15. 08. 2024
Verfasst von: Tammo Ripken, Sonja Johannsmeier, Björn Spoida

Knochenzement mit dem Laser schonender entfernen

Aus einem Arbeitskanal tritt eine Laserfaser aus. Der Laserstrahl schmilzt Teile einer scheibenförmigen Probe auf. Dabei entsteht Schaum. — Beim Tausch einer Hüftprothese muss der fixierende alte Knochenzement komplett abgetragen werden. Ein Laser kann durch ein Endoskop nahe an den Behandlungsort geführt werden. Hier wird eine Zementprobe aufgeschmolzen und segmentiert.

Pro Jahr werden weltweit etwa eine Million Hüftprothesen erstmals implantiert oder ersetzt. Werden Prothesen ausgetauscht, muss erst der alte Knochenzement im Oberschenkelknochen entfernt werden – eine komplexe Prozedur. Das Laser Zentrum Hannover entwickelt ein neuartiges Endoskop-basiertes Lasersystem, mit dem Ärzte den alten Zement zukünftig bei besserer Sicht und schonender entfernen können.

Endoskop für bessere Sicht und höhere Sicherheit

Hüftprothesen verweilen zwar durchschnittlich 10 bis 15 Jahre im Körper, doch die Revision – das Einsetzen einer neuen Prothese – kommt bei Patienten relativ häufig vor. Damit diese gut halten, werden sie oft mit Knochenzement im Oberschenkelknochen fixiert. Der alte Knochenzement muss bei einem Tausch komplett abgetragen werden. Chirurginnen und Chirurgen können diesen bisher nur mit hohem Kraftaufwand mechanisch oder mittels Ultraschall entfernen. Beide Prozeduren sind sehr zeitaufwändig. Diese Praxis wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ändern.

KI verstärkt Kontrast zwischen Zement und Knochen

Das Forschungsteam entwickelt ein starres Endoskop, durch das es einen Laserstrahl, eine Kamera sowie Spül- und Kühlkanäle führt. Der Laser segmentiert zuerst den alten Zement, damit sich dieser leichter entfernen lässt. Das Videobild gibt dem Operateur dabei direkte Sicht auf den Prozess im Knocheninnenraum. Eine integrierte selektive Beleuchtung verstärkt zudem den Kontrast zwischen Zement und Knochen, sodass der Chirurg dazwischen besser unterscheiden und leichter navigieren kann. Künstliche Intelligenz (KI) kann außerdem dabei unterstützen, die charakteristischen spektralen Unterschiede optimal zu nutzen. Dies ist insbesondere wichtig, um gealterten Knochenzement zu erkennen, da dieser mit der Zeit seine charakteristische Farbgebung verliert.

Das Modell zeigt einen offenen und beleuchteten Knochenschaft, in den die Laserfaser in einem Arbeitskanal durch ein starres Endoskop geführt wird. — Die integrierte Belichtung und der Beobachtungskanal erlauben den Chirurginnen und Chirurgen, den Prozess des Zementabtrags im Knochen live zu überwachen.

Praktische und sichere Handhabung beim Lasern

Die Gruppe Biophotonik des LZH hat sich der spektroskopischen Analyse des gealterten Knochenzements, dem Laserabtrag sowie der Entwicklung eines klinischen Demonstrators gewidmet. Besonderes Augenmerk legt sie auf das Handstück: Während des Laserprozesses entstehen gesundheitsgefährdende Gase. Außerdem muss die Prozesswärme abgeführt werden, um Gewebsschäden zu vermeiden. Daher muss die Gruppe auch ein Kühlgas und eine Absaugung in kleinstem Bauraum integrieren. Beim Applikator-Design hat sie zudem Wert auf Wiederverwendbarkeit, praktische Handhabung und Konformität mit den geltenden Regularien gelegt. Das Handstück wird nun gemeinsam mit orthopädischen Chirurgen evaluiert.

In einem Anschlussprojekt verfolgt das Team das Ziel, die Operationsdauer zu verringern, den Eingriff für Patientinnen und Patienten schonender und sicherer zu gestalten und die Ergebnisse in die Anwendung zu bringen. Die ForTra gGmbH förderte das Projekt im Auftrag der Else Kröner-Fresenius-Stiftung.