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(huì)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(guó)就有約 111000個(gè)病例，病情嚴(yán)重到只能通過(guò)手術(shù)對(duì)椎管進(jìn)行減壓。外科醫(yī)生會(huì)使用高速切割機(jī)打開(kāi)椎管，以去除椎管內(nèi)生長(zhǎng)的束縛物。

　　椎管內(nèi)手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)

　　這種手術(shù)對(duì)外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性。銑削需要很高的接觸壓力，因此需要很強(qiáng)的體力，同時(shí)，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(huì)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(lái)個(gè)人痛苦和生活質(zhì)量下降之外，還給醫(yī)療團(tuán)隊(duì)帶來(lái)心理壓力，并給醫(yī)療系統(tǒng)帶來(lái)大量的后續(xù)費(fèi)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(jìn)行手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，弗勞恩霍夫國(guó)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(tuán)隊(duì)，正在推動(dòng)機(jī)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(kāi)顱解決方案，已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。

　　在這里，短脈沖激光器取代了銑床。此外，切割深度可通過(guò)光學(xué)相干斷層掃描（OCT）進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。他解釋說(shuō)：我們打算將來(lái)將這種方法用于脊柱外科手術(shù)。關(guān)于機(jī)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(qǐng)。

　　短脈沖激光和OCT 測(cè)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(jí)激光脈沖消融骨組織。短脈沖持續(xù)時(shí)間的優(yōu)勢(shì)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(jìn)愈合過(guò)程，而且還能確保顯微手術(shù)的高度精確性。這是因?yàn)橹挥挟?dāng)紅外激光脈沖擊中硬組織時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生局部熱機(jī)械效應(yīng)：儲(chǔ)存在骨骼中的水分會(huì)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(guò)程中達(dá)到外科手術(shù)所需的消融率，噴霧系統(tǒng)會(huì)濕潤(rùn)骨骼表面，同時(shí)振鏡掃描儀會(huì)引導(dǎo)激光焦點(diǎn)沿著預(yù)定的切割線移動(dòng)。這也減少了對(duì)周圍組織的熱應(yīng)力。用于椎管手術(shù)時(shí)，還必須對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。為此，切割激光束與OCT 測(cè)量光束疊加在一起，掃描儀也將OCT 測(cè)量光束引導(dǎo)至骨骼表面。

　　該系統(tǒng)能對(duì)切割區(qū)域進(jìn)行三維檢測(cè)：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(guò)程同步進(jìn)行的OCT 測(cè)量，是根據(jù)殘余骨厚度對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行可靠且高度安全控制的關(guān)鍵。一旦達(dá)到單獨(dú)定義的殘余厚度，切割過(guò)程就會(huì)自動(dòng)停止。然后，外科醫(yī)生就可以輕而易舉地抬起松動(dòng)的骨頭，而不會(huì)危及椎管內(nèi)的神經(jīng)束。

　　高科技實(shí)現(xiàn)安全醫(yī)療

　　Lenenbach 解釋說(shuō)：基于對(duì)激光切割過(guò)程的定時(shí)光學(xué)監(jiān)控和精確控制，我們的手術(shù)可以避免將來(lái)對(duì)脊髓和神經(jīng)根造成嚴(yán)重傷害。同時(shí)，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(huì)不必要地延長(zhǎng)椎管狹窄手術(shù)后的住院時(shí)間。

　　針對(duì)脊柱手術(shù)，弗勞恩霍夫研究人員正計(jì)劃進(jìn)一步開(kāi)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(jì)。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(cè)量輻射沿切口線移動(dòng)?，F(xiàn)在需要將這種應(yīng)用器微型化，并設(shè)計(jì)成符合人體工程學(xué)的手機(jī)，以便外科醫(yī)生也能手動(dòng)執(zhí)行目前的自動(dòng)切割過(guò)程。

　　外科醫(yī)生將得到協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)的支持，以便對(duì)涂抹器進(jìn)行精確的手動(dòng)引導(dǎo)。研究小組還計(jì)劃在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)過(guò)程中解決另一個(gè)以前未解決的問(wèn)題：銑刀與骨骼直接接觸，可為外科醫(yī)生提供直接的觸覺(jué)反饋，而這種反饋必須通過(guò)非接觸式激光切割過(guò)程中的迂回來(lái)提供。

　　為此，研究人員計(jì)劃使用協(xié)作機(jī)器人的傳感器和致動(dòng)器。這是因?yàn)閰f(xié)作機(jī)器人的力矩傳感器系統(tǒng)能確定機(jī)器人手臂上的力效應(yīng)，然后致動(dòng)器系統(tǒng)就能在手動(dòng)引導(dǎo)激光涂抹器時(shí)為操作員提供觸覺(jué)反饋。

　　如果將協(xié)作機(jī)器人的觸覺(jué)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(jī)頭的進(jìn)刀量，這樣只有在局部切割過(guò)程達(dá)到規(guī)定的殘余厚度時(shí)才會(huì)進(jìn)刀。局部微切割和進(jìn)刀的迭代，再加上有效的硬組織切除，將形成一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)的切割過(guò)程。

　　為外科醫(yī)生提供觸覺(jué)和視覺(jué)反饋

　　除了觸覺(jué)反饋外，外科醫(yī)生的視覺(jué)定位對(duì)半自動(dòng)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(gè)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(shí)時(shí)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(xiǎn)結(jié)構(gòu)有多近。

　　在計(jì)劃中的研究項(xiàng)目中，手術(shù)規(guī)劃和導(dǎo)航軟件的開(kāi)發(fā)將由在這一領(lǐng)域擁有成熟專業(yè)知識(shí)的行業(yè)合作伙伴負(fù)責(zé)。

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

　　長(zhǎng)期研究目標(biāo)是將機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。這將使成千上萬(wàn)的病人不必再擔(dān)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(wàn)病人的痛苦現(xiàn)實(shí)。

　　溫和、無(wú)聲的開(kāi)顱手術(shù)

　　為了在神經(jīng)外科手術(shù)中測(cè)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(jìn)行手術(shù)。這樣，外科醫(yī)生就可以與病人進(jìn)行互動(dòng)，測(cè)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(kāi)顱骨對(duì)他們的心理造成極大的壓力。對(duì)此，研究所開(kāi)發(fā)的一種新型機(jī)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(shí)進(jìn)行溫和、無(wú)振動(dòng)和幾乎無(wú)聲的開(kāi)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(kāi)顱手術(shù)的患者提供心理安慰。為此，Lenenbach 和他的團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一種創(chuàng)新的機(jī)器人輔助激光手術(shù)。從機(jī)械器械到激光技術(shù)的轉(zhuǎn)變，旨在使開(kāi)顱手術(shù)變得幾乎無(wú)聲、無(wú)振動(dòng)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(kāi)顱手術(shù)中腦膜損傷的風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)對(duì)激光過(guò)程的感官控制改善術(shù)后愈合過(guò)程。

　　本著這一目標(biāo)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一種高效、安全且基本自動(dòng)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(huì)產(chǎn)生碳化效應(yīng)。這是因?yàn)楣墙M織的熱損傷會(huì)阻礙愈合過(guò)程。由于照射時(shí)間很短，納秒脈沖在去除硬組織的同時(shí)不會(huì)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(guò)，在日常臨床實(shí)踐中，效率也很重要。Lenenbach 報(bào)告說(shuō)：目前的消融率達(dá)到了1.6mm³/s。在臨床應(yīng)用中，高效的切割過(guò)程需要2.5mm³/s。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們使用了專門針對(duì)骨切割過(guò)程的固體激光器。

　　以前，CO2 激光束是通過(guò)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(kāi)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(zhǎng)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(jī)器人結(jié)合。

　　與機(jī)械臂的結(jié)合還可以為進(jìn)一步的醫(yī)療應(yīng)用鋪平道路。除其他外，這對(duì)脊柱手術(shù)也很有意義，因?yàn)榧怪中g(shù)因靠近脊髓而存在風(fēng)險(xiǎn)。傳感器控制的短脈沖激光過(guò)程可以最大限度地降低這方面的風(fēng)險(xiǎn)。

　　由于激光開(kāi)顱手術(shù)所需的波長(zhǎng)為3μm、脈沖持續(xù)時(shí)間為100ns 的短脈沖激光源在市場(chǎng)上還沒(méi)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(kāi)發(fā)這種激光源。這樣就能達(dá)到目標(biāo)消融率，同時(shí)不會(huì)對(duì)周圍的硬組織造成熱損傷。

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