Nouveau record : le laser coupe l’os plus profondément que jamais

Les lasers coupent avec précision et sans contact – idéal pour la chirurgie. Le problème est que, dans les tissus durs comme l’os, ils sont trop lents et ne coupent pas assez profondément. Des chercheurs de l’Université de Bâle ont démontré un moyen de couper beaucoup plus profondément et rapidement avec un laser chirurgical qu’avec les systèmes laser précédents.

La scie, le ciseau et la perceuse sont des outils éprouvés en chirurgie osseuse. À l’avenir, les lasers pourraient s’ajouter à cette boîte à outils, notamment pour les coupes très précises. Les lasers n’exercent aucune pression mécanique, ce qui signifie qu’ils peuvent réduire le risque de microfissures et permettre des coupes plus spécialisées. Cela faciliterait, par exemple, l’insertion d’implants articulaires, y compris des implants sur mesure imprimés en 3D.

Les lasers sont déjà utilisés pour les tissus mous. En revanche, dans le cas de l’os, les coupes n’étaient auparavant possibles que jusqu’à une profondeur de 2 à 3 centimètres, bien trop faible pour les implants articulaires, par exemple. L’une des raisons des performances de coupe insuffisantes est la forme du faisceau laser.

Des chercheurs dirigés par le Dr Ferda Canbaz du Département de génie biomédical de l’Université de Bâle ont rapporté une avancée majeure dans la revue Scientific Reports : ils ont réalisé des coupes jusqu’à une profondeur de 4,5 centimètres en utilisant un profil différent du faisceau laser, c’est-à-dire une distribution différente de l’énergie dans le faisceau. Cela leur a permis d’enlever le matériau osseux plus efficacement et plus rapidement.

Une distribution d’énergie plus uniforme

« Augmenter l’énergie du faisceau laser ne serait pas une bonne solution. Cela pourrait carboniser l’os et avoir un impact négatif sur le processus de guérison », explique Ferda Canbaz. « C’est pourquoi nous avons changé la forme du laser, ou plutôt son profil. »

Avec le profil habituel, le faisceau est le plus intense au centre et s’affaiblit vers les bords. C’est similaire au faisceau d’une lampe torche, qui est le plus brillant au centre. L’intensité ressemble à une courbe gaussienne avec un pic arrondi au milieu. Dans le nouveau profil, le pic est tronqué, permettant à l’énergie du faisceau laser d’être distribuée plus uniformément sur toute la surface avant de chuter brutalement au bord, d’où le nom de top hat (haut-de-forme). « Parce que l’énergie est transmise plus uniformément, le laser coupe plus efficacement et plus rapidement », déclare Mingyi Liu, doctorante et première auteure.

L’équipe a testé les deux profils laser sur des os de bovins. L’os était nettoyé et refroidi avec de l’air comprimé et de l’eau pour éviter les dommages thermiques et garder la coupe nette. Les essais ont montré que, tandis que le laser avec la distribution gaussienne habituelle ne coupait qu’à environ 2,6 centimètres de profondeur, celui avec le nouveau profil top hat atteignait 4,4 centimètres.

Efficacité même en grande profondeur

« Un facteur clé de l’efficacité de coupe est le fait qu’avec le profil laser conventionnel, les parois de la coupe absorbent une partie de l’énergie. À une certaine profondeur, l’énergie au fond de la coupe n’est plus suffisante pour couper plus profondément.

Le profil top hat surmonte ce problème parce que l’énergie dans le faisceau est distribuée différemment et n’est donc pas consommée par les parois de la coupe. »

Progrès majeur en profondeur de coupe

Les chercheurs travaillent maintenant à optimiser davantage la profondeur et la vitesse de coupe de leur laser. La lame laser est encore significativement plus lente qu’une lame métallique : en une seconde, elle peut enlever environ 0,4 millimètre cube, tandis qu’une scie mécanique peut en enlever 11 millimètres cubes, soit plus de 20 fois plus. Cela signifie que le laser est encore trop lent, mais il approche pour la première fois de la profondeur requise.

« Dans le cadre des prochaines étapes, nous devrons également étudier comment adapter le système à la situation plus complexe dans le corps. Là, il s’agit aussi de protéger les tissus environnants », explique Canbaz.

Les travaux de l’équipe de recherche font partie du projet « Miracle », qui développe des technologies innovantes pour la chirurgie osseuse et est financé par la Werner Siemens Foundation. Les développements sont impliqués dans la première étape du projet Innosuisse « Laser-Blade », une collaboration avec l’entreprise de technologie médicale Smith&Nephew.

Article : Influence of laser beam intensity profile on deep bone ablation in laser osteotomy – Journal : Scientific Reports – DOI : Lien vers l’étude

Source : Basel U.