作者：弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所

　　本刊編譯整理

　　在老齡化社會中，背部疾病已成為一種普遍的衰弱病癥。在許多情況下，根本原因是椎管狹窄。椎管內(nèi)形成骨性狹窄，壓迫脊髓。結(jié)果導(dǎo)致慢性疼痛和癱瘓癥狀。僅在德國就有約 111000個病例，病情嚴重到只能通過手術(shù)對椎管進行減壓。外科醫(yī)生會使用高速切割機打開椎管，以去除椎管內(nèi)生長的束縛物。

　　椎管內(nèi)手術(shù)的風(fēng)險

　　這種手術(shù)對外科醫(yī)生來說具有挑戰(zhàn)性。銑削需要很高的接觸壓力，因此需要很強的體力，同時，由于非常接近脊髓和神經(jīng)根，因此需要很靈巧的操作。在1.5% 的手術(shù)中，高速旋轉(zhuǎn)的銑頭會接觸到神經(jīng)束。在這種情況下，受影響者有可能出現(xiàn)膀胱和直腸失禁或截癱。這種災(zāi)難性的外科手術(shù)，除了給受術(shù)者帶來個人痛苦和生活質(zhì)量下降之外，還給醫(yī)療團隊帶來心理壓力，并給醫(yī)療系統(tǒng)帶來大量的后續(xù)費用。

　　為了最大限度地降低在關(guān)鍵神經(jīng)元結(jié)構(gòu)附近進行手術(shù)的風(fēng)險，弗勞恩霍夫國際技術(shù)研究院激光醫(yī)療技術(shù)和生物光子學(xué)部主任Achim Lenenbach 博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，正在推動機器人輔助激光手術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展。用于神經(jīng)外科手術(shù)的輕柔開顱解決方案，已經(jīng)取得了很大進展。

　　在這里，短脈沖激光器取代了銑床。此外，切割深度可通過光學(xué)相干斷層掃描（OCT）進行連續(xù)測量。他解釋說：我們打算將來將這種方法用于脊柱外科手術(shù)。關(guān)于機器人輔助激光手術(shù)系統(tǒng)精確安全地切割骨骼的想法，已經(jīng)提交了專利申請。

　　短脈沖激光和OCT 測量，用于精確切割硬組織

　　這種激光手術(shù)系統(tǒng)的原理是利用納秒級激光脈沖消融骨組織。短脈沖持續(xù)時間的優(yōu)勢不僅在于與周圍材料的熱相互作用最小，從而防止切口邊緣碳化并促進愈合過程，而且還能確保顯微手術(shù)的高度精確性。這是因為只有當紅外激光脈沖擊中硬組織時，才會產(chǎn)生局部熱機械效應(yīng)：儲存在骨骼中的水分會爆炸性地蒸發(fā)，并在骨骼中形成微裂縫。

　　為了在溫和的切割過程中達到外科手術(shù)所需的消融率，噴霧系統(tǒng)會濕潤骨骼表面，同時振鏡掃描儀會引導(dǎo)激光焦點沿著預(yù)定的切割線移動。這也減少了對周圍組織的熱應(yīng)力。用于椎管手術(shù)時，還必須對切割過程進行監(jiān)控。為此，切割激光束與OCT 測量光束疊加在一起，掃描儀也將OCT 測量光束引導(dǎo)至骨骼表面。

　　該系統(tǒng)能對切割區(qū)域進行三維檢測：光束能穿透骨組織，并能從約400微米的殘余厚度中確定切口底部剩余骨板的厚度。因此，與切割過程同步進行的OCT 測量，是根據(jù)殘余骨厚度對切割過程進行可靠且高度安全控制的關(guān)鍵。一旦達到單獨定義的殘余厚度，切割過程就會自動停止。然后，外科醫(yī)生就可以輕而易舉地抬起松動的骨頭，而不會危及椎管內(nèi)的神經(jīng)束。

　　高科技實現(xiàn)安全醫(yī)療

　　Lenenbach 解釋說：基于對激光切割過程的定時光學(xué)監(jiān)控和精確控制，我們的手術(shù)可以避免將來對脊髓和神經(jīng)根造成嚴重傷害。同時，該系統(tǒng)的使用有望最大限度地減少并發(fā)癥，而并發(fā)癥往往會不必要地延長椎管狹窄手術(shù)后的住院時間。

　　針對脊柱手術(shù)，弗勞恩霍夫研究人員正計劃進一步開發(fā)現(xiàn)有的應(yīng)用器，該應(yīng)用器專為頭部手術(shù)而設(shè)計。它包含掃描儀和光學(xué)鏡片等光學(xué)功能元件，并引導(dǎo)聚焦切割激光和OCT 測量輻射沿切口線移動?，F(xiàn)在需要將這種應(yīng)用器微型化，并設(shè)計成符合人體工程學(xué)的手機，以便外科醫(yī)生也能手動執(zhí)行目前的自動切割過程。

　　外科醫(yī)生將得到協(xié)作機器人系統(tǒng)的支持，以便對涂抹器進行精確的手動引導(dǎo)。研究小組還計劃在進一步開發(fā)過程中解決另一個以前未解決的問題：銑刀與骨骼直接接觸，可為外科醫(yī)生提供直接的觸覺反饋，而這種反饋必須通過非接觸式激光切割過程中的迂回來提供。

　　為此，研究人員計劃使用協(xié)作機器人的傳感器和致動器。這是因為協(xié)作機器人的力矩傳感器系統(tǒng)能確定機器人手臂上的力效應(yīng)，然后致動器系統(tǒng)就能在手動引導(dǎo)激光涂抹器時為操作員提供觸覺反饋。

　　如果將協(xié)作機器人的觸覺反饋與OCT傳感器技術(shù)相結(jié)合，外科醫(yī)生就可以根據(jù)力效應(yīng)控制機頭的進刀量，這樣只有在局部切割過程達到規(guī)定的殘余厚度時才會進刀。局部微切割和進刀的迭代，再加上有效的硬組織切除，將形成一個準連續(xù)的切割過程。

　　為外科醫(yī)生提供觸覺和視覺反饋

　　除了觸覺反饋外，外科醫(yī)生的視覺定位對半自動激光手術(shù)的安全性也至關(guān)重要。因此，激光手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)與手術(shù)規(guī)劃軟件和導(dǎo)航系統(tǒng)相連接。在這樣一個集成系統(tǒng)中，激光生成的切口可以在術(shù)前生成的圖像數(shù)據(jù)中實時顯示。外科醫(yī)生可以在監(jiān)視器上看到切口已經(jīng)穿透骨頭多深，以及距離神經(jīng)元風(fēng)險結(jié)構(gòu)有多近。

　　在計劃中的研究項目中，手術(shù)規(guī)劃和導(dǎo)航軟件的開發(fā)將由在這一領(lǐng)域擁有成熟專業(yè)知識的行業(yè)合作伙伴負責(zé)。

　　Lenenbach 說：研究所開發(fā)的激光手術(shù)系統(tǒng)，能夠以亞毫米級的精度實施術(shù)前規(guī)劃的切口。

　　長期研究目標是將機器人輔助激光切割硬組織的程序，確立為靠近關(guān)鍵結(jié)構(gòu)手術(shù)的黃金標準。這將使成千上萬的病人不必再擔心在此類手術(shù)中脊髓損傷的后果，而這已成為全世界每年成千上萬病人的痛苦現(xiàn)實。

　　溫和、無聲的開顱手術(shù)

　　為了在神經(jīng)外科手術(shù)中測試復(fù)雜的大腦功能，外科醫(yī)生必須在清醒、局部麻醉的病人身上進行手術(shù)。這樣，外科醫(yī)生就可以與病人進行互動，測試他們的干預(yù)如何影響大腦功能。然而，在病人清醒的情況下打開顱骨對他們的心理造成極大的壓力。對此，研究所開發(fā)的一種新型機器人輔助和光學(xué)精確監(jiān)控激光手術(shù)，可在病人清醒時進行溫和、無振動和幾乎無聲的開顱手術(shù)。使用短脈沖激光輻射消融顱骨組織。

　　為了最大限度地提高成功幾率，醫(yī)學(xué)必須為接受清醒開顱手術(shù)的患者提供心理安慰。為此，Lenenbach 和他的團隊正在開發(fā)一種創(chuàng)新的機器人輔助激光手術(shù)。從機械器械到激光技術(shù)的轉(zhuǎn)變，旨在使開顱手術(shù)變得幾乎無聲、無振動和輕柔，從而使清醒狀態(tài)下的神經(jīng)外科手術(shù)比以前更加頻繁。該手術(shù)還旨在最大限度地降低開顱手術(shù)中腦膜損傷的風(fēng)險，并通過對激光過程的感官控制改善術(shù)后愈合過程。

　　本著這一目標，項目團隊正在開發(fā)一種高效、安全且基本自動化的激光切割工藝。其核心部件是一種CO2 激光器，具有120ns 的短激光脈沖。短脈沖可確保切割邊緣輸入的熱量不會產(chǎn)生碳化效應(yīng)。這是因為骨組織的熱損傷會阻礙愈合過程。由于照射時間很短，納秒脈沖在去除硬組織的同時不會明顯加熱周圍組織。

　　新的激光手術(shù)切口邊緣干凈整潔，不受熱影響。不過，在日常臨床實踐中，效率也很重要。Lenenbach 報告說：目前的消融率達到了1.6mm³/s。在臨床應(yīng)用中，高效的切割過程需要2.5mm³/s。為了實現(xiàn)這一目標，他們使用了專門針對骨切割過程的固體激光器。

　　以前，CO2 激光束是通過鉸接式鏡臂引導(dǎo)的。然而，為了提高效率、可重復(fù)性和靈活性，研究小組為激光開顱器配備了光纖引導(dǎo)的固體激光器，該激光器可在3μm 左右的中紅外光譜范圍內(nèi)發(fā)射100ns 的短激光脈沖。這種波長的光能被骨組織很好地吸收，可以在光纖中引導(dǎo)，因此比CO2 激光輻射更容易與機器人結(jié)合。

　　與機械臂的結(jié)合還可以為進一步的醫(yī)療應(yīng)用鋪平道路。除其他外，這對脊柱手術(shù)也很有意義，因為脊柱手術(shù)因靠近脊髓而存在風(fēng)險。傳感器控制的短脈沖激光過程可以最大限度地降低這方面的風(fēng)險。

　　由于激光開顱手術(shù)所需的波長為3μm、脈沖持續(xù)時間為100ns 的短脈沖激光源在市場上還沒有銷售，研究所激光和光學(xué)系統(tǒng)部門正在與工業(yè)合作伙伴共同開發(fā)這種激光源。這樣就能達到目標消融率，同時不會對周圍的硬組織造成熱損傷。

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