引用本文： 龔春雨, 李黎, 屈銳, 楊羅, 馮洋陽, 鄧慧卓, 羅小蓉, 楊靜. 國產鈥激光手術對兔腎熱損傷的初步研究. 華西醫學, 2017, 32(7): 984-987. doi: 10.7507/1002-0179.201601009 復制
鈥激光是一種當代泌尿外科常用的激光，為脈沖式激光，工作介質為固定在釔鋁石榴石晶體中的鈥，波長為 2 100 nm，通過軟/硬光導纖維（光纖）傳送，在泌尿外科領域廣泛應用，適合泌尿外科的結石、腫瘤等體腔內手術。鈥激光具有以下特性：① 組織穿透度<0.5 mm，可用于精確的外科切割和止血；② 高能脈沖，常用于處理泌尿系統結石、前列腺切除、尿道或輸尿管狹窄切開和膀胱腫瘤切除等。鈥激光使用時約 95% 能量被周圍 5 mm 的水介質吸收，方向性好，碎石效率高，是泌尿系統腔內手術理想的碎石工具，能夠高效處理泌尿系統結石等[1-3]。但是隨著鈥激光在國內的普及，泌尿外科醫生發現有些泌尿系統結石術后隨診患者出現了輸尿管狹窄、粘連甚至管腔閉鎖甚至腎功能受損[4]，需要后續治療。其原因除與結石損傷、感染、手術操作等有關外，是否與術中鈥激光的熱效應有關？目前其相關研究較少，特別是缺乏國產鈥激光設備的文獻。為此，我們采用國產鈥激光設備對成年新西蘭大白兔的新鮮離體腎臟和輸尿管進行了嘗試性實驗，探究鈥激光手術時熱效應導致的熱損傷產生的不良反應。現報告如下。
1 材料與方法
1.1 材料
本研究在手術室內進行，室內恒定溫度為 22℃，濕度為 60%，標準電源 220 V，頻率 50 Hz。實驗動物為 5 只健康新西蘭大白兔，雌雄不限，年齡 6 個月，體質量 4～5 kg，由四川大學華西醫學中心動物實驗中心提供。采用廣東普電自動化科技股份有限公司生產的鈥激光治療機（型號：POTENT-H2），最大輸出功率 60 W，波長 2 100 nm，標準配置 550 μm 傳導光纖。一次性使用無菌 BD 注射器，注射用生理鹽水，實驗室常用水銀溫度計。
1.2 方法
鈥激光治療機連接標準配置的 550 μm 鈥激光光纖，鈥激光功率參數設定為頻率 20 Hz，能量 2 J 狀態，保持待機。尖段光纖放入 50 mL 的一次性無菌 BD 注射器，固定在金屬架上，注射器中為 50 mL 室溫生理鹽水；采用過量空氣耳緣靜脈注射處死新西蘭大白兔后，立即采集腎臟并放入注射器中，保持密閉，鈥激光激發 15 s，間歇 5 s，重復進行，分別在進行到 2、5、7 min 時用實驗室常用的標準水銀溫度計在此 3 個時間點分別測定注射器內生理鹽水的溫度，每個時間點均取出大白兔腎臟，每個時間點重復 3 只兔，取 3 次溫度的平均值。仔細觀察并用普通數碼相機拍攝完整兔腎臟和剖開后的腎皮質、髓質及輸尿管，隨后處理標本，用蘇木精-伊紅（hematoxylin and eosin，HE）染色，奧林巴斯顯微鏡不同放大倍數觀察其病理切片，并拍攝分析。
2 結果
2.1 2 min 時鈥激光熱效應
鈥激光激發 2 min 時，注射器內生理鹽水溫度從 22℃ 升高到 38℃。解剖兔腎臟，其皮質和髓質基本紅潤；病理檢查提示腎臟皮質、髓質及輸尿管均接近正常。見圖 1。
圖1
鈥激光激發 2 min 時兔腎臟彩色像
2.2 5 min 時鈥激光熱效應
鈥激光激發 5 min 時，注射器內生理鹽水溫度升至 57℃。解剖兔腎臟，其皮質部分有比較明顯的變化，色澤泛白色，皮質、髓質分界欠清，腎臟的內層包括腎髓質色澤紅潤；病理檢查提示皮質腎單位大部分壞死，髓質變性不明顯，輸尿管明顯變性。見圖 2。
圖2
鈥激光激發 5 min 時兔腎臟彩色像
2.3 7 min 鈥激光熱效應
鈥激光激發 7 min 時，注射器內生理鹽水溫度高達 78℃。解剖兔腎，其內外層皮質、髓質分界不清，色澤幾乎全部為白色，皮質、髓質凝固；病理檢查提示腎小球、腎小管均基本變性、壞死。見圖 3。
圖3
鈥激光激發 7 min 時兔腎臟彩色像
3 討論
3.1 鈥激光熱效應的手術價值
鈥激光屬于多用途的一種臨床治療激光技術，在泌尿外科領域中應用廣泛[5-6]，其優點主要包括凝固特性好、切割精確、能量易于被水介質吸收、穿透性弱、方向性好[7-8]。泌尿系統屬于管道系統，針對碎石、切除、切開等操作可達到滿意的效果，因此鈥激光在內鏡的配合下治療泌尿外科疾病具有重要的臨床價值[9]。
因為鈥激光使用時約95%的能量被周圍 5 mm 的水介質吸收，根據能量守恒原則，鈥激光的能量假設完全轉化成水的熱能。根據比熱容公式：Q=cmΔt，即 Q=cm（t–t1），其中 Q 為能量，c 為比熱，m 為質量，t 為末溫，t1 為初溫。而 Q=鈥激光功率（W）×激發時間（s），由此可得：激發時間=cmΔt/鈥激光功率。考慮到 95% 的能量被吸收的情況，水的比熱在液態情況下是 4.2×103 J/（kg·℃），如鈥激光功率為 40 W，可以算出理論上加熱 10 mL 水每升高 1℃ 需要的時間為 4.2×103×0.01/（40×95%）=1.11 s，加熱 50 mL 水每升高 1℃ 需要 4.2×103×0.05/（40×95%）=5.53 s[10]。考慮到實際手術中鈥激光激發環境是生理鹽水混合尿液，其比熱略大于水和操作過程中熱量散失的具體情況后，其實和我們的實驗數據結果是比較一致的[11-12]。
3.2 手術中鈥激光的熱損傷
泌尿系統如輸尿管和腎盂內部體積一般不大，液體量有限（取決于積水程度），手術數量較多時，外科醫生為快速碎石特別是上尿路結石、處理狹窄等，鈥激光的功率常傾向調大[13-14]。我們前期的實驗研究發現，因鈥激光工作原理，常用的功率會產生明顯的熱效應，介質溫度增高，手術室內，鈥激光功率 40 W（頻率 20 Hz，能量 2 J），激發 15 s，間歇 5 s，10 mL 生理鹽水不到 1 min 水溫將超過 50℃，可能對人體組織產生損傷作用；115 s 時水溫會超過 70℃，產生的熱效應會導致包括血管收縮在內的明顯損傷組織[15]。鈥激光常用的功率會產生熱效應，隨時間延長而明顯增加，水溫超過 50℃ 以后，可能對機體組織產生危害即損傷作用，對 50 mL 生理鹽水中的兔腎、輸尿管有明確損傷作用，特別是在 5、7 min 時水溫分別增高至 57、78℃。況且，人體基礎體溫是 37℃，熱量散失小于室溫 22℃，提示鈥激光用于腎盂和輸尿管碎石術時，使用數分鐘后，即可能產生積累的熱損傷。而鈥激光術后一些患者出現腎功能下降、泌尿管道狹窄，如輸尿管狹窄、粘連甚至管腔閉鎖，除結石引起的炎癥和感染因素外，鈥激光的熱效應導致介質水溫增加引起的人體組織損傷亦不可忽視[16]。
必須承認，體外實驗的鈥激光介質水是靜止的，實際手術時醫生會持續灌注生理鹽水，循環的介質可明顯帶走部分熱量，以減少溫度損傷；且根據術中情況，功率亦可調整，激發和間歇的時間也會不同。所以，體外鈥激光對新鮮離體兔腎的熱損傷實驗并不能完全等同于人體內手術的實際情況，這有待臨床醫生實施鈥激光碎石等手術時進一步明確。
因為工作原理，鈥激光常用的碎石功率會產生漸增的熱損傷，當腎盂和輸尿管結石體積較大，質地較硬，預計碎石時間偏長時，應當引起臨床醫生注意；增加水循環，適當降低功率等是可以選擇的方法。
鈥激光是一種當代泌尿外科常用的激光，為脈沖式激光，工作介質為固定在釔鋁石榴石晶體中的鈥，波長為 2 100 nm，通過軟/硬光導纖維（光纖）傳送，在泌尿外科領域廣泛應用，適合泌尿外科的結石、腫瘤等體腔內手術。鈥激光具有以下特性：① 組織穿透度<0.5 mm，可用于精確的外科切割和止血；② 高能脈沖，常用于處理泌尿系統結石、前列腺切除、尿道或輸尿管狹窄切開和膀胱腫瘤切除等。鈥激光使用時約 95% 能量被周圍 5 mm 的水介質吸收，方向性好，碎石效率高，是泌尿系統腔內手術理想的碎石工具，能夠高效處理泌尿系統結石等[1-3]。但是隨著鈥激光在國內的普及，泌尿外科醫生發現有些泌尿系統結石術后隨診患者出現了輸尿管狹窄、粘連甚至管腔閉鎖甚至腎功能受損[4]，需要后續治療。其原因除與結石損傷、感染、手術操作等有關外，是否與術中鈥激光的熱效應有關？目前其相關研究較少，特別是缺乏國產鈥激光設備的文獻。為此，我們采用國產鈥激光設備對成年新西蘭大白兔的新鮮離體腎臟和輸尿管進行了嘗試性實驗，探究鈥激光手術時熱效應導致的熱損傷產生的不良反應。現報告如下。
1 材料與方法
1.1 材料
本研究在手術室內進行，室內恒定溫度為 22℃，濕度為 60%，標準電源 220 V，頻率 50 Hz。實驗動物為 5 只健康新西蘭大白兔，雌雄不限，年齡 6 個月，體質量 4～5 kg，由四川大學華西醫學中心動物實驗中心提供。采用廣東普電自動化科技股份有限公司生產的鈥激光治療機（型號：POTENT-H2），最大輸出功率 60 W，波長 2 100 nm，標準配置 550 μm 傳導光纖。一次性使用無菌 BD 注射器，注射用生理鹽水，實驗室常用水銀溫度計。
1.2 方法
鈥激光治療機連接標準配置的 550 μm 鈥激光光纖，鈥激光功率參數設定為頻率 20 Hz，能量 2 J 狀態，保持待機。尖段光纖放入 50 mL 的一次性無菌 BD 注射器，固定在金屬架上，注射器中為 50 mL 室溫生理鹽水；采用過量空氣耳緣靜脈注射處死新西蘭大白兔后，立即采集腎臟并放入注射器中，保持密閉，鈥激光激發 15 s，間歇 5 s，重復進行，分別在進行到 2、5、7 min 時用實驗室常用的標準水銀溫度計在此 3 個時間點分別測定注射器內生理鹽水的溫度，每個時間點均取出大白兔腎臟，每個時間點重復 3 只兔，取 3 次溫度的平均值。仔細觀察并用普通數碼相機拍攝完整兔腎臟和剖開后的腎皮質、髓質及輸尿管，隨后處理標本，用蘇木精-伊紅（hematoxylin and eosin，HE）染色，奧林巴斯顯微鏡不同放大倍數觀察其病理切片，并拍攝分析。
2 結果
2.1 2 min 時鈥激光熱效應
鈥激光激發 2 min 時，注射器內生理鹽水溫度從 22℃ 升高到 38℃。解剖兔腎臟，其皮質和髓質基本紅潤；病理檢查提示腎臟皮質、髓質及輸尿管均接近正常。見圖 1。
圖1
鈥激光激發 2 min 時兔腎臟彩色像
2.2 5 min 時鈥激光熱效應
鈥激光激發 5 min 時，注射器內生理鹽水溫度升至 57℃。解剖兔腎臟，其皮質部分有比較明顯的變化，色澤泛白色，皮質、髓質分界欠清，腎臟的內層包括腎髓質色澤紅潤；病理檢查提示皮質腎單位大部分壞死，髓質變性不明顯，輸尿管明顯變性。見圖 2。
圖2
鈥激光激發 5 min 時兔腎臟彩色像
2.3 7 min 鈥激光熱效應
鈥激光激發 7 min 時，注射器內生理鹽水溫度高達 78℃。解剖兔腎，其內外層皮質、髓質分界不清，色澤幾乎全部為白色，皮質、髓質凝固；病理檢查提示腎小球、腎小管均基本變性、壞死。見圖 3。
圖3
鈥激光激發 7 min 時兔腎臟彩色像
3 討論
3.1 鈥激光熱效應的手術價值
鈥激光屬于多用途的一種臨床治療激光技術，在泌尿外科領域中應用廣泛[5-6]，其優點主要包括凝固特性好、切割精確、能量易于被水介質吸收、穿透性弱、方向性好[7-8]。泌尿系統屬于管道系統，針對碎石、切除、切開等操作可達到滿意的效果，因此鈥激光在內鏡的配合下治療泌尿外科疾病具有重要的臨床價值[9]。
因為鈥激光使用時約95%的能量被周圍 5 mm 的水介質吸收，根據能量守恒原則，鈥激光的能量假設完全轉化成水的熱能。根據比熱容公式：Q=cmΔt，即 Q=cm（t–t1），其中 Q 為能量，c 為比熱，m 為質量，t 為末溫，t1 為初溫。而 Q=鈥激光功率（W）×激發時間（s），由此可得：激發時間=cmΔt/鈥激光功率。考慮到 95% 的能量被吸收的情況，水的比熱在液態情況下是 4.2×103 J/（kg·℃），如鈥激光功率為 40 W，可以算出理論上加熱 10 mL 水每升高 1℃ 需要的時間為 4.2×103×0.01/（40×95%）=1.11 s，加熱 50 mL 水每升高 1℃ 需要 4.2×103×0.05/（40×95%）=5.53 s[10]。考慮到實際手術中鈥激光激發環境是生理鹽水混合尿液，其比熱略大于水和操作過程中熱量散失的具體情況后，其實和我們的實驗數據結果是比較一致的[11-12]。
3.2 手術中鈥激光的熱損傷
泌尿系統如輸尿管和腎盂內部體積一般不大，液體量有限（取決于積水程度），手術數量較多時，外科醫生為快速碎石特別是上尿路結石、處理狹窄等，鈥激光的功率常傾向調大[13-14]。我們前期的實驗研究發現，因鈥激光工作原理，常用的功率會產生明顯的熱效應，介質溫度增高，手術室內，鈥激光功率 40 W（頻率 20 Hz，能量 2 J），激發 15 s，間歇 5 s，10 mL 生理鹽水不到 1 min 水溫將超過 50℃，可能對人體組織產生損傷作用；115 s 時水溫會超過 70℃，產生的熱效應會導致包括血管收縮在內的明顯損傷組織[15]。鈥激光常用的功率會產生熱效應，隨時間延長而明顯增加，水溫超過 50℃ 以后，可能對機體組織產生危害即損傷作用，對 50 mL 生理鹽水中的兔腎、輸尿管有明確損傷作用，特別是在 5、7 min 時水溫分別增高至 57、78℃。況且，人體基礎體溫是 37℃，熱量散失小于室溫 22℃，提示鈥激光用于腎盂和輸尿管碎石術時，使用數分鐘后，即可能產生積累的熱損傷。而鈥激光術后一些患者出現腎功能下降、泌尿管道狹窄，如輸尿管狹窄、粘連甚至管腔閉鎖，除結石引起的炎癥和感染因素外，鈥激光的熱效應導致介質水溫增加引起的人體組織損傷亦不可忽視[16]。
必須承認，體外實驗的鈥激光介質水是靜止的，實際手術時醫生會持續灌注生理鹽水，循環的介質可明顯帶走部分熱量，以減少溫度損傷；且根據術中情況，功率亦可調整，激發和間歇的時間也會不同。所以，體外鈥激光對新鮮離體兔腎的熱損傷實驗并不能完全等同于人體內手術的實際情況，這有待臨床醫生實施鈥激光碎石等手術時進一步明確。
因為工作原理，鈥激光常用的碎石功率會產生漸增的熱損傷，當腎盂和輸尿管結石體積較大，質地較硬，預計碎石時間偏長時，應當引起臨床醫生注意；增加水循環，適當降低功率等是可以選擇的方法。
