450 nm半导体蓝激光对肾盂组织汽化切割效应的离体动物实验研究

刘国雄，徐晓峰，姜大力，王新阳，乔西民 ，贺大林，吴开杰

(1.西安交通大学第一附属医院泌尿外科，陕西西安 710061；2.咸阳市中心医院泌尿外科，陕西咸阳 712000)

过去几十年，各种激光已经被引入了泌尿腔道疾病的治疗[1-3]，其中应用较为广泛的为钬激光(Ho∶YAG)和绿激光手术系统。因钬激光功能多、效率高等特性，已被成功应用于泌尿系统结石和软组织病变的治疗[2,4]；因组织对绿激光选择性吸收能力强，在前列腺增生和膀胱肿瘤的治疗中被广泛使用[5-6]。我们前期的研究结果提示，蓝激光比绿激光有更高的汽化效率及更小的热损伤范围[7]，即具备高效且精准的汽化切割效果，我们推测在内镜辅助下蓝激光可被应用于上尿路腔内病变的手术治疗，如上尿路尿路上皮癌(upper urinary tract urothelial cancer，UTUC)的腔内治疗。本研究用离体动物实验，探究半导体蓝激光手术系统在不同条件下对肾盂组织的作用，明确蓝激光-肾盂组织作用的组织生物学效应，为后续蓝激光治疗UTUC等上尿路腔内病变提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验设备及材料半导体蓝激光手术系统(450 nm)(西安蓝极医疗电子科技有限公司)、医用激光光纤(西安蓝极医疗电子科技有限公司)(400 μm)、护目镜、步进机、激光功率计和显微镜(Olympus)。新鲜离体猪肾组织、一次性医用手套、组织承载盒、质量分数为40 g/L的多聚甲醛、游标卡尺和刻度尺等。

1.2 实验方法取新鲜猪离体肾盂组织，切成约7 cm×5 cm×3 cm的方块，放入质量浓度为9 g/L的生理盐水中，激光光纤固定在垂直于肾盂组织的机械臂上，将光纤头伸入质量浓度为9 g/L的生理盐水中。分别在距离离体组织1、2 mm处，调节进步机移动速度为1.0、2.0 mm/s，即两种距离情况下均以1 mm/s和2 mm/s的速度进行汽化切割，分别采用5、7、10、15、20 W的激光功率作用于猪离体肾盂。

1.3 观察指标将切割后的肾盂组织固定于福尔马林中，肉眼观察被汽化的组织形态及损伤程度，并用游标卡尺测量组织的汽化深度、汽化宽度和凝固层厚度。凝固层通过肉眼观察和显微镜测定。行病理切片并利用40 g/L的多聚甲醛固定组织进行HE染色，通过光学显微镜观察不同条件下激光作用膀胱组织所产生的生物效应。为最大程度地减小误差，凡涉及的实验数据均进行3次测量，结果取各测量值的均数。

2 结 果

2.1 蓝激光汽化切割肾盂组织后的形态及热损伤范围当蓝激光作用于肾盂组织的距离为1 mm、步进机移动速度为1 mm/s时，低功率蓝激光(7～10 W)作用于肾盂组织汽化效果不明显。但是，当能量提高至10～20 W时，肾盂组织很容易被汽化至肾盂下疏松结缔组织，此条件下蓝激光能量的安全性窗口较窄(图1 B)。因此，下面的结果部分着重展示蓝激光在距离组织2 mm，光纤移动速度为2 mm/s时的效果。

A：蓝激光汽化肾盂组织实验操作平台(1、2、3分别为步进机、组织承载盒以及蓝激光手术系统)；B、C：蓝激光汽化肾盂组织大体标本，分别为激光距离肾盂组织1 mm进步机速度为1 mm/s和2 mm进步机速度为2 mm/s的作用效果。

当激光作用距离为2 mm时、光纤移动速度为2 mm/s，使用不同功率的蓝激光汽化猪离体肾盂组织后，观察大体标本，功率>10 W时，肾盂肌层组织全层被汽化切割(图1C)。

用游标卡尺分别测量蓝激光作用距离为2 mm，速度为2.0 mm/s时，不同激光功率作用于猪离体肾盂组织时，组织被汽化的汽化深度、宽度和凝固层厚度，详见表1。

表1 不同功率蓝激光在作用距离为2 mm、移动速度为2.0 mm/s时汽化切割肾盂组织后热损伤的范围

2.2 蓝激光汽化切割肾盂组织的病理结果分析蓝激光距离组织2 mm，移动速度为2 mm/s，功率为5～7 W时可汽化切割肾盂组织，且未穿透至下层组织(图2A～B)。蓝激光作用功率>10 W时，其汽化深度明显增加直至肾盂下层组织(图2C～E)。显微镜下测量蓝激光在不同功率下汽化切割肾盂组织后所产生的汽化宽度、深度和凝固层厚度的数据和游标卡尺所测量的基本一致(图2F)。

A～E：分别表示5、7、10、15、20 W蓝激光汽化切割肾盂组织后的病理HE染色结果(×15)；F：蓝激光汽化肾盂组织后所产生的汽化宽度、深度及凝固层厚度统计图。

3 讨 论

目前泌尿外科临床上现有激光手术系统(包括钬激光、绿激光、铥激光等)存在明显的不足，例如工艺复杂、设备笨重、需要特殊电源、设备成本高、制冷要求高、噪声大、切割精度及效率不够。为了克服这些临床问题，科学家和临床医学家们不断探索。20世纪90年代，日本科学家中村修二创造性发明氮化镓及半导体蓝激光LED，获得诺贝尔奖[8]。基于半导体蓝激光与绿激光波长相似，都是通过血液及软组织血红蛋白吸收，汽化切割效率高，我们在国际上率先开发研制出高功率30 W蓝激光手术系统，具有成本低、可靠性高、寿命长、维护简单以及光学能量输出稳定的优势，弥补了现阶段激光设备价格昂贵等诸多缺点与不足，已证实了其用于机体组织进行汽化、切割、止血的安全性和有效性，并开始在泌尿外科常见手术(前列腺增生和膀胱肿瘤)中得以应用[9]。

目前，UTUC根治性治疗的原则是行同侧肾脏输尿管切除术，但此手术复杂且用时较长，对于年龄较大不能耐受手术、对侧肾功不全的患者来说，施行内镜辅助下激光治疗成为备选的手术方案，但此类研究文献报道较少。VILLA等[10]使用钬激光治疗92例UTUC患者的长期随访结果表明输尿管软镜辅助下钬激光治疗直径大于1 cm的肿瘤是安全可靠的。然而，一篇体外实验研究表明似乎铥激光在UTUC治疗中更安全[11]，这是基于铥激光更薄的凝固层厚度(0.550±0.137)mm和可控的汽化切割效果来判定的。总体而言，肾盂和输尿管壁全房组织薄，使用激光切割有术中穿孔、出血、术后形成瘢痕、狭窄等风险。基于前期蓝激光对软组织作用后产生薄的凝固层的特点，我们推测蓝激光可能会在肾盂或输尿管等上尿路管腔病灶的手术治疗中发挥良好的治疗效果。

通过对不同功率蓝激光汽化切割肾盂组织的观察发现，随着激光作用距离组织越近、功率越高以及速度越低，激光对肾盂组织的汽化效果开始增强、损伤程度逐渐增大。通过肉眼观察，激光功率大于20 W时，汽化肾盂组织产生了不规则的作用效果，即汽化切割不精准。通过加快光纤移动的速度，增加能量距离，减小作用功率，测量肾盂组织被汽化的深度、宽度和凝固层厚度得出，在近距离(1 mm)汽化切割肾盂组织时，肾盂肌层全层容易被汽化切割；增加作用距离至2 mm时，作用安全功率为小于10 W。此时，随着激光功率的升高(5～10 W)，组织被汽化的深度及宽度有明显的上升趋势，热损伤范围也同时增加。尽管增加光纤移动速度，增加作用距离，但当激光功率大于20 W时，手术安全性仍较低，易发生肾盂组织穿孔，汽化切割精准度降低，热损伤范围增加。由此可见，10 W以下功率的蓝激光在用于肾盂病变切除时相对安全，不易导致术中穿孔，此时凝固层薄，对肾盂或输尿管壁组织的热损伤较小，引起术后狭窄的可能性小。

450 nm半导体蓝激光可精准切割肾盂组织，热损伤范围小，有潜力成为一种治疗肾盂组织病变的安全可靠的激光手术系统。本研究的局限性在于仅获得离体动物体外实验，参数缺乏活体动物实验依据。因此，在后续的研究中仍需要进一步进行体内动物研究，进行术中和术后急性期及恢复期疗效的评估。