铥光纤激光器在泌外临床应用的物理浅析

  就碎石术来讲，结石是一种高度多孔性材料，内部含有许多水分，能够被水有效吸收。

  激光是“光受激辐射放大”的缩写。早在60年代早期，人们便首次提出了激光技术。研究人员将首个红宝石激光器称为“寻找问题的解决方案”。换言之，激光器并不是为满足某个特定的应用场景而诞生的，与发明相比，它更像是一种科学发现。毫无疑问，激光技术在各个医学领域内得到应用。如今，在泌尿外科激光技术已成为“结石治疗，良性前列腺增生（BPH）手术，上尿路上皮癌手术以及非肌肉浸润性膀胱癌手术”不可或缺的技术之一。

  随着应用场景的变化，人们对激光的需求也在不断发生改变。因此，研究人员开始探索研发一种可用于碎石及粉碎软组织的多功能激光。自从第一台激光问世以来，为满足泌尿外科诊疗需求，人们陆续研发出了多种激光。在将近半个世纪的时间里，尽管激光得到了诸多改善，但其基本治疗原理仍然相同。为进一步理解激光在手术过程中发挥的作用，第一步是要了解到“激光是通过一种叫做发色团的物质（能够吸收特定波长的光线）对组织发挥作用的”。在手术过程中，重点需要仔细考虑两种因素—血红蛋白和水。

  在泌尿外科领域，最早得到应用的为“Nd:YAG激光器”，该激光器能够激发一种波长为1064 nm的激光（主要被血红蛋白所吸收），由于具备这种特性，该激光适用于开展所有类型的前列腺手术。然而，为进一步改善治疗效率，研究人员已不再在新型激光中使用Nd:YAG激光技术了。KTP/LBO激光器即为Nd:YAG激光器的衍生物。在激光谐振腔中，KTP或LBO晶体可将波长为1064 nm的Nd:YAG激光转换成波长为532 nm的绿色光谱。这也是人们将KTP激光称为绿激光的原因。这种波长的绿激光能够被血红蛋白所吸收，这也决定了其在光选择性前列腺汽化术中的应用情况。激光治疗发展的一个里程碑式的事件便是人们研发出了波长为2100 nm的Ho:YAG激光，该激光能够强烈地被水所吸收，适用于开展碎石术以及粉碎软组织。然而，为进一步改善治疗效率以及提高激光切割精度，人们对激光治疗器械开展了进一步的研究，最终人们研发出了“Tm:YAG激光器—一种固态激光器（其活性介质为掺有铥离子的YAG晶体）”。铥激光器能够发射波长为2010nm的激光，这与水的吸收峰值几乎相匹配，因此铥激光器是对软组织进行及时有效的治疗的理想工具。然而，连续作用模式限制了其在碎石术中的应用。

  在发明固态激光器的同时，人们还研发出了“二极管激光器和CO2激光器”。然而在泌尿外科诊疗领域，这些激光治疗器的应用还存在一定的局限性。现如今，固态激光器代表了一大类要一直得以完善的设备。然而，这些固态激光器却并非激光治疗技术的革新，更多的是对现存技术的逐步发展。真正的飞跃是新型光纤激光器的出现（始于铥光纤激光器），人们针对该激光的优势进行了广泛报道，虽然理解起来有一定的难度，但我们始终相信正是“光纤激光器结构上的变化”导致了“激光-组织的交互作用方式”发生了改变。我们想通过这项工作，在“生物物理学和临床应用实践”之间架设一座桥梁，并就这些设备的工作原理给出一个简单的解释，告知人们“临床医生了解治疗治疗设备工作原理的重要性”。

  激光介质是激光器的主要部件之一，在某些特定的程度上也定义了激光辐射。多数激光器是固态的，这在某种程度上预示着其主体材料为固态晶体。医用激光器中最常见的一种主体材料为“钇铝石榴石（YAG）晶体”。YAG晶体作为稀土材料的载体，定义了一些激光特性。一方面，使用YAG晶体能够相对容易捕获产生的热量，从而可在高功率输出条件下进行手术操作。相反，YAG晶体也会导致大量能量（闪光灯激发）被浪费，从而可导致晶体所在激光腔体过热的情况出现。因此，使用YAG激光时，我们一般需要一个体积较大的水冷系统。此外，单腔激光器也受到功率和频率的限制。为进一步改善激光器的治疗效率，研究人员引入了具有多个腔体的激光器，这使得其结构变得更加庞大。此外，一些功率高的激光还需要用特定的电源插座进行供电，从而可提供足够多的维持峰值功率所需的能量。此外，固态激光器多使用闪光灯作为激发光源，需定期更换闪光灯。

  与其他激光器相比，铥光纤激光器的设计方式明显不同。激光介质中有“薄厚为10～20mm,长达30 m”几种类型的石英纤维，在这样小的横截面中还掺杂有铥离子。这种光纤激光器相对小且十分紧凑。这还在于在激光激发机制中使用的是“空气冷却系统”，这种激光器可使用常规的110V电源插座作为其能量来源。此外，由于激光器的元件由激光纤维拼接而成，因此并不存在任何机械扰动问题，例如多分镜结构的激光器。

  铥光纤激光器的另外一个变化之处便是“将二极管作为泵浦能量系统”，在固态Ho:YAG激光器中使用的是闪光灯泵浦系统。使用二极管激光器进行激光泵浦能够精确匹配铥离子的吸收谱线，从而可进一步改善TFL激光器的治疗效率。将二极管作为铥光纤激光器的泵浦能量源，因此仅需低输入功率便可达到既定的输出功率水平，因此并不是特别需要要使用水冷系统，即便是在以较高的功率进行手术时也是如此。因此，半导体激光器有助于使铥光纤激光器变得更紧凑，疗效更高。

  吸收峰值代表一种特定的波长，该波长的激光能够被组织中不一样的种类的分子（也就是我们之前所说的“生色团”）所吸收。与其他任何种类的生色团一样，水也有吸收峰值（该处的能量吸收值最大）。因此，水的主要吸收峰值为“1910 nm以及2870 nm”。铥光纤激光器能够激发波长为1940 nm的激光，这与室温条件下（22.8℃）水的吸收峰值相匹配。钬激光的吸收峰值为2120 nm，Tm:YAG激光的吸收峰值为2010 nm。铥光纤激光器的吸收系数比Ho:YAG激光器高4倍，因此，TFL激光器的组织穿透深度较小。反过来讲，这也代表着铥光纤激光器的安全性能好，造成损伤的程度有限。此外，吸收高意味着“相同大小的能量会被体积更小的组织所吸收”，也就是说，切口会更精准有效。

  激光与组织的整个作用过程可通过光热解表示。辐射能转化为动能（热能），从而可导致组织温度上升。一旦组织温度达到60℃，蛋白质就会发生变性，从而可导致组织凝固。持续升温至60℃以上，超过沸点时就会出现组织消融/汽化。进一步升高温度可发生热裂解，最终以“碳化/焦化”方式结束。

  就碎石术来讲，结石是一种高度多孔性材料，内部含有许多水分，能够被水有效吸收。TFL激光器能够加热结石内部以及结石表面的水分。这两个过程一起进行能够导致结石出现化学分解（结石变软）和水分汽化，从而水蒸气可在结石内部迅速膨胀。这种效应会导致所谓“爆炸性汽化”现象的发生—即对结石进行热机械性破坏。