国产超脉冲铥光纤激光碎石体外实验研究

丁天福，肖 博，黄忠月，曾 雪，梁 磊，姬超岳，李建兴

(北京清华长庚医院泌尿外科，清华大学临床医学院，北京 102218)

在结石治疗方面，激光由于其微创、治疗效果好、安全性高等各种原因，已经成为结石的最重要治疗方式，而钬激光因其自身优点，在临床上应用较多[1]。近年来，一种新型激光产品“超脉冲铥光纤激光”出现，在实验室及临床研究中的表现优于钬激光[2-3]，有逐步替代钬激光的趋势，成为激光碎石的主力。对于钬激光结石手术，一种观点认为将结石粉碎，无需将其取出，依靠输尿管的蠕动性将其排出体外即可；而另一种则认为需要术中将结石取出，以提高结石清石率，前一种观点称之为“粉末化”，而后一种称之为“碎块化”。通过设置不同的激光参数可产生粉末化及碎块化2种基本激光碎石模式，并将结石碎成不同的形态。其中“高能低频”模式可以将结石“碎块化”，而“低能高频”则可以实现“粉末化”[4]，而针对超脉冲铥光纤激光，“粉末化”及“碎块化”同样适用，甚至由于铥激光性能更为优越，会导致“细粉化”[5]。目前国内应用的激光产品大多数为国外进口，如今国产超脉冲铥光纤激光机器已初步研制成功，但还未在临床投入使用，基于此，我们旨在研究国产超脉冲铥激光的最佳“碎块化”“粉末化”激光参数设置，以便于临床医生更好的选择与使用。

1 材料与方法

1.1 实验材料激光设备选用波长为1 940 nm峰值、500 W的超脉冲铥光纤激光手术系统[以下简称“超脉冲铥光纤激光”,莱凯医疗器械(北京)有限公司]，光纤直径为272 μm。为更好的模拟人体结石硬度及力学特性，本实验中在国内首次使用BegoStone结石，通过不同的粉水比模拟出人体最“硬”及最“软”的结石，粉水比为15∶3模仿一水草酸钙结石(硬石头)，粉水比15∶5模仿尿酸结石(软石头)[6]，结石约5 mm×5 mm×5 mm，生产完成后，在25 ℃下干燥24 h，尽量减少不均匀性。实验前，将结石放入生理盐水中浸泡30 min。在进行激光激发前，使用吸水纸吸干表面水分进行称重。

1.2 实验方法将BegoStones结石放入一个上下直径相同的试管内，试管之间放置一个粗细可调节的筛网(3 mm或1 mm)，由1名泌尿外科医生手持光纤进行碎石操作(图1)，每次实验前使用大芯径光纤切割刀修剪光纤，并使用激光功率计进行测量，保证激光功率符合国家标准(100±20)%。激光能量及频率范围为0.8～2.0 J×8～30 Hz及0.1～0.3 J×100～300 Hz，操作时频率或者激光能量其中一个条件固定不变，另一个条件逐步增加。激光连续激发碎石3 min，实验结束后收集筛网上下两侧的结石碎块及粉末，再次使用筛网人工筛选，并使用显微镜观察挑选出符合“碎块化”或“粉末化”的结石进行称重(图2)，记录每次碎石的总重量、大小等，最后进行分析，计算出符合“碎块化”及“粉末化”的结石重量及所占比重，每次实验在同样的条件下重复5次，最后记录平均值。碎块化评定标准：结石碎块使用显微镜观察、测量，直径均小于3 mm。粉末化评定标准：结石粉末可以在水中漂浮或使用显微镜观察、测量，直径均小于250 μm。

A:上下同样粗细的试管内放置一可调节大小的筛网，结石置于筛网上；B:输尿管软镜下视角，试管内部，结石置于筛网上。

A: 经过筛网、过滤后的“粉末化”结石；B: 激光“碎块化”后的结石，每个直径不超过3 mm。

2 结 果

超脉冲铥光纤激光碎石时，在0.8～2.0 J×8～30 Hz及0.1～0.3 J×100～300 Hz组合中，无论是硬结石还是软结石，当频率或者激光能量其中一个条件固定时，碎石效率随着另一个条件的增加而增加。

2.1 “硬结石”粉末化及碎块化结果在“硬结石”碎石时，当碎石能量与频率为0.8 J×20 Hz时，碎石速率为(94.20±25.42)mg/min，“碎块化”效率最高约为82.1%(P<0.05，表1)，碎块化速率为(77.34±15.06)mg/min。当碎石能量与频率为0.2 J×120 Hz时，碎石速率为(63.99±5.05)mg/min，“粉末化”效率最高约为84.3%(P<0.05，表2)，粉末化速率为(53.93±3.69)mg/min。

表1 “硬结石”碎块化结果

表2 “硬结石”粉末化结果

2.2 “软结石”粉末化及碎块化结果在“软结石”碎石时，当碎石能量与频率为0.8 J×20 Hz时，碎石速率为(107.15±1.89)mg/min，“碎块化”效率最高约为85.6%(P<0.05，表3)，碎块化速率为(91.59±7.86)mg/min。当碎石能量与频率为0.2 J×120 Hz时，碎石速率为(92.69±5.07)mg/min，“粉末化”效率最高约为87.5%(P<0.05，表2)，粉末化效率为(81.10±8.72)mg/min。

表3 “软结石”碎块化结果

表4 “软石头”粉末化结果

3 讨 论

激光碎石手术由于其微创、安全、术后恢复快以及并发症少等特点，在临床广泛应用。超脉冲铥光纤激光在碎石中有几个突出的优势：①由于钬激光是多模态输出光束的热点，为防止聚集到一个点，所以钬激光需要使用芯径为200 μm或更大的光纤[7]，而铥激光光纤可以在更小的直径下使用，节约了有限的工作通道，提供了更高的灌注量，同时配合软性输尿管时弯曲角度更大，有利于处理肾下盏结石[3,8]。②碎石效率及结石回退力优于钬激光，并且铥激光的能量、频率设置范围更广，因此，使用超脉冲铥光纤激光能使结石“细粉化”[5]，并且已有多项研究表明，低脉冲能量、高脉冲频率以及细的光纤直径更适合于粉末化碎石[9]。基于上述研究结果，本研究使用人工结石，探索了国产超脉冲铥光纤激光的最佳激光参数设置参数，在以下功率组合中进行探索：0.8～2.0 J×8～30 Hz和0.1～0.3 J×100～300 Hz，光纤直径为272 μm，脉冲宽度根据能量和频率进行调节。

碎块化+套石的碎石步骤包括先将结石击碎成可套取的结石块，然后再利用套石篮将碎石块套出体外[10]。在本实验中，采用“高能低频”[11]进行碎石实验，使用参数为0.8～2.0 J×8～30 Hz参数组合，根据KELLER等[12]在研究中对于碎块化的描述，结石碎块大小均匀且小于3 mm，同时根据CORRALES[13]等在临床中的使用经验，为避免超过组织的安全阈值，我们在进行碎石效率实验时，选择功率在30 W以内，最终通过观察、计算，参数设计在0.8 J×20.0 Hz时碎块化效率最佳，其碎块大小较均匀，在“硬结石”中，碎石速率可达(94.20±25.42)mg/min，其中符合“碎块化”质量为(77.34±15.06)mg/min，在所有组合中“碎块化”最高约为82.1%(P<0.05)，在“软结石”中，碎石速率可达(107.15±1.89)mg/min，其中符合“碎块化”质量为(91.59±7.86)mg/min，在所有组合中“碎块化”最高约为85.6%(P<0.05)。同时可以观察到，激光频率固定时，随着激光能量的增加，其碎石效率随之增加，但结石碎块由于其单脉冲激光能量的缘故[14]，其碎块大小不均匀，且碎块化大小与激光脉冲能量大小成正比[15]，这就解释了为什么随着功率成倍数地增加，碎块化效率没有与之相对应增加，反而减少，因为还需要更多时间将大块的结石再次击碎。

而粉末化的目的是将结石击碎成“粉末”，通常其直径应<250 μm[16]，也有学者主张将其击碎成亚微米级的颗粒，但无论如何定义，其基本要求为：直径<250 μm的结石碎片，或者可以在检查或者手术过程中漂浮，从而通过输尿管镜，其形状类似于雪球[12, 17]。在软性输尿管镜碎石手术中，通过将激光调节成低的能量和高频率，来达到粉末化结石的效果，即“低能高频”[18]，在本实验中，我们使用参数0.1～0.3 J×100～300 Hz，同样地，为了避免超过组织的安全阈值，也选择30 W以内的功率，最终我们得出0.2 J×120 Hz时粉末化效率最佳，在“硬结石”中，碎石速率为(63.99±5.05)mg/min，“粉末化”平均质量为(53.93±3.69)mg/min，“粉末化”效率最高约为84.3%(P<0.05)；在“软结石”中，碎石速率为(92.69±5.07)mg/min，“粉末化”平均质量为(81.10±8.72)mg/min，“粉末化”效率最高约为87.5%(P<0.05)。当然这不意味着0.1～0.3 J×100～300 Hz参数不能粉末化碎石，只是参数为0.2 J×120 Hz时，粉末化效率最佳，其产生的碎石粉末绝大多数可在灌注冲洗液中自动排出[19]。同时，激光的脉宽设定对于结石的粉碎效果起到了至关重要的作用，脉宽指脉冲的表达形式，也可以理解为单脉冲激光的发射时间，在“高能低频”设置下，较短的脉宽及单个脉冲激光能量在较短的时间内作用于结石上，结石容易产生位移，光纤更容易消耗，结石更容易形成较大的形状即“碎块化”，而在“低能高频”状态下，较低的单脉冲激光能量在较长的时间内作用，结石不容易移动，且光纤也不容易损耗，结石在“较弱而长”激光能量下容易形成较小的碎块即“粉末化”，本研究使用的超脉冲铥光纤激光，具有可调脉宽的特点，脉宽从0.1～400 ms可调，其最大脉宽可达400 ms，粉末化效果更佳，同时，最低脉宽为0.1 ms，配合“高能低频”使用，“碎块化”更明显。

通常来讲，激光的能量设置对于结石消融量作用最明显，在本实验中，相同的功率下增加激光的能量可以起到更好的结石消融效果，与钬激光不同的是，本研究中铥光纤激光在能量设置为0.1 J时依然可有效地粉碎质地坚硬的结石[20]。本实验中，平均功率为20 W时，铥光纤激光的碎石效率超过了HARDY等[21]在超脉冲铥光纤激光与钬激光对比中铥光纤激光对于草酸钙结石的碎石效率[(1.82±0.36)mg/svs.(1.3±0.9)mg/s,P<0.05]，比较遗憾的是，本实验使用的为BegoStone结石，并未使用真正的草酸钙结石，但二者硬度并无较大差别。

本研究也存在一些不足之处：①本研究使用只研究了最“硬“及最”软“的结石(仿一水草酸钙结石以及尿酸结石)，未能研究其他结石的激光参数等，这将是我们下一步的研究方向；②本研究为体外碎石实验，碎石过程中为手持光纤进行碎石，未将结石回退力、输尿管镜操作、灌注液的水流等影响考虑其中，我们计划下一步将在3D打印模型中继续该研究。尽管如此，我们的初步研究结果仍然为下一步研究及临床应用提供了有价值的参考。

综上所述，我们初步的研究结果显示：在体外超脉冲铥光纤激光碎石中，其“碎块化”最佳参数设置为0.8 J×20 Hz，“粉末化”最佳参数设置为0.2 J×120 Hz。