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IGF-Projekt: 01IF22642N  (Projektlaufzeit: 2022 - 2025, Laufzeit Forschungsarbeiten: 2023-2025)

DIE HERAUSFORDERUNG

Bei mehr als 20 % der Menschen über 60 Jahre wird eine Verengung des Wirbelka-nals beobachtet. In 1-5 % der Fälle sind starke Schmerzen und erhebliche Mobilitätseinschränkungen bis hin zu Lähmungen die Folge. Bei der operativen Behebung der Verengung wird der Wirbelkanal bisher mithilfe von Diamantfräsen erweitert. Die fehlende Tiefenkontrolle des derzeitigen Verfahrens führt zu Verletzungsrisiken, wenn Knochengewebe in der Nähe empfindlicher Strukturen, wie der Dura mater, entfernt wird. Verletzungen der Dura mater müssen umgehend behandelt werden und führen zu erhöhtem Zeitaufwand während der Operation, zu einem längeren Krankenhausaufenthalt und einem langwierigeren Heilungsprozess. Die Herausforderung bestand darin, eine laserbasierte Methode zum Knochenabtrag mit Live-Vorausschau mittels optischer Kohärenztomographie (OCT) zu entwickeln. Für diesen Einsatz fehlten bisher belastbare Erkenntnisse zu geeigneten Laser-Parametern für einen konstanten Abtrag ohne thermische Schädigung.

DIE IDEE DES INNOVATIONSPROJEKTS

Das Ziel des IGF-Projekts war die Entwicklung eines handgeführten Demonstrators zur berührungslosen Knochenabtragung mittels Infrarotlaser. Dazu sollten geeignete Laserparameter im Infrarotbereich identifiziert werden, um einen Abtrag mit einer Präzision im 100- µm-Bereich, reproduzierbaren Abtragsraten und mit minimaler thermischer Schädigung des umliegenden Knochen-gewebes zu ermöglichen.

Die angestrebte visuelle Prozesskontrolle mittels OCT würde eine Vorhersage der Gewebestruktur unter dem gerade abgetragenen Knochengewebe ermöglichen, so dass ein Durchbruch vermieden werden kann. 

Als Demonstrator soll in dem Projekt ein Bearbeitungssystem mit Handstück entwickelt werden, das alle erforderlichen Technologien kombiniert und im Operationssaal eingesetzt werden kann. Der mit dem System ermöglichte Abtrag sollte in einer für eine klinische Anwendung realistischen Geschwindigkeit erfolgen.

DIE ERGEBNISSE

Knochenabtrag mittels einer Laserstrahlung mit 3 µm Wellenlänge zeigt deutlich homogenere Abtragungsflächen und wesentlich geringere thermische Schädigung als beispielsweise mittels Laserstrahlung mit 2 µm Wellenlänge. Es lassen sich differenzierte Parametersätze festlegen, die zu vorhersagbaren Abtragstiefen führen. So wurden in dem Projekt drei reproduzierbare Parametersätze identifiziert, für geringe, mittlere und hohe Abtragstiefen von etwa 0,5 mm, 1 mm und 2 mm bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 1,5 mm/s.

Ein in Kombination mit dem Laser eingesetztes Wasserspray ermöglicht eine konstante, oberflächennahe Bearbeitung bei gleichzeitiger Kühlung und Spülung der Operationsstelle. Durch das ergonomisch geformte, additiv gefertigte Handstück kann die Kombination aus Laser und Wasserspray präzise an die Operationsstelle geführt werden. 

In abschließenden Anwendertests bestätigte ein erfahrener Wirbelsäulenchirurg die hohe Präzision, die gute Ergonomie sowie das klinische Potenzial des entwickelten Demonstrators.

Unabhängig vom Abtragsprozess hat sich die OCT als geeignete Methode erwiesen, um die untere Knochenbegrenzung bereits in einem Abstand von 500 µm zur Dura mater festzustellen. Da jedoch bei dem entwickelten Abtragsprozess wesentlich mehr Knochengewebe in ei-nem Prozessschritt abgetragen werden kann, als durch die Vorraussicht der zur Zeit zur Verfügung stehenden OCT-Technologien abgesichert werden kann, bedarf es hier weiterer Forschungsarbeit.

KMU-NUTZEN

Die Ergebnisse bilden die Grundlage für neue laserbasierte Medizintechniksysteme zur präzisen Laserbearbeitung von Hartgewebe, insbesondere in der orthopädischen Chirurgie in Kliniken und Arztpraxen. Für die meisten Fälle von Knochenabträgen ist die OCT zur Echtzeit-Kontrolle bestens geeignet. 

Die Erkenntnis, dass ein Knochenabtrag  mithilfe einer Laserbestrahlung mit einer Wellenlänge von 3 µm am saubersten und mit wenig Schädigung des umliegenden Gewebes durchgeführt werden kann, ist sofort nutzbar. Die Ergebnisse können in anderen Chirurgie-Bereichen eingesetzt werden, bspw. in der Schönheits- und Kieferchirurgie, der Zahnmedizin und im HNO-Bereich.

Eine Kombination aus Abtragslasern unter OCT-Kontrolle könnte bei vielen weiteren Eingriffen eingesetzt werden, bei denen tieferliegende Gewebestrukturen, Nerven, Gefäße und Organe geschützt werden müssen, perspektivisch auch in der  Neurochirurgie.

KMU aus den Bereichen Lasertechnik, Optik, Bildverarbeitung, Software-Entwicklung und Medizintechnik können die hier gewonnenen Erkenntnisse für die Entwicklung neuer Produkte, Systeme und Dienstleistungen nutzen.

Laufzeit: 01.09.2022 - 31.12.2025