Robot-ondersteunde laserchirurgie: Veilig? Of juist niet?

Spinale stenose is een benige vernauwing van het wervelkanaal die kan leiden tot chronische pijn en verlamming. Chirurgische interventie is vaak de enige oplossing, maar zo dicht bij het ruggenmerg is hogesnelheidsfrezen riskant. Fraunhofer werkt aan een robot-geassisteerde, optisch gecontroleerde laserprocedure.

In vergrijzende samenlevingen zijn rugproblemen een wijdverbreide, slopende aandoening geworden. In veel gevallen is de onderliggende oorzaak wervelkanaalstenose. Botvernauwingen vormen zich in het wervelkanaal, die op het ruggenmerg drukken. Chronische pijn en tekenen van verlamming zijn het gevolg.

In ongeveer 111.000 gevallen alleen al in Duitsland worden ze zo ernstig dat alleen chirurgische decompressie van het wervelkanaal kan helpen. Chirurgen gebruiken hogesnelheidsfrezen om het wervelkanaal te openen en de vernauwingen die erin groeien te verwijderen.

Riskante procedure aan het wervelkanaal

Zulke procedures zijn uitdagend voor de chirurgen. Terwijl frezen een hoge contactdruk en dus fysieke kracht vereist, vereist de nabijheid van het ruggenmerg en de zenuwwortels behendigheid. Bij 1,5 procent van de operaties komt de snel roterende freeskop toch in contact met de zenuwbanen. In dit geval lopen de getroffenen het risico op blaas- en rectale incontinentie of paraplegie.

Om de risico’s van operaties in de buurt van kritieke neuronale structuren te minimaliseren, is een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Achim Lenenbach, hoofd van de afdeling Laser Medical Technology and Biophotonics bij het Fraunhofer ILT, bezig met het ontwikkelen van robotgestuurde laserchirurgiesystemen. Een oplossing voor het voorzichtig openen van de schedel voor neurochirurgische ingrepen is al ver gevorderd. Hierbij vervangt een kortepulslaser de freesmachine. Bovendien wordt de snijdiepte continu gemeten met behulp van optische coherentietomografie (OCT).

“We zijn van plan deze aanpak in de toekomst te gebruiken voor chirurgische ingrepen aan de wervelkolom”, zegt hij. Er is al een patentaanvraag ingediend voor het idee van een robotgestuurd laserchirurgiesysteem voor het nauwkeurig en veilig snijden van botten.

Kortepulslaser- en OCT-metingen

Het principe van dergelijke laserchirurgiesystemen is gebaseerd op het ablateren van botweefsel met nanoseconde laserpulsen. De korte pulsduur heeft niet alleen het voordeel van minimale thermische interactie met het omringende materiaal, wat carbonisatie van de snijranden voorkomt en het genezingsproces bevordert, maar zorgt ook voor een hoge mate van microchirurgische precisie. Dit komt omdat een lokaal thermomechanisch effect alleen optreedt waar de infraroodlaserpulsen het harde weefsel raken: het water dat in het bot is opgeslagen, verdampt explosief en creëert microkraters in het bot.

Om de vereiste ablatiesnelheden in de chirurgische praktijk te bereiken in een zacht snijproces, bevochtigt een sproeinevelsysteem het oppervlak van het bot terwijl een galvoscanner de laserfocus langs de beoogde snijlijn leidt. Dit vermindert ook de thermische spanning op het omliggende weefsel.

Voor gebruik bij operaties aan het wervelkanaal is het ook essentieel om het snijproces te bewaken. Hiervoor wordt de snijdende laserstraal gesuperponeerd met een OCT-meetstraal die de scanner ook over het botoppervlak leidt. Het systeem detecteert het snijgebied in drie dimensies: de straal dringt door in het botweefsel en kan de dikte van de resterende botlamellen aan de onderkant van de snede bepalen vanaf een restdikte van ongeveer 400 µm.

De OCT-meting die synchroon met het snijproces wordt uitgevoerd, is de sleutel tot een betrouwbare – en zeer veiligheidsrelevante – besturing van het snijproces op basis van de restdikte van het bot. Zodra de individueel gedefinieerde restdikte is bereikt, moet het snijproces automatisch stoppen. De chirurgen kunnen het losgeraakte bot vervolgens met weinig moeite en zonder risico voor de zenuwbanen in het wervelkanaal optillen.

Applicator aanpassen

De applicator voor het hoofd bevat de optische functionele elementen zoals de scanner en optische lenzen en geleidt de gefocuste snijlaser en OCT-meetstraling langs de incisielijn. Voor wervelkolomchirurgie moet deze applicator worden geminiaturiseerd en ontworpen als een ergonomisch handstuk, zodat chirurgen het momenteel geautomatiseerde snijproces ook handmatig kunnen uitvoeren. De chirurg moet worden ondersteund door een collaboratief robotsysteem voor nauwkeurige handmatige geleiding van de applicator.

Haptiek

Het onderzoeksteam is ook van plan om tijdens de verdere ontwikkeling een ander voorheen onopgelost probleem aan te pakken: terwijl een frees direct contact heeft met het bot en chirurgen directe haptische feedback geeft, moet deze feedback via een omweg worden gegeven in het contactloze lasersnijproces. De onderzoekers zijn van plan om hiervoor de sensoren en actuatoren van een collaboratieve robot (cobot) te gebruiken. Dit komt omdat het kracht-koppelsensorsysteem van de cobot het krachteffect op de robotarm bepaalt, dat het actuatorsysteem vervolgens kan gebruiken om de operator haptische feedback te geven bij het handmatig geleiden van de laserapplicator.

Visuele feedback

Naast haptische feedback is de visuele oriëntatie van de chirurg cruciaal voor de veiligheid. Het laserchirurgiesysteem moet daarom worden gekoppeld aan chirurgische planningssoftware en een navigatiesysteem. In zo’n geïntegreerd systeem kunnen de lasergegenereerde incisies in realtime worden gevisualiseerd in de preoperatief gegenereerde beeldgegevens. Chirurgen zouden op de monitor kunnen volgen hoe diep hun incisie al in het bot is doorgedrongen en hoe dicht ze bij neuronale risicostructuren zijn.

In het geplande onderzoeksproject zal de ontwikkeling van de chirurgische plannings- en navigatiesoftware de verantwoordelijkheid zijn van industriële partners met bewezen expertise op dit gebied.