31/10/2024
Door Ad Spijkers
Een nieuwe, door een robot ondersteunde laserprocedure maakt zachte craniotomie mogelijk terwijl de patiënt wakker is.
Om complexe hersenfuncties tijdens neurochirurgische ingrepen te kunnen testen, worden deze uitgevoerd bij wakkere, plaatselijk verdoofde patiënten. Hierdoor kunnen chirurgen met hen communiceren en controleren hoe hun procedure de hersenfunctie beïnvloedt. Maar het openen van de schedel terwijl hij wakker is, is voor de getroffenen psychologisch uiterst belastend.
Een nieuwe door een robot ondersteunde en optisch nauwkeurig bewaakte laserprocedure is bedoeld om een zachte, trillingsvrije en vrijwel stille craniotomie (het openen van de schedel) tijdens bewustzijn mogelijk te maken. Het botweefsel van de schedel wordt verwijderd met behulp van bestraling met laserstraling met korte pulsen. De procedure is ontwikkeld door het Fraunhofer Institut für Lasertechnologie (ILT) in Aken.
Psychologie
Alleen al de gedachte aan een hersenoperatie terwijl ze wakker zijn, doet veel mensen huiveren. De getroffenen worden geconfronteerd met een beangstigende procedure: tijdens de craniotomie (het openen van de schedel) wordt het botmateriaal verwijderd met behulp van mechanische instrumenten, wat de patiënten letterlijk shockeert. De waargenomen geluid en sterke trillingen veroorzaken ernstige psychologische stress.
Operaties bij bewustzijn worden meestal alleen uitgevoerd als voor de procedure slechts een kleine schedelopening nodig is, bijvoorbeeld voor diepe hersenstimulatie bij ernstige bewegingsstoornissen. Grotere craniotomieën, zoals die nodig zijn om hersentumoren te verwijderen, belasten wakkere patiënten te zwaar.
Controle
Wanneer tumoren worden verwijderd, biedt de mogelijkheid om tijdens de procedure met patiënten te communiceren een belangrijke controleoptie. Vooral als hersengebieden die cruciaal zijn voor taal- en motoriek worden aangetast, kunnen chirurgische teams daardoor testen of het verwijderen van weefsel functionele tekorten veroorzaakt. Dankzij de controlemogelijkheid konden onder meer tumoren radicaler worden verwijderd zonder dat de hersenfuncties aangetast werden. Dit biedt in de toekomst de mogelijkheid om de prognose van de getroffen patiënten te verbeteren.
De situatie is vergelijkbaar bij het implanteren van pacemakers voor diepe hersenstimulatie (DBS). Om hun werking tegen ernstige schudverlammingen, bijvoorbeeld als gevolg van Parkinson, te optimaliseren, moeten de hersenstimulatie-elektroden met hoge precisie in de getroffen hersengebieden worden gepositioneerd. DBS wordt succesvol gebruikt tegen schudverlamming. Desondanks zien veel patiënten nog steeds af van de procedure gezien de stressvolle aard van de wakkere craniotomie.
Contactloos opereren
Om de kansen op succes te kunnen benutten, is het belangrijk om de psychologische belasting van patiënten tijdens een craniotomie te verlichten. Voor dit doel ontwikkelden de onderzoekers in Aken een nieuw, door een robot ondersteund laserproces. De overstap van mechanische instrumenten naar lasertechnologie is bedoeld om craniotomieën vrijwel stil, trillingsvrij en dus zachter te maken, zodat neurochirurgische ingrepen veel vaker dan voorheen wakker kunnen worden uitgevoerd. Bovendien is de procedure bedoeld om het risico op verwonding van het hersenvlies tijdens craniotomie te minimaliseren door sensorische controle van het laserproces en het postoperatieve genezingsproces te verbeteren.
Met dit doel ontwikkelt het team in het Stella-project een efficiënt, veilig en grotendeels geautomatiseerd lasersnijproces. Het kernonderdeel is een CO2-laser met korte laserpulsen (120 ns). De korte pulsen zorgen ervoor dat er geen carbonisatie-effecten optreden als gevolg van warmte-inbreng op de snijkanten. Thermische schade aan botweefsel belemmert het genezingsproces. Door de korte werkingsduur verwijderen de ns-pulsen het harde weefsel zonder het omliggende weefsel noemenswaardig te verwarmen.
Het nieuwe laserproces zorgt voor schone en thermisch onaangetast snijranden. Maar in het dagelijkse ziekenhuisleven is efficiëntie ook belangrijk. Momenteel bereiken de onderzoekers verwijderingssnelheden van 1,6 mm³/s. Voor klinisch gebruik is een efficiënt snijproces 2,5 mm³/s vereist. Om dit te bereiken wordt gebruik gemaakt van een halfgeleiderlaser die is afgestemd op het botsnijproces.
Naar vastestoflaser
Voorheen werd de CO2-laserstraal via een scharnierende spiegelarm geleid. In het belang van verhoogde efficiëntie, reproduceerbaarheid en flexibiliteit heeft het ontwikkelteam het lasercraniotoom voorzien van een door een vezel geleide vastestoflaser die 100 ns korte laserpulsen uitzendt in het midden-infrarode spectrale bereik rond 3 µm. Licht met deze golflengte wordt heel goed geabsorbeerd door botweefsel, kan in een vezel geleid worden en is daardoor makkelijker te combineren met de robot dan CO2-laserstraling.
Bovendien kan de combinatie met de robotarm de weg vrijmaken voor verdere medische toepassingen. Dit is onder meer interessant voor ingrepen aan de wervelkolom, die riskant zijn vanwege de nabijheid van het ruggenmerg. Het risico kan worden geminimaliseerd door het sensorgestuurde kortepulslaserproces.
De voor het lasercraniotoom benodigde laserbron met een golflengte van 3 µm en een pulsduur van 100 ns is niet in de handel verkrijgbaar. Daarom ontwikkelde het instituut in Aken deze samen met industriële partners.
Sensorische bewaking
De bedoeling is dat de laserstraal daadwerkelijk alleen botweefsel verwijdert en dat de onderliggende structuren zoals de hersenvliezen of het ruggenmerg intact blijven. Hiertoe wordt het lasersnijproces bewaakt door een OCT (Optical Coherence Tomography) meetsysteem. Een meetbalk bovenop de snijbalk bepaalt de lokale snijdiepte en de resterende dikte van het bot. Het proces stopt voordat het bot wordt doorgesneden. De resterende fijne botlamellen kunnen vervolgens met weinig moeite en zonder risico op letsel uit het composiet worden verwijderd.
De nauwkeurig gecontroleerde botverwijdering zorgt voor een effectieve bescherming van het weefsel onder de schedel of in het wervelkanaal. Om dit te doen, evalueert software voortdurend de sensorsignalen die synchroon met het proces worden geregistreerd en verzendt de resultaten naar de real-time besturing van het laserchirurgiesysteem. Bovendien laat het inline OCT-sensorsysteem de chirurg zien hoe het verwijderen van het botweefsel vordert.
Nadat het vrijwel geruisloze snijproces is voltooid, kan de chirurg de losgemaakte schedelkap optillen om met de neurochirurgische procedure te beginnen. De botflap wordt vervolgens opnieuw ingebracht en groeit dankzij het zachte lasersnijproces snel weer samen met het omliggende weefsel.
Virtueel systeemmodel
Tijdens het ontwikkelingsproces kon een virtueel systeemmodel van het lasercraniotoom het team eventuele technische interferentie in het craniotomieproces onderzoeken en de invloed van individuele systeemcomponenten virtueel testen zonder de hardware te wijzigen. Hierdoor konden ze alternatieve scannermodellen testen, het proces uitvoeren met een geautomatiseerd stereotaxisch systeem of met een cobot. Op deze manier kon het team het gevirtualiseerde systeem efficiënt optimaliseren. Virtualisatie is een belangrijk hulpmiddel om op laser gebaseerde chirurgische systemen te ontwerpen en te testen en deze stap voor stap in de klinische praktijk te introduceren.
Foto: Fraunhofer ILT