國產(chǎn)超脈沖銩光纖激光碎石體外實驗研究

丁天福，肖 博，黃忠月，曾 雪，梁 磊，姬超岳，李建興

(北京清華長庚醫(yī)院泌尿外科，清華大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，北京 102218)

在結(jié)石治療方面，激光由于其微創(chuàng)、治療效果好、安全性高等各種原因，已經(jīng)成為結(jié)石的最重要治療方式，而鈥激光因其自身優(yōu)點，在臨床上應(yīng)用較多[1]。近年來，一種新型激光產(chǎn)品“超脈沖銩光纖激光”出現(xiàn)，在實驗室及臨床研究中的表現(xiàn)優(yōu)于鈥激光[2-3]，有逐步替代鈥激光的趨勢，成為激光碎石的主力。對于鈥激光結(jié)石手術(shù)，一種觀點認為將結(jié)石粉碎，無需將其取出，依靠輸尿管的蠕動性將其排出體外即可；而另一種則認為需要術(shù)中將結(jié)石取出，以提高結(jié)石清石率，前一種觀點稱之為“粉末化”，而后一種稱之為“碎塊化”。通過設(shè)置不同的激光參數(shù)可產(chǎn)生粉末化及碎塊化2種基本激光碎石模式，并將結(jié)石碎成不同的形態(tài)。其中“高能低頻”模式可以將結(jié)石“碎塊化”，而“低能高頻”則可以實現(xiàn)“粉末化”[4]，而針對超脈沖銩光纖激光，“粉末化”及“碎塊化”同樣適用，甚至由于銩激光性能更為優(yōu)越，會導(dǎo)致“細粉化”[5]。目前國內(nèi)應(yīng)用的激光產(chǎn)品大多數(shù)為國外進口，如今國產(chǎn)超脈沖銩光纖激光機器已初步研制成功，但還未在臨床投入使用，基于此，我們旨在研究國產(chǎn)超脈沖銩激光的最佳“碎塊化”“粉末化”激光參數(shù)設(shè)置，以便于臨床醫(yī)生更好的選擇與使用。

1 材料與方法

1.1 實驗材料激光設(shè)備選用波長為1 940 nm峰值、500 W的超脈沖銩光纖激光手術(shù)系統(tǒng)[以下簡稱“超脈沖銩光纖激光”,萊凱醫(yī)療器械(北京)有限公司]，光纖直徑為272 μm。為更好的模擬人體結(jié)石硬度及力學(xué)特性，本實驗中在國內(nèi)首次使用BegoStone結(jié)石，通過不同的粉水比模擬出人體最“硬”及最“軟”的結(jié)石，粉水比為15∶3模仿一水草酸鈣結(jié)石(硬石頭)，粉水比15∶5模仿尿酸結(jié)石(軟石頭)[6]，結(jié)石約5 mm×5 mm×5 mm，生產(chǎn)完成后，在25 ℃下干燥24 h，盡量減少不均勻性。實驗前，將結(jié)石放入生理鹽水中浸泡30 min。在進行激光激發(fā)前，使用吸水紙吸干表面水分進行稱重。

1.2 實驗方法將BegoStones結(jié)石放入一個上下直徑相同的試管內(nèi)，試管之間放置一個粗細可調(diào)節(jié)的篩網(wǎng)(3 mm或1 mm)，由1名泌尿外科醫(yī)生手持光纖進行碎石操作(圖1)，每次實驗前使用大芯徑光纖切割刀修剪光纖，并使用激光功率計進行測量，保證激光功率符合國家標準(100±20)%。激光能量及頻率范圍為0.8～2.0 J×8～30 Hz及0.1～0.3 J×100～300 Hz，操作時頻率或者激光能量其中一個條件固定不變，另一個條件逐步增加。激光連續(xù)激發(fā)碎石3 min，實驗結(jié)束后收集篩網(wǎng)上下兩側(cè)的結(jié)石碎塊及粉末，再次使用篩網(wǎng)人工篩選，并使用顯微鏡觀察挑選出符合“碎塊化”或“粉末化”的結(jié)石進行稱重(圖2)，記錄每次碎石的總重量、大小等，最后進行分析，計算出符合“碎塊化”及“粉末化”的結(jié)石重量及所占比重，每次實驗在同樣的條件下重復(fù)5次，最后記錄平均值。碎塊化評定標準：結(jié)石碎塊使用顯微鏡觀察、測量，直徑均小于3 mm。粉末化評定標準：結(jié)石粉末可以在水中漂浮或使用顯微鏡觀察、測量，直徑均小于250 μm。

A:上下同樣粗細的試管內(nèi)放置一可調(diào)節(jié)大小的篩網(wǎng)，結(jié)石置于篩網(wǎng)上；B:輸尿管軟鏡下視角，試管內(nèi)部，結(jié)石置于篩網(wǎng)上。

A: 經(jīng)過篩網(wǎng)、過濾后的“粉末化”結(jié)石；B: 激光“碎塊化”后的結(jié)石，每個直徑不超過3 mm。

2 結(jié) 果

超脈沖銩光纖激光碎石時，在0.8～2.0 J×8～30 Hz及0.1～0.3 J×100～300 Hz組合中，無論是硬結(jié)石還是軟結(jié)石，當頻率或者激光能量其中一個條件固定時，碎石效率隨著另一個條件的增加而增加。

2.1 “硬結(jié)石”粉末化及碎塊化結(jié)果在“硬結(jié)石”碎石時，當碎石能量與頻率為0.8 J×20 Hz時，碎石速率為(94.20±25.42)mg/min，“碎塊化”效率最高約為82.1%(P<0.05，表1)，碎塊化速率為(77.34±15.06)mg/min。當碎石能量與頻率為0.2 J×120 Hz時，碎石速率為(63.99±5.05)mg/min，“粉末化”效率最高約為84.3%(P<0.05，表2)，粉末化速率為(53.93±3.69)mg/min。

表1 “硬結(jié)石”碎塊化結(jié)果

表2 “硬結(jié)石”粉末化結(jié)果

2.2 “軟結(jié)石”粉末化及碎塊化結(jié)果在“軟結(jié)石”碎石時，當碎石能量與頻率為0.8 J×20 Hz時，碎石速率為(107.15±1.89)mg/min，“碎塊化”效率最高約為85.6%(P<0.05，表3)，碎塊化速率為(91.59±7.86)mg/min。當碎石能量與頻率為0.2 J×120 Hz時，碎石速率為(92.69±5.07)mg/min，“粉末化”效率最高約為87.5%(P<0.05，表2)，粉末化效率為(81.10±8.72)mg/min。

表3 “軟結(jié)石”碎塊化結(jié)果

表4 “軟石頭”粉末化結(jié)果

3 討 論

激光碎石手術(shù)由于其微創(chuàng)、安全、術(shù)后恢復(fù)快以及并發(fā)癥少等特點，在臨床廣泛應(yīng)用。超脈沖銩光纖激光在碎石中有幾個突出的優(yōu)勢：①由于鈥激光是多模態(tài)輸出光束的熱點，為防止聚集到一個點，所以鈥激光需要使用芯徑為200 μm或更大的光纖[7]，而銩激光光纖可以在更小的直徑下使用，節(jié)約了有限的工作通道，提供了更高的灌注量，同時配合軟性輸尿管時彎曲角度更大，有利于處理腎下盞結(jié)石[3,8]。②碎石效率及結(jié)石回退力優(yōu)于鈥激光，并且銩激光的能量、頻率設(shè)置范圍更廣，因此，使用超脈沖銩光纖激光能使結(jié)石“細粉化”[5]，并且已有多項研究表明，低脈沖能量、高脈沖頻率以及細的光纖直徑更適合于粉末化碎石[9]。基于上述研究結(jié)果，本研究使用人工結(jié)石，探索了國產(chǎn)超脈沖銩光纖激光的最佳激光參數(shù)設(shè)置參數(shù)，在以下功率組合中進行探索：0.8～2.0 J×8～30 Hz和0.1～0.3 J×100～300 Hz，光纖直徑為272 μm，脈沖寬度根據(jù)能量和頻率進行調(diào)節(jié)。

碎塊化+套石的碎石步驟包括先將結(jié)石擊碎成可套取的結(jié)石塊，然后再利用套石籃將碎石塊套出體外[10]。在本實驗中，采用“高能低頻”[11]進行碎石實驗，使用參數(shù)為0.8～2.0 J×8～30 Hz參數(shù)組合，根據(jù)KELLER等[12]在研究中對于碎塊化的描述，結(jié)石碎塊大小均勻且小于3 mm，同時根據(jù)CORRALES[13]等在臨床中的使用經(jīng)驗，為避免超過組織的安全閾值，我們在進行碎石效率實驗時，選擇功率在30 W以內(nèi)，最終通過觀察、計算，參數(shù)設(shè)計在0.8 J×20.0 Hz時碎塊化效率最佳，其碎塊大小較均勻，在“硬結(jié)石”中，碎石速率可達(94.20±25.42)mg/min，其中符合“碎塊化”質(zhì)量為(77.34±15.06)mg/min，在所有組合中“碎塊化”最高約為82.1%(P<0.05)，在“軟結(jié)石”中，碎石速率可達(107.15±1.89)mg/min，其中符合“碎塊化”質(zhì)量為(91.59±7.86)mg/min，在所有組合中“碎塊化”最高約為85.6%(P<0.05)。同時可以觀察到，激光頻率固定時，隨著激光能量的增加，其碎石效率隨之增加，但結(jié)石碎塊由于其單脈沖激光能量的緣故[14]，其碎塊大小不均勻，且碎塊化大小與激光脈沖能量大小成正比[15]，這就解釋了為什么隨著功率成倍數(shù)地增加，碎塊化效率沒有與之相對應(yīng)增加，反而減少，因為還需要更多時間將大塊的結(jié)石再次擊碎。

而粉末化的目的是將結(jié)石擊碎成“粉末”，通常其直徑應(yīng)<250 μm[16]，也有學(xué)者主張將其擊碎成亞微米級的顆粒，但無論如何定義，其基本要求為：直徑<250 μm的結(jié)石碎片，或者可以在檢查或者手術(shù)過程中漂浮，從而通過輸尿管鏡，其形狀類似于雪球[12, 17]。在軟性輸尿管鏡碎石手術(shù)中，通過將激光調(diào)節(jié)成低的能量和高頻率，來達到粉末化結(jié)石的效果，即“低能高頻”[18]，在本實驗中，我們使用參數(shù)0.1～0.3 J×100～300 Hz，同樣地，為了避免超過組織的安全閾值，也選擇30 W以內(nèi)的功率，最終我們得出0.2 J×120 Hz時粉末化效率最佳，在“硬結(jié)石”中，碎石速率為(63.99±5.05)mg/min，“粉末化”平均質(zhì)量為(53.93±3.69)mg/min，“粉末化”效率最高約為84.3%(P<0.05)；在“軟結(jié)石”中，碎石速率為(92.69±5.07)mg/min，“粉末化”平均質(zhì)量為(81.10±8.72)mg/min，“粉末化”效率最高約為87.5%(P<0.05)。當然這不意味著0.1～0.3 J×100～300 Hz參數(shù)不能粉末化碎石，只是參數(shù)為0.2 J×120 Hz時，粉末化效率最佳，其產(chǎn)生的碎石粉末絕大多數(shù)可在灌注沖洗液中自動排出[19]。同時，激光的脈寬設(shè)定對于結(jié)石的粉碎效果起到了至關(guān)重要的作用，脈寬指脈沖的表達形式，也可以理解為單脈沖激光的發(fā)射時間，在“高能低頻”設(shè)置下，較短的脈寬及單個脈沖激光能量在較短的時間內(nèi)作用于結(jié)石上，結(jié)石容易產(chǎn)生位移，光纖更容易消耗，結(jié)石更容易形成較大的形狀即“碎塊化”，而在“低能高頻”狀態(tài)下，較低的單脈沖激光能量在較長的時間內(nèi)作用，結(jié)石不容易移動，且光纖也不容易損耗，結(jié)石在“較弱而長”激光能量下容易形成較小的碎塊即“粉末化”，本研究使用的超脈沖銩光纖激光，具有可調(diào)脈寬的特點，脈寬從0.1～400 ms可調(diào)，其最大脈寬可達400 ms，粉末化效果更佳，同時，最低脈寬為0.1 ms，配合“高能低頻”使用，“碎塊化”更明顯。

通常來講，激光的能量設(shè)置對于結(jié)石消融量作用最明顯，在本實驗中，相同的功率下增加激光的能量可以起到更好的結(jié)石消融效果，與鈥激光不同的是，本研究中銩光纖激光在能量設(shè)置為0.1 J時依然可有效地粉碎質(zhì)地堅硬的結(jié)石[20]。本實驗中，平均功率為20 W時，銩光纖激光的碎石效率超過了HARDY等[21]在超脈沖銩光纖激光與鈥激光對比中銩光纖激光對于草酸鈣結(jié)石的碎石效率[(1.82±0.36)mg/svs.(1.3±0.9)mg/s,P<0.05]，比較遺憾的是，本實驗使用的為BegoStone結(jié)石，并未使用真正的草酸鈣結(jié)石，但二者硬度并無較大差別。

本研究也存在一些不足之處：①本研究使用只研究了最“硬“及最”軟“的結(jié)石(仿一水草酸鈣結(jié)石以及尿酸結(jié)石)，未能研究其他結(jié)石的激光參數(shù)等，這將是我們下一步的研究方向；②本研究為體外碎石實驗，碎石過程中為手持光纖進行碎石，未將結(jié)石回退力、輸尿管鏡操作、灌注液的水流等影響考慮其中，我們計劃下一步將在3D打印模型中繼續(xù)該研究。盡管如此，我們的初步研究結(jié)果仍然為下一步研究及臨床應(yīng)用提供了有價值的參考。

綜上所述，我們初步的研究結(jié)果顯示：在體外超脈沖銩光纖激光碎石中，其“碎塊化”最佳參數(shù)設(shè)置為0.8 J×20 Hz，“粉末化”最佳參數(shù)設(shè)置為0.2 J×120 Hz。