研究介紹：

    激光是“光受激輻射放大”的縮寫。早在60年代早期，人們便首次提出了激光技術(shù)。研究人員將首個紅寶石激光器稱為“尋找問題的解決方案”。換言之，激光器并不是為了滿足某個特定的應(yīng)用場景而誕生的，與發(fā)明相比，它更像是一種科學(xué)發(fā)現(xiàn)。毫無疑問，激光技術(shù)在各個醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用。如今，在泌尿外科激光技術(shù)已成為“結(jié)石治療，良性前列腺增生（BPH）手術(shù)，上尿路上皮癌手術(shù)以及非肌肉浸潤性膀胱癌手術(shù)”不可或缺的技術(shù)之一。

    隨著應(yīng)用場景的變化，人們對激光的需求也在不斷發(fā)生改變。因此，研究人員開始探索研發(fā)一種可用于碎石及粉碎軟組織的多功能激光。自從第一臺激光問世以來，為滿足泌尿外科診療需求，人們陸續(xù)研發(fā)出了多種激光。在將近半個世紀(jì)的時間里，盡管激光得到了諸多改善，但其基本治療原理仍然相同。為進一步理解激光在手術(shù)過程中發(fā)揮的作用，首先需要了解到“激光是通過一種叫做發(fā)色團的物質(zhì)（能夠吸收特定波長的光線）對組織發(fā)揮作用的”。在手術(shù)過程中，重點需要考慮兩種因素—血紅蛋白和水。

    在泌尿外科領(lǐng)域，最早得到應(yīng)用的為“Nd:YAG激光器”，該激光器能夠激發(fā)一種波長為1064 nm的激光（主要被血紅蛋白所吸收），由于具備這種特性，該激光適用于開展所有類型的前列腺手術(shù)。然而，為進一步改善治療效率，研究人員已經(jīng)不再在新型激光中使用Nd:YAG激光技術(shù)了。KTP/LBO激光器即為Nd:YAG激光器的衍生物。在激光諧振腔中，KTP或LBO晶體可將波長為1064 nm的Nd:YAG激光轉(zhuǎn)換成波長為532 nm的綠色光譜。這也是人們將KTP激光稱為綠激光的原因。這種波長的綠激光能夠被血紅蛋白所吸收，這也決定了其在光選擇性前列腺汽化術(shù)中的應(yīng)用情況。激光治療發(fā)展的一個里程碑式的事件便是人們研發(fā)出了波長為2100 nm的Ho:YAG激光，該激光能夠強烈地被水所吸收，適用于開展碎石術(shù)以及粉碎軟組織。然而，為進一步改善治療效率以及提高激光切割精度，人們對激光治療器械開展了進一步的研究，最終人們研發(fā)出了“Tm:YAG激光器—一種固態(tài)激光器（其活性介質(zhì)為摻有銩離子的YAG晶體）”。銩激光器能夠發(fā)射波長為2010nm的激光，這與水的吸收峰值幾乎相匹配，因此銩激光器是對軟組織進行治療的理想工具。然而，連續(xù)作用模式限制了其在碎石術(shù)中的應(yīng)用。

    在發(fā)明固態(tài)激光器的同時，人們還研發(fā)出了“二極管激光器和CO2激光器”。然而在泌尿外科診療領(lǐng)域，這些激光治療器的應(yīng)用還存在一定的局限性?，F(xiàn)如今，固態(tài)激光器代表了一大類需要不斷得以完善的設(shè)備。然而，這些固態(tài)激光器卻并非激光治療技術(shù)的革新，更多的是對現(xiàn)有技術(shù)的進一步發(fā)展。真正的飛躍是新型光纖激光器的出現(xiàn)（始于銩光纖激光器），人們針對該激光的優(yōu)勢進行了廣泛報道，雖然理解起來有一定的難度，但我們相信正是“光纖激光器結(jié)構(gòu)上的變化”導(dǎo)致了“激光-組織的交互作用方式”發(fā)生了改變。我們想通過這項工作，在“生物物理學(xué)和臨床應(yīng)用實踐”之間架設(shè)一座橋梁，并就這些設(shè)備的工作原理給出一個簡單的解釋，告知人們“臨床醫(yī)生了解治療治療設(shè)備工作原理的重要性”。

銩光纖激光器的基本元件

    激光介質(zhì)是激光器的主要部件之一，在一定程度上也定義了激光輻射。多數(shù)激光器是固態(tài)的，這意味著其主體材料為固態(tài)晶體。醫(yī)用激光器中最常見的一種主體材料為“釔鋁石榴石（YAG）晶體”。YAG晶體作為稀土材料的載體，定義了一些激光特性。一方面，使用YAG晶體能夠相對容易捕獲產(chǎn)生的熱量，從而可在高功率輸出條件下進行手術(shù)操作。相反，YAG晶體也會導(dǎo)致大量能量（閃光燈激發(fā)）被浪費，從而可導(dǎo)致晶體所在激光腔體過熱的情況發(fā)生。因此，使用YAG激光時，我們通常需要一個體積較大的水冷系統(tǒng)。此外，單腔激光器也受到功率和頻率的限制。為進一步改善激光器的治療效率，研究人員引入了具有多個腔體的激光器，這使得其結(jié)構(gòu)變得更為龐大。此外，一些功率高的激光還需要使用特定的電源插座進行供電，從而可提供足夠多的維持峰值功率所需的能量。此外，固態(tài)激光器多使用閃光燈作為激發(fā)光源，需定期更換閃光燈。

    與其他激光器相比，銩光纖激光器的設(shè)計方式明顯不同。激光介質(zhì)中有“薄厚為10～20mm,長達30 m”幾種類型的石英纖維，在這樣小的橫截面中還摻雜有銩離子。這種光纖激光器相對小且十分緊湊。這主要是因為在激光激發(fā)機制中使用的是“空氣冷卻系統(tǒng)”，這種激光器可使用常規(guī)的110V電源插座作為其能量來源。此外，由于激光器的元件由激光纖維拼接而成，因此并不存在任何機械擾動問題，例如多分鏡結(jié)構(gòu)的激光器。

    銩光纖激光器的另外一個變化之處便是“將二極管作為泵浦能量系統(tǒng)”，在固態(tài)Ho:YAG激光器中使用的是閃光燈泵浦系統(tǒng)。使用二極管激光器進行激光泵浦能夠精確匹配銩離子的吸收譜線，從而可進一步改善TFL激光器的治療效率。將二極管作為銩光纖激光器的泵浦能量源，因此僅需低輸入功率便可達到既定的輸出功率水平，因此并不需要要使用水冷系統(tǒng)，即便是在以較高的功率進行手術(shù)時也是如此。因此，半導(dǎo)體激光器有助于使銩光纖激光器變得更加緊湊，療效更高。

水吸收情況

    吸收峰值代表一種特定的波長，該波長的激光能夠被組織中不同種類的分子（也就是我們之前所說的“生色團”）所吸收。與其他任何種類的生色團一樣，水也有吸收峰值（該處的能量吸收值最大）。因此，水的主要吸收峰值為“1910 nm以及2870 nm”。銩光纖激光器能夠激發(fā)波長為1940 nm的激光，這與室溫條件下（22.8℃）水的吸收峰值相匹配。鈥激光的吸收峰值為2120 nm，Tm:YAG激光的吸收峰值為2010 nm。銩光纖激光器的吸收系數(shù)比Ho:YAG激光器高4倍，因此，TFL激光器的組織穿透深度較小。反過來講，這也意味著銩光纖激光器的安全性能好，造成損傷的程度有限。此外，吸收高意味著“相同大小的能量會被體積更小的組織所吸收”，也就是說，切口會更加精準(zhǔn)有效。

    激光與組織的整個作用過程可通過光熱解表示。輻射能轉(zhuǎn)化為動能（熱能），從而可導(dǎo)致組織溫度升高。一旦組織溫度達到60℃，蛋白質(zhì)就會發(fā)生變性，從而可導(dǎo)致組織凝固。持續(xù)升溫至60℃以上，超過沸點時就會出現(xiàn)組織消融/汽化。進一步升高溫度可發(fā)生熱裂解，最終以“碳化/焦化”方式結(jié)束。

    就碎石術(shù)來講，結(jié)石是一種高度多孔性材料，內(nèi)部含有許多水分，能夠被水有效吸收。TFL激光器能夠加熱結(jié)石內(nèi)部以及結(jié)石表面的水分。這兩個過程同時進行能夠?qū)е陆Y(jié)石出現(xiàn)化學(xué)分解（結(jié)石變軟）和水分汽化，從而水蒸氣可在結(jié)石內(nèi)部迅速膨脹。這種效應(yīng)會導(dǎo)致所謂“爆炸性汽化”現(xiàn)象的發(fā)生—即對結(jié)石進行熱機械性破壞。

----Taratkin M, Azilgareeva C, Cacciamani GE, Enikeev D. Thulium fiber laser in urology: physics made simple. Curr Opin Urol. 2021.