談維杰，陳明惠，馮媛媛，王健平，鄭 剛

（上海理工大學(xué)上海介入醫(yī)療器械工程技術(shù)研究中心，上海200093）

1 引 言

泌尿系結(jié)石又稱為尿路結(jié)石，可以在輸尿管、膀胱、腎等泌尿系統(tǒng)部位發(fā)生。95%以上的結(jié)石密度較高，能在平片上顯影，稱為陽(yáng)性結(jié)石。泌尿系結(jié)石主要由磷酸鈣、草酸鈣等成分組成。極少數(shù)尿酸鹽為主的結(jié)石密度低，在平片上不能顯影，稱為陰性結(jié)石。泌尿系結(jié)石是我國(guó)較為常見的泌尿系疾病，其發(fā)病率約為6.5%［1-3］。泌尿系結(jié)石在急性發(fā)作時(shí)，會(huì)伴隨有劇烈的疼痛感，并會(huì)對(duì)患者的泌尿系統(tǒng)器官造成損傷，長(zhǎng)期不處理可導(dǎo)致腎積水，影響患者的日常生活［4］。目前，治療結(jié)石的方法通常有氣壓彈道、激光、超聲碎石等微創(chuàng)手段［5］。其中，鈥激光碎石術(shù)具有手術(shù)時(shí)間短、創(chuàng)口小、碎石排出徹底、患者恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于消除各種部位的泌尿系結(jié)石［6-9］，并占有極高的市場(chǎng)份額。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，鈥激光已成為治療泌尿系結(jié)石的金標(biāo)準(zhǔn)。然而，在手術(shù)過(guò)程中結(jié)石受到鈥激光照射會(huì)產(chǎn)生位移，將內(nèi)窺鏡光纖重新定位到新的結(jié)石位置的過(guò)程繁瑣，不僅延長(zhǎng)了手術(shù)時(shí)間，還降低了手術(shù)效率。所以，減小結(jié)石位移就顯得尤為重要。Bell等人［10］比較了可變脈沖鈥激光和固定脈沖鈥激光對(duì)體外結(jié)石模型的消融效果以及結(jié)石位移的影響，最后發(fā)現(xiàn)可變脈沖鈥激光消融結(jié)石的時(shí)間比固定脈沖鈥激光短，長(zhǎng)脈寬和短脈寬消融時(shí)間無(wú)差異，長(zhǎng)脈寬、短脈寬和固定脈寬對(duì)位移的影響不同。Patel等人［11］利用體外模型研究了患者體位改變對(duì)于鈥激光誘導(dǎo)結(jié)石位移的影響，將結(jié)石模型放置在充滿水的透明聚合物管中，改變聚合物管的傾斜角，最后發(fā)現(xiàn)隨著透明聚合物管傾斜角的增大，結(jié)石的位移逐漸減小。Andreeva等人［12］比較了超脈沖銩光纖激光器和高功率鈥激光的結(jié)石消融效果，在相同的設(shè)置下，銩光纖激光燒蝕率高于鈥激光。在單脈沖推斥實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定了相同的脈沖能量，鈥激光產(chǎn)生了更強(qiáng)的推斥效應(yīng)。Wollin等人［13］評(píng)估了結(jié)石粉碎、激光光纖尖端損耗和結(jié)石位移。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在體外模型中較長(zhǎng)的激光脈沖時(shí)間提高了碎石效率，減少了激光光纖損耗和結(jié)石的位移。上述研究大多探究了脈沖能量以及脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)于結(jié)石位移的影響，而鮮有研究光纖芯徑以及工作距離對(duì)于結(jié)石位移的影響。因此，本文基于前人的研究經(jīng)驗(yàn)，將脈沖峰值功率、激光燒灼尺寸以及工作距離結(jié)合在一起，搭建了體外模型裝置進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果可為激光碎石的臨床治療提供指導(dǎo)，并且有助于醫(yī)用鈥激光器的參數(shù)優(yōu)化。

2 脈沖激光作用下結(jié)石位移原理

鈥激光是以釔鋁石榴石為激活媒質(zhì)，摻敏化離子鉻、傳能離子銩、激活離子鈥的激光晶體制成的脈沖固體激光裝置產(chǎn)生的新型激光，波長(zhǎng)為2 100 nm，位于水的吸收范圍。這一特點(diǎn)使得鈥激光很適合泌尿系統(tǒng)的腔內(nèi)治療。鈥激光的組織穿透深度淺，約為0.38 mm，所以在進(jìn)行碎石手術(shù)時(shí)對(duì)周圍軟組織的傷害小，安全性高。因此，鈥激光成為治療泌尿系結(jié)石的首選［14］。

在進(jìn)行鈥激光碎石術(shù)的過(guò)程中，光纖頂端的水會(huì)吸收激光能量從而瞬間汽化形成汽泡腔，這種現(xiàn)象稱為“摩西效應(yīng)”［15-17］?！澳ξ餍?yīng)”有助于形成一個(gè)通道，激光能量能夠通過(guò)通道直接到達(dá)結(jié)石表面，結(jié)石吸收激光能量后溫度上升，當(dāng)溫度達(dá)到結(jié)石消融閾值時(shí)，結(jié)石開始分解和破裂，這就是鈥激光碎石術(shù)的主要機(jī)制“光熱效應(yīng)”。同時(shí)，結(jié)石和結(jié)石孔隙間的水瞬間溫度升高汽化，由于慣性約束而產(chǎn)生瞬態(tài)壓力，從而形成微裂紋，輔助結(jié)石分解。

當(dāng)鈥激光工作時(shí)，光纖頂端的水會(huì)吸收激光能量汽化形成汽泡腔，汽泡的瞬間膨脹和坍塌會(huì)產(chǎn)生沖擊波壓力［18-21］。沖擊波壓力會(huì)作用到結(jié)石表面，導(dǎo)致結(jié)石產(chǎn)生反方向的位移。隨著沖擊波壓力的變大，結(jié)石位移也會(huì)變大。而沖擊波壓力與脈沖峰值功率有關(guān)，峰值功率越高，沖擊波壓力也就越大。在脈沖持續(xù)時(shí)間相同的情況下，峰值功率會(huì)隨著脈沖能量的增大而增大。兩者的關(guān)系為：

其中：Ppk表示脈沖峰值功率，Q表示脈沖能量，τH表示脈沖持續(xù)時(shí)間。相同能量下，釋放時(shí)間越短，峰值功率就越大，因此能量相同的前提下，釋放時(shí)間決定了激光消融的威力［19］。

根據(jù)“摩西效應(yīng)”，汽泡的幾何形狀和膨脹速度取決于脈沖的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間短時(shí)，汽泡呈圓形，隨著脈沖持續(xù)時(shí)間的增加，汽泡逐漸呈梨形。長(zhǎng)脈寬和短脈寬的汽泡膨脹過(guò)程不斷重復(fù)。在短脈寬時(shí)，汽泡在坍塌之后會(huì)再次膨脹并坍塌爆裂；而在長(zhǎng)脈寬時(shí)，汽泡靠近光纖頂部的一部分會(huì)形成第一個(gè)坍塌，剩余部分會(huì)遠(yuǎn)離光纖頂部繼續(xù)膨脹，形成“沙漏狀”汽泡。因此，長(zhǎng)脈寬所產(chǎn)生的汽泡并不會(huì)發(fā)生有力的坍塌，維持時(shí)間更長(zhǎng)。在相同的脈沖能量下，短脈寬比長(zhǎng)脈寬形成的汽泡體積更大，膨脹和坍塌更快，產(chǎn)生的破裂壓力更大［19-20］。由于短脈寬的汽泡坍塌更快，因此汽泡崩塌壓力波的振幅就更大，壓力波傳遞到結(jié)石模型表面，迫使結(jié)石模型產(chǎn)生位移。這也是短脈寬造成結(jié)石位移更大的主要原因。其次則是結(jié)石在燒灼過(guò)程中燒灼羽流引起的反沖壓力。結(jié)石吸收激光能量后溫度上升從而開始熱分解。一旦燒灼過(guò)程開始，分解下來(lái)的結(jié)石粉末則會(huì)沿著垂直于表面的方向噴射而出，這樣就產(chǎn)生了燒灼羽流。根據(jù)動(dòng)量守恒原理，燒灼羽流會(huì)給結(jié)石一個(gè)遠(yuǎn)離光纖頂端的力，也就是反沖壓力：

式中：Prec是結(jié)石反沖壓力，ρ為結(jié)石密度，v為消融前沿速度，kB為玻爾茲曼常數(shù)，Ts為結(jié)石表面溫度，m為噴射的粉末質(zhì)量，Ppk為峰值功率。從式（2）可以看出，反沖壓力與激光峰值功率成正比，脈沖持續(xù)時(shí)間越短，峰值功率越高，反沖壓力也就越大，結(jié)石位移越大［22］。

另一方面，使用不同芯徑的光纖也可能會(huì)影響結(jié)石位移。由于無(wú)論激光與結(jié)石表面的入射角如何變化，碎片總是以垂直于表面方向噴射而出。假設(shè)每個(gè)燒灼坑內(nèi)有5塊結(jié)石碎片即將碎裂噴射而出，所有碎片的速度和質(zhì)量都相同。碎片垂直于燒灼坑表面噴射而出的同時(shí)會(huì)對(duì)結(jié)石其余部分產(chǎn)生大小相等、方向相反的推斥力。為了分析推斥力，這里將力矢量分解成兩個(gè)向量（X方向和Y方向）。從示意圖可知，所有碎片在X方向上的力相互抵消，只有Y方向的力才會(huì)影響結(jié)石模型產(chǎn)生位移。因此通過(guò)比較這兩個(gè)燒灼坑的總Y分量，可以得到［23］：

由此可以得出，較粗光纖產(chǎn)生的寬而淺的燒灼坑提供了更大的推斥力，使得結(jié)石模型產(chǎn)生更大的位移。圖1展示了激光燒灼坑形狀對(duì)結(jié)石位移的影響。

圖1 從兩種燒灼坑中噴射而出的結(jié)石碎片F(xiàn)ig.1 Stone fragments ejected from two burning pits

工作距離也是導(dǎo)致位移的因素之一。當(dāng)汽泡周圍沒有固體邊界時(shí)，汽泡會(huì)對(duì)稱地坍塌，產(chǎn)生壓力波；而當(dāng)汽泡距離固體邊界很近時(shí)，汽泡會(huì)因?yàn)榭拷腆w邊界的流動(dòng)受阻而不對(duì)稱地塌陷。由于汽泡的不對(duì)稱塌陷，微小的水流會(huì)從汽泡上部塌陷口再一次流入，這種情況導(dǎo)致結(jié)石同時(shí)受到汽泡塌陷的壓力波以及再流入水的吸引力，兩種力相平衡，從而產(chǎn)生吸附掙扎的現(xiàn)象［22-23］。圖2為汽泡不對(duì)稱破裂示意圖。

圖2 汽泡在固體邊界不對(duì)稱破裂Fig.2 Asymmetrical bubble bursting at solid boundary

在激光能量與結(jié)石的相互作用過(guò)程中，結(jié)石會(huì)受到燒蝕顆粒排出、水汽化和汽泡膨脹與塌陷共同作用而產(chǎn)生的推斥力。因此，受到推斥力的影響，結(jié)石會(huì)遠(yuǎn)離光纖頂端。

3 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用瑞柯恩SRM-H3B型鈥激光治療機(jī)，它具有可調(diào)脈寬功能，可根據(jù)患者情況選擇合適脈寬，長(zhǎng)脈寬為800μs，短脈寬為200μs，最大輸出功率為80 W，單脈沖能量為0.5～4.6 J，脈沖頻率為5～42 Hz。光纖直徑為272μm與550μm。激光功率設(shè)置為12 W（0.6 J×20 Hz，0.8 J×15 Hz，1.2 J×10 Hz）和20 W（0.8 J×25 Hz，1.0J×20 Hz，2.0 J×10 Hz），6個(gè)能量頻率組合，每一組合再分為長(zhǎng)、短脈寬。鈥激光在粉碎結(jié)石時(shí)，人體內(nèi)的水吸收激光能量后溫度升高，而體溫高于42℃，細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性損傷；當(dāng)局部組織溫度高于45℃時(shí)，會(huì)對(duì)組織產(chǎn)生損害；當(dāng)局部組織溫度高于60℃時(shí)，人體組織會(huì)發(fā)生不可逆損害。已有研究表明：激光功率越高，鈥激光周圍的溫度也就越高，因此，在一般手術(shù)中激光功率設(shè)定不超過(guò)30 W［24］。

泌尿系結(jié)石的主要成分為草酸鈣與磷酸鈣。由于熟石膏的抗拉強(qiáng)度與草酸鈣、磷酸鈣結(jié)石相近，因此本實(shí)驗(yàn)使用石膏模型代替人體結(jié)石。石膏模型通過(guò)特制的模具制作而成，使用的是賀利氏牙科模型石膏粉，石膏粉與水按照5∶1混合。每一塊結(jié)石模型是正方體小塊，質(zhì)量為0.25 g，體積為125 mm3（5 mm×5 mm×5 mm）。

圖3 體外模型裝置Fig.3 Device model of in vitro model

圖3 為體外模型實(shí)物圖，實(shí)驗(yàn)采用3D打印的V型槽具，在槽具上放置兩塊直尺，夾角為60°，使得結(jié)石模型能夠在預(yù)定的路徑上移動(dòng)，同時(shí)能夠觀察結(jié)石的移動(dòng)距離。將結(jié)石模型放在槽具上方，模擬結(jié)石存在于輸尿管的情況，固定272 μm光纖頭部正對(duì)結(jié)石模型中央，再把整個(gè)體外模型放置于充滿生理鹽水的透明容器內(nèi)，保持室溫一定，以此來(lái)模擬輸尿管鈥激光碎石術(shù)體內(nèi)碎石的情況。結(jié)石的位移為實(shí)驗(yàn)前后結(jié)石在直尺上的刻度差，每一組參數(shù)激光工作10 s，重復(fù)3次，最后取平均值。為了盡可能避免粉碎下來(lái)的石膏屑對(duì)結(jié)石模型的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，每三次操作就更換一次鹽水。實(shí)驗(yàn)從光纖頂端接觸結(jié)石的情況開始，之后控制結(jié)石模型與光纖頂端的距離分別為1，2，3，4，5 mm。最后更換550μm的光纖，并重復(fù)光纖頂端距離結(jié)石4 mm的實(shí)驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 脈沖峰值功率的影響

鈥激光為脈沖式激光，因此有平均功率以及峰值功率。平均功率為脈沖能量與頻率的乘積，即在一個(gè)周期內(nèi)輸出的能量。峰值功率為脈沖能量與脈沖持續(xù)時(shí)間的商，即一個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)的輸出的能量。為了探究脈沖峰值功率對(duì)于位移的影響，選取了12 W和20 W兩個(gè)功率，每一個(gè)功率下從低能高頻到高能低頻設(shè)置3個(gè)能量×頻率的組合。圖4和圖5是結(jié)石距離光纖頂端2 mm的情況。

圖4 12 W激光功率下不同激光能量設(shè)置對(duì)結(jié)石位移的影響Fig.4 Effect of laser energy settings on stone displacement at laser power of 12 W

圖5 20 W激光功率下不同激光能量設(shè)置對(duì)結(jié)石位移的影響Fig.5 Effect of laser energy settings on stone displacement at laser power of 12 W

根據(jù)圖4以及圖5可以得出，結(jié)石模型與光纖頂端的距離保持一定時(shí)，相同功率下，脈沖持續(xù)時(shí)間一定，結(jié)石模型的位移隨著脈沖能量的增加而變大，高能低頻設(shè)置比高頻低能設(shè)置產(chǎn)生更大的位移。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，12 W功率下，當(dāng)脈沖能量從0.6 J增加到0.8 J時(shí)，短脈寬設(shè)置下位移增加了15.71%，長(zhǎng)脈寬設(shè)置下位移增加了12.5%；當(dāng)脈沖能量從0.8 J增加到1.2 J時(shí)，短脈寬設(shè)置下位移增加了46.97%，長(zhǎng)脈寬設(shè)置下位移增加了41.67%。20 W功率下，當(dāng)脈沖能量從0.8 J增加到1.0 J時(shí)，短脈寬設(shè)置下位移增加了16.4%，長(zhǎng)脈寬設(shè)置下位移增加了17%；當(dāng)脈沖能量從1.0 J增加到2.0 J時(shí)，短脈寬設(shè)置下位移增加了29.67%，長(zhǎng)脈寬設(shè)置下位移增加了24.81%。

由于脈沖峰值功率是脈沖能量與脈沖持續(xù)時(shí)間之比，因此當(dāng)脈沖能量一定時(shí)，脈沖持續(xù)時(shí)間越小，峰值功率越大；當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間一定時(shí)，脈沖能量越大，峰值功率越大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：結(jié)石位移會(huì)隨著脈沖峰值功率的增大而增大。

脈沖峰值功率直接決定激光爆破力的大小，峰值功率越高，爆破力也就越大，結(jié)石消融量就越多。隨著消融的結(jié)石粉末噴射而出，根據(jù)動(dòng)量守恒，被噴射粉末的動(dòng)量會(huì)在結(jié)石模型上產(chǎn)生反沖動(dòng)量，迫使結(jié)石遠(yuǎn)離光纖，直到所受到的摩擦力和水中阻力大于反沖動(dòng)量才會(huì)停止。因此，受激光照射而噴射的結(jié)石粉末越多，結(jié)石模型的反沖動(dòng)量也就越大。

4.2 激光燒灼尺寸的影響

為了探究激光燒灼尺寸對(duì)于結(jié)石模型位移的影響。本文選擇了272μm和550μm這兩種規(guī)格的光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖6是光纖結(jié)石模型的位移對(duì)比情況。

圖6 272μm光纖和550μm光纖的結(jié)石位移對(duì)比Fig.6 Comparison of stone displacement with 272μm fiber and 550μm fiber

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，550μm光纖相比于272 μm光纖在較短的脈沖持續(xù)時(shí)間下會(huì)增加35.59%～42.86%的結(jié)石位移，而在較長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間下則是增加了46.94%～54.17%。因此，隨著光纖芯徑的增大，結(jié)石模型的位移也隨之增大，并且無(wú)論脈沖持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，較粗芯徑的光纖（550μm）都會(huì)產(chǎn)生最大位移。發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因是兩種芯徑的光纖通過(guò)激光照射結(jié)石產(chǎn)生的燒灼坑的幾何形狀不同。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，在給定的脈沖能量下，光纖較粗時(shí)激光照射會(huì)對(duì)結(jié)石造成較寬的燒灼坑，而光纖較細(xì)時(shí)激光照射的燒灼坑則較窄。圖7為不同芯徑光纖的燒灼坑。

4.3 工作距離的影響

圖7 不同芯徑光纖燒灼坑Fig.7 Burning pits for fiber with different core diameters

通過(guò)改變結(jié)石模型和光纖頂端的距離來(lái)探究工作距離對(duì)于位移的影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光纖頂端接觸結(jié)石模型表面以及和結(jié)石表面距離保持1 mm時(shí)，結(jié)石模型在激光照射下產(chǎn)生顫動(dòng)并且會(huì)被光纖吸引；而當(dāng)結(jié)石模型和光纖距離達(dá)到2 mm，這種吸附掙扎的現(xiàn)象就消失了，表1是12 W激光在2～5 mm的工作距離下照射結(jié)石產(chǎn)生的位移情況。

表1 激光功率為12 W時(shí)不同工作距離下結(jié)石的位移距離Tab.1 Displacement distance of stones under different working distances with laser power of 12 W （mm）

由表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著光纖與結(jié)石之間距離的增加，結(jié)石模型的位移逐漸減小，發(fā)生這種情況主要是因?yàn)殡S著光纖與結(jié)石模型之間距離的增加，激光能量傳輸?shù)浇Y(jié)石模型的損耗增加。由于工作距離變大，更多的激光能量被水吸收，鈥激光粉碎結(jié)石模型的效率會(huì)因此大大降低，激光燒灼產(chǎn)生的噴射碎片也就減少了。根據(jù)動(dòng)量守恒，由激光照射燒灼產(chǎn)生的粉末噴射會(huì)對(duì)結(jié)石模型造成反沖動(dòng)量，結(jié)石發(fā)生位移。當(dāng)碎片噴射減少時(shí)，結(jié)石模型的反沖動(dòng)量也減小。

另一方面，光纖頂端的汽泡腔坍塌對(duì)結(jié)石模型位移的影響也會(huì)隨著工作距離的增大而減小。這是由于汽泡腔坍塌時(shí)產(chǎn)生的壓力波能量會(huì)隨著工作距離的增加而減弱。雖然增加結(jié)石模型和激光光纖的距離可以有效降低結(jié)石模型在鈥激光碎石術(shù)中的位移，但是由于激光消融效率受到工作距離的影響，因此考慮實(shí)際情況，為了保證手術(shù)效率，應(yīng)該讓光纖頂端接觸結(jié)石表面。

此外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)結(jié)石模型與光纖頂端距離為0 mm和1 mm時(shí)，結(jié)石模型會(huì)發(fā)生向光纖方向吸附掙扎并且顫動(dòng)的現(xiàn)象，該現(xiàn)象是由汽泡的不對(duì)稱塌陷引起的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，保持光纖時(shí)刻接觸結(jié)石表面能夠有效減少位移。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法探索了脈沖峰值功率、激光燒灼尺寸以及激光工作距離對(duì)于碎石術(shù)中結(jié)石位移的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著脈沖峰值功率的增加，結(jié)石位移也隨之增加；當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間為800μs時(shí)，結(jié)石位移距離會(huì)比較短脈沖持續(xù)時(shí)間減小16.95%～27.27%；272μm的光纖相比于550μm的光纖能夠減少35.59%～54.17%的結(jié)石位移；增大工作距離能夠減小結(jié)石位移，同時(shí)消融效率也會(huì)降低，當(dāng)結(jié)石模型與光纖頂端接觸時(shí)，由于產(chǎn)生了吸附掙扎，結(jié)石未發(fā)生位移。為了在鈥激光碎石術(shù)過(guò)程中盡可能減少結(jié)石位移，應(yīng)當(dāng)選擇直徑較小的光纖和較長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間；在不影響消融效率的情況下，選擇適當(dāng)?shù)拿}沖能量；在手術(shù)中光纖頂端應(yīng)當(dāng)盡可能接觸結(jié)石表面。

對(duì)鈥激光碎石術(shù)中結(jié)石位移影響因素的研究，有助于國(guó)產(chǎn)醫(yī)用鈥激光器的參數(shù)優(yōu)化以及泌尿系結(jié)石治療方式的進(jìn)一步探索。