钬:钇铝石榴石(Ho:YAG)和铒:钇铝石榴石激光碎石术(Er:YAG)
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1.基础物理
基于组织应用的激光物理在激光仪器中的软组织应用部分会详细讨论。
早期,钬激光碎石术存在不少问题。先前的技术,诸如红宝石和掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器应用的是光声或光机械过程,而光能产生碎石的冲击波。与此相反,钬激光使用时的光热石破裂的假设是基于“光热石”的早期观察。光热过程涉及直接的光能量被石头表面吸收(“光”)。在显著的热扩散发生之前,会导致快速的温度(“热”)增加。
Chan和他的同事(1999)利用技术的结合,确定了钬激光碎石的主要模式是光热效应。质量损失实验表明,当石头-80℃处理时碎裂较少。正如预期的热机制,当在低于生理温度开始时,需要更多的能量以增加温度到碎裂阈值。在经过处理后,所有结石类型的化学分析,显示存在热分解成分。最后,同步摄影未能识别气泡膨胀或塌陷过程中的碎裂,并且测量的压力太低(200~2000kPa)以致不能导致石头碎裂。
消融的体积与受辐射的表面光子密度(通量)和脉冲能量有关。“摩西效应”是由流体的快速蒸发产生的,在光纤尖端和石头表面之间形成一个蒸汽通道,从而实现更直接的能量转移。虽然光声力不被认为是造成石头碎裂的原因,但间隙水蒸发很可能与碎片过程有关。而Nd:YAG激光碎石术、体外冲击波碎石术和液电碎石术中的拉伸和压缩力可能并不重要(Chan et al,1999)。
钬激光器产生细小的结石碎片,很大程度上是由于尿路结石的光热能量吸收而引起的。这导致加热区域的破裂和崩解,形成结石坑和碎片(Qiu et al,2010)。由于脉冲频率相对较长(250~350μs),钬激光器的效率远远低于其他较短脉冲激光器。因为铒激光器的脉冲持续时间较短,波长更长(2940μm),所以它们仍然可以产生小碎片,改善了钬激光碎石术的效果。
铒激光器类似于钬激光,亦是一种光学能量,对石头表面的辐射会导致温度的升高。铒激光器产生2940 nm的波长,使结石的光热吸收增加了5倍。虽然钬激光器中产生的冲击波不足以裂解结石,但铒激光器却也显示出改进的光声蒸汽泡力传输。铒激光器具有较高的声瞬态,在碎石杆和结石之间的流体接触界面中形成鱼雷形蒸汽泡。而钬激光器的蒸汽泡是梨形的,导致横向能量损失增加,产生微弱的冲击波,以至于对石头碎裂的效果差。
对于一水草酸钙,2940 nm波长铒激光碎石辐射阈值为0.47J/cm2,钬激光为7.36 J/cm2。在这个波长下可产生更深的结石坑和更大消融体积(Li et al,2006)。铒激光的有效光热和光声碎石术的结合可导致结石更快的碎裂,产生更大的结石碎片。体外研究表明,铒激光可产生更大的结石碎片;然而,两种激光器对于一水草酸钙和胱氨酸结石的碎石,当碎片直径小于1mm时,在临床上被认为是等效的。铒激光的软组织穿透深度为0.79μm,与钬激光0.5~1 mm相比,安全性明显提高。
铒激光技术存在的一个问题,便是在钬激光机中使用的羟基二氧化硅石英纤维材料是不被兼容的。尽管铒激光使用的蓝宝石纤维太脆且太厚,以致不能用于常规泌尿内镜手术,但是可使用半硬化仪器治疗唾液结石(Raif et al,2006)。ZBLAN氟化物玻璃纤维在反射损耗和光衰减方面具有良好的性能。但是,由于熔点低得多,其耐用性对临床应用来说是不够的。在将此技术应用于肾结石治疗之前,需要改善其机械、热和化学的纤维可靠性。采用带蓝宝石保护尖端和圆周包层的氟化物芯的混合纤维,可能有助于提供泌尿内镜手术所需的传输和灵活性(Qiu et al,2010)。
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要点:钬激光碎石术
•激光碎石术在体内碎石中用途广泛,可为泌尿生殖道几乎所有区域提供安全碎石。
•钬激光碎石主要是利用光热分解作用以及可能的光声作用促进碎石。
•激光输出可以根据速率(Hz),能量(J),脉冲持续时间(μs)和光纤尺寸(μm)进行调整。
•在输尿管软镜检查中,使用200μm纤维可以获得最大的弯曲度;然而,360μm的纤维可获得最大的效率。
•正确的激光光纤应用可以帮助减小镜体损坏可能性,并能延长光纤的重复使用寿命。
•碎石过程中使用的技术包括“描绘模式”和“爆米花”,它们会产生细小的石屑(排除消除),或用套石篮取出的粗碎屑。
•激光碎石术可以产生最小的碎片,并且对所有成分的结石都有效。
一种被称为“爆米花”的技术同时使用了激光碎石的光声和光热机制。激光的光声和光热特性是脉冲持续时间和能量的函数。更长的脉冲持续时间产生更大的光热功能。虽然大多数钬激光器的脉宽为250~350μm,但可调脉宽正在变得更加普遍。短脉宽冲击波的峰值功率较高。在输尿管模型中,增加脉冲持续时间从300~700μm可以减少了50%的结石碎片后退运动(Finley et al,2005)。脉冲持续时间与功率成反比,并且可以根据情况控制石头运动;这在解剖上难以到达的部位(即下极结石)或当许多结石存在于一个比较限制的区域时(即小盏)是有帮助的。光纤尖端放置在距离石头(和黏膜)数毫米距离的位置,蒸气泡产生的冲击波会使石头像爆米花一样弹起。当石头跳动时,间歇接触激光光纤会导致石头光热解体。随着时间的推移,“爆米花”效应继续产生越来越小的石头碎片,导致细小石头粉末化,这也能使结石轻而易举地排出。体外实验表明,当使用这种技术时,1.0 J和20 Hz的参数设置能使碎石效率最佳(Chawla et al,2008)。
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