在老龄化社会中，背部问题已成为一种普遍存在的使人衰弱的疾病。在许多情况下，其根本原因是椎管狭窄。椎管狭窄症（Spinal canal stenosis ）是指腰椎中央椎管、神经根管或椎间孔因发育性或后天获得性因素导致管腔内径减小，引起腰骶神经根、马尾或血管压迫的综合征。如果椎管狭窄压迫脊髓，就会导致慢性疼痛和瘫痪。以往，手术干预通常是唯一的解决方案。外科医生使用高速切割器打开椎管，去除内部生长的收缩体。然而，由于狭窄部位靠近脊髓，采用骨减压技术存在一定风险。目前，亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所 （Fraunhofer ILT）正在开发一种机器人辅助、光学监控的激光技术，有助于将此类手术的风险降至最低。

此类手术对外科医生来说极具挑战性。一方面，高速铣削需要高接触压力，因此需要充足的体力支撑；另一方面，靠近脊髓和神经根位置又需要极高的操作敏捷性。在1.5%的此类手术中，高速旋转的铣头仍然会接触神经束；因此，患者可能面临膀胱和直肠失禁或截瘫的风险。除了患者遭受痛苦和生活质量下降外，这种灾难性的手术还会给医疗团队带来沉重的心理压力，并为后续医疗保健系统产生可观的成本。

为了最大限度地降低在关键神经元结构附近进行手术的风险，由Fraunhofer ILT激光医疗技术和生物光子学系主任 Achim Lenenbach 博士领导的研究小组正在推动机器人辅助激光手术系统的发展。一种用于神经外科手术的温和型颅骨开口解决方案进展顺利。这种工艺采用短脉冲激光取代铣床。此外，使用光学相干断层扫描 (OCT) 连续测量切割深度。“我们打算在未来将这种方法用于脊柱外科手术，”他解释道。目前，已经为该机器人辅助激光手术系统提交了专利申请，该系统可以精确安全地切割骨骼。

这种激光手术系统的原理是基于使用纳秒激光脉冲消融骨组织。‌短脉冲持续时间在激光手术中具有多重优势，包括与周围材料热相互作用最小，从而防止切口边缘碳化并促进愈合过程；同时，它还可大幅提高显微手术精度。这是因为局部热应力效应仅在红外激光脉冲击中硬组织时发生：骨骼中储存的水分会爆炸性蒸发并在骨骼中形成微坑。

为了在温和的切割过程中达到外科手术所需的消融率，使用一款喷雾系统润湿骨骼表面，而扫描振镜会引导激光焦点沿着预期的切割线移动，这还可以减少周围组织的热应力。对于椎管手术，监控切割过程也是必不可少的。为此，切割激光束与 OCT 测量光束叠加，扫描振镜也会引导 OCT 测量光束穿过骨骼表面。该系统以三维方式检测切割区域：光束穿透骨组织，并可根据约400 µm的残余厚度确定切口底部剩余骨板的厚度。因此，与切割过程同步进行的 OCT 测量是基于残余骨厚度可靠且高度安全控制切割过程的关键。一旦达到单独定义的残余厚度，切割过程应自动停止。随后，外科医生可以轻松抬起松动的骨头，而不会对椎管内的神经束造成风险。

“基于预定的光学监控和对激光切割过程的精确控制，我们的手术未来能够在很大程度上防止脊髓和神经根受到严重损伤，”Lenenbach 解释道。同时，该系统的使用有望最大限度地减少并发症，而这类并发症以往则会延长椎管狭窄手术后的住院时间。

对于脊柱手术，Fraunhofer ILT的研究人员计划进一步开发他们现有的敷抹器。该敷抹器包含扫描仪和光学透镜等光学功能元件。现在需要将这种敷抹器小型化并设计为符合人体工程学的手持款，以便外科医生也可以手动执行目前自动化的切割流程。外科医生将得到协作机器人系统的支持，以精确手动引导敷抹器。研究团队还计划在持续开发过程中解决另一个未攻克的问题：虽然铣刀与骨骼直接接触并为外科医生提供直接触觉反馈，但在非接触式的激光切割过程中，这种反馈必须通过绕行提供。研究人员计划为此使用协作机器人 (cobot) 的传感器和执行器。这是因为 cobot 的力矩传感器系统确定了对机械臂的力作用，而执行器系统可以在手动引导激光敷抹器时使用该力作用为操作员提供触觉反馈。

除了触觉反馈，外科医生的视觉定向对于半自动化激光手术的安全性也至关重要。因此，激光手术系统将与手术规划软件和导航系统相连接。在这一集成系统中，激光产生的切口可以在术前生成的图像数据中实时可视化。外科医生可以在监视器上跟踪切口已穿透骨骼的深度以及切口与神经元风险结构的距离。

这项研究的长期目标是建立机器人辅助激光切割硬组织的手术流程，以此作为关键结构方面的手术黄金标准。鉴于此，成千上万的患者不再需要担心此类手术会对脊髓造成损伤。