Статьи

In vitro сравнение ретропульсии и фрагментации камня

In vitro сравнение ретропульсии и фрагментации камня лазерами со сдвоенной частотой и двойным импульсом ND:YAG и Holmium:YAG

Авторы: Charles G. Marguet, Jeff C. Sung, W. Patrick Springhart, James O. L’Esperance, Songlin Zhou, Pei Zhong, David M. Albala, Glenn M. Preminger

Аннотация

Цель: Лазер со сдвоенной частотой и двойным импульсом ND:YAG (FREDDY) (World of Medicine, Германия) функционирует благодаря генерации пузырьков плазмы. При схлопывании пузырька генерируется ударная волна, вызывающая фрагментацию камня. Этот механизм действия отличается от механизма действия гольмиевого лазера, который вызывает разрушение камня испарением. Наблюдаемая клиническая ретропульсия камня лазерами FREDDY и гольмиевым лазером побудил к проведению серии экспериментов in vitro для сравнения ретропульсии и фрагментации, вызванных лазером, с процессами, вызванными гольмиевым лазером и пневматическим литотриптером.

Материалы и методы: Для исследования ретропульсии использовался подводный оснащённый автоматикой лабораторный стенд, включающий горизонтальную электронную трубку диаметром 1,3 см и держатель для фиксации фантома камня в контакте с кварцевым лазерным волокном или пневматическом зондом. Предварительно взвешенный цилиндрический фантом камня Bego (Bego США, Smithfield, Rhode Island) размещался в аппаратуре. Разрушение камней производилось лазером FREDDY или гольмиевым лазером или пневматическим литотриптером. Лазер FREDDY и гольмиевый лазер испытывались при одних и тех же энергии импульса и частоте. Как стандарт при сравнении испытывался пневматический литотриптер с полужёстким зондом и одинарным импульсом 100, 200 и 300 кПа. Фантомы камней подвергались 30 ударам на каждом режиме. Средняя ретропульсия, определяемая прямым измерением как конечная точка камня, фиксировалась для каждого режима. Для разрушения использовались фантомы камня из полуводного гипса, чтобы определять фрагментационную способность каждого лазера. Фантомы камней помещались в оснащённую автоматикой подводную установку, состоящую из перевёрнутой силиконовой ёмкости и держателя, погружённого в водопроводную воду. Лазерное волокно (365 мкм для гольмия и 280 мкм для FREDDY) проходило через наконечник емкости и приводилось в контакт с фантомом камня. Всего 24 камня были разделены на 4 группы по 6 в каждой группе. Две группы камней разрушались лазером FREDDY при затрачиваемой энергии 300 и 400 Дж. Другие две группы разрушались гольмиевым лазером при величинах энергии 300 и 480 Дж. Эффективность фрагментации измерялась в процентах потери массы.

Результаты: При 160 мДж лазер FREDDY создавал ретропульсию камня на расстояние 7,6, 8,1 и 6,8 см при 5, 10 и 15 Гц, соответственно. При 0,8 Дж гольмиевый лазер создавал ретропульсию камня на дистанцию 3,3 и 4,9 см при 5 и 10 Гц, соответственно. Пневматическое устройство создавало ретропульсию камня на среднее расстояние 8,5, 9,9 и 13,8 см при давлении 100, 200 и 300 кПа, соответственно. Лазер FREDDY в общем создавал меньшую ретропульсию, чем пневматическое устройство, хотя эта разница была значительной только при самых высоких пневматических режимах литокласта (p<0,05). При фрагментации на режимах по энергии 300 Дж и 400 Дж лазер FREDDY показал результат по потере массы 44,9% и 86,8%, соответственно (p<0,05). На режимах по энергии 300 Дж и 480 Дж лазер holmium:YAG показал результат по потере массы 3,3% и 7,1%, соответственно (p<0,05).

Заключение: При более низких частотах ретропульсия камней была значительно больше у лазера FREDDY, чем у гольмиевого лазера. Однако ретропульсия была при любых режимах существенно меньше, чем ретропульсия, вызываемая пневматическим литотриптером. Поэтому мы рекомендуем применение ограждающего устройства, такого как каменный конус (Stone Cone, Boston Scientific, Natick, Массачусетс) проксимально к камню во время интракорпоральной уретральной литотрипсии и в сужении мочеточника и почечной лоханки во время подкожной лазерной рентгенографии почек. In vitro разрушение камней лазером FREDDY было значительно больше, чем лазером holmium:YAG, и FREDDY может представлять собой более дешёвую альтернативу гольмиевому лазерному литотриптеру при отборе пациентов.

Ключевые слова: почка, почечный камень, литотрипсия, лазер, лазеры, мочевой камень

За последнее десятилетие применение интракорпоральной лазерной литотрипсии для лечения мочевых и ренальных камней приобретает всё большую популярность. Улучшенная фрагментация камней всех составов с сопутствующим снижением операционных осложнений была продемонстрирована при переходе от импульсных лазеров на красителе к holmium:YAG лазеру и пневматической литотрипсии. Однако ретропульсия камней (движение камня от литотриптера в процессе интракорпоральной литотрипсии) является потенциальной проблемой для всех этих устройств.

Лазер со сдвоенной частотой и двойным импульсом ND:YAG (FREDDY) представляет собой новую, относительно недорогую альтернативу обычно используемому гольмиевому (holmium:YAG) лазеру. Насколько мы знаем, до сих пор не проводились исследования по оценке характеристик фрагментации и ретропульсии этого нового лазера. В настоящем исследовании мы сравнивали характеристики эффективности фрагментации и ретропульсию гольмиевого и FREDDY лазеров с соответствующими параметрами пневматического литотриптера.

Материалы и методы

Рис. 1. Подводный автоматизированный стенд для исследования ретропульсии

Ретропульсия. Была использована автоматизированная подводная лаборатория (Рис. 1). Конструкции включала горизонтально ориентированную силиконовую трубку диаметром 1,3 см и держатель для фиксации фантома камня в контакте с кварцевым лазерным волокном или пневматическом зондом. Предварительно взвешенные цилиндрические фантомы камня Bego размещались в аппаратуре. Камни Bego использовались в этой части исследования благодаря высокой прочности при растяжении, которая позволяла нам наблюдать ретропульсию независимо от эффекта фрагментации. Литотрипсия проводилась лазерами FREDDY и гольмиевым лазером (Lumenis, Santa Clara, Калифорния). Лазеры испытывались при одной и той же энергии импульса и частоте. В качестве стандарта при сравнении и испытывался пневматический литотриптер (Swiss Lithoclast, EMS, Nyon, Швейцария) с полужёстким зондом и одиночными импульсами 100, 200 и 300 кПа. Фантомы камней подвергались 30 ударам в каждом режиме. Измерялась фактическая ретропульсия, определяемая как окончательная дистанция камня по отношению к его исходному положению.

Рис. 2. Подводный автоматизированный стенд для фрагментации

Фрагментация. Фантомы камней из полуводного гипса известной массы были использованы для определения разрушающей способности каждого лазера. Известно, что предел прочности при растяжении (мера хрупкости камня) полуводного гипса составляет 2,0 МПа, что примерно соответствует пределу прочности при растяжении камней из кальция и струвита (от 0,1 до 3,4 МПа) в теле человека, и ниже, чем камня Bego. Камни погружались в подводную автоматизированную установку, состоящую из перевернутой силиконовой ёмкости и держателя, погружённого в водопроводную воду (Рис. 2). Лазерное волокно (365 мкм в гольмиевом и 280 мкм в лазере FREDDY) проходило через горловину ёмкости и приводилось в контакт с фантомом камня. Всего 24 камня подразделялись на 4 группы по 6 камней в каждой. Две группы разрушались лазером FREDDY при общей затрате энергии 300 и 400 Дж. Другие две группы обрабатывались гольмиевым лазером с затратой 300 и 480 общей энергии. Фрагменты камней меньше 2 мм по самому большому диаметру проваливались в отверстия на конце ёмкости и исключались из окончательного взвешивания.

Данные экспериментов по ретропульсии и фрагментации сравнивались с помощью имеющегося статистического программного обеспечения с использованием ANOVA. Статистическая значимость определялась как p<0,05.

Результаты

Таблица 1 показывает чистую ретропульсию для всех комбинаций по режимам установленной энергии с использованием волокна 280 мкм лазера FREDDY. Анализ, проведённый с помощью ANOVA, не показал существенного влияния изменения энергии импульса, частоты или общей затраты энергии на чистую ретропульсию. Средняя чистая ретропульсия ±SD (standard deviation – стандартное отклонение) лазера FREDDY было 7,1±см.

Рис. 3 иллюстрирует сравнение чистой ретропульсии лазера FREDDY, гольмиевого YAG лазера и пневматического литотриптера. В Таблице 2 – анализ ANOVA с применением коррекции Tukey для множественных сравнений. В целом пневматический литокласт дал большую чистую ретропульсию, чем лазер FREDDY и гольмиевый YAG лазер. Однако лишь самый напряжённый режим пневматического устройства (300 кПа) существенно отличался от всех режимов FREDDY и гольмиевого лазера (p<0,05). Средняя чистая ретропульсия лазера FREDDY не отличалась значительно от средней чистой ретропульсии гольмиевого лазера при режимах с общей затратой энергии выше 80 Дж. Тем не менее, при клинически более значимых низких энергетических режимах гольмиевый лазер давал меньшую чистую ретропульсию, чем FREDDY (p<0,05).

Таблица 1. Net retropulsion with FREDDY laser
Pulse Energy (J)Frequency (Hz)Net Retropulsion (mm)Total Energy (J)
0.12056.6 ± 1.76
0.16057.6 ± 2.68
0.120105.8 ± 1.012
0.160108.1 ± 2.416
0.120157.4 ± 1.818
0.160156.8 ± 1.224

Рис. 3. Средняя чистая ретропульсия с литокласта, FREDDY и гольмиевого лазера

Таблица 2. Tukey grouping comparison of net retropulsion
Instrument Mean Net Retropulsion (mm) Tukey Grouping
L 300 kPa13.8A
L 200 kPa9.9
L 100 kPa8.5CB
F 0.16 J, 10 Hz (16 J)8.1CB
F 0.16 J, 5 Hz (8 J)7.6CBD
F 0.12 J, 15 Hz (18 J)7.4CBD
H 1.0 J, 5 Hz (50 J)7.4CBD
F 0.16 J, 15 Hz (24 J)6.8CEBD
H 1.0 J, 10 Hz (100 J)6.6CEBD
F 0.12 J, 5 Hz (6 J)6.6CED
F 0.12 J, 10 Hz (12 J)5.8CED
H 0.8 J, 10 Hz (80 J)4.9CEFD
H 0.6 J, 10 Hz (60 J)4.2EFD
H 0.8 J, 5 Hz (40 J)3.3EF
H 0.6 J, 5 Hz (30 J)1.8F
* Means with different letters are significantly (p < 0.05) different.

Таблица 3 приводит данные по фрагментации камней лазерами FREDDY и гольмиевым. При режиме 0,120 Дж и 10 Гц за 240 с (суммарная энергия 300 Дж) при работе лазера FREDDY на фантомах камней средняя потеря массы составила 44,8%. Средняя потеря массы возросла до 86,8% при повышении режима FREDDY до 0,160 Дж и 10 Гц за 240 с (суммарная энергия 400 Дж). За 3 попытки при этом режиме фантом камня был полностью распылён на фрагменты менее 2 мм. Изучение фрагментации камней завершалось использованием гольмиевого лазера при 0,5 Дж и 5 Гц за 120 с и при 0,8 Дж и 5 Гц за 120 с для достижения тех же уровней энергии 300 и 480 Дж, соответственно. Лазер FREDDY продемонстрировал значительно лучшую фрагментацию камней, чем гольмиевый (p<0,0001).

Таблица 3. Stone fragmentation with FREDDY and holmium lasers
Total Energy (J)
300400480
FREDDY:
Setting (J/Hz)0.120/100.160/10
Mean % wt change44.8586.75
SD22.9618.18
Holmium:
Setting (J/Hz)0.5/50.8/5
Mean % wt change3.267.12
SD0.862.34

Дискуссия

Интракорпоральная литотрипсия последовательно развивалась от простого механического распыления к электрогидравлическим и пневматическим литотриптерам, а совсем недавно к лазерной литотрипсии. Лазер FREDDY являет собой уникальную инновацию в развитии интракорпоральной лазерной литотрипсии. Как представляет название, лазер является короткоимпульсным твердотельным, с двумя частотами и длинами волн 532 и 1064 нм. Лазер FREDDY осуществляет генерацию пузырька плазмы. После схлопывания этого пузырька генерируется механическая ударная волна, приводящую к фрагментации камней.

Этот двухчастотный, короткоимпульсный твердотельный лазер осуществляет эмиссию импульсов с длинными интервалами (от 1 до 1,4 микросекунды). Частичное удвоение частоты инфракрасного луча в зелёный спектр даёт импульс высокой интенсивности. Высокая эффективность измельчения камня лазером FREDDY по отношению к holmium:YAG может объясняться этой высокой интенсивностью при данном уровне энергии. FREDDY генерирует пузырёк плазмы, коллапс которого вызывает механическую ударную волну, отвечающую за измельчение камня. Эта ударная волна может отвечать за ретропульсию камня в направлении от наконечника лазерного волокна во время фрагментации. В противоположность этому, гольмиевый лазер создаёт паровой пузырёк, который создаёт слабую волну давления менее 8 бар без кавитации и эффекта ударной волны, чем можно объяснить относительно низкую ретропульсию камня. В нашем исследовании также использовался пневматический литотриптер как стандарт для сравнения благодаря его известному предрасположению к ретропульсии камня.

Различные характеристики лазеров и их механизмов для измельчения камней могут объяснить высокую предрасположенность гольмиевого лазера к повреждению тканей по сравнению с лазером FREDDY. С большой продолжительностью импульса в 300 мкс и высокой энергией импульса (от 200 до 2 000 мДж) гольмиевый лазер выдаёт высокие уровни энергии в своих испарившихся пузырьках, вызывая тепловые повреждения ткани , если это происходит непосредственно в уротелиии. Напротив, с энергией импульсов от 120 до 160 мДж и много более короткой длительностью импульса лазер FREDDY основывается на механической фрагментации камней и действительно не даёт теплового повреждения ткани.

Что касается нашего исследования, оно представляет первое непосредственное сравнение характеристик ретропульсии и эффективности фрагментации литотриптеров - лазеров FREDDY и гольмиевого. Zorcher и др. сообщают о первых экспериментах по in vitro фрагментации лазером FREDDY. Они обнаружили, что оксалат кальция (моногидрат и дигидрат), мочевая кислота, гидроксиапатит, фосфат кальция и камень струвит из мочевого тракта человека могут быть успешно разрушены лазером FREDDY. Но фрагментация цистиновых камней, которые, как известно, трудно поддаются литотрипсии лазером FREDDY, не была достигнута. Delveccio и др. проанализировали in vitro фрагментационную способность лазера FREDDY на камнях из полуводного гипса и нашли потерю массы в 64,4% на самых высоких уровнях энергии при испытаниях с общей затратой энергии 288 Дж. Хотя эти результаты несколько ниже, чем в данном исследовании, данные находятся в пределах 1 SD от наших результатов при 300 Дж.

В настоящем исследовании фрагментации размер волокна лазера FREDDY был несколько меньше, чем гольмиевого:YAG лазера (280 и 365 мкм, соответственно). Предыдущие исследования величины отношения способности к разрушению камня к диаметру волокна для лазера holmium:YAG неоднозначны в демонстрации прямой или косвенной зависимости. Насколько мы знаем, данных по отношению разрушающей способности к диаметру волокна лазера FREDDY не существует.

Ретропульсия камня в процессе интракорпоральной литотрипсии необходимо серьёзно рассматривать во время уретроскопии. Непреднамеренное перемещение камней из мочевыводящих путей в интраренальную коллектирующую систему может увеличить сложность уретроскопических процедур, требуя специальных приборов (которые увеличивают стоимость), продлевают время операции и потенциально вызывают у пациента большую болезненность. Использование преграждающего надувного баллона или каменного конуса, размещаемых проксимально к камню во время уретроскопической литотрипсии любым из исследуемых литотриптеров может минимизировать опасность миграции камня по направлению к верхним трактам.

Хотя гипсовые камни представляют полезную модель для исследования, некоторые камни, найденные в мочевом тракте человека, не подлежат фрагментации лазером FREDDY. Например, цистиновые камни не поглощают волны 532 и 1064 нм длины, излучаемые лазером FREDDY, и поэтому они должны обрабатываться другими литотриптерами. В настоящее время в нашей лаборатории проводятся исследования промывающих растворов для такого изменения характеристик поверхности этих камней, которое способствовало бы их разрушению лазером FREDDY.

Рис. 4. Сравнение чистой ретропульсии по группам по Tukey

Заключение

Лазер FREDDY обеспечивает улучшенную фрагментационную эффективность и низкую стоимость оборудования, чем обычно используемый лазерный литотриптер holmium:YAG. Однако лазер FREDDY не в состоянии разрушать все виды камней, и это требует дополнительного применения holmium:YAG лазера. Более того, возрастает ретропульсия камня, которая должна приниматься во внимание при использовании FREDDY в процессе интракорпоральной литотрипсии. Поэтому мы рекомендуем использовать каменный конус (Stone Cone), проксимальный к камню во время уретроскопической интракорпоральной лазерной литотрипсии или уретроскопического синапса при подкожной лазерной рентгенографии почек для минимизации ретропульсии камня. Клиническая пригодность FREDDY в настоящее время оценивается в нашем институте.