钬激光碎石术中结石位移的影响因素

谈维杰，陈明惠，冯媛媛，王健平，郑 刚

（上海理工大学上海介入医疗器械工程技术研究中心，上海200093）

1 引 言

泌尿系结石又称为尿路结石，可以在输尿管、膀胱、肾等泌尿系统部位发生。95%以上的结石密度较高，能在平片上显影，称为阳性结石。泌尿系结石主要由磷酸钙、草酸钙等成分组成。极少数尿酸盐为主的结石密度低，在平片上不能显影，称为阴性结石。泌尿系结石是我国较为常见的泌尿系疾病，其发病率约为6.5%［1-3］。泌尿系结石在急性发作时，会伴随有剧烈的疼痛感，并会对患者的泌尿系统器官造成损伤，长期不处理可导致肾积水，影响患者的日常生活［4］。目前，治疗结石的方法通常有气压弹道、激光、超声碎石等微创手段［5］。其中，钬激光碎石术具有手术时间短、创口小、碎石排出彻底、患者恢复快等优点，被广泛应用于消除各种部位的泌尿系结石［6-9］，并占有极高的市场份额。

经过多年的发展，钬激光已成为治疗泌尿系结石的金标准。然而，在手术过程中结石受到钬激光照射会产生位移，将内窥镜光纤重新定位到新的结石位置的过程繁琐，不仅延长了手术时间，还降低了手术效率。所以，减小结石位移就显得尤为重要。Bell等人［10］比较了可变脉冲钬激光和固定脉冲钬激光对体外结石模型的消融效果以及结石位移的影响，最后发现可变脉冲钬激光消融结石的时间比固定脉冲钬激光短，长脉宽和短脉宽消融时间无差异，长脉宽、短脉宽和固定脉宽对位移的影响不同。Patel等人［11］利用体外模型研究了患者体位改变对于钬激光诱导结石位移的影响，将结石模型放置在充满水的透明聚合物管中，改变聚合物管的倾斜角，最后发现随着透明聚合物管倾斜角的增大，结石的位移逐渐减小。Andreeva等人［12］比较了超脉冲铥光纤激光器和高功率钬激光的结石消融效果，在相同的设置下，铥光纤激光烧蚀率高于钬激光。在单脉冲推斥实验中，设定了相同的脉冲能量，钬激光产生了更强的推斥效应。Wollin等人［13］评估了结石粉碎、激光光纤尖端损耗和结石位移。实验发现在体外模型中较长的激光脉冲时间提高了碎石效率，减少了激光光纤损耗和结石的位移。上述研究大多探究了脉冲能量以及脉冲持续时间对于结石位移的影响，而鲜有研究光纤芯径以及工作距离对于结石位移的影响。因此，本文基于前人的研究经验，将脉冲峰值功率、激光烧灼尺寸以及工作距离结合在一起，搭建了体外模型装置进行体外实验，所得结果可为激光碎石的临床治疗提供指导，并且有助于医用钬激光器的参数优化。

2 脉冲激光作用下结石位移原理

钬激光是以钇铝石榴石为激活媒质，掺敏化离子铬、传能离子铥、激活离子钬的激光晶体制成的脉冲固体激光装置产生的新型激光，波长为2 100 nm，位于水的吸收范围。这一特点使得钬激光很适合泌尿系统的腔内治疗。钬激光的组织穿透深度浅，约为0.38 mm，所以在进行碎石手术时对周围软组织的伤害小，安全性高。因此，钬激光成为治疗泌尿系结石的首选［14］。

在进行钬激光碎石术的过程中，光纤顶端的水会吸收激光能量从而瞬间汽化形成汽泡腔，这种现象称为“摩西效应”［15-17］。“摩西效应”有助于形成一个通道，激光能量能够通过通道直接到达结石表面，结石吸收激光能量后温度上升，当温度达到结石消融阈值时，结石开始分解和破裂，这就是钬激光碎石术的主要机制“光热效应”。同时，结石和结石孔隙间的水瞬间温度升高汽化，由于惯性约束而产生瞬态压力，从而形成微裂纹，辅助结石分解。

当钬激光工作时，光纤顶端的水会吸收激光能量汽化形成汽泡腔，汽泡的瞬间膨胀和坍塌会产生冲击波压力［18-21］。冲击波压力会作用到结石表面，导致结石产生反方向的位移。随着冲击波压力的变大，结石位移也会变大。而冲击波压力与脉冲峰值功率有关，峰值功率越高，冲击波压力也就越大。在脉冲持续时间相同的情况下，峰值功率会随着脉冲能量的增大而增大。两者的关系为：

其中：Ppk表示脉冲峰值功率，Q表示脉冲能量，τH表示脉冲持续时间。相同能量下，释放时间越短，峰值功率就越大，因此能量相同的前提下，释放时间决定了激光消融的威力［19］。

根据“摩西效应”，汽泡的几何形状和膨胀速度取决于脉冲的持续时间。当脉冲持续时间短时，汽泡呈圆形，随着脉冲持续时间的增加，汽泡逐渐呈梨形。长脉宽和短脉宽的汽泡膨胀过程不断重复。在短脉宽时，汽泡在坍塌之后会再次膨胀并坍塌爆裂；而在长脉宽时，汽泡靠近光纤顶部的一部分会形成第一个坍塌，剩余部分会远离光纤顶部继续膨胀，形成“沙漏状”汽泡。因此，长脉宽所产生的汽泡并不会发生有力的坍塌，维持时间更长。在相同的脉冲能量下，短脉宽比长脉宽形成的汽泡体积更大，膨胀和坍塌更快，产生的破裂压力更大［19-20］。由于短脉宽的汽泡坍塌更快，因此汽泡崩塌压力波的振幅就更大，压力波传递到结石模型表面，迫使结石模型产生位移。这也是短脉宽造成结石位移更大的主要原因。其次则是结石在烧灼过程中烧灼羽流引起的反冲压力。结石吸收激光能量后温度上升从而开始热分解。一旦烧灼过程开始，分解下来的结石粉末则会沿着垂直于表面的方向喷射而出，这样就产生了烧灼羽流。根据动量守恒原理，烧灼羽流会给结石一个远离光纤顶端的力，也就是反冲压力：

式中：Prec是结石反冲压力，ρ为结石密度，v为消融前沿速度，kB为玻尔兹曼常数，Ts为结石表面温度，m为喷射的粉末质量，Ppk为峰值功率。从式（2）可以看出，反冲压力与激光峰值功率成正比，脉冲持续时间越短，峰值功率越高，反冲压力也就越大，结石位移越大［22］。

另一方面，使用不同芯径的光纤也可能会影响结石位移。由于无论激光与结石表面的入射角如何变化，碎片总是以垂直于表面方向喷射而出。假设每个烧灼坑内有5块结石碎片即将碎裂喷射而出，所有碎片的速度和质量都相同。碎片垂直于烧灼坑表面喷射而出的同时会对结石其余部分产生大小相等、方向相反的推斥力。为了分析推斥力，这里将力矢量分解成两个向量（X方向和Y方向）。从示意图可知，所有碎片在X方向上的力相互抵消，只有Y方向的力才会影响结石模型产生位移。因此通过比较这两个烧灼坑的总Y分量，可以得到［23］：

由此可以得出，较粗光纤产生的宽而浅的烧灼坑提供了更大的推斥力，使得结石模型产生更大的位移。图1展示了激光烧灼坑形状对结石位移的影响。

图1 从两种烧灼坑中喷射而出的结石碎片Fig.1 Stone fragments ejected from two burning pits

工作距离也是导致位移的因素之一。当汽泡周围没有固体边界时，汽泡会对称地坍塌，产生压力波；而当汽泡距离固体边界很近时，汽泡会因为靠近固体边界的流动受阻而不对称地塌陷。由于汽泡的不对称塌陷，微小的水流会从汽泡上部塌陷口再一次流入，这种情况导致结石同时受到汽泡塌陷的压力波以及再流入水的吸引力，两种力相平衡，从而产生吸附挣扎的现象［22-23］。图2为汽泡不对称破裂示意图。

图2 汽泡在固体边界不对称破裂Fig.2 Asymmetrical bubble bursting at solid boundary

在激光能量与结石的相互作用过程中，结石会受到烧蚀颗粒排出、水汽化和汽泡膨胀与塌陷共同作用而产生的推斥力。因此，受到推斥力的影响，结石会远离光纤顶端。

3 实 验

实验采用瑞柯恩SRM-H3B型钬激光治疗机，它具有可调脉宽功能，可根据患者情况选择合适脉宽，长脉宽为800μs，短脉宽为200μs，最大输出功率为80 W，单脉冲能量为0.5～4.6 J，脉冲频率为5～42 Hz。光纤直径为272μm与550μm。激光功率设置为12 W（0.6 J×20 Hz，0.8 J×15 Hz，1.2 J×10 Hz）和20 W（0.8 J×25 Hz，1.0J×20 Hz，2.0 J×10 Hz），6个能量频率组合，每一组合再分为长、短脉宽。钬激光在粉碎结石时，人体内的水吸收激光能量后温度升高，而体温高于42℃，细胞会产生实质性损伤；当局部组织温度高于45℃时，会对组织产生损害；当局部组织温度高于60℃时，人体组织会发生不可逆损害。已有研究表明：激光功率越高，钬激光周围的温度也就越高，因此，在一般手术中激光功率设定不超过30 W［24］。

泌尿系结石的主要成分为草酸钙与磷酸钙。由于熟石膏的抗拉强度与草酸钙、磷酸钙结石相近，因此本实验使用石膏模型代替人体结石。石膏模型通过特制的模具制作而成，使用的是贺利氏牙科模型石膏粉，石膏粉与水按照5∶1混合。每一块结石模型是正方体小块，质量为0.25 g，体积为125 mm3（5 mm×5 mm×5 mm）。

图3 体外模型装置Fig.3 Device model of in vitro model

图3 为体外模型实物图，实验采用3D打印的V型槽具，在槽具上放置两块直尺，夹角为60°，使得结石模型能够在预定的路径上移动，同时能够观察结石的移动距离。将结石模型放在槽具上方，模拟结石存在于输尿管的情况，固定272 μm光纤头部正对结石模型中央，再把整个体外模型放置于充满生理盐水的透明容器内，保持室温一定，以此来模拟输尿管钬激光碎石术体内碎石的情况。结石的位移为实验前后结石在直尺上的刻度差，每一组参数激光工作10 s，重复3次，最后取平均值。为了尽可能避免粉碎下来的石膏屑对结石模型的运动产生影响，每三次操作就更换一次盐水。实验从光纤顶端接触结石的情况开始，之后控制结石模型与光纤顶端的距离分别为1，2，3，4，5 mm。最后更换550μm的光纤，并重复光纤顶端距离结石4 mm的实验。

4 实验结果与分析

4.1 脉冲峰值功率的影响

钬激光为脉冲式激光，因此有平均功率以及峰值功率。平均功率为脉冲能量与频率的乘积，即在一个周期内输出的能量。峰值功率为脉冲能量与脉冲持续时间的商，即一个脉冲时间内的输出的能量。为了探究脉冲峰值功率对于位移的影响，选取了12 W和20 W两个功率，每一个功率下从低能高频到高能低频设置3个能量×频率的组合。图4和图5是结石距离光纤顶端2 mm的情况。

图4 12 W激光功率下不同激光能量设置对结石位移的影响Fig.4 Effect of laser energy settings on stone displacement at laser power of 12 W

图5 20 W激光功率下不同激光能量设置对结石位移的影响Fig.5 Effect of laser energy settings on stone displacement at laser power of 12 W

根据图4以及图5可以得出，结石模型与光纤顶端的距离保持一定时，相同功率下，脉冲持续时间一定，结石模型的位移随着脉冲能量的增加而变大，高能低频设置比高频低能设置产生更大的位移。分析数据发现，12 W功率下，当脉冲能量从0.6 J增加到0.8 J时，短脉宽设置下位移增加了15.71%，长脉宽设置下位移增加了12.5%；当脉冲能量从0.8 J增加到1.2 J时，短脉宽设置下位移增加了46.97%，长脉宽设置下位移增加了41.67%。20 W功率下，当脉冲能量从0.8 J增加到1.0 J时，短脉宽设置下位移增加了16.4%，长脉宽设置下位移增加了17%；当脉冲能量从1.0 J增加到2.0 J时，短脉宽设置下位移增加了29.67%，长脉宽设置下位移增加了24.81%。

由于脉冲峰值功率是脉冲能量与脉冲持续时间之比，因此当脉冲能量一定时，脉冲持续时间越小，峰值功率越大；当脉冲持续时间一定时，脉冲能量越大，峰值功率越大。实验结果表明：结石位移会随着脉冲峰值功率的增大而增大。

脉冲峰值功率直接决定激光爆破力的大小，峰值功率越高，爆破力也就越大，结石消融量就越多。随着消融的结石粉末喷射而出，根据动量守恒，被喷射粉末的动量会在结石模型上产生反冲动量，迫使结石远离光纤，直到所受到的摩擦力和水中阻力大于反冲动量才会停止。因此，受激光照射而喷射的结石粉末越多，结石模型的反冲动量也就越大。

4.2 激光烧灼尺寸的影响

为了探究激光烧灼尺寸对于结石模型位移的影响。本文选择了272μm和550μm这两种规格的光纤进行实验。图6是光纤结石模型的位移对比情况。

图6 272μm光纤和550μm光纤的结石位移对比Fig.6 Comparison of stone displacement with 272μm fiber and 550μm fiber

由实验数据发现，550μm光纤相比于272 μm光纤在较短的脉冲持续时间下会增加35.59%～42.86%的结石位移，而在较长的脉冲持续时间下则是增加了46.94%～54.17%。因此，随着光纤芯径的增大，结石模型的位移也随之增大，并且无论脉冲持续时间的长短，较粗芯径的光纤（550μm）都会产生最大位移。发生这种现象的主要原因是两种芯径的光纤通过激光照射结石产生的烧灼坑的几何形状不同。通过实验观察，在给定的脉冲能量下，光纤较粗时激光照射会对结石造成较宽的烧灼坑，而光纤较细时激光照射的烧灼坑则较窄。图7为不同芯径光纤的烧灼坑。

4.3 工作距离的影响

图7 不同芯径光纤烧灼坑Fig.7 Burning pits for fiber with different core diameters

通过改变结石模型和光纤顶端的距离来探究工作距离对于位移的影响。在实验过程中发现，当光纤顶端接触结石模型表面以及和结石表面距离保持1 mm时，结石模型在激光照射下产生颤动并且会被光纤吸引；而当结石模型和光纤距离达到2 mm，这种吸附挣扎的现象就消失了，表1是12 W激光在2～5 mm的工作距离下照射结石产生的位移情况。

表1 激光功率为12 W时不同工作距离下结石的位移距离Tab.1 Displacement distance of stones under different working distances with laser power of 12 W （mm）

由表1可以发现，随着光纤与结石之间距离的增加，结石模型的位移逐渐减小，发生这种情况主要是因为随着光纤与结石模型之间距离的增加，激光能量传输到结石模型的损耗增加。由于工作距离变大，更多的激光能量被水吸收，钬激光粉碎结石模型的效率会因此大大降低，激光烧灼产生的喷射碎片也就减少了。根据动量守恒，由激光照射烧灼产生的粉末喷射会对结石模型造成反冲动量，结石发生位移。当碎片喷射减少时，结石模型的反冲动量也减小。

另一方面，光纤顶端的汽泡腔坍塌对结石模型位移的影响也会随着工作距离的增大而减小。这是由于汽泡腔坍塌时产生的压力波能量会随着工作距离的增加而减弱。虽然增加结石模型和激光光纤的距离可以有效降低结石模型在钬激光碎石术中的位移，但是由于激光消融效率受到工作距离的影响，因此考虑实际情况，为了保证手术效率，应该让光纤顶端接触结石表面。

此外，在实验过程中发现当结石模型与光纤顶端距离为0 mm和1 mm时，结石模型会发生向光纤方向吸附挣扎并且颤动的现象，该现象是由汽泡的不对称塌陷引起的。实验结果表明，保持光纤时刻接触结石表面能够有效减少位移。

5 结 论

本文通过实验测试的方法探索了脉冲峰值功率、激光烧灼尺寸以及激光工作距离对于碎石术中结石位移的影响。实验结果表明，随着脉冲峰值功率的增加，结石位移也随之增加；当脉冲持续时间为800μs时，结石位移距离会比较短脉冲持续时间减小16.95%～27.27%；272μm的光纤相比于550μm的光纤能够减少35.59%～54.17%的结石位移；增大工作距离能够减小结石位移，同时消融效率也会降低，当结石模型与光纤顶端接触时，由于产生了吸附挣扎，结石未发生位移。为了在钬激光碎石术过程中尽可能减少结石位移，应当选择直径较小的光纤和较长的脉冲持续时间；在不影响消融效率的情况下，选择适当的脉冲能量；在手术中光纤顶端应当尽可能接触结石表面。

对钬激光碎石术中结石位移影响因素的研究，有助于国产医用钬激光器的参数优化以及泌尿系结石治疗方式的进一步探索。