Fino ad ora, i laser chirurgici potevano tagliare l’osso solo molto superficialmente. Modificando la distribuzione dell'energia nel raggio laser, i ricercatori sono ora in grado di ottenere tagli significativamente più profondi rispetto a prima, mostrati qui su un osso bovino.
Un laser chirurgico di nuova generazione promette tagli ossei più profondi, precisi e senza pressione meccanica, riducendo microfratture e migliorando l’inserimento di impianti articolari personalizzati grazie a un innovativo profilo top‑hat
Avanza la chirurgia laser: tagli ossei più profondi con la nuova generazione di fasci.
La sega, lo scalpello e il trapano sono strumenti collaudati nella chirurgia ossea. In futuro, i laser potrebbero aggiungersi a questa cassetta degli attrezzi, soprattutto quando si tratta di tagli molto precisi. I laser non esercitano alcuna pressione meccanica, il che significa che possono ridurre il rischio di microfratture e consentire tagli più specializzati. Ciò renderebbe più semplice, ad esempio, l’inserimento di impianti articolari, inclusi impianti personalizzati stampati in 3D.
I laser sono già utilizzati per i tessuti molli. Nel caso dell’osso, tuttavia, in precedenza era possibile effettuare tagli solo fino a una profondità di 2–3 centimetri, troppo superficiale, ad esempio, per gli impianti articolari. Una delle ragioni delle prestazioni di taglio insufficienti è la forma del raggio laser.
I ricercatori guidati dalla dottoressa Ferda Canbaz (1) del Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell’Università di Basilea hanno ora riportato una svolta sulla rivista Scientific Reports (2): hanno ottenuto tagli fino a una profondità di 4,5 centimetri utilizzando un diverso profilo del raggio laser, cioè una diversa distribuzione dell’energia nel raggio. Questo ha permesso loro di rimuovere il materiale osseo in modo più efficiente e rapido.
Distribuzione più uniforme dell'energia
«Aumentare l’energia del raggio laser non sarebbe una buona soluzione. Questo potrebbe carbonizzare l’osso e avere un impatto negativo sul processo di guarigione», spiega Ferda Canbaz. «Per questo abbiamo cambiato la forma del laser, o meglio il suo profilo».
Con il profilo abituale, il raggio è più intenso al centro e diventa più debole verso il bordo. È simile al fascio di una torcia, che è più luminoso al centro e si attenua verso l’esterno. L’intensità ricorda una curva gaussiana con una punta arrotondata al centro. Nel nuovo profilo, la punta è appiattita, consentendo all’energia del raggio laser di distribuirsi in modo più uniforme sull’intera superficie prima di calare bruscamente al bordo, da cui il nome “top hat”. «Poiché l’energia viene trasmessa in modo più uniforme, il laser taglia in modo più efficiente e più rapido», afferma l'autore principale Mingyi Liu (3).
Il team ha testato i due profili laser su ossa bovine. L’osso è stato pulito e raffreddato con aria compressa e acqua per evitare danni da calore e mantenere il taglio libero. Le prove hanno dimostrato che, mentre il laser con la consueta distribuzione gaussiana tagliava solo fino a circa 2,6 centimetri di profondità, quello con il nuovo profilo top hat raggiungeva i 4,4 centimetri.
Efficienza anche a profondità maggiori
«Un fattore chiave per l’efficienza di taglio è il fatto che, con il profilo laser convenzionale, le pareti del taglio assorbono parte dell’energia. A una certa profondità, l’energia sul fondo del taglio non è sufficiente per tagliare più in profondità. Il profilo top hat supera questo problema perché l’energia nel raggio è distribuita in modo diverso e quindi non viene consumata dalle pareti del taglio».
Grandi progressi nella profondità di taglio
I ricercatori stanno ora lavorando a un’ulteriore ottimizzazione della profondità e della velocità di taglio del loro laser. La lama laser è ancora significativamente più lenta di una lama metallica: in un secondo può rimuovere circa 0,4 millimetri cubi, mentre una sega meccanica può rimuoverne 11, più di 20 volte tanto. Ciò significa che il laser è ancora troppo lento, ma per la prima volta si avvicina alla profondità richiesta.
«Come parte delle prossime fasi, dovremo anche indagare come possiamo adattare il sistema alla situazione più complessa all’interno del corpo. Lì si tratta anche di proteggere il tessuto circostante», spiega Canbaz.
Il lavoro del team di ricerca fa parte del MIRACLEII project, che sviluppa tecnologie innovative per la chirurgia ossea ed è finanziato dalla Fondazione Werner Siemens. Gli sviluppi rientrano nella prima fase del progetto Innosuisse “Laser-Blade”, una collaborazione con l’azienda di tecnologia medica Smith&Nephew.
Riferimenti:
(1) Ferda Canbaz
(2) Influence of laser beam intensity profile on deep bone ablation in laser osteotomy
(3) Mingyi Liu
Descrizione foto: Fino ad ora, i laser chirurgici potevano tagliare l’osso solo molto superficialmente. Modificando la distribuzione dell'energia nel raggio laser, i ricercatori sono ora in grado di ottenere tagli significativamente più profondi rispetto a prima, mostrati qui su un osso bovino. - Credit: University of Basel, Catherine Weyer.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New record: Laser cuts bone deeper than before