杏彩体育:体内碎石术——激光碎石

　　Laser 是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写词。激光系统的主要结构包括泵浦源、光振荡器和激光放大器。光振荡器一般由带反射镜的光谐振器和放大器组成。激光束由受激发射产生。用于泌尿外科领域的Ho:YAG激光器是闪光灯泵浦调Q激光器系统，而铥光纤激光器是二极管激光器泵浦主振荡器功率放大器（MOPA）系统。主要用于泌尿外科领域的激光器有掺钕的 YAG (Nd:YAG) 激光器，通过磷酸氧钛钾 (KTP) 将频率转换为 532 nm，掺铥或钬的 YAG (Tm:YAG 或 Ho:YAG) ) 2013 nm 或 2120 nm 的激光，以及 2000 nm 左右的掺铥双包层光纤（Tm 光纤）激光。所有这些激光器都是固态激光器，不同于气体、化学、半导体、染料和自由电子激光器。Ho:YAG 激光一直是治疗尿石症、良性前列腺增生、尿路上皮和膀胱肿瘤以及尿路狭窄或息肉的首选。

　　介绍市售的Ho:YAG、Tm:YAG和铥光纤激光机。结石碎裂和组织破坏的机制方面与光热、光声和热机械消融有关；吸石率；以及具有流体吸收的激光光纤到石头的距离。最近，Tm 光纤激光器被引入泌尿系统疾病的治疗，并且已经讨论了许多可能的优势。不同公司不同规格的不同Tm光纤激光机将在不久的将来面市。临床医生在实际实践中需要时刻关注用户的观点，体外实验的结果可能与手术室内的结果不同。

　　泌尿外科领域已使用多种激光器，如掺钕 YAG (Nd:YAG) 激光器与 KTP（磷酸氧钛钾；绿光）、掺钬 YAG (Ho:YAG) 激光器和掺铥激光器YAG (Tm:YAG) 激光器。它们主要是固态激光器，使用稀土掺杂材料，如 Nd、Ho 和 Tm。Ho:YAG激光自20年前推出以来，一直是泌尿外科领域治疗尿石症和良性前列腺增生的首选。最近，它的应用已扩展到尿路上皮肿瘤、尿路狭窄和息肉，表明它的多功能性。在本章中，我们将回顾激光的定义和机制，它们如何产生和传输能量，以及未来的展望。此外，我们将比较钬和铥光纤激光器 (TFL)，这是一种新推出的激光器。

　　光是一种在空间中传输能量的电磁波。电磁波包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线，按频率分类。通常，光是指人眼可以检测到的电磁波，在紫外线所示。

　　Laser 是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写词，由 Albert Einstein 在 1916 年概念性提出。第一个激光器，即红宝石激光器，由 TH Mainman 于 1960 年演示，并取得了显着进展在输出功率和能量方面，成为众多应用领域的重要工具，包括工业、通信、国防、光谱学和医学。这可以归因于其优异的特性，例如相干性、方向性、单色性和高强度。

　　激光器的优点之一是它们可以在从几十飞秒到几百纳秒的很短的时间间隔内以所谓的脉冲操作模式发射光，从而允许将非常高能量的光应用到非常局部的区域。很短的时间，这是其他方式无法完成的。也就是说，只有激光器可以发射具有可调节脉冲宽度的相同能量光，从而产生非常高的峰值功率（通常计算为理想脉冲形状的脉冲能量除以脉冲持续时间），如图6.2所示. 例如，如果激光在连续波 (CW) 模式下的输出功率为 1 mW，则它根本不会伤害组织或皮肤，甚至可能感觉不到。然而，当脉冲宽度为 10 ns 的单个脉冲以相同的能量，即 1 mJ 脉冲能量和 100 kW 峰值功率施加时，它不仅可以损伤组织和皮肤，而且强度足以切割或钻孔。金属板上的孔。

　　脉冲宽度（或脉冲持续时间）、脉冲能量、重复率、峰值功率和平均功率如图6.3所示。激光脉冲不具有如图左侧所示的矩形脉冲形状，而是理论上类似高斯，如图右侧所示。对于类高斯脉冲形状，脉冲持续时间由半高全宽 (FWHM) 定义。平均功率是每秒能量传输的速率，1 W 定义为每秒 1 焦耳的派生单位。因此，平均功率变为脉冲能量乘以每秒的脉冲数，即重复频率 (Hz)，它是脉冲周期的倒数。

　　激光系统的主要结构包括泵浦源、光振荡器和激光放大器，如图6.4所示。光学振荡器由带反射镜的光学谐振器和放大器组成。光学谐振腔基本上包括两个相对的平面平行或曲面镜，与激光材料的轴成直角，并提供高度选择性的反馈信号，在激光放大器中诱导受激发射。激光放大器包括激光介质并用作能量源。这两个反射镜在腔体的两端，一个高反射镜和一个部分反射镜作为输出耦合器。

　　图6.4显示了激光振荡器的基本配置。向激光介质提供能量的作用称为泵浦，可以通过多种方式实现，例如吸收其他光能、放电和化学反应。在光泵浦系统中，泵浦源平行于被振荡器腔包围的激光介质。 激光介质的活性原子中的电子通过泵浦被激发到更高的能级，当它们下降到较低的能级时会发光。发射光的能量等于两个能级的差。一般来说，大多数材料中的受激电子会立即下降到较低的能级，不受约束地发光，称为自发发射。相比之下，激光材料中的电子在高能级上的停留时间比其他材料长得多，因此它们可以在入射光信号的刺激下下降到较低的能级，发出与入射光信号具有相同特性的光，例如如频率、方向和相位。这个过程称为受激发射，是激光工作的机制。作为一种构造方法，特定波长可以为每个单脉冲增加额外的能量。在粒子数反转的情况下，当受激发射的信号增益超过激光谐振腔中的损耗时，激光作用就开始了（图 3）。6.5)。

　　大多数固态激光器的泵浦是使用光谱输出与增益介质的吸收带紧密匹配的辐射源实现的。电弧放电灯是激光的常用辐射泵浦源，称为闪光灯泵浦，具有高能量和低重复率。但是，尽管成本低，但它们的电光效率低，寿命短。闪光灯泵浦用于 Ho:YAG 和 Tm:YAG 激光器。

　　二极管泵浦利用激光二极管作为泵浦源（DPSSL 通常是指二极管泵浦固态激光器）。二极管泵浦具有电光效率高、寿命长、运行稳健和紧凑的优点，但受到可获得的脉冲能量和高成本的限制。因此，应根据激光介质的物理配置和目标规格来选择激光泵浦系统。例如，如果需要具有超过数十毫焦耳的高能量且重复频率小于 100 Hz 的激光系统，则闪光灯泵浦激光器是最佳选择。但是，如果使用低能量激光束（数百微焦耳）在几百千赫兹以上的高重复率下治疗效果更好，则最好使用二极管泵浦激光系统。

　　对于脉冲模式操作，激光系统需要额外的元件。调Q技术通常用于获得脉冲宽度从亚纳秒到数百纳秒的高能激光脉冲。空腔的品质因数 Q 定义为存储在空腔中的能量与每个周期的能量损失之比。光振荡器中的调Q器件在短时间内将腔Q从低Q值恢复时产生高能调Q脉冲。另一种方法是放大来自功率放大器中的主振荡器的时间调制信号。这种方法在基于光纤的 MOPA 配置中大量使用。例如，在几十赫兹的能量超过几十毫焦 (mJ) 的 Ho:YAG 激光器具有闪光灯泵浦 Q 开关激光器配置。

　　1.首先是激光波长，它决定了入射到目标上的光能的吸收率。例如，对于水分含量高的组织，使用发射~2.1 μm 的 Tm 或 Ho 掺杂激光器效率更高，因为~2.1 μm 的吸水率比~1.0 μm 的吸水性强数百倍。

　　2.下一个因素是脉冲能量。毕竟，激光以光的形式传输能量，在目标中产生热量。因此，脉冲能量越高，目标达到的瞬时温度就越高。

　　3.尽管脉冲激光在相同波长下具有相同的脉冲能量，但激光与材料的相互作用很大程度上取决于脉冲持续时间。众所周知，脉冲宽度较短的激光脉冲可以在目标的打击点上产生较高的瞬时温度，但对周围的热损伤较小。这种关系类似于用锤子钉钉子。钉尖的锋利度和锤子施加的力分别对应于脉冲宽度和脉冲能量。然而，由于激光系统的损坏，可获得的脉冲能量受到脉冲持续时间的限制，因此应选择针对应用优化的脉冲能量和脉冲持续时间。

　　主要用于泌尿外科领域的激光器是掺钕的 YAG (Nd:YAG) 激光器，通过磷酸氧钛钾 (KTP) 将频率转换为 532 nm，掺铥或钬的 YAG (Tm:YAG 或 Ho:YAG) ) 2010 nm 或 2120 nm 的激光，以及 2000 nm 左右的掺铥双包层光纤（Tm 光纤）激光。所有这些激光器都是固态激光器，不同于气体、化学、半导体、染料和自由电子激光器。来自不同公司的Ho:YAG激光器由于规格不同，包括脉冲形状、重复率、峰值能量和光束质量，可以表现出不同的临床性能。实现脉冲操作的方式也限制了可获得的激光性能。一些工程差异可能不会显示出临床上的显着差异。YAG（钇-铝-石榴石）是一种合成结晶材料，常用作各种固态激光器的介质材料。有意将杂质引入这种晶格的过程称为掺杂，可以将钬或铥离子掺杂到这种晶体中，分别产生钬或铥激光器。所有 Ho:YAG、Tm:YAG 和 Tm 光纤激光输出都可以耦合到石英光纤传输电缆，从而使激光束以最小的能量损失传输到目标。光纤传输电缆足够细，易于弯曲，因此在输尿管软镜检查中非常有用。

　　Ho:YAG一直是泌尿外科领域治疗尿石症、前列腺增生、尿道狭窄、尿路上皮肿瘤的首选药物。那是因为钬激光可以安全地在 0.4 毫米范围内被完全吸收，消融各种结石，并且可以用细而柔韧的激光纤维作为切割、消融和摘除组织。

　　钬激光的发射波长在近红外范围内约为 2120 nm，在水中具有高度吸收性。在 2140 nm 处，水中的光学穿透深度约为 400 μm，因此 Ho 激光束热膨胀并蒸发水。由于闪光灯的大部分能量会加热谐振器，因此需要一个大容量的冷却系统来保持原始能量和频率。单个振荡器的设置限制在 30 W 或以下，大功率钬激光机包含多个带有大型冷却系统的振荡器系统。

　　市面上有许多不同规格的钬激光机。Lumenis在2014年发布了120W激光器，2017年在这台120W激光机中加入了MOSES技术。由于空间多模态激光器的耦合限制，激光传输光纤的最细直径仍为200μm输出。激光发射时的噪音范围为 50 到 80 分贝，即交通繁忙的十字路口的噪音水平，噪音水平的差异取决于机器的大小和冷却系统的容量。下一代 Ho:YAG 激光有望提供一系列脉冲序列，从而提高尿路结石和组织的消融率。吸收率高于Tm:YAG和铥光纤激光器等其他激光器。

　　Tm激光器可用于连续波模式或脉冲模式。通常，用于泌尿外科领域的激光发射波长对于 Tm:YAG 激光器约为 2010 nm，对于 Tm 光纤激光器为 1940 nm。由于 Tm:YAG 激光不能用于碎石，其应用正在减少，本章不再讨论更多信息。

　　与其他固态激光器不同，光纤激光器由于具有极大的表面积与体积比的波导结构，因此可以理想地不受激光器工作过程中产生的热量的影响。因此，TFL 可以采用输出功率高达数百瓦的空气冷却系统，并且不需要像 Ho:YAG 激光器那样庞大的冷却系统。此外，由于其他固态激光器中使用的所有自由空间激光器组件，例如反射镜、偏振器和 Q 开关，都可以用光纤激光器中的等效光纤组件代替，因此光纤激光器可以非常结构紧凑，从头到尾串联连接，运行非常稳健。此外，TFL 在操作 1700 nm 至 2100 nm 的激光波长方面具有很高的灵活性，可以针对应用目标进行优化。例如，-1) 比在 2120 nm (3 mm-1) 的 Ho:YAG 激光。此外，TFL 具有出色的空间光束质量，其输出可以轻松耦合到直径为 50 至 100 μm 的传输光缆，这是多模 Ho:YAG 激光器无法实现的。TFL 中每个脉冲可实现的峰值功率远低于 Ho:YAG 激光器，但由于光纤 MOPA 的操作灵活性，此缺点可以通过在高达数 100 kHz 的高重复率下操作以及长脉冲持续时间来弥补配置。由于这些优良特。