泌尿系结石的激光治疗现状

胡卫国 李建兴

钬激光(holmium：yttrium-aluminum-garnet laser, Ho：YAG)一直被认为是泌尿系结石激光治疗的金标准[1]。钬激光的碎石机制包括光声机制和光热机制。结石周围的水吸收钬激光能量，温度升高产生微蒸汽泡，蒸汽泡膨胀或破碎过程中产生冲击波击碎结石是光声机制作用；温度升高直接造成结石的熔化或者化学分解就是光热机制作用。光热机制瞬时高温化学分解结石，产生的结石碎片通过光声机制作用爆裂[2]。近年来，钬激光技术不断发展，重要的技术进步包括功率不断增加，大功率激光最高达到120 W；频率不断提高，最高达到80 Hz；脉宽可调激光以及脉冲调制激光技术的出现[3]。

一、钬激光参数的优化和碎石模式

钬激光的主要调节参数是脉冲能量和脉冲频率，二者的乘积是输出功率，这些参数是影响钬激光碎石效率和效果的重要因素，不同的碎石模式需要不同的参数设置，产生不同的碎石效果[4]。

脉冲能量：目前，钬激光可调节能量范围在0.2～6.0 J。能量与结石的消融体积正相关，随能量的增加，结石消融裂痕宽度、深度以及碎块体积成比例增加[5-6]。但是高能量会增加结石位移和光纤的消融速度，增加了光纤头端与结石之间的距离，降低碎石效率，增加手术时间[5，7]。

脉冲频率：功率不变的情况下，增加频率对结石位移的增加作用很小。有研究表明，保持能量0.2 J不变，频率从15增加到50 Hz，结石位移没有显著变化[8]。虽然频率会影响碎石速度，但是频率和总功率与融石体积无相关性[5-6]。

脉冲宽度：简称脉宽，是近年出现的第3个重要参数，短脉宽150～350 μs，长脉宽500～1300 μs。早期的钬激光只有单一的短脉宽模式[9-10]，新一代的激光有了长脉宽模式，并且具备了脉宽调节功能，通过调节脉宽达到不同的碎石效果。不同脉宽对融石体积的影响没有显著差异[11-12]，但是长脉宽在结石表面消融形成的坑洞比短脉宽更深、窄，这是长脉宽可以减少30%～50%结石位移的主要原因[13]。长脉宽可以减少光纤的消融速度，避免消融过快增加光纤与结石的距离降低碎石效率[11，14]。短脉宽会增加激光融石速度，提高碎石效率，结合高能、低频适合应用于碎块化模式[9]，但是短脉宽和高能量一样，都会增加结石位移和光纤的消融速度，降低碎石效率，增加手术时间[5，7]。

碎块化(Fragmentation)和粉末化(Dusting)是最常用的两种激光碎石技术，分别需要不同的参数设置。

碎块化：粉碎结石成为大小适合网篮抓取的碎块，用网篮主动取出可见的碎块，参数设置是高能(0.8～1.2 J) 、低频(6～10 Hz)、短脉宽。碎石时能量一般先从0.6～1.0 J开始，根据结石的硬度再调节能量大小，找到最有效的适合特定大小和硬度结石的最小能量[15]。光纤头端抵在结石中央位置，将其压在周围的尿路上皮组织上，激发激光直至结石裂开，这样产生的结石碎块大小接近还可以避免损伤周围组织[16]。

选择碎块化碎石，需要考虑结石位置、硬度、大小。碎块化需要反复进镜取石，如果结石负荷太大，形成结石碎块多，需要反复进镜的次数增加，所以碎块化手术时间比粉末化延长40%～50%[6，15]。碎块化的优点：成本低的低功率激光可以完成，可以比较完整地取出结石，适合硬度高的结石。缺点：结石碎块大，手术时间长，一次性耗材成本高，需要助手辅助网篮取石，需要使用输尿管镜工作鞘(UAS)增加了输尿管损伤的风险，需要使用输尿管内支架管[10]。

粉末化：粉碎结石成为毫米级的碎屑，以达到术后可以自行排石的效果，术中减少了网篮的使用。参数设置是低能(0.2～0.5 J)、高频(15～80 Hz)、长脉宽[17]。粉末化虽然产生的结石碎块大小不等，但是主要目的是使大部分的碎块体积尽可能小。高频率激光的出现使粉末化更容易实现，成为目前最常使用的碎石方式，调查显示，67%的泌尿外科医生使用粉末化碎石[18]。粉末化的优点：结石碎块更小，有可能避免使用UAS从而减少输尿管损伤相关并发症，手术时间短，不需要助手(辅助网篮取石)，可能减少输尿管内支架管的使用。缺点是需要更贵的新一代激光系统，不适合硬度高的结石(如一水草酸钙)，净石率依赖于术者技巧，不能获得结石分析的标本，特殊病人自主排石有困难(如脊髓损伤)[10]。

爆米花碎石(Popcorn)：粉末化碎石的最后阶段产生了较多大小不等的碎块，Popcorn就是在一个相对封闭的、积水不重的肾盏内连续激发激光，可以将结石碎块进一步最小化，达到最佳的粉末化效果，所以又称其为Pop-dusting[19]。既往认为Popcorn是结石碎块之间互相随机碰撞产生碎石效果，通过慢速回放的高速摄影影像发现并非如此，Popcorn高频模式下，激光光纤每连续发射5个激光脉冲，头端就会和结石接触一次，产生碎石作用，并且短脉宽模式比长脉宽模式更有效[20]。关于Popcorn的参数设置报道不一，基本要求是高能、高频、小肾盏、近距离、作用时间长(>2分钟)[20-22]。

碎块化和粉末化谁更优，随机对照研究并没有发现两种碎石方式净石率有显著差异，但是粉末化病人术后再次急诊就诊率更高[23]。一项纳入104例病人关于碎块化的研究，术中应用网篮取石，术后8周应用CT复查得到的完全净石率只有55%，结果并不理想[24]。最近的多中心研究显示，碎块化比粉末化净石率高(74.7% vs 58.1%)，但是多因素分析二者无显著差异，有症状残石率、并发症发生率、再手术率也无显著差异[6]。新的120 W大功率钬激光(Pulse 120H，Lumenis®)可以使用更低能量，更高频率，更有利于粉末化碎石，一项应用此激光粉末化碎石效果的回顾性研究，应用能量0.2～0.5 J，频率50～80 Hz，净石率(残石<2 mm)74%，完全净石率62%[25]。

目前，粉末化有多种不同的定义，包括：可以通过输尿管镜工作通道的细小颗粒；小于1 mm或者2 mm；不能用网篮抓取；也有将其定义为内镜手术过程中，灌注液冲洗能使其在肾内漂浮的结石碎屑，类似于水晶球里面漂浮的颗粒[26]，因为只有漂浮的颗粒才能不论在肾内的什么位置都有可能自行排出。至今为止的报道尚且不能证实哪一种方式更有优势，实际手术中需要根据临床情况具体选择，两种方式需要结合起来灵活应用。

二.摩西技术钬激光

摩西效应(Moses effect，ME)的发现已有三十余年历史，直到2017年才出现应用脉冲调制系统即所谓的摩西技术(MosesTMtechnology，MT，Lumenis®)的钬激光。普通钬激光激发时只产生单一脉冲，能量传导到结石之前会被水吸收较多的能量，MT钬激光先后产生连续作用的两种不同脉冲，第一个较低能量的脉冲，与普通钬激光类似，产生微蒸汽泡，分开光纤头端周围的水，形成与结石之间水密度较低的“隧道”，即所谓的摩西效应，第二个更高能量的脉冲通过此“隧道”传递到结石表面，这样就大大减少了水吸收导致的能量损失，并且可以在更远距离以非接触模式产生碎石作用。同时，摩西效应产生的“隧道”形成相对的低压力区，对结石有“回吸”作用，可以减少结石的位移[7，27-28]。

2017年开始最早应用摩西技术的Lumenis Pulse P120H钬激光有两种摩西模式：接触模式(Contact mode，MC) 和非接触模式(Distance mode，MD)。体外实验对比MT钬激光MC模式与长脉宽模式碎石效果没有差异，但是MD模式比长脉宽模式碎石效果显著提高[7]。在体外实验中，应用高速摄影对比Lumenis Pulse P120H钬激光的摩西模式和普通模式，无论是碎块化模式还是粉末化模式，摩西模式的结石位移都有显著减少，比普通模式减少50倍，而碎石效率增加1.6倍，猪肾体内模型结果相同[27]。

三、激光热损伤

激光的参数设置不同，热效应也有差异。高能量激光比低能量温度更高。体外实验结果表明，持续灌注下，钬激光持续激发作用的时间如果不超过10 s，温度不会超过51度，随着灌注速度降低，温度逐渐增高，没有灌注的情况下，不同参数设置的温度都会增加到43度以上，最高会达到70.3～100度以上[26，29]。

四、钬激光的发展

大功率、高频率激光新技术带来新的挑战，更高频率的碎石激光意味着大部分的激光脉冲不能被人眼识别和直接控制，这种情况比过去更严重，激光的能量不能完全受控制，有可能损伤正常组织和腔镜[30]。Schlager等[31]报道了实时反馈技术，可以识别并区分泌尿系结石、软组织、腔镜，避免损伤非结石组织和器械。碎石过程中，通过实时监测光纤头端工作范围内的不同物质荧光振幅，进行实时识别和反馈，在识别出非结石目标时，例如输尿管管壁组织或者腔镜，停止激光发射。实时自动识别系统不仅可以引导激光能量直接作用于结石，避免误损伤正常组织和腔镜器械，还可以减少激发的总能量的数量，在动物模型实验中对系统的安全性和有效性进行了验证，成果待发表，从实验室阶段到临床使用值得期待。

五、铥光纤激光

铥光纤激光(Thulium fiber laser，TFL)不同于钬激光和常用于肿瘤及前列腺领域的铥固态激光(Thulium：YAG laser)。TFL波长1940 nm，更接近组织中水的吸收峰值，吸收系数是波长2100 nm的钬激光的5倍，对肾结石融石阈值比钬激光降低了4倍。相对于目前钬激光80 Hz的最高频率，TFL可以达到更高的1600～2000 Hz。钬激光最小脉冲能量0.2 J，脉宽最大1 ms，TFL分别为0.025 J和12 ms。因此，TFL在更低脉冲能量和更高脉冲频率、更长脉宽设置下可以产生更好的粉末化碎石效果[32]。高速摄影机拍摄TFL激发产生的微蒸汽泡直径比钬激光小4倍，脉冲瞬时压力(0.6 bars)也明显小于钬激光(7.5 bars)，所以结石位移更小[33]。TFL产热更少，局部温度更低，光纤消融更少，不需要体积庞大、昂贵的水冷系统，这些是大功率钬激光必不可少的[34]。

TFL通过直径只有18 μm的掺铥石英光纤发生，激光能量更集中，可以通过更细的直径50～105 μm的光纤传导，更细的光纤可以提供更好的术中灌注和软镜弯曲度，有助于设计具有更细镜体和工作通道的软镜，而钬激光需要直径大于200 μm的光纤才能承载和传导[33]。

TFL应用于碎石的研究报道大多为体外实验，被认为是可以替代钬激光做为新一代碎石激光的金标准[33]。体外实验对比SuperPulseTMTFL和摩西技术钬激光的碎石效果，前者粉末化速度是后者的2倍[35]。Traxer等[36]在2018年AUA报道的临床研究，相同能量下TFL碎块化速度是钬激光的1.7倍，粉末化速度是钬激光的2.3～4倍，临床随机对照研究仍在进行中，暂未见报道。所以具有更细的光纤，更长的脉宽，更高频率、更低脉冲峰值功率、更均匀的时序脉冲结构的TFL是否能够真正成为新一代碎石激光的金标准让我们拭目以待。