下一代激光碎石术：我们需要什么？

来原：上海闵壹光电技术有限公司点击率：发布时间：2023.07.25

　　从历史的角度来看，应该记住，高功率、多柱钬激光发生器的开发主要是为了满足消融组织应用的需求，例如前列腺钬摘除术。直到最近才提出多组合钬发生器的高频范围(而非高功率范围)可为激光碎石术提供优势。这是因为用于输尿管镜手术的碎石技术——需要低脉冲能量和高频。然而，迄今为止，没有任何研究能够提供证据证明高功率钬激光发生器在碎石术中优于低功率发生器。我们在此提出了下一代激光发生器应满足的要求，以便为输尿管镜激光碎石术提供真正的优势。

　　一、较细的光纤维

　　先前关于输尿管镜钬激光碎石术的研究显示出有利于更细的激光纤维的多种优势：更好的冲洗流量、更好的器械偏转和更少的结石后退。另一个支持较细的激光纤维的主要潜在优势，是可以减小输尿管镜的工作通道直径，从而实现主要的整体仪器小型化。这将增加输尿管镜和输尿管或输送鞘之间的可用空间，从而增加冲洗流出量。最终结果将是灌注流量的整体增加、肾腔内更高的灌注周转率以及最重要的更好的能见度。一项关于钬激光碎石术的体外研究的另一个观察结果值得特别关注：在相同的激光设置下，最小尺寸的结石碎片是由最小的可用光纤(272 µm 芯直径)实现。这一观察结果对一水草酸钙 (COM) 和尿酸 (UA) 结石均有效，并且适用于所有评估的脉冲能量水平(0.5、1.0 和 1.5 J)。一种解释可能是较细的纤维能够使激光照射结石表面的较小区域，从而降低大碎片与初始结石分离的可能性。考虑到上述观察，激光碎石术需要尽可能小的光纤尺寸。这正是钬激光器的局限性;这些发生器只能安全地接受纤芯直径 ≥ 200 µm 的光纤。这是由于在激光发生器和传输光纤近端之间的耦合界面处聚焦不良的多模激光光束轮廓，这增加了发生器和光纤因发热而损坏的可能性。相比之下，铥光纤激光器产生更均匀和聚焦的激光束，可以传输到纤芯直径更小 (50–150) µm 的激光光纤。因此，铥光纤激光器为小型化的下一代输尿管镜手术提供了潜力，可以集成非常细的光纤。

　　二、较低的脉冲能量

　　使用较细光纤的一个已知限制，是在高脉冲能量水平下光纤尖端退化的风险。当纤芯直径除以2时，能量密度增加了4(图 5)。因此，根据经验，当纤芯直径除以 2 时，脉冲能量应除以 4。更长的脉冲持续时间也可以防止光纤尖端退化。可能会影响光纤尖端退化的第三个参数可能是时间脉冲，尽管尚未在任何研究中对此进行评估。

　　图 5纤芯直径、截面积和能量密度之间的关系。a 芯径除以二时，截面积除以四。b 当纤芯直径除以二时，能量密度增加4.

　　在这方面，铥光纤激光器与钬激光器相比具有几个潜在优势。值得注意的是，它可以提供低至 0.025 J 的每个脉冲能量，能够提供长脉冲持续时间(高达12 ms)并发射形状更均匀的时间光束轮廓(例如，顶帽或平顶)，使得能量比钬激光(表 1)，在整个脉冲持续时间内分布更均匀。

　　三、更高的频率

　　如上所述，激光光纤纤芯直径的任何减小，也要求脉冲能量成比例地减小。为了跟上结石消融的功效(随着时间的推移消融的结石量)，脉冲频率的补偿性增加是必要的。在这里，铥光纤激光器的构造架构再次优于钬激光器，因为脉冲频率可以达到 2000 Hz，而当前多源钬激光发生器的最大频率为80 Hz(表 1) .

　　四、文献评论

　　表 2 总结了先前比较钬激光和铥光纤激光用于碎石术的实验研究结果。多项研究报告称，当对草酸钙结石 COM 或尿酸 UA 结石进行碎石术时，使用铥光纤激光的结石消融速度快 1.5-4 倍。重要的是，在体外输尿管模型中，在高频率 (500 Hz) 和低脉冲能量 (0.035 J) 下发现冲洗温度有限上升至 39 °C。至于光纤与激光发生器的耦合，铥光纤激光能量传输(105 µm 芯径光纤)后光纤近端未发现损坏，而钬激光碎石(270 µm 芯径光纤)后所有光纤近端均损坏)。

　　表 2先前比较钬激光和铥光纤激光用于碎石术的实验研究

　　表 3 总结了探索铥光纤激光器工作特性的更一般的先前实验研究的结果。2005 年，关于铥光纤激光碎石术的第一份报告采用连续波发生器以脉冲模式运行，并证明了碎石术对 COM 和 UA 结石的可行性。此后，反复报道纤芯直径小至 50-150 µm 的光纤可以有效地将铥光纤激光束传送到泌尿系结石。此外，来自远端光纤尖端设计的一系列研究的累积证据表明，枪口尖端设计可防止在铥光纤激光传输过程中结石反冲。

　　对铥光纤激光光纤远端气泡形成的分析揭示了气泡流的形成，其中包含多个气泡膨胀和坍塌。这种现象让人想起摩西效应，该效应于 1988 年首次被描述为由激光照射水产生的蒸汽通道，并在纤维尖端和石材表面之间留下吸收系数低的开放路径。值得注意的是，铥光纤激光器的吸引结石效果已被证明在某些情况下是可以实现的。这种气泡流如何影响碎石术仍有待在未来的研究中详细说明。

　　铥光纤激光器的创新操作特性表明，这项新技术在泌尿系结石治疗方面具有巨大潜力。基于初步的体外研究，铥光纤激光器在很多方面都优于钬激光器：(1)纤芯直径小至50微米的更小光纤的集成;(2)脉冲能量低至0.025J;(3) 超高脉冲频率范围可达2000 Hz。这些新标准可能对不适合钬：YAG 激光的输尿管镜手术和腔道路径特别有利。