Optical Feedback System for Smart Laserosteotome

English:
Summary:
Compared to traditional mechanical tools for bone cutting (osteotomy), laser offers several benefits, including functional cutting geometry (high axial and lateral resolution), contactless interaction without pushing (no momentum), reduced trauma, and consequently, accelerated healing. While pre-operative planning can help point the laser beam in the right direction, lack of real-time feedback about the type of tissue being cut risks iatrogenic damage due to body/laser movement or any other unexpected error. Therefore, real-time feedback during laserosteotomy is essential in order to avoid damage to adjacent soft tissues. Equally vital is the ability to monitor laser-induced thermal damage in order to control the irrigation system used for rehydrating and cooling down the tissue during laserosteotomy. Laser-induced thermal damage (e.g., carbonization) can slow down the cutting procedure and prolong the healing process. In this thesis study, an optical feedback mechanism based on laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) was developed to serve as a powerful label-free method for elemental analysis. For this purpose, a custom-made, high-resolution, broadband Echelle spectrometer with high optical throughput was developed. The portable LIBS system, coupled with multivariate spectrochemical analysis, was able to differentiate bone from its surrounding soft tissue (namely, bone marrow, muscle, and fat) and to detect laser-induced thermal damage — both with high accuracy in a single-shot measurement without any sample preparation. The feedback system was integrated into an efficient bone cutting system and was tested in a real-time closed-loop manner, to stop the ablation laser when it encountered the adjacent soft tissues that should be preserved, in situ. In the end, the system was miniaturized by delivering the high peak power laser beam through a highly flexible bend-insensitive fiber system with a tiny half-ball lens at the tip. The same optical fiber system was used to collect plasma emissions and transfer them to the spectrometer for analysis. The all-fiber LIBS system developed provides a stand-alone miniaturized feedback mechanism suitable for intraoperative tissue characterization in a minimally-invasive endoscopic procedure. This thesis study was part of the MIRACLE (Minimally Invasive Robot-Assisted Computer-guided LaserosteotomE) project, which aims to develop a robotic endoscope to perform laser-based, contact-free bone surgery.
German:
Zusammenfassung:
Im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Werkzeugen zum Knochenschneiden (Osteotomie) bieten Laser mehrere Vorteile, einschließlich funktioneller Schnittgeometrie (hohe axiale und laterale Auflösung), kontaktlose Interaktion ohne Druck (kein Impuls), reduziertes Trauma und folglich beschleunigte Heilung. Während die präoperative Planung dazu beitragen kann, den Laserstrahl in die richtige Richtung zu lenken, besteht bei fehlendem Echtzeit-Rückmeldung zu Art und Charakteristik des zu schneidenden Gewebes die Gefahr einer iatrogenen Schädigung aufgrund von Bewegungen zwischen Körper und Laser oder anderen möglichen unvorhergesehenen Fehlern. Daher ist eine Echtzeit-Rückmeldung bei der Laserosteotomie unerlässlich, um Schäden an benachbarten Weichteilen zu vermeiden. Da laserinduzierte thermische Schäden (z. B. Karbonisierung) den Schneidvorgang verlangsamen und den Heilungsprozess verlängern können, ist die Überwachung der laserinduzierten thermischen Schäden von entscheidender Bedeutung um das Spülsystem zu steuern, das zur Rehydratisierung und Abkühlung des Gewebes während der Laserosteotomie verwendet wird. In dieser Disseration wurde ein optischer Rückkopplungsmechanismus basierend auf laserinduzierter Durchbruchspektroskopie (LIBS) als markerfreie und leistungsstarke elementare Analysemethode entwickelt. Zu diesem Zweck wurde ein maßgeschneidertes, hochauflösendes Breitband-Echelle-Spektrometer mit hohem optischen Durchsatz entwickelt. Das entwickelte tragbare LIBS-System konnte in Verbindung mit einer multivariaten spektrochemischen Analyse Knochen vom umgebenden Weichgewebe, nämlich Knochenmark, Muskel und Fett, unterscheiden und laserinduzierte thermische Schäden mit hoher Genauigkeit bei der Einzelschussmessung erkennen, ohne jegliche Probenvorbereitung. Das Rückkopplungssystem wurde in ein effizientes Knochenschneidsystem integriert und in Echtzeit in einem geschlossenen Regelkreis getestet um den Ablationslaser zu stoppen, sobald dieser auf benachbarte, zu bewahrende Weichteile trifft. Am Ende wurde das System miniaturisiert, indem der Laserstrahl mit hoher Spitzenleistung durch ein hochflexibles, biegeunempfindliches Fasersystem und eine winzige Halbkugellinse an dessen Spitze abgegeben wurde. Das gleiche optische Fasersystem wurde verwendet, um die Plasmaemission zu sammeln und zur Analyse auf das Spektrometer zu übertragen. Das entwickelte All-Fiber-LIBS-System bietet einen eigenständigen miniaturisierten Rückkopplungsmechanismus, der für die intraoperative Gewebecharakterisierung in einem endoskopischen minimalinvasiven Verfahren geeignet ist. Diese Dissertation war Teil des Projekts MIRACLE (kurz für Minimally Invasive Robot-Assisted Computer-guided LaserosteotomE) mit dem Ziel, ein Roboterendoskop für die laserbasierte kontaktfreie Knochenchirurgie zu entwickeln.