450 nm半導(dǎo)體藍激光對腎盂組織汽化切割效應(yīng)的離體動物實驗研究

劉國雄，徐曉峰，姜大力，王新陽，喬西民 ，賀大林，吳開杰

(1.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院泌尿外科，陜西西安 710061；2.咸陽市中心醫(yī)院泌尿外科，陜西咸陽 712000)

過去幾十年，各種激光已經(jīng)被引入了泌尿腔道疾病的治療[1-3]，其中應(yīng)用較為廣泛的為鈥激光(Ho∶YAG)和綠激光手術(shù)系統(tǒng)。因鈥激光功能多、效率高等特性，已被成功應(yīng)用于泌尿系統(tǒng)結(jié)石和軟組織病變的治療[2,4]；因組織對綠激光選擇性吸收能力強，在前列腺增生和膀胱腫瘤的治療中被廣泛使用[5-6]。我們前期的研究結(jié)果提示，藍激光比綠激光有更高的汽化效率及更小的熱損傷范圍[7]，即具備高效且精準的汽化切割效果，我們推測在內(nèi)鏡輔助下藍激光可被應(yīng)用于上尿路腔內(nèi)病變的手術(shù)治療，如上尿路尿路上皮癌(upper urinary tract urothelial cancer，UTUC)的腔內(nèi)治療。本研究用離體動物實驗，探究半導(dǎo)體藍激光手術(shù)系統(tǒng)在不同條件下對腎盂組織的作用，明確藍激光-腎盂組織作用的組織生物學(xué)效應(yīng)，為后續(xù)藍激光治療UTUC等上尿路腔內(nèi)病變提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)備及材料半導(dǎo)體藍激光手術(shù)系統(tǒng)(450 nm)(西安藍極醫(yī)療電子科技有限公司)、醫(yī)用激光光纖(西安藍極醫(yī)療電子科技有限公司)(400 μm)、護目鏡、步進機、激光功率計和顯微鏡(Olympus)。新鮮離體豬腎組織、一次性醫(yī)用手套、組織承載盒、質(zhì)量分數(shù)為40 g/L的多聚甲醛、游標卡尺和刻度尺等。

1.2 實驗方法取新鮮豬離體腎盂組織，切成約7 cm×5 cm×3 cm的方塊，放入質(zhì)量濃度為9 g/L的生理鹽水中，激光光纖固定在垂直于腎盂組織的機械臂上，將光纖頭伸入質(zhì)量濃度為9 g/L的生理鹽水中。分別在距離離體組織1、2 mm處，調(diào)節(jié)進步機移動速度為1.0、2.0 mm/s，即兩種距離情況下均以1 mm/s和2 mm/s的速度進行汽化切割，分別采用5、7、10、15、20 W的激光功率作用于豬離體腎盂。

1.3 觀察指標將切割后的腎盂組織固定于福爾馬林中，肉眼觀察被汽化的組織形態(tài)及損傷程度，并用游標卡尺測量組織的汽化深度、汽化寬度和凝固層厚度。凝固層通過肉眼觀察和顯微鏡測定。行病理切片并利用40 g/L的多聚甲醛固定組織進行HE染色，通過光學(xué)顯微鏡觀察不同條件下激光作用膀胱組織所產(chǎn)生的生物效應(yīng)。為最大程度地減小誤差，凡涉及的實驗數(shù)據(jù)均進行3次測量，結(jié)果取各測量值的均數(shù)。

2 結(jié) 果

2.1 藍激光汽化切割腎盂組織后的形態(tài)及熱損傷范圍當藍激光作用于腎盂組織的距離為1 mm、步進機移動速度為1 mm/s時，低功率藍激光(7～10 W)作用于腎盂組織汽化效果不明顯。但是，當能量提高至10～20 W時，腎盂組織很容易被汽化至腎盂下疏松結(jié)締組織，此條件下藍激光能量的安全性窗口較窄(圖1 B)。因此，下面的結(jié)果部分著重展示藍激光在距離組織2 mm，光纖移動速度為2 mm/s時的效果。

A：藍激光汽化腎盂組織實驗操作平臺(1、2、3分別為步進機、組織承載盒以及藍激光手術(shù)系統(tǒng))；B、C：藍激光汽化腎盂組織大體標本，分別為激光距離腎盂組織1 mm進步機速度為1 mm/s和2 mm進步機速度為2 mm/s的作用效果。

當激光作用距離為2 mm時、光纖移動速度為2 mm/s，使用不同功率的藍激光汽化豬離體腎盂組織后，觀察大體標本，功率>10 W時，腎盂肌層組織全層被汽化切割(圖1C)。

用游標卡尺分別測量藍激光作用距離為2 mm，速度為2.0 mm/s時，不同激光功率作用于豬離體腎盂組織時，組織被汽化的汽化深度、寬度和凝固層厚度，詳見表1。

表1 不同功率藍激光在作用距離為2 mm、移動速度為2.0 mm/s時汽化切割腎盂組織后熱損傷的范圍

2.2 藍激光汽化切割腎盂組織的病理結(jié)果分析藍激光距離組織2 mm，移動速度為2 mm/s，功率為5～7 W時可汽化切割腎盂組織，且未穿透至下層組織(圖2A～B)。藍激光作用功率>10 W時，其汽化深度明顯增加直至腎盂下層組織(圖2C～E)。顯微鏡下測量藍激光在不同功率下汽化切割腎盂組織后所產(chǎn)生的汽化寬度、深度和凝固層厚度的數(shù)據(jù)和游標卡尺所測量的基本一致(圖2F)。

A～E：分別表示5、7、10、15、20 W藍激光汽化切割腎盂組織后的病理HE染色結(jié)果(×15)；F：藍激光汽化腎盂組織后所產(chǎn)生的汽化寬度、深度及凝固層厚度統(tǒng)計圖。

3 討 論

目前泌尿外科臨床上現(xiàn)有激光手術(shù)系統(tǒng)(包括鈥激光、綠激光、銩激光等)存在明顯的不足，例如工藝復(fù)雜、設(shè)備笨重、需要特殊電源、設(shè)備成本高、制冷要求高、噪聲大、切割精度及效率不夠。為了克服這些臨床問題，科學(xué)家和臨床醫(yī)學(xué)家們不斷探索。20世紀90年代，日本科學(xué)家中村修二創(chuàng)造性發(fā)明氮化鎵及半導(dǎo)體藍激光LED，獲得諾貝爾獎[8]?；诎雽?dǎo)體藍激光與綠激光波長相似，都是通過血液及軟組織血紅蛋白吸收，汽化切割效率高，我們在國際上率先開發(fā)研制出高功率30 W藍激光手術(shù)系統(tǒng)，具有成本低、可靠性高、壽命長、維護簡單以及光學(xué)能量輸出穩(wěn)定的優(yōu)勢，彌補了現(xiàn)階段激光設(shè)備價格昂貴等諸多缺點與不足，已證實了其用于機體組織進行汽化、切割、止血的安全性和有效性，并開始在泌尿外科常見手術(shù)(前列腺增生和膀胱腫瘤)中得以應(yīng)用[9]。

目前，UTUC根治性治療的原則是行同側(cè)腎臟輸尿管切除術(shù)，但此手術(shù)復(fù)雜且用時較長，對于年齡較大不能耐受手術(shù)、對側(cè)腎功不全的患者來說，施行內(nèi)鏡輔助下激光治療成為備選的手術(shù)方案，但此類研究文獻報道較少。VILLA等[10]使用鈥激光治療92例UTUC患者的長期隨訪結(jié)果表明輸尿管軟鏡輔助下鈥激光治療直徑大于1 cm的腫瘤是安全可靠的。然而，一篇體外實驗研究表明似乎銩激光在UTUC治療中更安全[11]，這是基于銩激光更薄的凝固層厚度(0.550±0.137)mm和可控的汽化切割效果來判定的。總體而言，腎盂和輸尿管壁全房組織薄，使用激光切割有術(shù)中穿孔、出血、術(shù)后形成瘢痕、狹窄等風(fēng)險?；谇捌谒{激光對軟組織作用后產(chǎn)生薄的凝固層的特點，我們推測藍激光可能會在腎盂或輸尿管等上尿路管腔病灶的手術(shù)治療中發(fā)揮良好的治療效果。

通過對不同功率藍激光汽化切割腎盂組織的觀察發(fā)現(xiàn)，隨著激光作用距離組織越近、功率越高以及速度越低，激光對腎盂組織的汽化效果開始增強、損傷程度逐漸增大。通過肉眼觀察，激光功率大于20 W時，汽化腎盂組織產(chǎn)生了不規(guī)則的作用效果，即汽化切割不精準。通過加快光纖移動的速度，增加能量距離，減小作用功率，測量腎盂組織被汽化的深度、寬度和凝固層厚度得出，在近距離(1 mm)汽化切割腎盂組織時，腎盂肌層全層容易被汽化切割；增加作用距離至2 mm時，作用安全功率為小于10 W。此時，隨著激光功率的升高(5～10 W)，組織被汽化的深度及寬度有明顯的上升趨勢，熱損傷范圍也同時增加。盡管增加光纖移動速度，增加作用距離，但當激光功率大于20 W時，手術(shù)安全性仍較低，易發(fā)生腎盂組織穿孔，汽化切割精準度降低，熱損傷范圍增加。由此可見，10 W以下功率的藍激光在用于腎盂病變切除時相對安全，不易導(dǎo)致術(shù)中穿孔，此時凝固層薄，對腎盂或輸尿管壁組織的熱損傷較小，引起術(shù)后狹窄的可能性小。

450 nm半導(dǎo)體藍激光可精準切割腎盂組織，熱損傷范圍小，有潛力成為一種治療腎盂組織病變的安全可靠的激光手術(shù)系統(tǒng)。本研究的局限性在于僅獲得離體動物體外實驗，參數(shù)缺乏活體動物實驗依據(jù)。因此，在后續(xù)的研究中仍需要進一步進行體內(nèi)動物研究，進行術(shù)中和術(shù)后急性期及恢復(fù)期療效的評估。