激光光束强度分布对激光截骨术中深部骨组织切除的影响

用光而非刀切开骨头

外科医生越来越希望骨科手术更像精密工程而非木工活。传统的锯和钻速度快且可靠，但会振动、产生热量并损伤骨组织，留下碎屑和微观损伤，这会延缓愈合。本研究探讨是否通过精心整形的激光光束，能够比现有工具更高效、更温和地在骨内切出深而窄的通道——将安静、无接触的机器人骨科手术愿景推向现实一步。

为什么要用激光替代锯？

在全膝关节置换等手术中，外科医生必须快速且精确地去除大量致密骨。传统器械的去除速率大约为每秒 11 立方毫米，能达到约 70 毫米的深度，但其工作方式是研磨和锯切，会产生热量和机械应力。相比之下，激光可以非接触切割、沿复杂的三维路径行进，并且易于与成像和机器人引导集成。挑战在于速度：早期的激光系统切除骨组织的速度比锯慢好几倍，而且无法切入足够的深度来满足大关节手术的需求。

通过整形光束来决定切割形状

研究者将焦点放在 Er:YAG 激光上，这种激光已知能高效作用于骨组织，因为它针对水分和矿物成分。研究并未改变激光的波长或功率，而是改变能量在光束横截面上的分布。一种系统产生“高斯”剖面，光强在中心最强并向边缘衰减；另一种产生“拓扑帽（tophat）”剖面，光强在光束内几乎均匀。研究团队在相同的脉冲能量、时间参数和先进的水-气冷却条件下（用于保持骨温低）使用牛股骨进行比较。

更平坦的光束带来更深、更清洁的切割

当团队测量表面材料去除速率时，tophat 光束始终优于高斯光束。在干态条件下，tophat 剖面的去除速率约为每秒 1.58 立方毫米，大约是高斯光束的两倍，但表面有一定炭化迹象。在优化的水气冷却下——更接近临床的设置——tophat 光束仍然以接近两倍的速度去除骨组织。更重要的是，在大约 11 分钟的深切实验中，tophat 光束达到的最大深度为 44.51 毫米，而高斯光束为 26.51 毫米。该深度是此前在类似冷却条件下该类激光的记录的两倍多，且接近膝关节置换切割所需的尺寸。

光束形状如何改变能量利用

对切槽的微型 CT 扫描揭示了光束剖面为何如此关键。高斯光束在深度方向上形成逐渐变窄的 V 形沟槽，起到一个漏斗的作用，阻挡了大部分入射光；大部分光束能量无法到达槽底。相比之下，tophat 光束产生的通道更直、更均匀，其形状更接近光束本身，使有用能量能在被沟壁截断前更深入地穿透。沿深度的光束剖面测量证实，tophat 光束能在更长的距离上保持高于骨组织去除阈值的能量分量，克服了过去限制激光切割深度的关键瓶颈。

保持骨组织的活性与健康

如果激光将周围组织“煮熟”，再快再深也毫无意义。为此，研究组使用扫描电子显微镜检查骨组织，并采用拉曼光谱学来检测化学结构变化。在水冷切割条件下，位于切缘附近的骨细胞微腔仍然可见且完整，骨矿物和胶原的关键分子“指纹”也得以保留。只有在刻意过热的干态烧蚀样本中才出现炭化表面和燃烧的光谱特征。这些结果表明，在适当冷却下，即便是相对高功率的 Er:YAG 激光切割，也能实现深且快速的消融，同时将热损伤控制在非常薄的区域内。

这对未来手术意味着什么

对非专业读者而言，核心结论很简单：通过使外科激光光束的剖面更平坦，外科医生可以在保持骨组织健康的同时更快、更深地切割骨头。与传统光束形状相比，tophat 形状的 Er:YAG 光束几乎将切割深度和材料去除率都翻了一番，并在水气冷却辅助下仅造成极小的热损伤。尽管这些实验是在体外的动物骨上进行的，真实的手术室条件更为复杂，但这项工作表明“以何种方式”输送光能可能与“使用多少光能”同等重要。随着进一步改进和机器人引导，此类经光束整形的激光或许有朝一日能在速度上竞争机械锯，同时在精度和温和性上超越它们。

引用: 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

关键词: 激光骨科手术, Er:YAG 截骨术, 光束整形, 拓扑帽（tophat）光束剖面, 骨科机器人学