Minder risico's met robot en laser

In vergrijzende samenlevingen behoren rugklachten tot de wijdverbreide ziekten. Uw redacteur weet daar alles van. De oorzaak is vaak een stenose van het wervelkanaal, een benige vernauwing van het wervelkanaal. Als de stenose op het ruggenmerg drukt, wordt de patiënt bedreigd chronische pijn en symptomen van verlamming.

Vaak helpt alleen een chirurgische ingreep. Alleen al in Duitsland worden jaarlijks de klachten bij ongeveer 111.000 patiënten zo ernstig dat alleen chirurgische decompressie helpt. Om dit te doen, gebruiken chirurgen hogesnelheidsfreesmachines om het wervelkanaal te openen en de vernauwingen die erin groeien te verwijderen. Maar de nabijheid van het ruggenmerg maakt decompressie een riskante procedure.

Een door een robot ondersteunde, optisch bewaakte laserprocedure zou het risico van dergelijke interventies in de toekomst kunnen helpen minimaliseren. De procedure is ontwikkeld door het ontwikkeld door het Fraunhofer Institut für Lasertechnologie (ILT) in Aken.

Riskante operatie

Dergelijke interventies vormen een uitdaging voor chirurgen. Frezen vergt een hoge contactdruk en dus het gebruik van kracht vereist, maar tegelijkertijd vraagt de directe nabijheid van het ruggenmerg en de zenuwwortel een grote gevoeligheid. Bij 1,5% van de bewerkingen komt de hogesnelheidsfreeskop, ondanks alle voorzichtigheid, in contact met het zenuwkanaal. De getroffenen lopen dan risico op blaas-rectale incontinentie of dwarslaesie.

Onnodig te vermelden dat dit leidt tot persoonlijk lijden en een ernstige vermindering van de levenskwaliteit van degenen die worden behandeld. Maar de catastrofale chirurgische uitkomsten gaan ook gepaard met psychologische stress voor de medische teams en aanzienlijke vervolgkosten voor de gezondheidszorg.

Om de risico's van operaties in de buurt van kritische neuronale structuren te minimaliseren, ontwikkelt een onderzoeksteam bij Fraunhofer ILT door robots ondersteunde laserchirurgiesystemen. Een oplossing voor het voorzichtig openen van de schedel bij neurochirurgische ingrepen is al ver gevorderd. Een kortepuls-laser vervangt de freesmachin en de snijdiepte wordt continu gemeten met behulp van optische coherentietomografie (OCT).

De onderzoekers willen deze aanpak in de toekomst bruikbaar maken voor chirurgische ingrepen aan de wervelkolom. Het idee van een robotondersteund laserchirurgiesysteem voor het nauwkeurig en veilig snijden van botten is al gepatenteerd.

Snijden in hard weefsel

Het principe van dergelijke laserchirurgiesystemen is gebaseerd op het feit dat het botweefsel wordt verwijderd met behulp van laserpulsen van nanoseconden. De korte pulsduur heeft het voordeel van een minimale thermische interactie met het omringende materiaal, wat verkoling van de snijranden voorkomt en het genezingsproces bevordert. Het zorgt ook voor een hoge mate van microchirurgische precisie. Alleen daar waar de infraroodlaserpulsen het harde weefsel raken, treedt lokaal een thermomechanisch effect op. Het water dat in het bot is opgeslagen, verdampt explosief en er ontstaan microkraters in het bot.

Om de bij chirurgische ingrepen vereiste verwijderingssnelheden in een behoedzaam snijproces te bereiken, bevochtigt een sproeinevelsysteem het oppervlak van het bot. Tegelijkertijd leidt een galvoscanner de laserfocus langs de beoogde snijlijn. Dit vermindert ook de thermische spanning op het omliggende weefsel.

Voor gebruik bij wervelkanaaloperaties is het essentieel om het snijproces te bewaken. Om dit te doen, wordt de snijdende laserstraal gesuperponeerd op een OCT-meetstraal, die de scanner ook over het botoppervlak geleidt. Het meetsysteem registreert het snijgebied driedimensionaal. De straal dringt door het botweefsel en kan vanaf een resterende dikte van circa 400 µm de dikte van de resterende botlamellen aan de onderkant van het snijgewricht bepalen.

De OCT-meting die synchroon met het snijproces wordt uitgevoerd, is de sleutel tot een betrouwbare en voor de veiligheid relevante controle van het snijproces op basis van de resterende botdikte. Zodra de vooraf bepaalde resterende dikte is bereikt, moet het snijproces automatisch stoppen. De chirurgen kunnen dan met weinig moeite en zonder de zenuwbanen in het wervelkanaal in gevaar te brengen het losgemaakte bot eraf tillen.

Veilige zorg

Door het lasersnijproces optisch te bewaken en nauwkeurig te controleren, zou het proces in de toekomst ernstige verwondingen aan het ruggenmerg en de zenuwwortel kunnen voorkomen. Tegelijkertijd kan worden verwacht dat het gebruik van het systeem ook de complicaties zal minimaliseren die het verblijf in het ziekenhuis na operaties met wervelkanaalstenose vaak onnodig verlengen.

De onderzoekers willen hun bestaande applicator voor wervelkolomoperaties, die is ontworpen voor operaties aan het hoofd, verder ontwikkelen. Deze bevat de optische functionele elementen zoals de scanner en optische lenzen en geleidt de gefocusseerde snijlaser en OCT-meetstraling langs de snijlijn. Deze applicator moet worden geminiaturiseerd en ontworpen als een ergonomisch handstuk, zodat chirurgen het huidige geautomatiseerde snijproces ook met de hand kunnen uitvoeren. Om nauwkeurige handgeleiding van de applicator te garanderen, wordt de chirurg ondersteund door een samenwerkend robotsysteem.

Terugkoppeling

Daarnaast wil het team als onderdeel van de verdere ontwikkeling een ander, voorheen onopgelost probleem aanpakken. Terwijl een freesmachine direct contact heeft met het bot en chirurgen directe haptische terugkoppeling geeft, moet deze terugkoppeling een omweg maken in de contactloze laser snijproces. De onderzoekers willen hiervoor de sensoren en actuatoren van een cobot gebruiken. Het kracht-koppelsensorsysteem van de cobot bepaalt het krachteffect op de robotarm. Op basis hiervan kunnen de actuatoren de chirurg vervolgens haptische terugkoppeling geven bij het handmatig geleiden van de laserapplicator.

Als de haptische terugkoppeling van de cobot wordt gekoppeld aan het OCT-sensorsysteem, kan de voortbeweging van het handstuk door de chirurg worden geregeld. Dit gebeurt op basis van het krachteffect, zodat pas plaatsvindt als het snijproces lokaal de gedefinieerde resterende dikte heeft bereikt. Door iteratie van lokaal microsnijden en geleiden, in combinatie met efficiënte verwijdering van hard weefsel, ontstaat een quasi-continu snijproces.

Behalve haptische terugkoppeling is de visuele oriëntatie van de chirurg cruciaal voor de veiligheid van gedeeltelijk geautomatiseerde laserchirurgie. Het laserchirurgiesysteem moet daarom worden gekoppeld aan operatieplanningssoftware en een navigatiesysteem. In een dergelijk geïntegreerd systeem kunnen de met de laser gemaakte sneden in real-time worden gevisualiseerd in de preoperatieve beeldgegevens. Chirurgen zouden de monitor kunnen gebruiken om te zien hoe diep hun snee het bot is binnengedrongen en hoe dicht ze bij risicovolle neuronale structuren komen.

Vervolg

In het geplande onderzoeksproject is de ontwikkeling van de chirurgische plannings- en navigatiesoftware in handen van industriële partners met bewezen expertise op dit gebied. Het bij Fraunhofer ILT ontwikkelde laserchirurgiesysteem zou preoperatief geplande incisies met een nauwkeurigheid van minder dan 1 mm kunnen implementeren.

Het onderzoeksdoel op lange termijn is, om door robots geassisteerde laserprocedures voor het snijden van hard weefsel te ontwikkelen als de gouden standaard voor operaties dichtbij kritieke structuren. Dit zou de angst kunnen wegnemen van honderdduizenden mensen die getroffen zijn door de gevolgen van ruggenmergletsel als gevolg van dergelijke operaties. Helaas worden die elk jaar voor vele duizenden patiënten wereldwijd nog een bittere realiteit.

Foto: Fraunhofer ILT, Aken / Ralf Baumgarten.