铥光纤激光器：物理学变得简单

　　更有效的波长（更接近吸水峰），有利的光束轮廓，不同的作用模式，一方面能够减少碳化，另一方面能够大大减少反冲，所有这些都使TFL成为泌尿外科手术的发展。

　　激光是“通过受激辐射放大光”的首字母缩写。激光技术是在60年代初提出的 [1] .第一台红宝石激光器的调查人员称其为“寻求问题的解决方案”。换句话说，激光不是为了填充特定应用而发明的技术，它更像是一项科学发现，而不是一项发明。 [2] .毫无疑问，激光最终会在医学的所有领域找到自己的方式。如今，在泌尿外科实践中，它们已成为结石管理、良性前列腺增生 （BPH） 手术、上尿路尿路上皮癌和非肌肉浸润性膀胱癌手术不可或缺的一部分。

　　随着应用的发展，激光需求也在不断发展。因此，开始寻找一种多功能设备，该设备可用于碎石术和软组织。自第一次激光发明以来，提出了几种用于泌尿科需求的激光设备。尽管激光在半个世纪中发生了重大变化，但其工作的基本原理保持不变。但首先，为了了解激光如何在手术中发挥作用，需要澄清的是，所有激光都通过发色团（吸收特定波长光的物质）影响组织。 [3] .在外科手术中，我们将讨论其中两种——血红蛋白和水 [4] .

　　最早应用于泌尿外科的激光器之一 – 波长为 1064 nm 的 Nd：YAG 主要被血红蛋白吸收，这使其适用于前列腺手术 [5] .然而，应用Nd：YAG的技术不再用于具有增强功效的新型激光器件进入该领域。KTP/LBO激光器是Nd：YAG激光器的衍生产品。激光谐振器中的KTP或LBO晶体将Nd：YAG波长（1064 nm）转换为绿色光谱（532 nm）。这就是为什么KTP激光器也被称为绿光激光器的原因。该绿色波长被血红蛋白吸收，这定义了其在前列腺光选择性汽化中的应用 [6] .激光进化的里程碑之一是波长为2100nm的Ho：YAG激光器的发展，该激光器被水强烈吸收，这使得它适用于碎石术和软组织手术 [7] .然而，进一步寻找具有更高激光切割效率和精度的设备导致了Tm：YAG激光器的出现 - 一种固态激光器，其活性介质是掺杂了铥离子的YAG晶体。铥激光发出的光波长为2010nm，几乎与吸水峰相匹配。这一特性使其成为软组织的理想仪器;然而，连续作用模式限制了其在碎石术中的应用 [8] .

　　与固态激光器、二极管和一氧化碳并联2激光也被创造出来，但在泌尿科，它们的应用有限 [9,10] .固态激光器现在代表了一大群不断改进的设备。然而，这更多的是现有技术的发展，而不是激光的演变。但真正的飞跃是从铥光纤激光器开始的新光纤激光器系列的出现，该设备的优点得到了很好的报道，但我们相信光纤激光器设计的结构变化，导致激光 - 组织相互作用的改变，仍然被认为有点复杂。通过这项工作，我们的目标是在生物物理学和临床实践之间架起一座桥梁，并简单解释设备的工作原理以及为什么了解它对临床医生很重要。

　　TFL已成功从临床前试验进入临床实践，现已广泛应用于世界各地的诊所。现有数据表明，该装置在软组织中有效运行 - 良性前列腺增生（BPH）和膀胱肿瘤，以及碎石术。此外，腹腔镜手术获得了第一个有希望的结果，表明其在肾细胞癌管理中的可能适用性。光纤激光器设计的结构变化导致激光 - 组织相互作用的改变，从而产生了该设备的临床优势。然而，确切的机制通常被认为难以理解。更有效的波长（更接近吸水峰），有利的光束轮廓，不同的作用模式，一方面可以减少碳化，另一方面能减少反冲，所有这些都使TFL成为泌尿外科手术的发展。正在等待进一步的试验，以调查该设备可能的优缺点。

　　激光介质是定义激光辐射的主要组成部分之一。大多数激光器通常是固态的，这意味着它们基于固体主体晶体。医用激光器中最常见的主体材料之一是钇铝石榴石（YAG）晶体。YAG晶体作为定义激光特性的稀土材料的载体。从一侧看，YAG晶体允许相对容易地提取产生的热量，从而允许在高输出功率下运行。相反，它往往导致蒸发掉闪光灯发出的大部分能量，导致晶体所在的激光腔发热。因此，YAG设备通常需要庞大而笨重的水冷系统。此外，单腔激光器受到功率和频率的限制 [11] .为了提高激光器的功效，引入了具有多个腔的激光器，这使得它们的结构更加巨大。此外，一些高功率激光器需要特殊的电源插座来为它们提供足够的能量来维持高峰值功率。此外，固态激光器使用闪光灯作为光学激发源，需要定期更换灯泡。

　　虽然铥光纤激光器的设计有明显不同。激光介质具有薄（10-20μm）厚和长（长达30m）的二氧化硅纤维，该纤维已化学掺杂了具有小横截面的铥离子 [11] .这种光纤激光器发生系统相对较小且紧凑。这主要是因为激光发生机构的空气冷却系统，该系统使用典型的 110 V 电源插座作为其电源 [12] .此外，由于激光器中的组件由全部熔接的光纤组成，因此不存在机械扰动问题，例如在具有单独反射镜的体激光器中。

　　铥光纤激光器设计的另一个重要变化是使用二极管作为泵浦能量系统，与固态Ho：YAG激光器中使用的闪光灯泵浦相比 [注13▪▪] .用于激光泵浦的二极管激光器与铥离子的吸收线精确匹配，从而提高了TFL的功效 [14] .由于二极管用作铥光纤激光器的泵浦源，因此整体系统效率很高，因为给定输出功率水平的输入功耗较低，因此即使激光器在高功率下工作，也不需要光纤水冷 [14] .因此，二极管激光器有助于铥光纤激光器器件的紧凑性和高效率。

　　吸收峰代表一个特定的波长，它被组织中的不同分子有效地吸收，正如我们之前所说 – 发色团。像任何发色团一样，水具有能量吸收达到最大值的峰值。因此，水的主要吸收峰是1910和2870 nm [15] .铥光纤激光器经过优化，发射波长为 1940 nm，与室温 （22 °C） 下的吸水峰值非常匹配，而钬激光器的吸收峰为 2120 nm，Tm：YAG – 2010 nm [16] .因此，铥光纤激光器的吸收系数是Ho：YAG的四倍，导致TFL的穿透深度较低，这反过来又可能增加铥光纤激光器的安全性，从而限制附带损伤 [11] .而且，吸收越高，吸收相同量能量的组织体积就越小，也就是说，切口会精确高效 [17] .

　　激光-组织相互作用的整个过程由光热解表示。辐射能转化为动能（热）能，导致组织温度升高。一旦组织被加热到60°C，蛋白质就会变性，从而导致组织的凝固。温度持续升高高于 60oC 和沸点以上会导致组织消融/汽化 [7] .温度的进一步升高导致热解的开始，最终在碳化中终止 [18] .

　　至于碎石术——石头是一种高度多孔的材料，里面含有大量的水，被水有效地吸收，TFL 将石头内部的水与石头表面一起加热。这两个平行的过程导致石材化学分解（石材变软）和水汽化，导致石材内部的蒸汽迅速膨胀。这种效应导致所谓的爆炸性汽化——对石头的热机械破坏 [注19▪] .

　　所有激光器根据其作用方式可分为两组：脉冲波激光器和连续波激光器。脉冲波激光器包括Ho：YAG和TFL。连续波激光器有Nd：YAG，Tm：YAG，Greenlight激光器和二极管激光器。连续波激光器在设定的时间间隔内具有标称恒定的输出功率。这意味着关键光束参数（输出功率、强度等）保持不变。虽然对于脉冲波激光器，输出功率的特征在于在特定脉冲重复频率下发生的能量脉冲。脉冲激光对宝石产生热机械效应，包括空化气泡的形成。空化气泡是由激光光纤尖端的水蒸气快速膨胀引起的，导致结石碎裂。连续激光不断加热组织，这导致热效应，如前所述，组织发生碳化。

　　铥光纤激光器的优点之一是能够以准连续波模式或超脉冲作用模式发射激光辐射，而Ho：YAG激光器中唯一的脉冲模式或Tm：YAG激光器中的唯一脉冲模式。在准连续波模式下，泵定期保持一定的时间间隔，这些时间间隔足以促进激光器在接近其稳态时运行，并且关闭时间有助于更好地散热 [20] .在这种情况下，值得一提的是热弛豫时间。热弛豫时间定义为组织将至少一半的激光能量输送到环境中的时间 [21] .换句话说 – 这是组织冷却一半所需的时间 [22] .因此，能量需要在小于或等于目标热弛豫时间的脉冲持续时间内传递。如果输送时间超过热弛豫，则目标不会损坏，而是能量消散到周围组织，从而导致凝血 [23] .换句话说，准连续模式允许组织的热松弛，因为激光脉冲之间存在短暂的停顿。这有助于平滑切口，最大程度的止血和凝血。同样重要的是，与铥Tm：YAG的连续波操作模式相比，碳化显着降低 [24] .TFL似乎结合了脉冲激光的优点，其止血特性以及连续波激光在软组织中的平滑和精确切割能力，可以更安全，更有效地治疗BPH。

　　在临床前试验中，评估TFL允许进行非广泛的碳化。TFL陨石坑边缘有清晰的切口，没有破裂。最后，特别重要的是，TFL的特点是广泛而明显的凝血（高达0.6±0.2毫米）。这可能导致比Ho：YAG更好的止血 [18,25] .

　　如前所述，TFL可以在脉冲模式下运行，这使其适用于高效的碎石术 [26] .TFL的特点是峰值功率比Ho：YAG低，脉冲更长 [27] .它允许在单个激光脉冲期间均匀的能量分配并向石头输送最大能量。TFL形成更小的蒸汽气泡，随后与Ho：YAG相比，反冲力降低 [18，28▪，29] .在体外研究中，评估了SuperPulse铥光纤激光器（SP TFL）和Ho：YAG主要涉及热机械结石消融机制（爆炸性汽化）。高脉冲峰值功率允许石头的瞬时加热和被困在其中的水的爆炸性汽化。此外，TFL的延长峰值允许均匀加热石材。然而，SP TFL的高峰值功率加速了导致水快速汽化和热机械损坏的过程，允许至少与Ho：YAG相同（甚至更高）的烧蚀速率 [注19▪] .在临床前试验中，结果表明，TFL在脉冲能量和脉搏率方面提供与Ho：YAG激光器相当的消融速率，而在脉搏速率低于150 Hz时，TFL的反冲最小，然后在较高的脉冲速率下迅速增加。 [30,31] .

　　脉冲形状也称为激光脉冲的轮廓。理想的激光束以高斯轮廓（典型的对称钟形曲线）发射。能量脉冲的上升越陡峭，温度上升越快，这将允许更有效地消融硬组织，同时减少热量中的能量分散。激光束轮廓因激光介质和传输系统而异。TFL的特点是几乎高斯，导致光纤周围的温度快速升高。Ho：YAG曲线的特点是功率快速增加（峰值功率为2-10 kW）并进一步逐渐降低（ 图1 ）。

　　在选择手术纤维时，光束轮廓变得越来越重要。传统的Ho：YAG具有200μm的最小纤维直径，因为光束轮廓更大。新开发的SP TFL具有50μm的空间光束轮廓 [11] .最近，已经引入了150μm的较小纤维，目前正在临床SP TFL碎石术中广泛研究。具有较小芯径光纤的SP TFL通过降低光束焦点和使用较小的光纤直径将光束密度提高四倍，理论上可以提高碎石效率 [11] .首次临床前研究表明，150 μm 光纤与 200 μm 光纤一样高效且耐受性良好，在反冲、温度升高、纤维回燃或能量传输方面没有显着差异。然而，它有可能在碎石术过程中减少结石颗粒，从而促进手术 [32] .

　　那么铥光纤激光器的上述所有功能如何影响其在临床中的应用呢？首先，由于激光器的关键部件是二氧化硅纤维，这使得激光器在操作中更安静，并且比笨重的钬激光器更小，更容易携带。与闪光灯泵浦Ho：YAG激光器相比，带有泵浦二极管的TFL技术的全固态不需要每年更换部件服务或校准激光器。这可能会降低 TFL 的维护成本。此外，由于激光可以成功地应用于碎石术和软组织，因此它也可能有助于提高其成本效益。但是，有关该主题的数据仍然缺失。

　　其次，TFL脉冲的峰值功率比Ho：YAG低10-200倍（高达2-10 kW），并且具有高斯脉冲形状，根据临床前试验，这完全导致更小的气泡形成，从而在减少逆冲的情况下进行有效的碎石术 [26,31,33] .自从TFL在碎石术中的首次临床前试验以来，有关该主题的数据量显着增长。临床试验表明，无论结石密度和成分如何，TFL都可以有效进行碎石术 [34–36] .外科医生强调，与Ho：YAG激光相比，使用TFL进行时主观上减少了反冲。此外，TFL 允许在 RIRS 和 PCNL 中实现高达 92.5% 的无结石率 [35,37] .最后，TFL的安全性与传统技术相当，根据现有数据不超过Clavien-Dindo II级。 [38] ( 图 2 a）。

　　（一）铥光纤激光– 结石处理。（二）铥光纤激光器– 良性前列腺增生处理。QCW，准连续;SP，超脉冲;SP-TFL，超脉冲铥光纤激光器。

　　第三，由于TFL导致产生较小的气泡，该气泡允许用激光发射切割组织而不是用蒸汽分离，因此它应用于BPH的手术治疗，主要是在内窥镜下前列腺剜除术中，这是由Enikeev等人开创的。 [39] .TFL被证明是EEP的有效工具，其疗效与开放性单纯前列腺切除术相当 [40] .此外，EEP结果在功能结果方面与TURP相当，但并发症发生率较低 [39] .此外，评估铥光纤激光内镜前列腺剜除术在保留勃起功能方面具有更大的潜力 [40] .由于铥光纤激光穿透深度低，对软组织的影响有限，因此在激光EEP期间术中输尿管口损伤的情况下，无需上尿路支架置入术 [41] ( 图 2 b）。

　　铥光纤激光对软组织的另一个可能意义是膀胱肿瘤的整体切除术。在评估铥光纤激光整体切除膀胱肿瘤（TFL ERBT）的安全性和有效性的临床试验中，评估了该技术比传统TURRBT更好的安全性，并且在获得的材料中显着提高了逼尿肌的存在（使用常规TURBT治疗的病例为58.6%，而TFL ERBT为91.6%，P 0.001） [42] .然而，需要进一步评估膀胱癌手术的技术。

　　更有效的波长（更接近吸水峰），有利的光束轮廓，不同的作用模式，一方面能够大大减少碳化，另一方面可以减少反冲，所有这些都使TFL成为泌尿外科手术的发展。正在等待进一步的试验，调查该设备可能的优缺点。我们钦佩地注视着这项技术的发展，并等待有关其应用可能性的新数据。