激光以其高精度、非接触式操作的特性，一直是外科手术的理想工具。然而，在面对骨骼等坚硬组织（Hard tissues）时，传统激光系统始终受困于切割速度慢且深度不足的瓶颈。近日，来自巴塞尔大学（University of Basel）生物医学工程系的 Ferda Canbaz 博士团队在《科学报告》（Scientific Reports）上发表研究，展示了一种通过改变激光光束能量分布，显著提升骨切割深度与效率的新方法。这一突破有望使“激光刀（Laser-blade）”在复杂骨科手术中胜任深层切割任务。
物理机制：从“高斯分布”到“平顶分布”
激光之所以难以胜任深层骨切割，其根源在于光束的能量空间分布。传统激光光束多遵循高斯分布（Gaussian profile），即能量高度集中在中心，向边缘逐渐衰减。
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传统高斯光束的局限： 当切割加深时，切口的侧壁会吸收光束边缘的能量。随着深度增加，到达切口底部的剩余能量不足以维持有效的消融（Ablation），导致切割停滞。
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平顶光束（Top hat profile）的突破： 研究团队通过光学调制将光束能量分布整形为“平顶”状，使能量在整个光斑直径内均匀分布，并在边缘处陡然跌落。
实验数据：深度从 2.6 厘米跃升至 4.4 厘米
第一作者、博士生 Mingyi Liu 指出：“由于能量传输更加均衡，光束能量不再被切口侧壁无效消耗，从而实现了更深、更高效的消融。”
研究团队在牛骨样本上进行了对比测试，并辅以压缩空气和水喷雾进行实时冷却（Cooling），以防止骨组织炭化（Charring）：
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性能对比： 传统高斯光束激光的极限切割深度仅为 2.6 厘米，而采用新型平顶光束的系统成功达到了 4.4 厘米（实验室记录最高达 4.5 厘米）。
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精度优势： 与传统锯钻相比，激光切割不产生机械压力，极大降低了微裂纹（Microcracks）风险。
临床愿景：为个性化 3D 打印植入物铺路
尽管激光刀目前的切除率（约 0.4 $mm^3/s$）仍大幅落后于传统机械锯（约 11 $mm^3/s$），但其在复杂几何形状切割方面的潜力无可比拟。
Canbaz 博士指出，该技术是瑞士 Miracle 项目的核心组成部分，旨在为 3D 打印的定制化关节植入物提供亚毫米级的精准切口。目前，该研究已进入 Innosuisse 资助的 Laser-Blade 项目阶段，并与全球医疗器械巨头 施乐辉（Smith & Nephew） 展开深度转化合作。
研究团队下一步将致力于优化激光脉冲参数以提升切除效率，并研发实时监测系统以确保在人体复杂环境中保护神经与血管等周围软组织。
参考文献：Mingyi Liu et al, Influence of laser beam intensity profile on deep bone ablation in laser osteotomy, Scientific Reports (2026). DOI: 10.1038/s41598-026-37117-6
编辑：王洪
排版：李丽
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