Лазеры режут точно и бесконтактно — идеальный вариант для хирургии. Проблема в том, что при работе с твердыми тканями, такими как кость, они действуют слишком медленно и не проникают достаточно глубоко. Исследователи из Базельского университета продемонстрировали способ, позволяющий делать разрезы хирургическим лазером гораздо глубже и быстрее, чем с помощью предыдущих лазерных систем.
Пила, долото и дрель — проверенные временем инструменты в костной хирургии. В будущем к этому набору инструментов могут добавиться лазеры, особенно когда речь идет о высокоточных разрезах. Лазеры не оказывают механического давления, а значит, снижают риск образования микротрещин и позволяют делать специализированные разрезы. Это упростит, например, установку суставных имплантатов, в том числе изготовленных на заказ с помощью 3D-печати.
Лазеры уже используются для обработки мягких тканей. Однако при работе с костью раньше можно было делать разрезы глубиной не более 2–3 сантиметров, что слишком мало, например, для установки суставных имплантатов. Одной из причин недостаточной эффективности резки является форма лазерного луча.
Исследователи под руководством доктора Ферды Канбаз с кафедры биомедицинской инженерии Базельского университета опубликовали в журнале Scientific Reports статью: они добились разрезов глубиной до 4,5 сантиметра, используя другой профиль лазерного луча, то есть другое распределение энергии в лазере. Это позволило эффективнее и быстрее проникать в костный материал.
«Увеличение энергии лазерного луча не было бы хорошим решением. Это могло привести к обугливанию кости и негативно сказаться на процессе заживления, — объясняет Ферда Джанбаз. — Поэтому мы изменили форму лазера, а точнее его профиль».
При использовании обычного профиля луч наиболее интенсивен в центре и ослабевает к краям. Это похоже на луч фонарика, который ярче всего светит в центре и становится слабее по мере удаления от него. В новом профиле кончик луча закруглен, что позволяет более равномерно распределять энергию лазерного луча по всей поверхности, а не резко снижать ее интенсивность по краям, отсюда и название — «цилиндр». «Благодаря более равномерной передаче энергии лазер режет эффективнее и быстрее», — говорит аспирант и первый автор исследования Миньи Лю.
Команда протестировала два лазерных профиля на костях крупного рогатого скота. Кость очищали и охлаждали сжатым воздухом и водой, чтобы предотвратить термическое повреждение и сделать срез ровным. Испытания показали, что лазер с обычным гауссовым распределением излучения прорезал кость на глубину всего 2,6 сантиметра, а лазер с новым профилем «цилиндр» — на 4,4 сантиметра.
Ключевым фактором эффективности резки является то, что при использовании обычного лазерного профиля стенки реза поглощают часть энергии. На определенной глубине энергии, поступающей в нижнюю часть материала, становится недостаточно для того, чтобы резать дальше. Профиль в виде цилиндра решает эту проблему, поскольку энергия луча распределяется иначе и не расходуется на стенки среза.
Сейчас исследователи работают над дальнейшей оптимизацией глубины и скорости резки. Лазерное лезвие все еще значительно уступает металлическому: за одну секунду оно может удалить около 0,4 кубического миллиметра материала, в то время как механическая пила — 11 кубических миллиметров, то есть в 20 раз больше. Это значит, что лазер все еще слишком медленный, но он впервые приближается к требуемой глубине резки.
«На следующих этапах нам необходимо выяснить, как адаптировать систему к более сложным условиям внутри организма, где также нужно защищать окружающие ткани», — объясняет Канбаз.
