Neues Laserverfahren für Kraniotomien

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lastertechnik in Achen haben ein neues Laserverfahren entwickelt, dass eine schonendere und vibrationsfreie Kraniotomie ermöglicht.

Die Medizin weiß, dass das Öffnen der Schädeldecke für Patienten psychische Belastung bedeutet. Dennoch müssen die während neurochirurgischer Eingriffe in der Regel wach und nur lokal anästhetisiert sein, um komplexe Hirnfunktionen testen zu können. Deshalb wurde am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT nun ein neues, robotergestütztes und optisch präzises Laserverfahren entwickelt, das schonende, vibrationsfreie und nahezu lautlose Kraniotomien im Wachzustand ermöglicht. Das Knochengewebe des Schädels wird dabei mit kurzgepulster Laserstrahlung abgetragen.

Am Fraunhofer ILT erhofft man sich, so auch größere Kraniotomien durchführen zu können, etwa um Hirntumore zu entfernen. Denn damit gäbe es die Möglichkeit, auch hier kontrollieren zu können, ob im Zuge des Eingriffs Sprache oder Motorik betroffen sein könnten. Dank dieser Kontrollmöglichkeit wären unter anderem Tumore radikaler entfernbar, ohne dabei die Hirnfunktionen zu beeinträchtigen – was natürlich die Prognose der Patienten verbessern würde.

Verfahren auch bei Parkinson einsetzbar

Ähnlich verhält es sich beim Implantieren von Schrittmachern für die tiefe Hirnstimulation (THS). Um deren Wirkung gegen schwere Schüttellähmungen beispielsweise infolge von Parkinson zu optimieren, müssen die Elektroden zur Hirnstimulation hochpräzise in den betroffenen Hirnarealen positioniert werden. „Die THS wird heute sehr erfolgreich gegen Schüttellähmung eingesetzt. Aufgrund der belastenden Wach-Kraniotomie verzichten aber immer noch viele Betroffene auf den Eingriff, trotz der Erfolge, die diese Methode zeitigt“, sagt Dr. Achim Lenenbach, Leiter der Abteilung Lasermedizintechnik und Biophotonik am Fraunhofer ILT.

Genau hier soll das neuartige, robotergestützte Laserverfahren unterstützen. Der Wechsel von mechanischen Instrumenten zur Lasertechnik soll nahezu lautlose, vibrationsfreie und damit schonende Kraniotomien möglich machen, damit neurochirurgische Eingriffe sehr viel häufiger im Wachzustand erfolgen können als bisher. Zudem soll das Verfahren durch sensorische Kontrolle des Laserprozesses das Risiko von Hirnhautverletzungen bei der Kraniotomie minimieren und den postoperativen Heilungsprozess verbessern.

Kernkomponente CO2-Laser

Mit diesem Ziel entwickelt das Team im Projekt STELLA einen effizienten, sicheren und weitestgehend automatisierten Laserschneidprozess. Kernkomponente ist ein CO2-Laser mit 120 Nanosekunden (ns) kurzen Laserpulsen. Die kurzen Pulse stellen sicher, dass keine Karbonisationseffekte infolge von Wärmeeintrag an den Schnittkanten auftreten. Denn thermische Schäden am Knochengewebe behindern den Heilungsprozess. Durch die kurze Einwirkdauer entfernen die ns-Pulse das Hartgewebe, ohne das umliegende Gewebe nennenswert zu erhitzen. Das neue Laserverfahren hinterlässt saubere und thermisch unbeeinträchtigte Schnittränder. Doch im Klinikalltag kommt es auch auf die Effizienz an. „Wir erreichen aktuell Abtragraten von 1,6 Kubikmillimetern pro Sekunde“, berichtet Lenenbach. Für die klinische Anwendung bedürfe es im Sinne eines effizienten Schneidprozesses 2,5 mm³/s.

Bisher erfolgte die Strahlführung des CO2-Lasers über einen Gelenkspiegelarm. Doch im Sinne erhöhter Effizienz, Reproduzierbarkeit und Flexibilität hat das Fraunhofer-Team das Laser-Kraniotom mit einem fasergeführten Festkörperlaser ausgestattet, der 100 ns kurze Laserpulse im mid-infraroten Spektralbereich um 3 µm emittiert. „Licht mit dieser Wellenlänge wird sehr gut von Knochengewebe absorbiert, kann in einer Faser geführt werden und ist somit leichter mit dem Roboter kombinierbar als CO2-Laserstrahlung“, führt der Experte weiter aus. Außerdem könne die Kombination mit dem Roboterarm den Weg zu weiteren medizinischen Anwendungen ebnen. Interessant sei dies unter anderem für Eingriffe an der Wirbelsäule, die wegen der Nähe zum Rückenmark riskant sind. Durch den sensorisch kontrollierten Kurzpulslaserprozess lasse sich das Risiko minimieren.

Da die für das Laser-Kraniotom gefragte Kurzpulslaserquelle mit 3 µm Wellenlänge und 100 ns Pulsdauer kommerziell nicht erhältlich ist, entwickelt sie die Abteilung Laser und Optische Systeme des Fraunhofer ILT gemeinsam mit Industriepartnern. So rücken die avisierten Abtragraten ohne thermische Schädigung des umliegenden Hartgewebes in greifbare Nähe.

Sensorische Überwachung des Laserschneidprozesses

Um sicherzustellen, dass der Laserstrahl tatsächlich nur Knochengewebe abträgt und die darunterliegenden Strukturen wie die Hirnhaut oder das Rückenmark unversehrt bleiben, wird der Laserschneidprozess durch ein Optical-Coherence-Tomography-Messsystem, kurz OCT, überwacht. Ein dem Schneidstrahl überlagerter OCT-Messstrahl ermittelt die lokale Schnitttiefe und Restdicke des Knochens. Unmittelbar vor dem Durchtrennen des Knochens stoppt der Prozess. Die verbleibende feine Knochenlamelle kann danach mit geringem Kraftaufwand ohne Verletzungsrisiko aus dem Verbund gelöst werden. Der präzise geregelte Knochenabtrag sorgt für einen wirksamen Schutz des Gewebes unter dem Schädel oder im Spinalkanal. „Dafür wertet Software die prozesssynchron aufgenommenen Sensorsignale kontinuierlich aus und übermittelt die Ergebnisse an die Echtzeitsteuerung des laserchirurgischen Systems“, erläutert Lenenbach. Zudem zeigt die Inline-OCT-Sensorik den Operateuren an, wie der Abtrag des Knochengewebes voranschreitet. Sie können nach Abschluss des fast lautlosen Schneidprozesses den gelösten Schädeldeckel abheben, um mit dem neurochirurgischen Eingriff zu beginnen. Danach wird der Knochendeckel wieder eingesetzt und wächst dank des schonenden Laserschneidverfahrens schnell wieder mit dem umliegenden Gewebe zusammen.

Virtuelles Systemmodell

Ein virtuelles Systemmodell des Laserkraniotoms ermöglicht es dem Team während des Entwicklungsprozesses, etwaige technische Störeinflüsse im Ablauf der Kraniotomie zu untersuchen sowie den Einfluss einzelner Systemkomponenten ohne Modifikation der Hardware virtuell zu testen. So konnte es alternative Scanner-Modelle erproben, den Prozess wahlweise mit einem automatisierten Stereotaxie-System oder auch mit einem kollaborativen Roboter durchführen und das virtualisierte System auf diese Weise sehr effizient optimieren. „Die Virtualisierung ist für uns mittlerweile ein sehr wichtiges Werkzeug, um laserbasierte Operationssysteme zu designen, zu testen und sie Schritt für Schritt an die klinische Praxis heranzuführen“, bilanziert Lenenbach. Für effiziente Entwicklungsprozesse sei das digitale Prototyping ein wichtiges Werkzeug.