激光在软组织手术中的应用
激光器是一种通过电磁辐射的受激发在光学放大过程中发射光子的装置。激光是“受激辐射的光放大”的简称。自20世纪80年代激光首次进入泌尿外科科研及临床工作者的视野以来,激光已经被广泛用于多种软组织疾病及结石治疗。虽然钬激光目前已成为治疗泌尿系结石的金标准,但其他不同波长的激光器也被用于治疗多种软组织疾病,例如尿路狭窄、良性前列腺增生(BPH)、尿路上皮癌、生殖器皮肤病变等(Marks and Teichman,2007;Heinrich et al,2010;Zarrabi and Gross,2011)。
激光是电磁辐射的来源,其发射包括非可见光和可见光波长的能量束。我们在手术中可以利用激光的特性达到治疗效果。所有激光器都具有三个通用组成部分——激励源、工作介质和谐振腔。光由工作介质产生,工作介质可以是固体、液体或气体。为了产生激光,工作介质内的大部分原子或分子必须吸收能量进入高能级状态,这个过程也叫跃迁。激励源激发工作介质中的原子并产生粒子数反转,这是原子或分子处于随时能受激发射的激发态(Troup,1963;Siegman,1986)。
激光器的激励源有很多种类型。大体上,激光器是通过电流或不同波长的光来激励。泵浦光可以由灯管或不同波长的激光器产生。具体使用哪种激励源是基于具体激光类型,但是总的来说,都是为了在平行光束中产生激光(Siegman,1986;Teichmann et al,2007)。
光是一种电磁波,代表了空间能量的聚集。每个波都以一束能量或以被称为光子的粒子形态存在。光子发射并激励周围的原子,额外的光子被释放。它们的能量和行程与光波相同。所以所有光具有相同的波长和传播方向,使光高度有序同相排列被称为相干性。长管或圆柱体对于此过程是理想的,但不实用。谐振腔是利用反射镜反射光线而形成的,从而使其有很多通路穿过工作介质。其中一小部分放大的光从谐振腔中逸出就形成了我们见到的激光束(Stein and Kendall,1984a;Stein,1986;Welch et al,1989)。
激光具有特定的属性:①单色性好,具有单一波长;②相干性好,激光的空间相位是一致的;③方向性,激光的发散角很小,故经过长距离传播后仍能保持亮度。当光线集中在一个小点上时,明亮的激光具有很高的强度,正是这种特性使其成为一种有用的手术工具,同时也是一种潜在的危险(Stein and Kendall,1984a;Welch et al,1989)。
激光的波长可以分布在光谱的紫外光、可见光或红外光部分中。大多数激光器发射有一个或几个波长,比如氩激光(488nm-蓝光,514nm-绿光);掺钕钇铝石榴石激光(1064nm和1318nm);掺钬钇铝石榴石激光(2100nm)(Stein and Kendall,1984a;Teichmann et al,2007)。
1.脉冲波和连续波激光器
根据激发能量的施加方式和激光腔的配置方式,激光的输出光束分为脉冲波或连续波。单个脉冲的持续时间和能量大小是可变的,这取决于激光的类型。脉冲波可以单独、成组或连续地在很宽的频率范围内传输。如果输出辐射大于0.25s,则此激光的输出光束被认为是连续波。连续波激光器提供连续且幅值恒定的输出,这能为临床提供稳定易控的激光仪器;而脉冲波激光提供脉冲能量,这对于碎石效果很好,但在软组织中可能比较难以控制(Teichmann et al,2007;Zarrabi and Gross,2011)。
激光的功率为单位时间内所释放的能量(P=能量/时间或W=J/s)。如果使用非常短的脉冲,即使只有少量能量也可以达到较高的功率。有几种技术可以压缩或缩短脉冲波,比如Q开关和锁模技术。Q开关以受控方式中断光束,使得激光作用延迟直到工作介质中发生最大的粒子数反转。与锁模技术(另一种用于缩短脉冲的技术)相比,它可以产生更低的脉冲重复频率,更高的脉冲能量和更长的脉冲持续时间。锁模技术可以与Q开关结合使用,可以通过光子在谐振腔中来回反射的方式产生超短脉冲。由于超短的持续时间,产生功率很高的脉冲(Stein and Kendall,1984a;Teichmann et al,2007;Zarrabi and Gross,2011)。
2.输送系统
所有医疗激光器都有一个输送系统,可以将激光能量导向传输至预定的目标位置。输送系统可以是刚性系统,如铰接臂;或柔性系统,如光纤玻璃纤维。光纤系统通常价格低廉而且功能多样;但是光纤材料并不能传输所有波长的激光。例如,二氧化碳(CO2)激光器的波长为10.6μm,它不能通过石英或玻璃纤维传输,而是需采用由一系列反射镜组成的铰接臂这种刚性系统来传输。最终的组织界面通常包含一个聚焦装置,以优化激光能量输送(Stein and Kendall,1984a,1984b;Marks and Teichman,2007;Teichmann et al,2007;Zarrabi and Gross,2011)。
3.光-组织相互作用
激光被组织吸收时具有波长依赖性。但是一些激光(与波长无关)也可能被组织的边界层所反射。这种情况可能会造成与手术目的无关的周围组织的热损伤和附带损伤。组织的光学特性及操作时的冲洗会影响激光反射的程度。由于这种过程不依赖于波长,因此在手术激光波长的选择上往往并不需考虑反射情况(Teichmann et al,2007)。
手术中激光能量也可能发生散射。因为散射的原因,一些激光能量会发散到手术目标组织以外的地方。激光的散射程度与波长相关,通常,与波长较长的激光相比,波长较短的激光具有更大的散射量。激光散射的问题是选择手术激光波长时需要重点考虑的(Teichmann et al,2007)。
光-组织相互作用中最重要的就是吸收作用。当激光束进入其被吸收的介质中时,激光能量密度是呈指数下降的,符合Beer-Lambert定律。即光线通过物质的透射率、物质吸收系数的乘积以及光线穿过材料的距离之间存在对数依赖关系。被吸收的激光能量转化为热能并增加目标组织的温度,如果能产生足够的热能,则能凝固和汽化组织。生色团是激光吸收所必需的物质,人体内的黑色素、血红蛋白和水是可用的生色团,其中血红蛋白和水在泌尿外科应用最为重要(Teichmann et al,2007;Zarrabi and Gross,2011)(图11-2)。(https://www.daowen.com)
图11-2 不同递质中的激光波长和吸收率关系的比较
4.激光类型
(1)掺钕钇铝石榴石激光器(钕激光):钕激光(Nd:YAG)激光波长为1064nm,它具有约1cm的穿透组织深度,它有止血和凝固组织的特性。从历史上看,它在泌尿外科已被用于前列腺可视激光消融术(VLAP)和组织间激光凝固术(ILC)治疗良性前列腺增生(BPH)。VLAP术是利用侧射光纤引导激光束产生60°~90°的侧射。光纤不直接与前列腺组织接触,但能在靶组织靶向上产生热效应致其发生凝固性坏死。术中凝固坏死的组织并未被完全清除,而是在术后几周内继发水肿脱落。30%的患者术后可能需要延长导尿管留置时间(Norris et al,1993;Cowles et al,1995;Muschter,2003)。
ILC是经尿道或会阴将光纤直接插入增生的前列腺组织中。与VLAP类似,前列腺组织也是在术后发生凝固性坏死并随后萎缩。手术可以在服抗凝药的患者中安全进行,但术后组织水肿明显。由于尿潴留的风险较高,术后留置导尿的时间需要延长,这通常需要7~21d。有文献报道术后2年内再次手术率高达20%,54个月内再次手术率高达50%,证明了其远期效果差(Perlmutter and Muschter,1998;Daehlin and Frugard,2007)。随着新的激光和技术的出现,Nd:YAG激光治疗BPH的方法已被淘汰。
(2)磷酸钛钾激光(绿激光):磷酸钛钾(KTP)激光也就是俗称的“绿激光”,本质是倍频的Nd:YAG激光。绿激光束通过KTP晶体,导致激光频率加倍、波长减半至532nm,从而产生可见光谱中的绿光。这种波长能被血红蛋白很好地吸收,在血管丰富的组织中只有1~2mm的组织穿透深度,而标准的Nd:YAG激光则有10mm。KTP激光被广泛用于光选择性前列腺汽化术(photoselective vaporization of the prostate,PVP)——通过顶端带有偏转设备的光纤产生非接触侧射来汽化血管丰富的前列腺组织。前列腺组织迅速升温并汽化,同时在汽化过程中形成了凝固带,提供了止血层。由于KTP激光组织穿透深度浅,所以引起的组织水肿较VLAP术轻,留置导尿时间短(Barber and Muir,2004;Mc Allister and Gilling,2004;Teichmann et al,2007;Zarrabi and Gross,2011)。
早期的KTP激光是低功率的34W系统,需要与标准的Nd:YAG激光联合使用。一种混合的激光技术,术者先进行VLAP术,然后再使用KTP激光切除膀胱颈部分。这样能改善标准的VLAP术后留置导尿时间长和下尿路症状重的缺点(Barber and Muir,2004)。随后,60W的大功率KTP激光出现了,它虽是脉冲波系统,但由于其脉冲的快速传递,事实上能模拟连续波激光的效果。大功率KTP激光的出现使得光选择性前列腺汽化术不再需要Nd:YAG激光的辅助(Kuromatsu et al,2006;Ruszat et al,2008)。更新型的80W KTP激光甚至能达到比传统的经尿道前列腺切除术(TURP)更好的疗效和更少的并发症(Kuromatsu et al,2006;Ruszat et al,2008)。
(3)三硼酸锂激光:120W三硼酸锂激光(LBO)的出现是为了进一步提高组织汽化的效率,特别是对于大前列腺患者,80W大功率KTP激光的手术时间仍需很长(Wosnitzer and Rutman,2009)。锂激光和KTP激光一样,波长也是532 nm,但是更高的功率使得光纤尖端和前列腺组织之间的工作距离由KTP激光的0.5mm增加到了3.0mm。更大的距离有助于保护光纤,并降低了操作难度。但是,其止血效果似乎没有80W大功率KTP激光好(Heinrich et al,2010)。最近,一种180W的锂激光与液冷光纤传输系统结合的新系统(Green Light XPS,AMS,Minnetonka,MN)进一步提升了组织汽化效率。欧洲GOLIATH 多中心研究结果表明,Green Light XPS倍频激光治疗仪与TURP手术效果相当。一项北美多中心的研究也证实,180W的新系统比120W的系统手术时间更短。但是,180W的系统具有更陡峭的学习曲线,研究表明需要120次操作才能安全有效地掌握其使用(Misrai et al,2014)。
(4)半导体激光:半导体二极管激光波长为808~980nm,其能量能被水高度吸收,而其激光特性类似于绿激光。但与Nd:YAG激光相比,二极管激光效率更高,它只需要一个标准的电源插,体积更加小巧,设计上对水冷的要求低。最近,人们对使用半导体激光器作为BPH手术工具的兴趣增加了。当发现较高功率的锂激光器在止血方面还不如较旧的80W KTP激光器时,大家转而使用波长980nm的半导体激光器。与锂激光相比,半导体激光似乎能提供更好的止血效果,但并发症发生率更高;术后尿频、尿急和附睾炎的发生比例升高与其使用有关(Chiang et al,2010)。
(5)掺钬钇铝石榴石激光器(钬激光) :钬激光(Ho:YAG)是一种波长为2140nm的脉冲激光,在泌尿外科用于软组织手术和碎石术。2140nm波长在水中能被很好吸收,在水介质中工作距离约0.5mm,使其成为泌尿道环境中的理想选择。在前列腺组织中,穿透深度约为0.4mm,由于其高能量密度,能使组织快速汽化。在此过程中也产生热量,并能凝固最大2mm深度组织中的小血管。
汽化的开始发生在与光纤尖端相邻的冲洗液中。激光的每个脉冲都会产生直径为几毫米的气泡。这些气泡是不可见,因为它仅存在约500μs——与激光脉冲持续时间几乎相同。在钬激光前列腺剜除术(Ho LEP)中,激光脉冲产生的这些气泡,能把前列腺组织与前列腺包膜分离。同时前列腺组织汽化并形成其白色纤维状外观。在该过程中产生的热量能起到止血作用。对于持续出血的血管,可以通过增加光纤尖端和出血血管之间的距离来“散焦”激光;这可以使之既能凝血,又很少的汽化或不汽化。
在Ho LEP技术出现之前,使用钬激光治疗BPH也经历了几个阶段。与KTP激光器类似,钬激光器最初是与绿激光器结合进行混合手术,即其中首先使用Nd:YAG激光进行VLAP,然后换钬激光切除到膀胱颈部,以减少术后留置尿管时间(Gilling and Fraundorfer,1998)。在这混合手术的基础上后面又诞生了钬激光前列腺汽化术(Ho LAP)——把激光能量用于汽化前列腺组织。这是一个相对容易学习的过程,但确实需要高功率的Ho:YAG激光器(80~100 W)和侧射式激光。然而,钬激光汽化速度缓慢,而对于大前列腺患者需要较长的手术时间来充分治疗。切除时如果太靠近组织,侧环纤维也会失效(可能是由于热破坏)(Tan et al,2003)。接着钬激光前列腺切除术(Ho LRP)也就随之诞生了。这项技术类似于TURP,也是要对前列腺进行大块切除。切除的前列腺组织块可以比TURP切除的稍大,但也必须保证要足够小到在切除完成时能够将它们从膀胱中冲出来。这种技术比钬激光前列腺汽化术更具挑战性,并且对大前列腺患者手术时间仍较长(Cresswell et al,1997)。接下来才出现钬激光前列腺剜除术(Ho LEP)——激光光纤如同开放手术时术者的示指,将前列腺中叶和两侧叶完整从外科包膜上剥离(即剜除)并推入膀胱。在引入有效的组织粉碎器之前,一些外科医师采用传统的经尿道电切环来完成将推入膀胱的前列腺切碎的操作。然而,组织粉碎器简化了这一过程,虽然它仍然有膀胱损伤的风险,但它似乎比使用经尿道电切环更安全且简便。Ho LEP几乎能达到无出血的手术视野,这既是因为钬激光波长产生的凝血,也是由于使用内镜尖端的广泛钝性分离(类似于开放耻骨后前列腺切除术中外科医师手指的作用)。Ho LEP被证明是一种高效的术式,对接受手术治疗的BPH患者具有持久的远期效果。它对于各种前列腺大小的患者都有效,并且患者正在抗凝治疗也不是手术禁忌(Elzayat et al,2005,2006;Tyson and Lerner,2009;Krambeck et al,2010)。然而,Ho LEP陡峭的学习曲线限制了其推广,且其他易掌握的术式也有很好的有效性。
(6)掺铥钇铝石榴石激光器(铥激光):铥激光(Thu:YAG) 是在约2000nm波长下工作的连续激光。它与钬激光的不同之处在于铥离子是被高功率激光二极管激发,而不是用像钬激发是被闪光灯激发。因此,使用铥激光可以减少热量产生并提高能效,并且不需要特殊的电气装置来操作激光器(Teichmann et al,2007)。与Ho:YAG激光相比,Thu:YAG激光波长更短,组织穿透深度更浅。铥激光的连续波输出特性使激光更像是直接切割的工作方式,而不是像钬激光脉冲输出造成组织撕裂和溅射的方式。当用铥激光切割组织时,能做到边切边凝的效果。凝固的组织保留一些水分,以便在之后继续有效地吸收激光能量(Teichmann et al,2007)
与其他激光器类似,铥激光用于治疗BPH也有多种使用方式。早期报道描述了一种用铥激光将前列腺切成片,被称为剥橘式铥激光前列腺切除术(Xia et al,2005)。之后“汽化+切割”同时进行的混合技术(vaporesection)也被证明是有效的(Bach et al,2010)。再之后,前列腺铥激光剜除术也被证实具有与Ho LEP相似的效果(Lancono et al,2012;Zang et al,2012)。
(7)二氧化碳激光器:CO2激光器产生波长为9.4~10.6μm的红外光束。它被水强吸收,能被用于包括皮肤科在内的多个医疗领域。它是一种输出功率与泵浦功率比能达到20%的高效连续波激光。红外光束带是通过一个内含多个反射镜的刚性臂传输的(Stein and Kendall,1984b;Malek,1992)。在泌尿外科中,它主要被用于治疗类似尖锐湿疣等的皮肤病变,但也能被用于保留阴茎的阴茎癌手术(Finkelstein,1984;Bandieramonte et al,2008;Colecchia et al,2009)。