Att använda laser snarare än skalpeller och sågar har många fördelar inom kirurgi. Ändå används de bara i enstaka fall. Men det kan vara på väg att förändras:lasersystem blir smartare och bättre hela tiden, som ett forskarlag från universitetet i Basel visar.
Redan 1957, när Gordon Gould myntade termen "laser" (förkortning för "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"), föreställde han sig redan möjligheterna för dess användning inom medicin. Kirurger skulle kunna göra exakta snitt utan att ens röra patienten.
Innan det kunde hända fanns det – och finns fortfarande – många hinder att övervinna. Manuellt styrda ljuskällor har ersatts av mekaniska och datorstyrda system för att minska skador orsakade av klumpig hantering. Att byta från kontinuerliga strålar till pulsade lasrar, som slår på och av sig själva snabbt, har minskat värmen de producerar. Tekniska framsteg gjorde det möjligt för lasrar att komma in i oftalmologins värld i början av 1990-talet. Sedan dess har tekniken gått vidare inom andra områden av medicinen, men endast i relativt få applikationer har den ersatt skalpellen och bensågen.
Säkerhetsproblem är det viktigaste hindret:hur kan vi förhindra skador på den omgivande vävnaden? Hur noga kan skärdjupet kontrolleras så att djupare lager av vävnad inte skadas av misstag?
Forskare vid universitetet i Basel har just gjort ett viktigt bidrag till en säker och exakt användning av lasrar med sin senaste publicering i tidskriften Lasers in Surgery and Medicine . Forskargruppen, ledd av Dr Ferda Canbaz vid institutionen för biomedicinsk teknik i Basel och professor Azhar Zam, tidigare vid University of Basel men nu baserad på New York University, har utvecklat ett system som kombinerar tre funktioner:det skär ben, kontrollerar skärdjupet och skiljer mellan olika vävnader.
Dessa tre funktioner utförs av tre lasrar som är inriktade för att fokusera på samma punkt. Den första lasern fungerar som en vävnadssensor genom att den skannar omgivningen på platsen där benet ska skäras.
Pulser skickas med denna laser till ytan med jämna mellanrum, så att säga, förångar en liten bit vävnad varje gång. Sammansättningen av denna förångade vävnad mäts med en spektrometer. Varje typ av vävnad har sitt eget individuella spektrum – sin egen signatur. En algoritm bearbetar dessa data och skapar en sorts karta som visar var benen finns och var mjukvävnaden finns.
Inte förrän allt detta har slutförts aktiveras den andra lasern, som skär ben, och då bara på platser där ben snarare än mjukvävnad visas på kartan som just har genererats. Samtidigt mäter den tredje lasern – ett optiskt system – skärdjupet och kontrollerar att skärlasern inte penetrerar djupare än planerat. Under skärfasen övervakar vävnadssensorn också hela tiden om rätt vävnad skärs.
"Det speciella med vårt system är att det kontrollerar sig självt – utan mänsklig inblandning", säger laserfysikern Ferda Canbaz.
Forskarna har hittills testat sitt system på lårbensben och vävnad från grisar som förvärvats från en lokal slaktare. De kunde bevisa att deras system fungerar exakt ner till bråkdelar av en millimeter. Hastigheten hos den kombinerade lasern närmar sig också den för ett konventionellt kirurgiskt ingrepp.
Forskargruppen arbetar just nu med att göra systemet mindre. De har redan fått det ner till storleken på en tändsticksask när de kombinerar det optiska systemet och skärlasern enbart, som rapporterats i Optics Continuum . När de väl har lagt till vävnadssensorn och lyckats miniatyrisera hela systemet ytterligare bör de kunna passa in den i spetsen av ett endoskop för att utföra minimalt invasiva operationer.
"Att mer använda laser i kirurgi är en värdig ambition av flera skäl", säger Dr Arsham Hamidi, huvudförfattare till studien. Kontaktfri skärning minskar risken för infektioner något, påpekar han. "Mindre och mer exakta snitt gör också att vävnaden läker snabbare och att ärrbildningen minskar."
Att skära på ett kontrollerat sätt med hjälp av laser tillåter också att nya skärformer appliceras så att till exempel ett benimplantat fysiskt kan låsas ihop med det befintliga benet. "En dag kan vi kanske klara oss helt utan bencement", tillägger Ferda Canbaz.
Det finns också andra operationsområden där den här typen av kombinerad konfiguration skulle vara användbar:det kan göra det möjligt att särskilja tumörer från den omgivande friska vävnaden med större precision och sedan skära ut dem utan att ta bort onödig mängd av den närliggande vävnaden. En sak är säker:Gordon Goulds vision om lasern som ett mångsidigt medicinskt verktyg närmar sig allt närmare.
Mer information: Arsham Hamidi et al, Multimodala återkopplingssystem för smart laserosteotomi:djupkontroll och vävnadsdifferentiering, Lasers in Surgery and Medicine (2023). DOI:10.1002/lsm.23732 Arsham Hamidi et al,
Mot miniatyriserad OCT-styrd laserosteotomi:integration av fiberkopplad Er:YAG-laser med OCT, Optics Continuum (2023). DOI:10.1364/OPTCON.497483
Journalinformation: Lasrar inom kirurgi och medicin
Tillhandahålls av University of Basel
