Les lasers coupent avec précision et sans contact – idéal pour la chirurgie. Le problème est que, dans les tissus durs comme les os, ils sont trop lents et ne coupent pas assez profondément. Des chercheurs de l'Université de Bâle ont démontré qu'il était possible de couper beaucoup plus profondément et plus rapidement avec un laser chirurgical qu'avec les systèmes laser précédents.
La scie, le burin et la perceuse sont des outils éprouvés en chirurgie osseuse. À l’avenir, des lasers pourraient s’ajouter à cette boîte à outils, notamment lorsqu’il s’agit de découpes très précises. Les lasers n'exercent aucune pression mécanique, ce qui permet de réduire les risques de microfissures et de permettre des découpes plus spécialisées. Cela faciliterait par exemple l’insertion d’implants articulaires, y compris des implants fabriqués sur mesure et imprimés en 3D.
Les lasers sont déjà utilisés pour les tissus mous. Cependant, dans le cas des os, les coupes n'étaient auparavant possibles que jusqu'à une profondeur de 2 à 3 centimètres, ce qui est bien trop superficiel pour les implants articulaires, par exemple. L’une des raisons expliquant les performances de découpe 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 annoncé une avancée majeure dans la revue Rapports scientifiques: Ils ont réalisé des découpes jusqu'à une profondeur de 4,5 centimètres en utilisant un profil différent du faisceau laser, c'est-à-dire une répartition différente de l'énergie dans le faisceau. Cela leur a permis d’éliminer la matière osseuse plus efficacement et plus rapidement.
Distribution d'énergie plus homogène
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. C'est pourquoi nous avons modifié la forme du laser, ou plutôt son profil. »
Dr Ferda Canbaz, Département de génie biomédical, Université de Bâle
Avec le profil habituel, la poutre est la plus forte au centre et s'affaiblit vers le bord. Ceci est similaire au faisceau d’une lampe de poche, qui est le plus brillant au centre et s’étend vers l’extérieur. L'intensité ressemble à une courbe gaussienne avec une pointe arrondie au milieu. Dans le nouveau profil, la pointe est coiffée, ce qui permet à l'énergie du faisceau laser d'être répartie plus uniformément sur toute la surface avant de retomber brusquement sur le bord, d'où le nom de « chapeau haut de forme ». « Comme l'énergie est transmise de manière plus uniforme, le laser coupe plus efficacement et plus rapidement », explique Mingyi Liu, doctorant et premier auteur.
L'équipe a testé les deux profils laser sur des os de bovins. L'os a été nettoyé et refroidi avec de l'air comprimé et de l'eau pour éviter les dommages causés par la chaleur et garder la coupe nette. Les essais ont montré que, alors que le laser avec la distribution gaussienne habituelle ne coupait qu'environ 2,6 centimètres de profondeur, celui avec le nouveau profil chapeau atteignait 4,4 centimètres.
Efficacité encore plus approfondie
« Un facteur clé pour l'efficacité de la découpe est le fait qu'avec le profil laser conventionnel, les parois de la découpe absorbent une partie de l'énergie. À une certaine profondeur, l'énergie au bas de la découpe n'est pas suffisante pour couper plus profondément.
Le profil haut de forme résout ce problème car l'énergie dans la poutre est répartie différemment et n'est donc pas consommée par les parois de la coupe.
Des progrès majeurs en profondeur de coupe
Les chercheurs travaillent désormais à optimiser davantage la profondeur de coupe et la vitesse de leur laser. La lame laser est encore nettement plus lente qu'une lame métallique : en une seconde, elle peut enlever environ 0,4 millimètres cubes, tandis qu'une scie mécanique peut enlever 11 millimètres cubes, soit plus de 20 fois plus. Cela signifie que le laser est encore trop lent, mais qu'il s'approche pour la première fois de la profondeur requise.
« Dans les prochaines étapes, nous devrons également étudier comment adapter le système à la situation plus complexe du corps. Il s'agit également ici 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 Fondation Werner Siemens. Ces développements font partie de la première étape du projet Innosuisse « Laser-Blade », une collaboration avec la société de technologie médicale Smith&Nephew.
