随着科技的飞速发展，激光技术在医学中的应用已经渗透到各个领域，为手术方式带来了革命性的变化。从眼科手术到肿瘤切除，激光以其高精度和低侵入性赢得了广泛认可。现在，亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）开发出一种全新的机器人辅助、光学精确监控的激光手术技术，利用短脉冲激光辐射消融颅骨组织，实现了温和、无振动、几乎无声的开颅手术。这项技术使外科医生能够在清醒、局部麻醉的患者身上进行神经外科手术，与患者互动，评估干预对大脑功能的影响。同时，它显著减少了患者在清醒状态下接受开颅手术所带来的心理压力，为神经外科手术提供了更舒适的解决方案。
许多人一想到在清醒状态下进行脑部手术就感到不寒而栗。患者面对的是一个令人恐惧的手术过程：在打开颅骨过程中，使用机械器械移除骨质，患者会被震得全身颤抖。强烈的噪音和振动对患者造成严重的心理压力。因此，如果手术只需在颅骨上开一个小口，例如在严重运动障碍情况下进行深部脑刺激（DBS），通常会选择清醒手术。然而，像切除脑肿瘤等需要较大开颅的手术，对清醒患者而言压力过大。
如果外科医生在切除脑瘤时能够与患者互动，那么在手术过程中就拥有了一个重要的控制手段。特别是当大脑中涉及语言和运动功能的关键区域受到影响时，手术团队可以实时评估切除组织是否会引发功能障碍。通过这种控制方法，可以在不损害大脑功能的前提下，更彻底地切除肿瘤，从长远来看，将显著改善患者的预后。类似的情况也适用于植入起搏器进行DBS。例如，为了优化脑刺激电极对帕金森病引起的严重震颤麻痹的疗效，必须将其精确定位于大脑的受影响区域。弗劳恩霍夫ILT激光医疗技术和生物光子学部主任Achim Lenenbach博士表示：“目前，DBS已成功用于治疗震颤麻痹。然而，尽管这种方法效果显著，但由于清醒开颅手术给患者带来的压力，许多患者仍然放弃了这种手术。”
机器人辅助激光手术：实现轻柔开颅
为了最大限度地提高手术成功率，医疗团队必须为接受清醒开颅手术的患者提供心理安慰。为此，Lenenbach博士和他的团队正在开发一种创新的机器人辅助激光手术系统。从机械器械转向激光技术，旨在使开颅手术变得几乎无声、无振动、轻柔，从而更频繁地进行清醒神经外科手术。该手术还旨在最大程度降低开颅过程中脑膜损伤的风险，并通过对激光过程的感知控制，改善术后愈合。
为实现这一目标，STELLA项目团队正在开发一种高效、安全、基本自动化的激光切割工艺。其核心组件是一台具备120 ns短脉冲的二氧化碳激光器。短脉冲确保在切割边缘输入的热量不会产生碳化效应，因为骨组织的热损伤会阻碍愈合过程。由于照射时间极短，纳秒级脉冲在去除硬组织的同时，不会显著加热周围组织。新的激光手术切口边缘干净、整洁、无热损伤。然而，在日常临床实践中，效率同样重要。Lenenbach博士报告说：“我们目前的消融率达到1.6 mm3/s。在临床应用中，高效的切割过程需要达到2.5 mm3/s。为实现这一目标，我们采用了专门针对骨切割过程的固体激光器。”
激光喷涂机集成了微型扫描仪、望远镜、OCT 传感器和光束位置监测功能
图源：Fraunhofer ILT
弗劳恩霍夫 ILT 开发的固体激光器：提升效率与精度
此前，CO?激光束是通过铰接式镜臂引导的。然而，为了提高效率、可重复性和灵活性，弗劳恩霍夫团队为激光开颅器配备了光纤传导的固体激光器，能够在约3 μm的中红外光谱范围内发射100 ns的短激光脉冲。专家表示：“这种波长的光被骨组织很好地吸收，并且可以通过光纤传导，因此比CO?激光辐射更易于与机器人集成。”与机械臂的结合还为进一步的医疗应用铺平了道路。这对于脊柱手术也具有重要意义，因为脊柱手术由于靠近脊髓而存在风险。传感器控制的短脉冲激光工艺可以最大程度降低这方面的风险。
高精度激光手术还可以使脊髓等风险结构附近脊柱的外科手术更安全，并降低相关患者受伤的风险
图源：Fraunhofer ILT
由于市场上尚无满足开颅手术要求的3 μm波长、100 ns脉冲持续时间的短脉冲激光源，弗劳恩霍夫ILT的激光和光学系统部门正在与工业合作伙伴共同开发这种激光源。这样既能达到目标消融率，又不会对周围的硬组织造成热损伤。
OCT监控：保障激光切割的安全与精确
激光切割过程由OCT（光学相干断层扫描）测量系统进行监控，确保激光束仅去除骨组织，不损伤脑膜或脊髓等底层结构。叠加在切割光束上的OCT测量光束能够确定局部切割深度和骨的残余厚度。当骨质即将被完全切割时，过程会立即停止。然后，剩余的薄骨片可以轻松、安全地取出。由于能够精确控制骨质去除，该过程可确保颅骨下方或椎管内的组织得到有效保护。Lenenbach博士解释道：“为实现这一目标，软件持续评估与手术过程同步记录的传感器信号，并将结果传输到激光手术系统的实时控制中。”在线OCT传感器系统还能向外科医生显示骨组织切除的进展情况。一旦几乎无声的切割过程完成，他们即可掀开松动的颅骨盖，开始神经外科手术。手术结束后，再将骨瓣重新插入。由于激光切割过程极为轻柔，骨瓣很快就能与周围组织愈合。
根据 OCT 扫描的测量数据在牛骨上进行圆形激光切割，叠加点云
虚拟系统模型：加速临床应用的关键
在开发过程中，激光开颅器的虚拟系统模型使团队能够研究开颅过程中的任何技术干扰，并在不修改硬件的情况下虚拟测试各个系统组件的影响。这使他们能够测试替代的扫描仪模型，使用自动立体定向系统或协作机器人执行该过程，并高效地优化虚拟系统。Lenenbach博士总结道：“虚拟化已成为我们设计和测试激光手术系统的重要工具，使其逐步接近临床实践。数字原型是实现高效开发流程的重要手段。”
原文链接：
https://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2024/november-2024/robot-assisted-laser-procedure-enables-gentle-craniotomy-while-patients-are-awake.html
科学编辑 | 佚名
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/wP_jCPUY70YRvJACx1OU8A
