激光碎石对泌尿系统组织热损伤的研究进展

激光碎石对泌尿系统组织热损伤的研究进展【摘要】泌尿系结石的治疗已由传统开放手术过渡到微创手术，激光技术的发展有力地推动了这一过程，而激光通过光热效应产生的热能除能击碎结石外，也能导致组织热损伤，造成局部组织坏死或瘢痕形成。激光碎石过程中热损伤的发生是多种因素共同影响的结果，本文阐述了激光碎石过程中可能导致热损伤发生的因素，如激光、术者、灌注和光纤等因素，并总结如何通过控制各因素来降低热损伤发生的风险，为保证激光碎石安全性提供理论依据。【关键词】尿路结石；碎石术；激光；热效应；损伤激光技术自90年代在泌尿外科逐步开始使用，腔内碎石是其应用的主要方向。泌尿外科常用激光器主要有掺钕激光器（Nd：YAG）、掺铥（Tm：YAG）或钬（Ho：YAG）激光器和铥光纤激光器（thuliumfiberlaser，TFL），其中Ho：YAG运用最广泛。激光碎石的主要原理是激光的光热效应，激光能量被结石表面和水吸收后迅速转化为热能，产生高温蒸汽泡和冲击波使结石碎裂［1］。目前在临床上常用的操作模式主要有两种：“粉尘化”碎石（低能高频）可以将结石粉碎成细粉状，有助于减少网篮的使用；“爆米花”式碎石（高能低频）更适合处理较硬结石，使之破碎为较大碎片。热能在激光碎石过程中发挥着重要作用，但其在腔内并非是定向传导的，若大量热量持续作用于组织容易发生热损伤，进而导致组织局部坏死和瘢痕形成［2-3］。热损伤的发生和严重程度受多种因素的共同影响，如激光的功率和脉冲、激光持续发射时间、灌注流速、镜鞘比和光纤类型等。本文归纳激光碎石相关的热损伤因素，并结合文献和本中心经验，探讨其预防策略。在激光碎石过程中，当温度持续达到43℃会导致周围组织热损伤，当温度超过56℃时，仅1s就能导致组织热损伤［1，4］。因此，术者应熟悉激光碎石相关参数和影响因素，以降低热损伤发生的风险。一、激光因素1.激光器选择：目前在泌尿外科常用的激光器中，Tm：YAG的能量转换效率低，热量管理困难，多用于软组织切割，Ho：YAG和TFL是泌尿外科激光碎石常用的激光器。Ho：YAG使用固体激光晶体技术，通过脉冲形式输出能量；TFL采用光纤激光技术，输出更稳定的连续波或超高频脉冲波。TFL因发射激光的波长与水的吸收峰更接近，在同样的参数设置下，与Ho：YAG相比TFL的碎石效率更高［5］。TFL在提高碎石效率的同时，也带来更明显的热效应，同样的参数设置下，TFL造成的腔内温度升高程度和速度远大于Ho：YAG［6-7］。Belle等［8］研究发现，当功率超过30W时，TFL能使温度显著升高至热损伤阈值，而同样功率下Ho：YAG的腔内温度仅为38℃。尽管TFL的碎石效率高于Ho：YAG，但同时也存在更高的热损伤风险，因此应针对结石类型和硬度等因素进行选择。Ho：YAG的能量以脉冲形式释放，适合采用“高能低频”设置使用“爆米花”式碎石，快速破碎较硬或聚集的结石，后续使用网篮清除较大的碎石以避免“石街”形成；TFL的能量输出特点则适宜采用“低能高频”设置使用“粉尘化”模式处理较大或复杂结石。2.激光功率：尽管目前并没有研究结果显示使用高功率激光碎石的效率高于使用低功率，但美国大部分泌尿外科医师仍习惯使用高功率碎石［9］。一项临床前瞻性研究结果显示［9］，对于直径<2cm肾结石，使用低或高功率激光碎石，手术时间和结石清除率并没有明显差异。在常规激光碎石操作中，使用高功率碎石更容易导致腔内温度快速升高，若温度持续超过阈值则会导致热损伤发生。一项体外研究结果证明［10］，在不进行灌注的情况下，激光功率设置为40W，仅需10s肾内温度即升至50℃；即使使用14~15ml/min流速灌注，10s后温度仍为44.9℃。因此，腔内温度与激光功率直接相关，功率越高腔内温度升高越迅速，持续时间越长，组织损伤越严重［11-13］。当碎石操作需要使用高功率设置时，需要保证有充分的灌注以避免腔内温度过高导致的组织热损伤［14-15］。总的来说，不应盲目追求高功率，如需高功率碎石，应保证充分灌注以降低热损伤风险。3.脉冲：脉冲参数包括脉冲能量、脉冲频率和脉冲宽度。碎石过程中仅脉冲相关参数变化也会使腔内温度产生变化，并可能造成组织热损伤。高脉冲能量更容易产生高热量使腔内温度迅速升高。Sourial等［16］同样认为高脉冲能量会带来更高的加热速率。脉冲频率与腔内温度呈正相关，脉冲频率升高会增加组织热损伤事件发生的风险。Aldoukhi等［10］和冯媛媛等［17］的研究结果同样证明了上述结论。另外Aldoukhi等［18］还探讨了脉冲频率与碎石效果的关系，发现脉冲频率存在一个阈值，当频率升高超过该值，碎石效果提升并不明显。因此，在实际操作中盲目提高脉冲频率并不可取。脉冲宽度指单个激光脉冲的持续时间，增加脉冲宽度能使光热效应更明显，产生更多热量［19］。激光碎石时应综合脉冲设置及其他参数，控制热损伤风险。二、术者因素在讨论激光碎石导致的热损伤时，操作占空比（operatordutycycle，ODC）是一个不可回避的重要因素。ODC是指踏板激活时间的占比，以10s为计，若激光激活7s后关闭3s，则ODC为70%。ODC越高产生热量越多，腔内温度升高越快，更容易发生热损伤。既往研究结果表明［20］，ODC为50%时到达热损伤阈值所需的时间为60%的10倍（948s与94s），提示ODC的高低与腔内温度呈正相关［21］。值得注意的是，尽管激光关闭后温度可以缓慢恢复到基线水平，但热剂量仍会维持在一定水平，即热剂量具有累积效应，因此单次激光激活的时间也是影响腔内温度的重要因素。Aldoukhi等［22］发现温度峰值高低与踏板激活时间呈正相关，激光激活模式设置为开/关15s进行2个循环，仅9s就能达到热损伤阈值。总而言之，在激光碎石时应尽量避免持续长时间激活激光，并将ODC控制在50%以下，以减少热剂量积累，从而降低热损伤的风险。三、灌注因素1.结石部位：结石形成的不同部位决定了激光激活时周围液体的体积，进而影响热剂量的积累。结石形成部位狭小，激光激活时更容易导致温度升高。既往研究结果表明［11，23-24］，肾盂对激光碎石产生热量的耐受能力最强，输尿管次之，肾盏最弱，这是由于流体体积小的部位单位时间内受到的热剂量大导致。因此，在进行激光碎石时，应明确不同部位对热量的耐受能力，降低组织热损伤风险。此外，若结石在热量耐受能力较弱的部位，应尽量避免原位碎石，可尝试将结石转移至较能耐受热量的肾盂再进行碎石；若结石无法转移，则应从结石的中央开始碎石，并远离组织。2.灌注压力：灌注充分是维持腔内温度稳定的前提，当使用高功率激光设置时充分灌注更为重要，激光碎石过程中灌注越充分，导致热损伤的风险越低［14］。但充分灌注并不意味盲目加大灌注，盲目加大灌注容易导致腔内灌注压力过大，造成尿路黏膜损伤、撕裂和细菌侵入，增加术后感染的风险［25-26］。因此，激光碎石时应合理控制灌注压力，既保证视野清晰便于操作，又能稳定腔内温度。灌注压力受灌注体积、流速、液体流出方式、光纤直径和鞘通道直径等多因素影响。灌注流速指单位时间内进入腔内的灌注液体积。既往多项研究［14-15，23，27-28］结果显示，增加灌注流速可显著降低激光碎石导致的温度升高，且降温效果与灌注流速呈正相关。增加灌注流速的同时还需要保证灌注液流出顺畅才能维持灌注压力稳定，否则容易增加肾盂静脉回流、感染、败血症和器官损伤等相关并发症的风险。在使用低功率（<30W）碎石时，将平均流速控制在25~30ml/min可以提供较好的操作环境和保证腔内温度稳定。在使用高功率碎石时，增加灌注流速可以保证充分灌注，同时搭配使用负压吸引鞘将灌注压力控制在130~150mmHg（1mmHg=0.133kPa）内能有效降低术后感染风险。近期文献报道的智能控压控温软镜系统和末端可弯曲负压吸引鞘的应用［29-31］，则能更有效地管理腔内温度，他们分别通过智能调控进出水平衡和柔性解剖适配、压力闭环控制，在提高结石清除率的同时降低了热损伤风险。尽管光纤直径并不会对腔内升温模式有直接的影响［32］，但光纤直径与鞘通道直径的比例却能直接影响灌注液回流，进而影响灌注压力和腔内温度。Noureldin等［15］比较不同直径输尿管鞘对腔内温度的影响，发现使用大直径输尿管鞘更能缓解激光碎石导致的温度升高。尽管鞘直径越大缓解腔内温度升高效果越显著［33］，但在实际操作中不可能无限制地增加鞘直径，鞘直径过大可能会造成周围组织压迫，使局部组织缺血坏死等损伤。因此，控制镜鞘比<0.75能有效将灌注压力维持在安全水平，并能保证灌注液回流的效果，有效降低热损伤风险［34-35］。3.灌注温度：Dau等［36］提出，在激光碎石过程中使用冷灌注（4℃）替代室温灌注（20℃）或温灌注（37℃）能有效降低激光激活产生的热剂量，冷灌注与室温灌注相比能使腔内温度保持在较低水平和降低温度峰值。Dau等［37］在动物模型实验中发现使用冷灌注时峰值温度、热剂量和到达热损伤阈值时间等均明显降低。4℃灌注液虽然能高效带走热量，但冷灌注液持续与尿路黏膜接触也可能导致体温降低甚至失温［38］，因此在实际操作中应使用室温灌注。四、光纤因素激光通过在二氧化硅芯内反射被输送到光纤尖端，影响光纤性能的因素主要包括：光纤直径、柔韧性和耐久性等。光纤直径对灌注参数产生间接影响，根据Poiseuille定律，流动阻力与半径的四次方成反比，而流动阻力又能影响灌注液流出速率，从而影响灌注压力和热量带出效率。因此减小光纤直径可降低流动阻力，增加灌注液回流，减小灌注压力，降低组织热损伤风险。此外，减小光纤直径可以增加结石单位面积的辐射暴露，利于击碎结石［39］。值得注意的是，小直径光纤更容易发生尖端回烧的问题，光纤尖端回烧会降低碎石效率。因此在使用小直径光纤时，可使用低能、短脉冲设置来延缓尖端回烧。五、总结和展望激光技术推动了泌尿系结石治疗由开放手术向微创治疗转变，减少了患者的创伤和负担。激光碎石具有高效、精准和普适等特点，但也存在术中组织热损伤风险。针对不同情况需要对激光设置、灌注参数等进行相应调整，以最大程度保证碎石效果和安全性。Ho：YAG作为现阶段普及度最高的激光器，是激光碎石的主流选择，为降低使用钬激光碎石的热损伤风险，更推荐使用低功率（<10W）、高能低频、短脉宽的设置进行碎石［40］，同时使用室温灌注液进行灌注，并将流速控制在30ml/min。TFL虽尚未大规模普及，但碎石效率更高，适合需“粉尘化”处理的较大或复杂结石，并且能降低网篮使用率。有条件的地区还能使用负压吸引鞘促进灌注液回流，维持腔内压力为130~150mmHg。此外镜鞘比也应控制在<0.75，尽量避免在输尿管、肾盏等对热量耐受能力低的部位进行碎石，碎石时应尽量远离组织黏膜，避免长时间持续激活激光［41］，控制ODC<50%。增强碎石效果、提高精准性和保证安全性将是未来激光碎石技术的发展方向。得益于近期出现的智能控压控温软镜系统和末端可弯曲负压吸引鞘等新技术，激光碎石的效率和安全性得到了提升，患者的术后恢复快、并发症减少。人工智能和纳米技术有望与激光碎石技术融合，实现对热损伤的精准控制和智能预防。首先，人工智能可以通过整合和分析大量手术影像、激光参数、灌注参数和术中温度等数据，建立预测模型，为医师决策提供参考和辅助作用，甚至实时自动调整各项激光参数。其次，电子集成技术和柔性材料的发展，使未来在内窥镜上集成多个温度监测仪器成为可能，多个温度检测点有助于实时获取腔内热量分布情况，结合人工智能技术进行三维热量分布建模，有助于直观了解腔内热量分布，避免在高热区域持续操作。未来可开发导热性能良好的纳米材料，在管鞘或光纤周围制成镀膜，甚至直接使用高导热材料制成管鞘或光纤保护套，促进腔内热量传导至体外。另外，研制热效应更小的激光器或磁力引导的纳米碎石机器人同样是未来激光碎石的发展方向。将人工智能技术和纳米技术应用于激光碎石虽然颇具前景，但距离其临床转化仍面临多方面挑战，仍需多学科协同推进，方可实现从实验研究向标准化临床应用的跨越。参考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