体内碎石术——激光碎石

  Laser 是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写词。激光系统的主要结构包括泵浦源、光振荡器和激光放大器。光振荡器一般由带反射镜的光谐振器和放大器组成。激光束由受激发射产生。用于泌尿外科领域的Ho:YAG激光器是闪光灯泵浦调Q激光器系统，而铥光纤激光器是二极管激光器泵浦主振荡器功率放大器（MOPA）系统。大多数都用在泌尿外科领域的激光器有掺钕的 YAG (Nd:YAG) 激光器，通过磷酸氧钛钾 (KTP) 将频率转换为 532 nm，掺铥或钬的 YAG (Tm:YAG 或 Ho:YAG) ) 2013 nm 或 2120 nm 的激光，以及 2000 nm 左右的掺铥双包层光纤（Tm 光纤）激光。所有这些激光器都是固态激光器，不同于气体、化学、半导体、染料和自由电子激光器。Ho:YAG 激光一直是治疗尿石症、良性前列腺增生、尿路上皮和膀胱肿瘤以及尿路狭窄或息肉的首选。

  介绍市售的Ho:YAG、Tm:YAG和铥光纤激光机。结石碎裂和组织破坏的机制方面与光热、光声和热机械消融有关；吸石率；以及具有流体吸收的激光光纤到石头的距离。最近，Tm 光纤激光器被引入泌尿系统疾病的治疗，并且已经讨论了许多可能的优势。不同公司不一样的规格的不同Tm光纤激光机将在不久的将来面市。临床医生在实际实践中需要时刻关注用户的观点，体外实验的结果可能与手术室内的结果不同。

  泌尿外科领域已使用多种激光器，如掺钕 YAG (Nd:YAG) 激光器与 KTP（磷酸氧钛钾；绿光）、掺钬 YAG (Ho:YAG) 激光器和掺铥激光器YAG (Tm:YAG) 激光器。它们主要是固态激光器，使用稀土掺杂材料，如 Nd、Ho 和 Tm。Ho:YAG激光自20年前推出以来，一直是泌尿外科领域治疗尿石症和良性前列腺增生的首选。最近，它的应用已扩展到尿路上皮肿瘤、尿路狭窄和息肉，表明它的多功能性。在本章中，我们将回顾激光的定义和机制，它们怎么样产生和传输能量，以及未来的展望。此外，我们将比较钬和铥光纤激光器 (TFL)，这是一种新推出的激光器。

  光是一种在空间中传输能量的电磁波。电磁波包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线，按频率分类。通常，光是指人眼可以检测到的电磁波，在紫外线所示。

  Laser 是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写词，由 Albert Einstein 在 1916 年概念性提出。第一个激光器，即红宝石激光器，由 TH Mainman 于 1960 年演示，并取得了显着进展在输出功率和能量方面，成为众多应用领域的重要工具，包括工业、通信、国防、光谱学和医学。这可以归因于其优异的特性，例如相干性、方向性、单色性和高强度。

  激光器的优点之一是它们能在从几十飞秒到几百纳秒的很短的时间间隔内以所谓的脉冲操作模式发射光，从而允许将非常高能量的光应用到非常局部的区域。很短的时间，这是其他方式没办法完成的。也就是说，只有激光器可以发射具有可调节脉冲宽度的相同能量光，由此产生非常高的峰值功率（通常计算为理想脉冲形状的脉冲能量除以脉冲维持的时间），如图6.2所示. 例如，如果激光在连续波 (CW) 模式下的输出功率为 1 mW，则它根本不会伤害组织或皮肤，甚至有可能感觉不到。然而，当脉冲宽度为 10 ns 的单个脉冲以相同的能量，即 1 mJ 脉冲能量和 100 kW 峰值功率施加时，它不但可以损伤组织和皮肤，而且强度足以切割或钻孔。金属板上的孔。

  脉冲宽度（或脉冲维持的时间）、脉冲能量、重复率、峰值功率和平均功率如图6.3所示。激光脉冲不具有如图左侧所示的矩形脉冲形状，而是理论上类似高斯，如图右侧所示。对于类高斯脉冲形状，脉冲维持的时间由半高全宽 (FWHM) 定义。平均功率是每秒能量传输的速率，1 W 定义为每秒 1 焦耳的派生单位。因此，平均功率变为脉冲能量乘以每秒的脉冲数，即重复频率 (Hz)，它是脉冲周期的倒数。

  激光系统的主要结构包括泵浦源、光振荡器和激光放大器，如图6.4所示。光学振荡器由带反射镜的光学谐振器和放大器组成。光学谐振腔基本上包括两个相对的平面平行或曲面镜，与激光材料的轴成直角，并提供高度选择性的反馈信号，在激光放大器中诱导受激发射。激光放大器包括激光介质并用作能量源。这两个反射镜在腔体的两端，一个高反射镜和一个部分反射镜作为输出耦合器。

  图6.4显示了激光振荡器的基本配置。向激光介质提供能量的作用称为泵浦，能够最终靠多种方式实现，例如吸收其他光能、放电和化学反应。在光泵浦系统中，泵浦源平行于被振荡器腔包围的激光介质。 激光介质的活性原子中的电子通过泵浦被激发到更高的能级，当它们下降到较低的能级时会发光。发射光的能量等于两个能级的差。一般来说，大多数材料中的受激电子会立即下降到较低的能级，不受约束地发光，称为自发发射。相比之下，激光材料中的电子在高能级上的停留时间比其他材料长得多，因此它们能在入射光信号的刺激下下降到较低的能级，发出与入射光信号具有相同特性的光，例如如频率、方向和相位。这样的一个过程称为受激发射，是激光工作的机制。作为一种构造方法，特定波长可以为每个单脉冲增加额外的能量。在粒子数反转的情况下，当受激发射的信号增益超过激光谐振腔中的损耗时，激光作用就开始了（图 3）。6.5)。

  大多数固态激光器的泵浦是使用光谱输出与增益介质的吸收带紧密匹配的辐射源实现的。电弧放电灯是激光的常用辐射泵浦源，称为闪光灯泵浦，具有高能量和低重复率。但是，尽管成本低，但它们的电光效率低，寿命短。闪光灯泵浦用于 Ho:YAG 和 Tm:YAG 激光器。

  二极管泵浦利用激光二极管作为泵浦源（DPSSL 通常是指二极管泵浦固态激光器）。二极管泵浦具有电光效率高、寿命长、运行稳健和紧凑的优点，但受到可获得的脉冲能量和高成本的限制。因此，应根据激光介质的物理配置和目标规格来选择激光泵浦系统。例如，若需要具有超过数十毫焦耳的高能量且重复频率小于 100 Hz 的激光系统，则闪光灯泵浦激光器是最佳选择。但是，若使用低能量激光束（数百微焦耳）在几百千赫兹以上的高重复率下治疗效果更好，则最好使用二极管泵浦激光系统。

  对于脉冲模式操作，激光系统要额外的元件。调Q技术通常用于获得脉冲宽度从亚纳秒到数百纳秒的高能激光脉冲。空腔的品质因数 Q 定义为存储在空腔中的能量与每个周期的能量损失之比。光振荡器中的调Q器件在短时间内将腔Q从低Q值恢复时产生高能调Q脉冲。另一种方法是放大来自功率放大器中的主振荡器的时间调制信号。这种方法在基于光纤的 MOPA 配置中大量使用。例如，在几十赫兹的能量超过几十毫焦 (mJ) 的 Ho:YAG 激光器具有闪光灯泵浦 Q 开关激光器配置。

  当激光应用于目标时，应考虑许多参数，例如波长、脉冲能量、脉冲维持的时间、重复率和光束质量。

  1.首先是激光波长，它决定了入射到目标上的光能的吸收率。例如，对于水分含量高的组织，使用发射~2.1 μm 的 Tm 或 Ho 掺杂激光器效率更加高，因为~2.1 μm 的吸水率比~1.0 μm 的吸水性强数百倍。

  2.下一个因素是脉冲能量。毕竟，激光以光的形式传输能量，在目标中产生热量。因此，脉冲能量越高，目标达到的瞬时温度就越高。

  3.尽管脉冲激光在相同波长下具有相同的脉冲能量，但激光与材料的相互作用特别大程度上取决于脉冲维持的时间。众所周知，脉冲宽度较短的激光脉冲可以在目标的打击点上产生较高的瞬时温度，但对周围的热损伤较小。这种关系类似于用锤子钉钉子。钉尖的锋利度和锤子施加的力分别对应于脉冲宽度和脉冲能量。然而，由于激光系统的损坏，可获得的脉冲能量受到脉冲维持的时间的限制，因此应选择针对应用优化的脉冲能量和脉冲持续时间。

  主要用于泌尿外科领域的激光器是掺钕的 YAG (Nd:YAG) 激光器，通过磷酸氧钛钾 (KTP) 将频率转换为 532 nm，掺铥或钬的 YAG (Tm:YAG 或 Ho:YAG) ) 2010 nm 或 2120 nm 的激光，以及 2000 nm 左右的掺铥双包层光纤（Tm 光纤）激光。所有这些激光器都是固态激光器，不同于气体、化学、半导体、染料和自由电子激光器。来自不同公司的Ho:YAG激光器由于规格不同，包括脉冲形状、重复率、峰值能量和光束质量，可以表现出不同的临床性能。实现脉冲操作的方式也限制了可获得的激光性能。一些工程差异可能不会显示出临床上的显着差异。YAG（钇-铝-石榴石）是一种合成结晶材料，常用作各种固态激光器的介质材料。有意将杂质引入这种晶格的过程称为掺杂，可以将钬或铥离子掺杂到这种晶体中，分别产生钬或铥激光器。所有 Ho:YAG、Tm:YAG 和 Tm 光纤激光输出都可以耦合到石英光纤传输电缆，从而使激光束以最小的能量损失传输到目标。光纤传输电缆足够细，易于弯曲，因此在输尿管软镜检查中非常有用。

  Ho:YAG一直是泌尿外科领域治疗尿石症、前列腺增生、尿道狭窄、尿路上皮肿瘤的首选药物。那是因为钬激光可以安全地在 0.4 毫米范围内被完全吸收，消融各种结石，并能用细而柔韧的激光纤维作为切割、消融和摘除组织。

  钬激光的发射波长在近红外范围内约为 2120 nm，在水中具有高度吸收性。在 2140 nm 处，水中的光学穿透深度约为 400 μm，因此 Ho 激光束热膨胀并蒸发水。由于闪光灯的大部分能量会加热谐振器，因此就需要一个大容量的冷却系统来保持原始能量和频率。单个振荡器的设置限制在 30 W 或以下，大功率钬激光机包含多个带有大型冷却系统的振荡器系统。

  市面上有许多不一样的规格的钬激光机。Lumenis在2014年发布了120W激光器，2017年在这台120W激光机中加入了第四代MOSES技术。由于空间多模态激光器的耦合限制，激光传输光纤的最细直径仍为200μm输出。激光发射时的噪音范围为 50 到 80 分贝，即交通繁忙的十字路口的噪音水平，噪音水平的差异取决于机器的大小和冷却系统的容量。下一代 Ho:YAG 激光有望提供一系列脉冲序列，来提升尿路结石和组织的消融率。吸收率高于Tm:YAG和铥光纤激光器等其他激光器。

  Tm激光器可用于连续波模式或脉冲模式。通常，用于泌尿外科领域的激光发射波长对于 Tm:YAG 激光器约为 2010 nm，对于 Tm 光纤激光器为 1940 nm。由于 Tm:YAG 激光不能用于碎石，其应用正在减少，本章不再讨论更多信息。

  与其他固态激光器不同，光纤激光器由于具有极大的表面积与体积比的波导结构，因此能理想地不受激光器工作过程中产生的热量的影响。因此，TFL 能够使用输出功率高达数百瓦的空气冷却系统，并且不需要像 Ho:YAG 激光器那样庞大的冷却系统。此外，由于其他固态激光器中使用的所有自由空间激光器组件，例如反射镜、偏振器和 Q 开关，都可以用光纤激光器中的等效光纤组件代替，因此光纤激光器可以非常结构紧密相连，从头到尾串联连接，运行非常稳健。此外，TFL 在操作 1700 nm 至 2100 nm 的激光波长方面具备极高的灵活性，可以针对应用目标来优化。例如，-1) 比在 2120 nm (3 mm-1) 的 Ho:YAG 激光。此外，TFL 具有非常出色的空间光束质量，其输出可以轻松耦合到直径为 50 至 100 μm 的传输光缆，这是多模 Ho:YAG 激光器没办法实现的。TFL 中每个脉冲可实现的峰值功率远低于 Ho:YAG 激光器，但由于光纤 MOPA 的操作灵活性，此缺点能够最终靠在高达数 100 kHz 的高重复率下操作以及长脉冲维持的时间来弥补配置。由于这些优良特性，一些市售的 TFL 被引入泌尿科领域。自 2005 年首次研究 TFL 对肾结石碎裂的适用性以来，利用 TFL 进行的体内研究一直很有限。结果看起来对激光碎石术和组织消融术很有希望。考虑到现有文献中报道的有希望的结果，应进行临床试验以显示 TLF 的完全适用性。

  激光已用于前列腺、泌尿道狭窄组织和尿路上皮肿瘤的结石碎裂和切口、消融或汽化。激光峰值功率的脉冲维持的时间、吸收系数的结石吸收率、流体吸收的激光光纤到目标距离是激光特性方面结石碎裂组织破坏的关键因素。

  1.第一种是光热消融，它通过接触碎石术最大限度地传输能量，具有更长的脉冲维持的时间，用于除尘和碎石。

  2.光声消融取决于脉冲维持的时间和能量。短脉冲和高峰值功率可能会引起光声消融。

  3.热机械烧蚀被称为爆炸汽化，以最大限度地向水传递能量，并且与吸水有关。短脉冲会导致由冲击波产生的气泡破裂引起的石头碎裂。如果激光的能量进入石头或组织中被水填充的空间，就会发生所谓的晶间空间或孔隙、水的汽化和热膨胀，因此导致裂缝，从而使石头碎裂并烧蚀组织。

  在光纤到石头的距离方面，Lumenis ®公司的 Moses 接触和距离模式提供了不同的 Ho:YAG 激光序列多脉冲，与单球面短脉冲和长脉冲轮廓相比。Moses 距离模式首先产生一个具有低能量和短维持的时间脉冲的大气泡，然后是更长、更高能量的脉冲，由此减少结石的反冲力并提高消融率。Moses 距离模式显示的碎片比 1 毫米距离的短脉冲多 100%。因此，这项技术很有用，特别是对于较小碎片和更好视力的石粉技术。其他脉冲调制技术，例如 Quanta 的“Virtual Basket”和 Jena Surgical ®具有较少反冲功能的激光器, 已投放市场。

  在体外实验中，由于能轻松实现更低的脉冲能量和更高的频率，TFL 显示出更高的破碎和除尘效率，其粉尘比 Ho:YAG 激光小得多。这可能意味着与使用 Ho:YAG 激光相比，使用 TFL 能够大大减少输尿管软镜的手术时间。TFL机器体积小，重量轻，占用的操作空间少。但是，该机器的高度应接近手术台的高度，以便于搬运。这可能说明我们必须记住，TFL 机器系统包括机器及其工作台，除非它位于内窥镜推车的架子内。即使考虑到 TFL 机器的实际尺寸包括机器及其工作台的复杂性，TFL 机器的重量也比所有 Ho:YAG 激光机轻得多。

  由于 Ho:YAG 激光需要消耗大量能量，它需要一个专用的 250W 大功率电源插座，并且可以使用该机器的手术室有限。相比之下，TFL 机器仅使用 110-220-W 标准电源插座。因此，它们可用于所有手术室。由于产生的热量过多，因此 Ho:YAG 激光系统需要更强大的冷却系统。因此，Ho:YAG 激光机可以发出高达 50 到 80 分贝的噪音，并干扰手术室的交流。激光射击的走走停停技术对于获得清晰的视力、检查激光纤维尖端的状态以及降低肾内压力和温度基本上是必要的。然而，TFL 机器产生的噪声明显低于 Ho:YAG 激光器。

  在反冲方面，当碎石、除尘或爆破期间的反冲较少时，结石消融率会增加。然而，结石碎片不仅可以通过激光在肾盏内漂浮和移动，而且在实际操作中也可以通过冲洗液。更少的反冲和更多的碎片和灰尘可能意味着外科医生必须增加冲洗速度以获得清晰的视野并增加漂浮在花萼内的碎片数量。小碎片可能隐藏在灰尘中，对应更长的导航时间和除尘时间。

  另一个有趣的小问题是，由于解剖学特征，当结石难以触及时，外科医生有时会尝试积极利用反冲。例如，在经皮肾镜取石术期间，当微型肾镜通过下极管前进时，上极中的结石可能难以触及。否则，在输尿管软镜手术中，结石可能位于肾盏内而没有合适的入路位置。在这些情况下，外科医生可以利用结石和冲洗液的反冲。因此，漂浮的石头会被这种漩涡效应（“爆米花”效应）打碎。所有这些点可能意味着有必要进一步研究激光、冲洗液和其他因素在实际实践中的反冲作用，以阐明其临床意义。

  非常低的脉冲能量、非常高的脉冲频率和非常长的脉冲持续时间可能会增加除尘效果以及手术效率。但是，应测试这些参数的上限和下限，以获得在实际实践中的安全性方面的临床意义。这可能意味着我们一定要问自己，有效的碎片化实际上需要多少能量和频率。这些参数可以减少输尿管软镜手术期间石篮的使用。然而，这可能意味着冲洗液的肾内温度升高和输尿管软镜操作不当造成的损害。此外，过长的脉冲持续时间可能导致附带的光热损伤和碳化。流体吸收过多的热量可能导致纤维到石头的距离不理想，这意味着增加的功率输出和热量产生。另一点是反冲、脉冲能量、频率和脉冲持续时间的参数不会被考虑用于进行经皮肾镜取石术。应在实际实践中测试激光光纤对外部冲击的脆弱性和耐用性，这些积极属性可以引起人们对 TFL 机器实用性的关注。

  本章回顾了激光的定义，激光是如何产生的，以及它是如何工作的。Ho:YAG 一直是泌尿系统疾病管理的首选，TFL 在实验中显示出可喜的结果。虽然宣传相关的信息很多，但临床医生在真实的操作中需要时刻关注用户的观点，体外实验的结果可能与手术室内的结果有所不同。