Research progress of super-pulse fiber thulium laser lithotripsy

DING Tianfu，HUANG Zhongyue，XU Zheng，LI Jianxing

（Department of Urology，Beijing Tsinghua Changgung Hospital，Tsinghua University School of Clinical Medicine，Beijing 102218，China）

ABSTRACT：Super-pulse thulium fiber laser （hereinafter referred to as thulium laser） has shown broad application prospects in medical research，especially in the treatment of urinary tract stones.Thulium laser has a thin fiber diameter，which reduces the occupation of the working channel and increases the irrigation water flow.Currently，the peak power reaches up to 500 W，the single pulse energy to 6 J，and the frequency to 2000 Hz.The stone-breaking mechanism of thulium laser is photothermal and photomechanical.Different combinations of energy and frequency will significantly affect the volume of stone fragments.“High energy and low frequency” is more suitable for “fragmentation” stone breaking，while “l(fā)ow energy and high frequency” is more suitable for “powderization” stone breaking.Some in vitro experiments have confirmed that thulium laser has higher stone-breaking efficiency，less stone displacement，and more obvious thermal effects compared to holmium laser.Clinically，thulium laser has been applied to ureteroscopic lithotripsy and percutaneous nephrolithotomy.，and the stone free rate and safety are relatively high.This article reviews the stone-breaking principles，in vitro experiments，and clinical applications of thulium laser，aiming to provide better theoretical support and practical experience for the development and application of super-pulse thulium fiber laser in the future.

KEY WORDS：super-pulse fiber thulium laser; stone; lithotripsy; temperature

摘要：超脈沖光纖銩激光（以下簡稱銩激光）作為新型激光在醫(yī)學研究中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，尤其在處理泌尿系結(jié)石方面表現(xiàn)突出。銩激光光纖直徑更細，減少了工作通道的占用，增加了灌注水流，目前峰值功率高達500 W、單脈沖能量高達6 J、頻率高達2000 Hz。銩激光的碎石機制為光熱機制和光機械機制，不同的能量和頻率組合會顯著影響結(jié)石碎塊的體積，“高能低頻”更適合“碎塊化”碎石，而“低能高頻”更適合“粉末化”碎石。一些體外實驗已證實銩激光較鈥激光的碎石效率更高、結(jié)石位移更少、熱效應(yīng)更明顯。臨床上已將銩激光應(yīng)用于輸尿管鏡碎石取石術(shù)和經(jīng)皮腎鏡碎石術(shù)，且結(jié)石清除率及安全性均較高。本文從銩激光的碎石原理、體外實驗及臨床應(yīng)用等方面進行綜述，以期為未來超脈沖光纖銩激光的發(fā)展和應(yīng)用提供更好的理論支持和實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：超脈沖光纖銩激光；結(jié)石；碎石；溫度

中圖分類號：R691.4"" 文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1009-8291.2025.01.016

收稿日期：2024-03-15""" 修回日期：2024-06-04

通信作者：

李建興，主任醫(yī)師。E-mail：ljx1@sina.com

作者簡介：

丁天福，博士研究生，住院醫(yī)師。研究方向：結(jié)石的微創(chuàng)治療。E-mail：dtf20@tsinghua.org.cn

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，激光作為碎石手術(shù)最常用的工具也得到了長足的發(fā)展。超脈沖光纖銩激光（以下簡稱“銩激光”）

作為一種新型激光技術(shù)，波長1940 nm，更接近于水吸收高峰，因此在水中的吸收系數(shù)更高，是波長2100 nm鈥激光的4倍以上，在碎石領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前鈥激光被國內(nèi)外指南推薦，應(yīng)用較廣泛，碎石效率高，而銩激光不僅具有比鈥激光更高的碎石效率，還具有較低的結(jié)石回退力、較細的光纖直徑等，在泌尿系結(jié)石的治療方面有著極大的潛力。因此，本文從銩激光的碎石原理、體外實驗和臨床應(yīng)用等方面對其進行全面闡述，以期為未來超脈沖光纖銩激光的發(fā)展和應(yīng)用提供更好的理論支持和實踐經(jīng)驗。

1 銩激光器的原理與發(fā)展

激光的3個基本要素包括工作介質(zhì)、泵浦源（激發(fā)源）和諧振腔。其中，工作介質(zhì)是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵組成部分，它能夠放大光子的能量。工作介質(zhì)可以是固體、液體或氣體。不同的工作介質(zhì)所產(chǎn)生的激光具有不同的特性和工作原理。銩激光器分為銩固體激光器和銩光纖激光器，前者使用銩摻雜固體材料作為工作介質(zhì)，而后者則使用銩摻雜光纖為工作介質(zhì)^[1]銩光纖激光器可分為連續(xù)激光和脈沖激光，連續(xù)激光產(chǎn)熱效應(yīng)明顯更適合處理軟組織，主要應(yīng)用于前列腺、腫瘤等軟組織切割、切除等手術(shù)^[2]；脈沖激光具有高峰值功率和瞬時時間特性，可以在極短時間內(nèi)向結(jié)石輸送大量能量，從而產(chǎn)生強大的機械應(yīng)力和激波效應(yīng)進行碎石^[3]早期的銩光纖激光器峰值功率較低，脈沖能量和頻率范圍較窄，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前峰值功率高達500 W、單脈沖能量高達6 J、頻率高達2000 Hz的銩激光開始應(yīng)用于臨床^[4]

2 銩激光碎石原理

與鈥激光碎石原理一致，銩激光的碎石機制為光熱機制和光機械機制^[5]。光熱機制是指結(jié)石具有晶體結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的微晶成分，并且具有多孔結(jié)構(gòu)。由于這些晶體和多孔結(jié)構(gòu)中充滿了水分，在激光激發(fā)時，水分吸收熱量后經(jīng)歷膨脹、爆破等過程，最終導(dǎo)致結(jié)石裂解。而光機械機制則是指激光釋放的熱量直接將結(jié)石蒸發(fā)、裂解。

相較于鈥激光，銩激光波長（1940 nm）更接近于水吸收高峰（水吸收高峰波長段為1600～1800 nm），因此在水中的吸收系數(shù)更高，是鈥激光的4倍以上，即在相同的脈沖能量下，銩激光在水中吸收的能量更多^[6]，具有更低的消融閾值和更快的碎石速率^[7-8]，因此，在相同碎石功率下銩激光灌注流速需快于鈥激光，以免造成組織損傷^[9]不同的能量和頻率組合會顯著影響結(jié)石碎塊的體積。一般來說，“高能低頻”模式下，脈沖能量較高，激光聚焦后可產(chǎn)生高能量密度的光束，使局部結(jié)石受到快速而強烈的熱膨脹和/或物理應(yīng)力作用，發(fā)生局部裂解，形成較大的碎塊，因此更適用于“碎塊化”碎石。而“低能高頻”模式下，能量較低，產(chǎn)生的結(jié)石碎塊較小，更適用于“粉末化”碎石^[10].

3 銩激光體外碎石實驗

3.1 碎石效率

2005年，F(xiàn)RIED^[11]首次使用峰值50 W、脈寬為20 ms的銩激光對尿酸結(jié)石和草酸鈣結(jié)石進行了體外碎石試驗，碎石功率為10 W（1 J×10 Hz），碎石速率分別為388 mg/min和25 mg/min。此后，銩激光體外試驗及臨床前研究陸續(xù)開展。BLACKMON等^[12]的體外研究對比了銩激光與鈥激光的性能，發(fā)現(xiàn)銩激光的碎石速度較鈥激光快，特別是在粉末化模式下，其速度為鈥激光的5倍以上。他們團隊隨后對銩激光和鈥激光碎石的能量閾值進行了深入研究，結(jié)果表明鈥激光消融、裂解草酸鈣結(jié)石的能量閾值是銩激光的4倍（82.6 J/cm²vs.20.8 J/cm²）^［13］。

隨著醫(yī)療設(shè)備的不斷發(fā)展，銩激光的碎石功率和脈沖范圍不斷擴大，高峰值功率（500 W）銩激光的碎石功率較之前有了明顯提升，其碎石效率和模式也不斷得到完善。PANTHIER等^[14]分別在“碎塊化”、“粉末化”和“精細粉末化”3種模式下進行了體外碎石速率的比較，結(jié)果表明直徑為150 μm和272 μm的銩激光消融速率均快于直徑272 μm的鈥激光。其中，直徑150 μm的銩激光的粉末化速率是鈥激光的2倍，碎塊化速率是鈥激光的1.5倍；而直徑為272 μm的銩激光的粉末化速率是鈥激光的3倍，碎塊化速率是鈥激光的2倍。同期，筆者團隊也進行了一系列關(guān)于銩激光體外碎石的相關(guān)實驗。在銩激光體外碎石過程中，使用草酸鈣結(jié)石時，當單脈沖能量為0.1 J，頻率分別為100、120、150、180 Hz時，激光的碎石效率分別為（19.98±2.29）、（24.59±0.40）、（34.74±1.69）、（39.73±5.70）mg/min；當碎石頻率為100 Hz，脈沖能量分別為0.1、0.2、0.3 J時，激光的碎石效率分別為（19.98±2.29）、（38.92±0.11）、（62.32±18.27）mg/min。相同的碎石頻率和脈沖能量組合下，不同結(jié)石成分其碎石效率也不同，“軟結(jié)石”組的效率高于“硬結(jié)石”組（P＜0.01）^[15]銩激光在體外實驗中展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，包括高碎石效率、低能量閾值以及對不同成分結(jié)石的適應(yīng)性。特別是“粉末化”模式下，銩激光的碎石速度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)鈥激光，這可能為臨床提供了一種更為高效和微創(chuàng)的治療選擇。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，銩激光設(shè)備的功率和脈沖范圍的擴大，預(yù)示著其在未來的臨床應(yīng)用中將有更廣闊的發(fā)展空間。然而，為了確保這些優(yōu)勢在臨床實踐中得到充分發(fā)揮，需要更多的臨床研究來驗證其長期療效及安全性。

3.2 結(jié)石位移

結(jié)石位移指在激光激發(fā)結(jié)石時，作用于結(jié)石上的能量會使得結(jié)石出現(xiàn)位移，是影響碎石效率的重要因素之一。影響結(jié)石位移的因素主要是光纖激發(fā)時形成的氣泡，其具體過程為：激光激發(fā)后液體溫度快速升高導(dǎo)致局部壓力下降，形成蒸汽氣泡，氣泡在達到最大尺寸后會坍塌，產(chǎn)生高速液體射流和強烈的沖擊波，從而對結(jié)石產(chǎn)生作用力，致使結(jié)石發(fā)生位移，這一現(xiàn)象被稱為“結(jié)石位移”。銩激光所形成的脈沖波呈矩形，能量分布比較均勻，形成的氣泡較小，對結(jié)石位移的影響較小，而鈥激光脈沖波有峰值出現(xiàn)，能量分布較廣泛，氣泡較大，對于結(jié)石位移影響較大^[16]。

BLACKMON等^[13]的實驗發(fā)現(xiàn)，當碎石頻率小于150 Hz時，銩激光的結(jié)石回退力最小，在碎石功率設(shè)置方面，35 mJ×100 Hz時結(jié)石回退力最小。HARDY等^[17]使用體外輸尿管模型進行實驗，也觀察到銩激光碎石時的結(jié)石回退力相對于鈥激光明顯降低。VENTIMIGLIA等^[7]使用不同脈沖模式的鈥激光與銩激光進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論哪種模式，鈥激光產(chǎn)生的結(jié)石位移均大于銩激光。而ENIKEEV等^[18]也進行了相應(yīng)的實驗，在激光功率設(shè)置為單脈沖能量為1、2、3 J時，銩激光的結(jié)石回退程度分別為鈥激光的75%、60%、29%。鑒于銩激光在減少結(jié)石位移方面的潛在優(yōu)勢，對于難以清除的結(jié)石，如結(jié)石位于狹窄或難以接觸的解剖位置，使用銩激光可能更為有效。此外，對于多發(fā)性小結(jié)石或結(jié)石數(shù)目較多的情況，銩激光可以減少因位移導(dǎo)致的清除難度。

3.3 熱效應(yīng)

因銩激光波長（1940 nm）更接近于水吸收高峰，在相同的脈沖能量下，水吸收的能量更多^[6]，故操作過程中的溫度有可能變化更快。DANILOVIC等^[19]的研究表明，在銩激光碎石過程中，通過合理設(shè)置碎石功率和灌注速度可以有效控制手術(shù)區(qū)域的溫度，避免對軟組織造成損傷。實驗中，他們測試了5種不同的碎石功率下不同灌注速度對溫度控制的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在灌注速度為15 mL/min時，僅當碎石功率達到30 W并持續(xù)激發(fā)45 s后，溫度才超出了安全閾值；而當灌注速度提升至25 mL/min和50 mL/min時，在連續(xù)60 s的激光激發(fā)下，所有測試的碎石功率對應(yīng)的溫度均未超過安全閾值。TARATKIN等^[20]通過使用1個雙側(cè)通暢的圓柱體，對比了直徑150 μm與200 μm的銩激光光纖分別在無灌注和灌注速度為30 mL/min的性能，結(jié)果顯示，無灌注情況下，溫度很快超過了安全閾值，而以30 mL/min的速度灌注時，無論是150 μm還是200 μm光纖都未超過安全閾值。

本團隊也對銩激光和鈥激光的熱效應(yīng)進行了對比，利用自行設(shè)計的測溫裝置在高流速（35 mL/min）和低流速（15 mL/min）模式下，選擇不同的碎石功率，包括10 W（10 Hz×1.0 J；20 Hz×0.5 J）、20 W（10 Hz×2.0 J；20 Hz×1.0 J）和30 W（10 Hz×3.0 J；20 Hz×1.5 J），最終結(jié)果顯示在相同參數(shù)設(shè)置和灌注速率下，銩激光的熱效應(yīng)更為明顯^[9]銩激光與鈥激光碎石時升溫曲線和穩(wěn)態(tài)溫度的差異。

同時，我們利用體外腎盂模型和輸尿管模型進行了實驗，發(fā)現(xiàn)在體外腎盂模型銩激光碎石術(shù)中，灌注速度為15 mL/min時，碎石功率≤15 W；灌注速度為25 mL/min時，碎石功率≤25 W；灌注速度為35 mL/min時，碎石功率≤30 W，區(qū)域溫度均不超過安全閾值。在體外輸尿管模型銩激光碎石術(shù)中，灌注速度為10 mL/min時，碎石功率≤10 W；灌注速度20 mL/min時，碎石功率≤20 W，碎石區(qū)域溫度均不超過安全閾值^[21-22]。這說明在手術(shù)中，使用銩激光時需要特別注意控制熱效應(yīng)，應(yīng)保證灌注流速快于使用鈥激光的情況，這樣可以有效帶走因激光碎石產(chǎn)生的熱量，保護周圍組織不受熱損傷。

4 臨床應(yīng)用

4.1 銩激光應(yīng)用于輸尿管鏡碎石取石術(shù)

2018年，TRAXER等^[4]的臨床試驗首次展示了銩激光在治療泌尿系結(jié)石方面的應(yīng)用，涉及40例患者，其中腎結(jié)石患者手術(shù)時間較長，而輸尿管和膀胱結(jié)石患者手術(shù)時間相對較短。MARTOV等^[21]的研究納入了56例患者，治療上尿路和膀胱結(jié)石，平均手術(shù)時間和住院時間均較短，且術(shù)后殘石率低。ENIKEEV等^[22]研究發(fā)現(xiàn)，使用銩激光進行輸尿管軟鏡碎石術(shù)在不同功率設(shè)置下均有效，200 Hz模式下消融效率更高，且大多數(shù)患者術(shù)后3個月達到了完全清石，并發(fā)癥發(fā)生率低。許力為等^[23]。綜合上述研究我們可以總結(jié)出輸尿管鏡銩激光碎石具有微創(chuàng)、高效、低殘石率、安全性高等特點，表明輸尿管鏡聯(lián)合銩激光碎石術(shù)是一種有效、安全且微創(chuàng)的治療泌尿系結(jié)石的方法。

4.2 銩激光應(yīng)用于經(jīng)皮腎鏡碎石取石術(shù)

銩激光不僅被應(yīng)用于輸尿管鏡手術(shù)中，還被應(yīng)用于經(jīng)皮腎鏡取石術(shù)（percutaneous nephrolithotomy，PCNL）中。2020年，ENIKEEV等^[18]首次報道了應(yīng)用銩激光微通道經(jīng)皮腎鏡碎石術(shù)（minimally invasive percutaneous，Mini-PCNL）。該研究共納入了120例患者，激光功率為25～30 W（0.8 J×31 Hz～0.8 J×38 Hz），平均手術(shù)時間為（23.4±17.9）min，平均激光激發(fā)時間為（5.0±5.7）min，總體清石率為85%。NIU等^[24]也進行了Mini-PCNL銩激光（F15/16）的研究，平均激光激發(fā)時間為28 min。術(shù)中發(fā)現(xiàn)30 W（1 J×30 Hz）的“碎塊化”效果較好，而15 W（0.3 J×50 Hz）的“粉末化”效果較好。MAHAJAN等^[25]進行了一項前瞻性研究，對比了鈥激光和銩激光在Mini-PCNL中的有效性和安全性，結(jié)果顯示鈥激光碎石的中位時間為20 min，而銩激光為11 min（Plt;0.05）；鈥激光組中觀察到患者術(shù)后血尿時間延長，銩激光的結(jié)石清除率（94.9%）優(yōu)于鈥激光（90.9%）。

結(jié)合上述研究，我們認為銩激光在泌尿系結(jié)石治療中顯示出良好的療效和安全性。特別是ENIKEEV等^[18]的研究指出，在特定的高頻率模式下，銩激光能夠提高結(jié)石的消融效率，這可能為臨床提供更優(yōu)的治療選擇。此外，銩激光的低并發(fā)癥發(fā)生率也表明了其可作為一種安全的治療手段。然而，為了進一步確立銩激光在泌尿系結(jié)石治療中的地位，仍需開展更多前瞻性、多中心、隨機對照的臨床研究，以驗證其長期療效和安全性。

5 小結(jié)與展望

在目前的臨床報道中，銩激光在碎石效率和結(jié)石回退力方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。此外，其光纖直徑更細，減少了工作通道的占用，增加了灌注水流，同時也有利于增加輸尿管軟鏡的彎曲度，適用于腎盂漏斗夾角更小或窄腎盞頸患者的治療。

然而，銩激光在臨床使用中也存在一些不足之處，本團隊在使用銩激光的過程中遇到了一些“爆閃”情況，特別是needle-perc聯(lián)合銩激光碎石時突然產(chǎn)生明顯火花，火花較大會對鏡體造成損害，解決這些問題的方法仍需進一步研究。

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（編輯 郭楚君）