Влияние профиля интенсивности лазерного пучка на глубокую абляцию кости в лазерной остеотомии

Резать кость светом, а не лезвиями

Хирургам всё чаще хочется, чтобы операции на кости напоминали точную инженерию, а не плотницкую работу. Традиционные пилы и сверла быстры и надёжны, но они вызывают вибрацию, нагрев и повреждение костной ткани, оставляют мусор и микроскопические разрушения, которые замедляют заживление. В этом исследовании оценивают, может ли тщательно сформированный лазерный луч создавать глубокие узкие каналы в кости более эффективно и бережно, чем существующие инструменты — приближая идею бесконтактной роботизированной костной хирургии.

Почему заменять пилы лазерами?

При операциях, таких как тотальное эндопротезирование коленного сустава, хирурги должны быстро и точно удалить большие объёмы твёрдой кости. Обычные инструменты способны удалять кость примерно со скоростью 11 кубических миллиметров в секунду и достигать глубин около 70 миллиметров, но делают это путём шлифовки и пиления, что вызывает нагрев и механическое напряжение. Лазеры, напротив, режут без контакта с тканью, могут следовать сложным 3D-трассам и легко интегрироваться с визуализацией и роботизированным управлением. Проблема — скорость: ранние лазерные системы удаляли кость в несколько раз медленнее пил и не могли обеспечить достаточную глубину для крупных суставов.

Формирование пучка, формирующее разрез

Исследователи сосредоточились на лазере Er:YAG, уже известном своей эффективной работой с костью благодаря поглощению водой и минеральными компонентами. Вместо изменения длины волны или мощности они изменили распределение энергии в пучке. Одна система формировала «гауссов» профиль, где свет наиболее интенсивен в центре и ослабевает к краям. Другая формировала профиль «tophat», с почти равномерной яркостью по сечению пучка. На образцах бычьей бедренной кости сравнивали работу этих двух профилей при одинаковой энергии одиночных импульсов, временных параметрах и при продвинутом водно-воздушном охлаждении, призванном удерживать температуру кости низкой.

Глубже и чище с ровным пучком

При измерении скорости удаления материала с поверхности профиль tophat постоянно превосходил гауссовский. В сухих условиях tophat удалял кость примерно со скоростью 1,58 куб. мм/с, что примерно в два раза быстрее гауссового при некотором побочном эффекте обугливания поверхности. При оптимизированном водо-воздушном охлаждении — наиболее клинически релевантной конфигурации — tophat по-прежнему удалял кость почти вдвое быстрее. Ещё важнее, в экспериментах с глубокими разрезами, длившихся около 11 минут, tophat достигал максимальной глубины 44,51 мм по сравнению с 26,51 мм у гаусса. Эта глубина более чем вдвое превышает предыдущие рекорды для такого лазера при схожем охлаждении и приближается к размерам, требуемым для резов при замене коленного сустава.

Как форма пучка меняет использование энергии

МикрокТ-сканы каналов в кости объяснили, почему профиль пучка так важен. Гауссов пучок формировал V-образную борозду, сужающуюся с глубиной, действовавшую как воронка, блокирующая большую часть падающего света; большая часть энергии пучка так и не достигала дна. В отличие от этого, tophat создавал более прямой и равномерный канал, форма которого ближе соответствовала самому пучку, позволяя полезной энергии проникать глубже, прежде чем её перекрыли стенки. Измерения профилей пучка вдоль глубины подтвердили, что tophat сохраняет большую долю энергии выше порога, необходимого для удаления кости, на более длинном расстоянии, преодолевая ключевое ограничение глубины у лазеров в прошлом.

Сохранение жизнеспособности и здоровья кости

Скорость и глубина были бы бессмысленны, если бы лазер «варил» окружающие ткани. Чтобы проверить это, команда исследовала образцы в сканирующем электронном микроскопе и использовала рамановскую спектроскопию, показывающую изменения в химической структуре. При водяном охлаждении микроскопические полости, в которых располагаются костные клетки, оставались видимыми и неповреждёнными вблизи края разреза, а ключевые молекулярные «отпечатки» минеральной составляющей кости и коллагена сохранялись. Только намеренно перегретые образцы, аблированные в сухом состоянии, показывали обугленные поверхности и спектральные признаки реального горения. Эти результаты свидетельствуют о том, что при надлежащем охлаждении даже относительно мощные разрезы Er:YAG могут обеспечивать глубокую, быструю абляцию с термическим повреждением, ограниченным очень тонкой зоной.

Что это значит для будущих операций

Для неспециалиста главный смысл ясен: путем выравнивания профиля хирургического лазерного пучка хирурги могут резать кость быстрее и глубже, при этом сохраняя её здоровье. Пучок Er:YAG формы tophat почти вдвое увеличивает как глубину реза, так и скорость удаления материала по сравнению с обычным профилем и делает это с минимальным тепловым повреждением при помощи водо-воздушного охлаждения. Хотя эксперименты проводились на животной кости вне тела, и реальные условия в операционной сложнее, работа демонстрирует, что «как» доставляется свет может быть так же важно, как и «сколько» света используется. С дальнейшей доработкой и роботизированным управлением такие лазеры с формированным пучком однажды могут соперничать с механическими пилами по скорости, превосходя их по точности и деликатности.

Цитирование: Liu, M., Hamidi, A., Blaser, D. et al. Influence of laser beam intensity profile on deep bone ablation in laser osteotomy. Sci Rep 16, 7101 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37117-6

Ключевые слова: лазерная хирургия кости, Er:YAG остеотомия, формирование пучка, профиль лазера «tophat», ортопедическая робототехника