhöhen, wäre keine gute Lösung. Der Knochen könnte verkohlen und schlechter heilen“, erklärt die Laserphysikerin. „Deshalb haben wir stattdessen die Form des Lasers verändert, oder besser gesagt sein Profil.“
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Üblicherweise werden Lasersysteme mit Gauß-Strahlprofil eingesetzt. Das Team setzte jetzt hingegen eines mit „Top-Hat“-Profil (englisch für Zylinderhut), bei dem die Energie des Laserstrahls gleichmäßig über die gesamte Fläche verteilt ist, bevor sie am Rand abrupt abfällt. „Weil die Energie dabei gleichmäßiger übertragen wird, schneidet der Laser effizienter und schneller“, erklärt Doktorand Mingyi Liu.
Das Team testete die beiden Laser-Profile an Rinderknochen. Der Knochen wurde dabei mit Druckluft und Wasser gereinigt und gekühlt, um Hitzeschäden zu vermeiden und den Schnitt freizuhalten. Die Versuche zeigten: Während der Laser mit Gauß-Profil nur etwa 2,6 Zentimeter tief schnitt, erreichte derjenige mit dem Top-Hat-Profil 4,4 Zentimeter.
Eine wichtige Rolle für die Effizient beim Schneiden spielt die Tatsache, dass die Wände des Schnitts bei zunehmender Tiefe einen Teil der Energie absorbieren. Irgendwann reicht sie nicht mehr aus, um Knochenmaterial abzutragen. Mit Top-Hat-Profil bleibt der Laser auch in größerer Tiefe wirksam und schneidet effizient.
Die Forschenden sind nun daran, die Schnitttiefe und Schnelligkeit ihres Lasers weiter zu optimieren. Noch ist die Laser-Knochensäge deutlich langsamer als jene aus Metall: In einer Sekunde kann sie rund 0,4 Kubikmillimeter abtragen, eine mechanische Säge 11 Kubikmillimeter, also über 20-mal mehr. Damit ist der Laser zwar noch zu langsam, aber er nähert sich erstmals der nötigen Tiefe.
„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“, erklärt Canbaz. [U Basel / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
M. Liu, A. Hamidi, D. Blaser, et al., Influence of laser beam intensity profile on deep bone ablation in laser osteotomy, Sci. Rep. 16, 7101, 3. Februar 2026; DOI: 10.1038/s41598-026-37117-6 - Center for Intelligent Optics (Ferda Canbaz), Department of Biomedical Engineering, Medizinische Fakultät, Universität Basel
- Flagship Project Minimally Invasive Robot Assisted Computer guided LaserosteotomE (MIRACLE) II, funded by Werner Siemens Stiftung, Department of Biomedical Engineering, Medizinische Fakultät, Universität Basel
Anbieter
Universität BaselPetersplatz 1, Postfach
4001 Basel
Schweiz
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