Введение. Мочекаменная болезнь (МКБ) является важной медицинской и экономической проблемой для современной системы здравоохранения. Последние международные эпидемиологические данные свидетельствуют о том, что распространенность МКБ с каждым годом возрастает [1]. Так, заболеваемость МКБ в Северной Америке достигает 13%, в Европе – 9%, в Азии – 5%. Кроме того, частота рецидива колеблется, по данным разных авторов, от 34 до 50%. В последние годы доля малоинвазивных хирургических методов лечения нефролитиаза значительно увеличилась [2]. А такие виды, как мини, ультрамини-, микрочрескожная нефролитотрипсия, ретроградная интраренальная хирургия с использованием ригидного и гибкого эндоскопов, требуют применения лазера как единственно возможного инструмента для литотрипсии [3].
Рубиновый лазер был первым, при помощи которого в эксперименте были эффективно фрагментированы мочевые камни, о чем впервые сообщили Mulvaney и Beck в 1968 г. [4]. Однако по причине чрезмерного нагревания, обусловленного непрерывным излучением волн, этот лазер не подходил для клинического применения. Решение этой проблемы пришло с разработкой импульсных лазеров, показавших хорошую эффективность и безопасность в дроблении камней в урологической практике [5].
С 2010 г. отмечается резкий рост публикационной активности на тему лазерной литотрипсии (рис. 1). Такая тенденция в применении лазерных технологий в лечении МКБ отражает высокую эффективность и безопасность использования лазеров [1].
Процесс литотрипсии с применением лазерного излучения основан на различных механизмах, при которых энергия лазера преобразуется в тепло:
- поглощение лазерного излучения в приповерхностном слое камня и формирование термических напряжений в объеме камня приводят к его растрескиванию на крупные фрагменты. Этот механизм фрагментации доминирует при большой энергии лазерных импульсов и приложении лазерной мощности в одну точку (сверление камня);
- излучение поглощается водой, содержащейся в межкристаллических пространствах или порах камня; происходит ее вскипание, что обеспечивает растрескивание камня на микрокристаллы (рис. 2a) или их кластеры между порами (рис. 2б) [6]. Этот механизм распыления приводит к распаду камня на мелкие фрагменты, легко перемещаемые потоком воды во время операции, и позволяет обеспечить практически полное удаление пыли без необходимости использования литотомических корзин или аналогичных инструментов. Механизм распыления доминирует при использовании лазерных импульсов с малой энергией, но большой частотой повторения и непрерывном перемещении волокна вдоль поверхности камня (dancing technique).
Излучение лазера сильно поглощается и проникает на глубины 0,1 и 0,5 мм соответственно для тулиевого и гольмиевого лазеров. Между волокном и камнем всегда существует зазор, заполненный водой, что должно приводить к ослаблению лазерного излучения. Однако часть энергии в начале лазерного импульса, поглощаясь в этом зазоре, приводит к вскипанию воды и образованию газового пузыря, через который последующая часть импульса без поглощения достигает камня, разрушая его (Moses эффект) [3, 7].
В настоящее время литотрипсия с использованием лазерного аппарата на алюмо-иттриевом гранате, активированном ионами гольмия (Ho:YAG), с длиной волны излучения 2,1 мкм является «золотым» стандартом для разрушения мочевых камней. Фрагментация конкрементов под воздействием излучения лазера Ho:YAG основывается на термомеханическом механизме и служит результатом взаимодействия коротких импульсов (0,1–1 мс) излучения с очень высокой пиковой мощностью (до 4 кВт) с водой – основным хромофором (т.е. веществом, поглощающим большую часть излучения лазера), содержащимся в камне (около 10%), или нагреве камня с увеличением его поглощения (термохимический механизм). Длина волны излучения лазера Ho:YAG – 2,1 мкм, что значительно отличается от пика поглощения в воде [8].
Поиски новых возможностей для увеличения эффективности дробления конкрементов, уменьшения длительности операции и, следовательно, повышения рентабельности применения лазерных технологий были и остаются актуальными.
Так, до недавнего времени считалось, что дробление камней с использованием тулиевого (Tm) лазера невозможно. Однако это мнение было основано на опыте с непрерывными Тm:YAG-лазерами с длиной волны 2,01 мкм.
В последние годы большой интерес стали вызывать лазеры на Tm-активированном волокне с длиной волны излучения 1,94 мкм [9, 10]. Коэффициент поглощения воды для излучения Tm волоконного лазера в 5,5 раз выше, чем для лазера на основе Ho:YAG [11], и в 2,2 раза выше, чем для Tm:YAG-лазера (рис. 3). Эта разница должна приводить к увеличению эффективности и скорости абляции (дробления), что в свою очередь ведет к уменьшению времени операции. Кроме того, Тm-волоконный лазер имеет гораздо больше возможностей выбора лазерных параметров для обеспечения наилучшего клинического эффекта и безопасности лечения. Энергия лазерного излучения Тm-волоконного лазера может настраиваться в пределах от 0,025 до 10 Дж (0,2–6 Дж для Но:YAG-лазера), а частота повторения – от 5 до 2000 Гц (5–80 Гц для Но:YAG-лазера), длительность импульса от 0,2 до 20 мс (0,1–1,5 мс для Но:YAG-лазера).
С командой физиков мы разработали новый отечественный волоконный тулиевый лазер с длиной волны излучения 1,94 мкм; энергией импульса 0,05–6 Дж; частотой повторения 5–2000 Гц, максимальной пиковой мощностью 500 Вт и средней мощностью 50 Вт. Была проведена оптимизация параметров лазерного излучения для дробления камней различного состава. В отличие от твердотельного Ho:YAG-лазера с ламповой накачкой данный лазер является волоконным, накачка которого осуществляется лазерными диодами. Излучение от диодов поступает в специальное волокно, активированное ионами редкоземельных металлов, на выходе из которого получается излучение с длиной волны 1940 нм. Лазер имеет воздушное охлаждение и не требует периодической замены таких компонентов, как лампы накачки, охлаждающая жидкость, фильтры и другие элементы, типичные для Ho:YAG-лазеров. Минимальный размер сердцевины оптического волокна, используемого для доставки излучения к операционному полю, составляет 150 мкм.
Цель исследования: экспериментальная оценка эффективности и безопасности литотрипсии с использованием нового импульсного тулиевого волоконного лазера с длиной волны 1,94 мкм, с максимальной пиковой мощностью 500 Вт (максимальная средняя мощность – 50 Вт) и его сравнение с гольмиевым лазером с длиной волны 2,1 мкм (максимальная средняя мощность – 100 и 120 Вт).
Материалы и методы. В таблице представлены характеристики двух лазерных установок.
Для оценки скорости абляции (дробления) камней в режимах «фрагментация» и «распыление» была разработана специальная экспериментальная установка, включающая два типа кварцевых кювет с отверстиями, позволяющими точно определить размеры образующихся фрагментов (рис. 4). Для режима «распыление» были использованы кюветы с отверстиями диаметром 1 мм, для режима «фрагментация» были использованы кюветы с отверстиями диаметром 3 мм. Камень помещался в кювету с отверстиями, и дробление осуществлялось до тех пор, пока в кювете не оставалось ни одного фрагмента. В ходе эксперимента с помощью четырех термопар производилось измерение температуры входного и выходного потоков воды, а также температуры воды внутри кюветы. Параметры лазерного излучения (энергия в импульсе, частота следования импульсов и средняя мощность излучения) в ходе эксперимента были идентичными для Ho:YAG- и Tm-волоконного лазеров в режимах «фрагментация» и «распыление».
Скорость абляции камней рассчитывалась как отношение начальной массы камня ко времени дробления. Эксперимент для каждого режима повторялся 3 раза.
Для дробления в каждом из режимов для трех лазерных систем были использованы камни, близкие по составу, плотности и массе. Для сравнения скорости абляции камней излучением Tm-волоконного и Ho:YAG-лазеров в данном экспериментальном исследовании были использованы камни, хирургически удаленные из мочевого пузыря и почек: уратные камни, кальций-оксалат моногидрат и смешанные (кальций-оксалат моногидрат/фосфат).
Для оценки ретропульсии производилось измерение линейного смещения камня под воздействием одиночных импульсов излучения с различной энергией Tm-волоконного и Ho:YAG-лазеров. В эксперименте были использованы сферические фантомы диаметром 6 мм, изготовленные из материала BegoStone. Для Tm-волоконного лазера линейное смещение камня было измерено для импульсов излучения с различной пиковой мощностью (100 Вт, 300 и 500 Вт). Эксперимент по измерению смещения камня повторялся 3 раза для каждой энергии излучения (рис. 5).
Результаты. По результатам экспериментального исследования установлено, что скорость дробления камней как мочевого пузыря, так и почек излучением Tm-волоконного лазера выше, чем излучением Ho:YAG-лазера для всех исследованных режимов. С увеличением средней мощности излучения скорость дробления камней увеличивается (рис. 6).
Было установлено, что рост температуры выходного потока воды и температуры воды внутри кюветы одинаковый при дроблении камней излучением Tm-волоконного и Ho:YAG-лазеров с равными параметрами лазерного излучения и равной скоростью потока воды (рис. 7).
При оценке результатов экспериментального исследования по измерению линейного смещения камня было установлено, что для Tm-волоконного лазера ретропульсия в несколько раз ниже, чем для Ho:YAG-лазера. Кроме того, порог возникновения ретропульсии для Tm-волоконного лазера выше. Увеличение пиковой мощности излучения Tm-волоконного лазера приводит к увеличению ретропульсии (рис. 8).
Обсуждение. Некоторые авторы отмечали, что пороги абляции наиболее часто встречающихся по химическому составу конкрементов (ураты, моногидраты оксалата кальция) были в 4 раза ниже при использовании Tm-волоконного лазера по сравнению с Ho:YAG [12, 13]. Таким образом, более низкая энергия импульса тулиевого волоконного лазера может быть использована для эквивалентной абляции камня либо эквивалентная энергия импульса Tm-волоконного лазера может быть использована для более эффективной абляции камня. Это примечательно тем, что энергия импульса и/или мощность гольмиевого лазера не могут быть увеличены с целью компенсации его сниженной эффективности без увеличения степени ретропульсии камня. А при увеличении степени ретропульсии повышается риск миграции камня, что приводит к удлинению времени операции, изнурительному поиску мигрированного камня и к связанным с этим осложнениям [14].
На основе полученных результатов можно с уверенностью утверждать, что тулиевый волоконный лазер с длиной волны 1,94 мкм и максимальной мощностью 500 Вт имеет ряд преимуществ перед гольмиевым лазером в дроблении конкрементов в урологической практике. Так, скорость литотрипсии в режиме «распыление» (фрагменты <1 мм) и «фрагментация» (фрагменты <3 мм) при использовании тулиевого лазера в несколько раз выше по сравнению с Hо:YAG-лазером. По данным наших исследований, ретропульсия камней при воздействии излучением Tm-волоконного лазера существенно ниже, чем для Ho:YAG-лазера. Уменьшение величины смещения камня в ходе литотрипсии позволяет увеличить ее эффективность и уменьшить риск нежелательной миграции фрагментов по мочевым путям.
Заключение. В данной работе произведена экспериментальная оценка эффективности и безопасности литотрипсии с использованием нового импульсного тулиевого волоконного лазера с длиной волны 1,94 мкм, с максимальной пиковой мощностью 500 Вт (максимальная средняя мощность – 50 Вт) и его сравнение с гольмиевым лазером с длиной волны 2,1 мкм (максимальная средняя мощность – 100 и 120 Вт). Использование тулиевого волоконного лазера с длиной волны излучения 1,94 мкм и максимальной пиковой мощностью 500 Вт позволяет с высокой эффективностью и безопасностью производить литотрипсию. Необходимы дальнейшие исследования возможности применения тулиевой литотрипсии в клинической практике.
