Лазерная резка отличается точностью и не требует физического контакта, что делает ее перспективным решением для хирургических процедур. Однако при работе с плотными тканями, например, с костью, скорость обработки оказывается недостаточной, а глубина проникновения – ограниченной. Специалисты из Базельского университета продемонстрировали способ, позволяющий делать разрезы хирургическим лазером гораздо глубже и быстрее, чем с помощью предыдущих лазерных систем.
Пилы, долота и дрели – инструменты, зарекомендовавшие себя в костной хирургии. В перспективе к ним могут присоединиться лазерные технологии, особенно при выполнении точных разрезов. Лазеры не создают механического воздействия, что уменьшает вероятность появления микротрещин и позволяет формировать специализированные сечения. Это облегчит, например, процесс имплантации суставов, в том числе индивидуальных, полученных с использованием 3D-печати.
Лазерные технологии уже применяются для воздействия на мягкие ткани. Однако при работе с костной тканью ранее существовало ограничение по глубине разрезов – не более 2–3 сантиметра. Этого было недостаточно, к примеру, для имплантации суставов. Ограниченная эффективность лазерной резки связана с формой лазерного луча.
Исследовательская группа под руководством доктора Ферды Канбаз, работающего на кафедре 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.
«Повышение мощности лазерного луча не является оптимальным подходом. Это могло бы вызвать обугливание костной ткани и оказать негативное влияние на регенерацию, — поясняет Ферда Джанбаз. Поэтому мы изменили форму лазера, а именно его профиль».
При работе с обычным профилем лазерный луч обладает наибольшей интенсивностью в центре и постепенно уменьшается к краям. Аналогичная ситуация наблюдается у луча фонарика, где свет наиболее концентрирован в центре и ослабевает с увеличением расстояния. Новый профиль отличается закругленным концом луча, что обеспечивает более равномерное распределение энергии лазерного луча по всей обрабатываемой поверхности, исключая резкое снижение интенсивности по краям, и, соответственно, объясняет его название – «цилиндр». «Более равномерная передача энергии позволяет лазеру резать быстрее и эффективнее», – отмечает аспирант и первый автор исследования Миньи Лю.
Для оценки эффективности были протестированы два лазерных профиля при работе с костями крупного рогатого скота. Чтобы избежать термического повреждения и обеспечить ровный срез, кость очищали и охлаждали с использованием сжатого воздуха и воды. Результаты экспериментов продемонстрировали, что лазер с обычным гауссовым распределением излучения проник в кость на глубину 2,6 сантиметра, тогда как лазер с новым профилем «цилиндр» — на 4,4 сантиметра.
Эффективность лазерной резки во многом определяется тем, что при использовании стандартной формы лазерного луча, стенки прорезаемого материала поглощают часть его энергии. На некоторой глубине энергии, достигающей нижней части материала, оказывается недостаточно для продолжения реза. Использование цилиндрического профиля позволяет решить эту проблему, поскольку энергия луча распределяется иным образом, не тратясь на стенки прореза.
В настоящее время ученые продолжают совершенствовать параметры лазерной резки, такие как глубина и скорость. Лазерный инструмент по-прежнему значительно менее эффективен по сравнению с традиционным металлическим: за секунду он способен удалить лишь приблизительно 0,4 кубического миллиметра материала, в то время как механическая пила – 11 кубических миллиметров, что в 20 раз превышает этот показатель. Это свидетельствует о том, что лазерная резка остается недостаточно быстрой, однако впервые достигает необходимой глубины.
«По словам Канбаза, на последующих этапах предстоит определить, каким образом систему можно приспособить к более трудным условиям, существующих в организме, и обеспечить защиту прилегающих тканей.
[Фото: University of Basel, Catherine Weyer]