Статьи

Клинический опыт использования нового ND:YAG лазера с двойным импульсом удвоенной частоты (FREDDY)

Клинический опыт использования нового ND:YAG лазера с двойным импульсом удвоенной частоты (FREDDY) для лечения мочекаменной болезни.

Авторы: Christian F. Tischer, Hans-Joachim Koort, Alvaro Bazo, Ralf Rasch, Christoph Thiede

Аннотация

Введение. Безопасность, эффективность и гибкость зонда для систем интракорпоральной литотрипсии являются ключевыми факторами, оказывающими влияние как на результаты лечения, так и на диапазон индикации в лечении каменных болезней, например, уролитиаза. Для применения в этой области исследуется новый твердотельный лазер с ударной волной.

Дискуссия. Использование твердотельного лазера с импульсами длительностью в микросекунды, который одновременно излучает волны длиной 1064 нм и 532 нм (FREDDY) прошёл клиническую проверку как эффективный и безопасный новый способ лечения каменных болезней – таких как мочекаменная и желчекаменная болезни. Лазер FREDDY является фотомеханическим лазером, осуществляющим процесс фрагментации иным способом, чем термические лазеры, и заслуживает дальнейшего изучения. Данные исследований in vitro и in vivo подтвердили, что влияние лазерного луча на мягкие ткани внутри мочевыделительной системы либо минимально, либо вовсе отсутствует. Параметры безопасности позволяют искать новые клинические применения. Известные отказы связаны со сложной локализацией камней и в некоторых случаях с высокой прочностью камней. Мы представляем клинические результаты как in vitro, так и in vivo при использовании установки в различных вариантах в урологии.

Заключение. Лазер FREDDY является экономичным устройством для безопасного лечения каменных болезней с хорошими характеристиками по фрагментации камней. Это потенциально ведёт к уменьшению периода времени, требуемого для полного удаления камней, особенно больших. Требуются дальнейшие исследования для оценки способности лазера к разрушению камней и времени разрушения.

Ключевые слова: ударно-волновая литотрипсия, уролитиаз, технология фредди, искробезопасность, плазма, интракорпоральная обработка камней, мочевые камни, жёлчные камни.

1. Введение

Лазеры для использования в интракорпоральной литотрипсии исследуются, начиная с середины 1980-х годов. Различные лазерные системы изучаются в плане определения клинического потенциала для применения в этой области, включая лазеры Alexandrite, Nd:YAG и Ho:YAG.
Импульсный лазер на красителе был внедрён для литотрипсии мочевых камней в конце 1980-х (504/595 нм, 50-140 мДж, 1,4-2,5 мкс. -10 Гц)2-4. Фрагментация достигается фото-акустическим дроблением. Поскольку процесс фрагментации не ассоциируется с теплотой, лазер имеет хорошие показатели по безопасности.5 Некоторые проблемы, связанные с лазерами на красителе - высокая стоимость производства (вложения) и обслуживания и низкий уровень эффективности по отношению к твёрдым камням из моногидрата оксалата кальция, а также отсутствие эффективности по отношению к цистиновым камням. Твердотельный лазер Ho:YAG с низкой стоимостью обслуживания в настоящее время широко применяется для фрагментации мочевых камней.6 Механизм по природе своей является тепловым и разрушает камни маленькими паровыми пузырьками, образующимися на дистальном наконечнике волокна. Длительность импульса находится в диапазоне от 200 до 400 мкс (2100 нм) со средним выходом мощности 15-40 Вт. Импульс легко режет мягкую ткань и другие материалы (например, стенты).

Технологическая разработка лазера FREDDY может быть отнесена к 1993 году, когда была представлена концепция твердотельного лазера с удвоенной частотой и двойным импульсом и с пролонгацией импульса оптического волокна. Удвоение частоты достигалось встраиванием кристалла KTP в резонатор. Эта технология даёт длительность импульса от 0,3 до 1,5 мкс с пассивно Q-включённым Nd:YAG лазером для оптимального разрушения камней генерацией ударной волны. Систематическое изучение фрагментации привело к следующим параметрам современной модели FREDDY:

Таблица 1. Параметры лазера FREDDY

Лазер FREDDY
Длины волн1064 нм / 532 нм
Вырабатываемая энергия120 мДж (фиксированная)
при 1064 нм примерно 100 мДж
при 532 нмпримерно 20 мДж
Средний выход энергии1,2 Вт при (10Гц)
Повтор импульса1-10 Гц

Камни разрушаются механической ударной волной, генерируемой на поверхности камня. Волокно должно быть в непосредственном контакте или на очень малом расстоянии от камня. Процесс фрагментации осуществляется в две стадии. Поглощение зелёной волны длиной 532 нм на поверхности камня инициирует состояние плазмы. Сопутствующая инфракрасная часть (1064 нм) поглощается плазмой, улучшая далее её энергетическое состояние. Степень поглощения и, следовательно, эффективность этого процесса возрастают при большей длине волны. Лазер FREDDY использует этот принцип на зелёной фракции 532 нм для хорошего поглощения на камне (зажигание плазмы) и при "нагреве" плазмы с инфракрасной фракции (1064 нм). Плаза быстро расширяется и затем исчезает, порождая ряд физических явлений, отвечающих за механическую фрагментацию камней. Как только часть общей подведённой энергии оказывалась в зоне зелёной волны (примерно 20 мДж), считалось, что система становилась достаточно безопасной для мягких тканей (искробезопасность).

Рис. 1. Двойной импульс (λ=1064/532 nm, tpulse=1.2μs) лазера FREDDY

Мы представляем клинические результаты использования лазера FREDDY для лечения уролитиаза.

2. Материалы и методы

Прототипы лазера FREDDY исследовались в ряде работ. Серийная модель применяется в клинической практике с 2000 года. Представляются исследования in vitro и in vivo, а также первые клинические испытания. Если не отмечался другой вариант, лазер работал как первичное лечебное средство. Два типа чрезвычайно гибких волокон использовались при эндоскопических процедурах: 1) 280/730 мкм волокно Tefzel (2,2 Фр.) и 2) 280/360 мкм волокно Polymide (1,1 Фр.).

3. Результаты

3.1. Исследование in vitro

В трёх исследованиях специально оценивалась эффективность лазера FREDDY в процессе разрушения мочевых и жёлчных камней.

Таблица 2. Исследование фрагментации in vitro

АвторПредмет исследованияЛазерРезультаты
Hochberger и др., 1997Литотрипсия in vitro жёлчных конкрементов человекаПрототип Freddy (95 мДж)60 камней (100%) успешно разрушены. 739 импульсов на 1 грамм
Zörcher и др., 1999Литотрипсия in vitro мочевых конкрементов человекаПрототип Freddy (90 мДж)61 мочевой камень (100%) успешно разрушены. Степень варьировалась
Delvecchio и др., 2001Анализ in vitro фрагментации на фантомах камнейСерийная модель (120 мДж)Потеря массы 51% за 2 мин. (10 Гц)
Потеря массы 64% за 4 мин. (10 Гц)

Для оценки эффективности лазера FREDDY Zörcher выполнял in vitro исследование фрагментации мочевых камней. 61 мочевых камней различного состава были разрушены на частички размером ≤ 2 мм. В этой серии использовался прототип с энергией импульса 90 мДж. Все камни могли быть успешно разрушены. Расход наконечника волокна был минимальным.

Таблица 3. Zörcher и др., 1999. Средняя степень разрушения в зависимости от состава камня

Состав камня Средняя степень разрушения (мг/мин)
Химическое названиеМинералогическое название
Ca Ox моногидратВевелит160,7
Ca Ox дигидратУэдделит198,5
MAPHСтрувит61,6
Са гидрофосфат дигидратБрушит7,9
Мочевая кислота59,4
Са фосфатАпатит112,9
ВСЕГО115,7

При исследовании in vitro Hochberger и Zörcher получили 100%-ную эффективность фрагментации на камнях пациента, вне зависимости от их состава. Hochberger использовал прототип с энергией импульса 95 мДж. В недавних исследованиях Delvecchio и др. с использованием серийной модели (120 мДж) на фантомах камней (гипс) эффективность лазера FREDDY оценивалась в процентах потери массы камней.

3.2. Исследование in vivo

В двух исследованиях оценивалось влияние лазера FREDDY на ткани при непосредственном применении его на уротелии. В первом исследовании 1999 года Zörcher и др. исследовали влияние на стенки мочевого пузыря кролика. Лазерный луч применялся по наиболее худшему возможному сценарию, т.е. постоянно находился в непосредственном контакте и перпендикулярно к ткани. После применения 2000 импульсов (90 мДж на импульс) были отмечены минимальные эффекты, которые ограничивались уротелием и собственным слоем. Более глубокие слои не были вовлечены, перфораций не наблюдалось.
Второе исследование использовало несколько иной подход аналогично Bazo и др.14, изучавшим процессы in vivo в мочеточниках уротелия человека. Исследуемый пациент подвергался цистэктомии. Как и в первом исследовании, луч применялся по наиболее худшему возможному сценарию, например, в непосредственном контакте и перпендикулярно к ткани. Применено 300 импульсов (120 мДж на импульс). Не было замечено никаких структурных повреждений или перфораций (см. Рис. 2).

Таблица 4. Влияние двойного импульса лазера FREDDY на ткани

АвторПредмет исследованияМетодРезультаты
Zörcher и др.Слизистая оболочка мочевого пузыря кролика подвергалась действию лазерного луча2000 импульсов (90 мДж на импульс)Перфорации отсутствовали
Bazo и др., 2001Применение in vivo на мочевом пузыре человека 300 импульсов на мочевом пузыре человека (120 мДж на импульс)Не замечено влияния на уротелий

Рис. 2. Поперечное сечение мочевого пузыря человека после применения 300 импульсов лазера FREDDY 14. Уротелий не повреждён, перфораций не видно. Отёк и воспалительные явления возникали у пациента, наиболее вероятно, благодаря сопутствующим патологиям.

Рис. 3. Количество импульсов, необходимых для перфорации ткани

3.3. Клинические испытания

Клинические результаты использования U100 в урологии были получены в ходе ряда клинических испытаний. Результаты обобщены далее.

Schaffhauser сообщил о первых клинических опытах с лазером FREDDY в Германии в университете Эрлангер-Нуремберг. В этом учреждении значительное количество (44%) пациентов прошли успешное лечение лазером после предварительного лечения, главным образом, методом ESWL (экстракорпоральная ударно-волновая литотрипсия) (1-4 раза), после чего камни ещё оставались. Степень успеха в среднем составила для мочевых камней 95%. Осложнений не возникало. Данное исследование было единственным, в котором фиксировалось время, потребное для разрушения: среднее время работы лазера для всех обработанных камней составило 29 секунд (145 импульсов), среднее время работы и манипуляций лазера при обработке всех камней составило 5 минут (определяемое как реальное время, требуемое для полного разрушения камней).

Таблица 5. Schaffhauser и др. Первые клинические испытания лазера FREDDY

Период исследованияКоличество пациентовМесто локализации камняКоличество камнейСтепень успеха
11.1998 – 10.199950почки6- *2
мочеточник внутренний88 (88%)
средний1211 (92%)
дистальный2424 (100%)
всего (42/44) 95%
мочевой пузырь0-

Stark и др. сообщают о 55 пациентах, получивших лечение лазером FREDDY. Локализация камней включала коралловидный конкремент, мочевые камни, а также камни мочевого пузыря. Доступ к камню достигался с помощью гибкого уретероскопа (7), полужёсткого уретероскопа, чрезкожно (4) и цистоскопически (4). Общая эффективность составила 87%. Перфорации не были замечены.

Таблица 6. Stark и др. Новое оборудование для лазерной литотрипсии

Период исследования Количество пациентов Место локализации камня Количество камней Степень успеха
55 почки 15 По всем местам локализации камней 87%
мочеточник внутренний 9
средний 8
дистальный 21
мочевой пузырь 2

Bazo и др. сообщают о 21 пациенте, получивших лечение лазером FREDDY. Хотя места локализации камней обрабатывались лазером в этих сериях испытаний, лишь небольшое число пациентов позволило оценить степень успеха при обработке мочевых камней.
Три случая неудачного лечения лазером были отмечены для камней мочевого пузыря: Два камня мочевого пузыря были последовательно разрушены с помощью EHL. Один был устойчив к процедуре EHL и должен был быть удалён с помощью открытой процедуры.
Тринадцать пациентов с мочевыми камнями были подвергнуты лечению; один был исключён в связи с осложнениями анестезии, в результате лазерная обработка дала 100%-ную степень успеха. При трёхмесячном наблюдении все успешно пролеченные пациенты были освобождены от камней. Осложнений не наблюдалось.

Таблица 7. Bazo и др. FREDDY откроет это для вас. Новое оборудование для мочевой литотрипсии

Период исследования Количество пациентов Место локализации камня Количество камней Степень успеха
2001 21 почки 1 - (раннее прекращение процедуры)
мочеточник средний 4 4 (100%)
дистальный 8 (9) 8 (100%)
всего 100% (12/12)
мочевой пузырь 7 4 (57%)

Brandt и др. представили свои предварительные клинические результаты на семинаре по лазерам в Бохуме, Германия, после лечения 103 пациентов лазером по поводу камней в мочеточниках и мочевом пузыре. Не сообщается об осложнениях. 95% камней были разрушены после 200…500 импульсов со временем использования лазера в течение 20…50 секунд при частоте 10 Гц. Пять процентов камней требовали 3000 и более импульсов и были признаны устойчивыми.

Таблица 8. Brandt и др. Лечение камней в мочеточниках и мочевом пузыре лазером FREDDY

Период исследования Количество пациентов Место локализации камней Количество камней Степень успеха
05.2000 – 10.2001 103 почки 0 75% камней 500 импульсов
20% камней 200 импульсов
5% камней 3000 импульсов
Общая степень успеха 95%
Общая степень отказов 5%
мочеточники 101
мочевой пузырь 2

Рис. 4. Степень успеха при количестве импульсов, потребных для разрушения в исследованиях Brandt и др.

3.4. Другие клинические результаты
Обработка больших камней

Благодаря механическому способу работы лазер FREDDY быстро разрушает большие камни. Два примера обработки камней в мочевом пузыре подтверждают быструю фрагментацию.

Таблица 9. Фрагментация больших камней лазером FREDDY (камни в мочевом пузыре). Египет 2001.

Размер камня Время разрушения
28 мм X 15 мм 3 мин. 55 сек
18 мм X 11 мм 2 мин. 30 сек
Удаление отложений кальция

При подкожной процедуре лазер FREDDY использовался для очистки от кальциевых бляшек на стенте. Стент должен был удаляться, и камень обрабатывался лазером.

4. Дискуссия

Эндоскопическая литотрипсия в урологии является быстро развивающимся направлением. Оба прибора, а также литотриптеры существенно прогрессируют в эффективности, безопасности, простоте использования. Лазеры, когда-то массивные машины, трудные в обращении, представляют сейчас из себя небольшие надёжные устройства, помогающие хирургу в лечении различных болезней. Существуют гибкие волокна лазера, которые могут использоваться с гибкими эндоскопами малого диаметра для обработки камней на протяжении всего мочевыводящего тракта. В области лазерной литотрипсии с помощью применения лазера FREDDY происходит сейчас возрождение Nd:YAG лазера. Как и импульсный лазер на красителе, он работает, генерируя ударную волну, которая механически разбивает камень без неблагоприятного термического эффекта. В отношении безопасности для тканей он превосходит YAG на гольмии и импульсный лазер на красителе (Рис. 3). Исследования in vivo чётко показали, что прямое направленное действие на уротелий в течение достаточно длительного времени не даёт структурных повреждений, делая реально невозможными случайные повреждения. Минимизируется риск перфорации при тыканье в ткань самим волокном или другим прибором. Теоретический риск повреждений от плазмы вследствие поглощения фракции 532 нм гемоглобином не подтверждён клинической практикой. Эта «внутренняя безопасность» данной технологии может быть очень полезной, особенно при трудной локализации камней, когда хирург может встретить ограничения или когда нет видимости.

Эффективность производимых в настоящее время моделей улучшена по отношению к прототипу, как показывают недавно проведённые исследования. Около 95% всех камней были разрушены эффективно и быстро.

Только одно исследование содержало изучение времени фрагментации, т.е. сколько времени хирург реально затрачивает на разрушение камня. Было достигнуто среднее значение времени 5 минут на камень. Эти данные и предварительные результаты для больших камней поддерживают утверждение о том, что FREDDY работает очень быстро на большинстве встречающихся камней. Это может стать преимуществом особенно при обработке больших камней. Кроме того, возникает потенциальная возможность уменьшения времени операции при минимизации как рисков, так и стоимости. Требуются исследования ткани при проведении дальнейших клинических исследований.

Исследования показывают также, что существует определённый процент камней, которые оказывают сопротивление фрагментации и требуют значительного количества импульсов. Клинические результаты выявили, что около 5 процентов всех камней устойчивы к воздействию лазера FREDDY. Эти камни требуют принятия дополнительных мер или применения альтернативных процедур, например, фрагментации камней внутри ловушки, как описано у Schaufhauser15.

Камни из моногидрата оксалата кальция известны как особенно твёрдые. Так как механизм разрушения с помощью FREDDY сравним с механизмом разрушения от импульсного лазера на красителе, не удивительно, что получены схожие результаты по импульсным лазерам на красителе. Одновременное использование двух длин волн может, однако, объяснить лучшие результаты, полученные с лазером FREDDY.

5. Заключение

Эффективное и быстрое разрушение мочевых камней, безопасная работа и простота в обслуживании лазера FREDDY представляют особый интерес для уролога-эндоскописта. Лазер прошёл стадию лабораторных исследований и успешно опробован в клинической практике.

6. Литература

  1. A. Hofstetter, “[Laser--science fiction or a new dimension in medicine]?”, Urologe A. 24(6):310-2. Nov 1985
  2. M. Zerbib, T. Flam, M. Belas, B. Debre, A. Steg, “Clinical experience with a new pulsed dye laser for ureteral stone lithotripsy”, J Clin Laser Med Surg., 8(6): 31-3. 1990 Dec
  3. S.P. Dretler, “An evaluation of ureteral laser lithotripsy: 225 consecutive patients.”, J Urol., 143(2):267-72. 1990 Feb
  4. J.R. Gautier, P. Leandri, G. Rossignol, J. Caissel, H. Quintens, “Pulsed dye laser in the treatment of 325 calculi of the urinary tract.”, Eur Urol. 18(1):6-9. 1990
  5. R.W. Santa-Cruz RW, R.J. Leveillee , A. Krongrad, “Ex vivo comparison of four lithotripters commonly used in the ureter: what does it take to perforate?”, J Endourol. Oct;12(5):417-22. 1998
  6. M. Grasso, Y. Chalik, “Principles and Applications of Laser Lithotripsy: Experience with the Holmium Laser Lithotrite”, J Clinical Laser Medicine & Surgery, 16(1): 3-7. 1998.
  7. G.S. Freiha, R.D. Glickman, J.M. Teichman, “Holmium:YAG laser-induced damage to guidewires: experimental study“, J Endourol., 11(5):331-6. Oct 1997
  8. G. Müller, J. Helfmann, V.P. Pashinin et al., “New alternative for laser lithotripsy, long pulse passively q-switched solid-state laser with fibre-based resonator”, SPIE Vol 2086 Med. Applications of Lasers (1993)
  9. J. Hochberger, J. Bayer, S. Tex, J. Maiss, J. Tschepe, E.G. Hahn, “Frequenzverdoppelter Doppelpuls ND:YAG Laser (FREDDY) für die Gallensteinlithotripsie - Präklinische und erste klinische Ergebnisse”, Biomedizinische Technik “Laseranwendungen III”, 442:330, 1997
  10. J. Helfmann, Untersuchung der physikalischen Phänomene bei der Zertrümmerung von Körperkonkrementen durch laserinduzierte Plasmen, Advances in Laser Medicine, Landsberg; Zürich: ecomed 1992
  11. J. Helfmann, G. Müller, “Laser lithotripsy: Process and Overview“, Med. Laser Appl. 16: 30-37 (2001)
  12. T. Zörcher, J. Hochberger, K.M. Schrott et al., “In vitro study concerning the efficiency of the Frequency-doubled Double-Pulse Neodymium:YAG Laser (FREDDY) for Lithotripsy of Calculi in the Urinary tract”, Lasers Surg Med. 25(1):38-42. 1999
  13. Delvecchio, S. Zhu, A. Weizer, A. Silverstein, B. Auge, P. Pietrow, D. Albala, P. Zhong, G. Preminger, “In vitro fragmentation analysis of the Freddy laser”, Oral presentation at the WCE 2001, Bangkok.
  14. A. Bazo, W.M. Chow, L. Coombs, D. G. Barnes, “Freddy will crack it for you: A new device for urinary calculi lithotripsy”, BAUS conference proceedings, Section of Endourology, Sheffield, UK, 2nd Nov 2001
  15. W. Schafhauser, T. Zörcher et al., “Erste klinische Erfahrungen mit neuem frequenzverdoppeltem Doppelpuls Neodym:YAG Laser in der Therapie der Urolithiasis”, Poster presentation at the DGU, Hamburg, Germany 2000.
  16. L. Stark, P. Carl, R. Zauner, “A new technique for Laser-Lithotripsy: FREDDY, the partially frequency-doubled double-Pulse Nd:YAG Laser“, Poster presentation at the 1st int. consultation on Stone Disease, Paris 2001
  17. H. Brandt et al., “Ureteral and bladder stone treatment with the Freddy laser“, Laser workshop Bochum, Germany 2001
  18. E. Agour, H. Mohamed, Documented stone treatments, Ain Shams University, Cairo, Egypt, July 2001
  19. Personal communication, Australia, 2001