引用本文： 龚春雨, 李黎, 屈锐, 杨罗, 冯洋阳, 邓慧卓, 罗小蓉, 杨静. 国产钬激光手术对兔肾热损伤的初步研究. 华西医学, 2017, 32(7): 984-987. doi: 10.7507/1002-0179.201601009 复制
钬激光是一种当代泌尿外科常用的激光，为脉冲式激光，工作介质为固定在钇铝石榴石晶体中的钬，波长为 2 100 nm，通过软/硬光导纤维（光纤）传送，在泌尿外科领域广泛应用，适合泌尿外科的结石、肿瘤等体腔内手术。钬激光具有以下特性：① 组织穿透度<0.5 mm，可用于精确的外科切割和止血；② 高能脉冲，常用于处理泌尿系统结石、前列腺切除、尿道或输尿管狭窄切开和膀胱肿瘤切除等。钬激光使用时约 95% 能量被周围 5 mm 的水介质吸收，方向性好，碎石效率高，是泌尿系统腔内手术理想的碎石工具，能够高效处理泌尿系统结石等[1-3]。但是随着钬激光在国内的普及，泌尿外科医生发现有些泌尿系统结石术后随诊患者出现了输尿管狭窄、粘连甚至管腔闭锁甚至肾功能受损[4]，需要后续治疗。其原因除与结石损伤、感染、手术操作等有关外，是否与术中钬激光的热效应有关？目前其相关研究较少，特别是缺乏国产钬激光设备的文献。为此，我们采用国产钬激光设备对成年新西兰大白兔的新鲜离体肾脏和输尿管进行了尝试性实验，探究钬激光手术时热效应导致的热损伤产生的不良反应。现报告如下。
1 材料与方法
1.1 材料
本研究在手术室内进行，室内恒定温度为 22℃，湿度为 60%，标准电源 220 V，频率 50 Hz。实验动物为 5 只健康新西兰大白兔，雌雄不限，年龄 6 个月，体质量 4～5 kg，由四川大学华西医学中心动物实验中心提供。采用广东普电自动化科技股份有限公司生产的钬激光治疗机（型号：POTENT-H2），最大输出功率 60 W，波长 2 100 nm，标准配置 550 μm 传导光纤。一次性使用无菌 BD 注射器，注射用生理盐水，实验室常用水银温度计。
1.2 方法
钬激光治疗机连接标准配置的 550 μm 钬激光光纤，钬激光功率参数设定为频率 20 Hz，能量 2 J 状态，保持待机。尖段光纤放入 50 mL 的一次性无菌 BD 注射器，固定在金属架上，注射器中为 50 mL 室温生理盐水；采用过量空气耳缘静脉注射处死新西兰大白兔后，立即采集肾脏并放入注射器中，保持密闭，钬激光激发 15 s，间歇 5 s，重复进行，分别在进行到 2、5、7 min 时用实验室常用的标准水银温度计在此 3 个时间点分别测定注射器内生理盐水的温度，每个时间点均取出大白兔肾脏，每个时间点重复 3 只兔，取 3 次温度的平均值。仔细观察并用普通数码相机拍摄完整兔肾脏和剖开后的肾皮质、髓质及输尿管，随后处理标本，用苏木精-伊红（hematoxylin and eosin，HE）染色，奥林巴斯显微镜不同放大倍数观察其病理切片，并拍摄分析。
2 结果
2.1 2 min 时钬激光热效应
钬激光激发 2 min 时，注射器内生理盐水温度从 22℃ 升高到 38℃。解剖兔肾脏，其皮质和髓质基本红润；病理检查提示肾脏皮质、髓质及输尿管均接近正常。见图 1。
图1
钬激光激发 2 min 时兔肾脏彩色像
2.2 5 min 时钬激光热效应
钬激光激发 5 min 时，注射器内生理盐水温度升至 57℃。解剖兔肾脏，其皮质部分有比较明显的变化，色泽泛白色，皮质、髓质分界欠清，肾脏的内层包括肾髓质色泽红润；病理检查提示皮质肾单位大部分坏死，髓质变性不明显，输尿管明显变性。见图 2。
图2
钬激光激发 5 min 时兔肾脏彩色像
2.3 7 min 钬激光热效应
钬激光激发 7 min 时，注射器内生理盐水温度高达 78℃。解剖兔肾，其内外层皮质、髓质分界不清，色泽几乎全部为白色，皮质、髓质凝固；病理检查提示肾小球、肾小管均基本变性、坏死。见图 3。
图3
钬激光激发 7 min 时兔肾脏彩色像
3 讨论
3.1 钬激光热效应的手术价值
钬激光属于多用途的一种临床治疗激光技术，在泌尿外科领域中应用广泛[5-6]，其优点主要包括凝固特性好、切割精确、能量易于被水介质吸收、穿透性弱、方向性好[7-8]。泌尿系统属于管道系统，针对碎石、切除、切开等操作可达到满意的效果，因此钬激光在内镜的配合下治疗泌尿外科疾病具有重要的临床价值[9]。
因为钬激光使用时约95%的能量被周围 5 mm 的水介质吸收，根据能量守恒原则，钬激光的能量假设完全转化成水的热能。根据比热容公式：Q=cmΔt，即 Q=cm（t–t1），其中 Q 为能量，c 为比热，m 为质量，t 为末温，t1 为初温。而 Q=钬激光功率（W）×激发时间（s），由此可得：激发时间=cmΔt/钬激光功率。考虑到 95% 的能量被吸收的情况，水的比热在液态情况下是 4.2×103 J/（kg·℃），如钬激光功率为 40 W，可以算出理论上加热 10 mL 水每升高 1℃ 需要的时间为 4.2×103×0.01/（40×95%）=1.11 s，加热 50 mL 水每升高 1℃ 需要 4.2×103×0.05/（40×95%）=5.53 s[10]。考虑到实际手术中钬激光激发环境是生理盐水混合尿液，其比热略大于水和操作过程中热量散失的具体情况后，其实和我们的实验数据结果是比较一致的[11-12]。
3.2 手术中钬激光的热损伤
泌尿系统如输尿管和肾盂内部体积一般不大，液体量有限（取决于积水程度），手术数量较多时，外科医生为快速碎石特别是上尿路结石、处理狭窄等，钬激光的功率常倾向调大[13-14]。我们前期的实验研究发现，因钬激光工作原理，常用的功率会产生明显的热效应，介质温度增高，手术室内，钬激光功率 40 W（频率 20 Hz，能量 2 J），激发 15 s，间歇 5 s，10 mL 生理盐水不到 1 min 水温将超过 50℃，可能对人体组织产生损伤作用；115 s 时水温会超过 70℃，产生的热效应会导致包括血管收缩在内的明显损伤组织[15]。钬激光常用的功率会产生热效应，随时间延长而明显增加，水温超过 50℃ 以后，可能对机体组织产生危害即损伤作用，对 50 mL 生理盐水中的兔肾、输尿管有明确损伤作用，特别是在 5、7 min 时水温分别增高至 57、78℃。况且，人体基础体温是 37℃，热量散失小于室温 22℃，提示钬激光用于肾盂和输尿管碎石术时，使用数分钟后，即可能产生积累的热损伤。而钬激光术后一些患者出现肾功能下降、泌尿管道狭窄，如输尿管狭窄、粘连甚至管腔闭锁，除结石引起的炎症和感染因素外，钬激光的热效应导致介质水温增加引起的人体组织损伤亦不可忽视[16]。
必须承认，体外实验的钬激光介质水是静止的，实际手术时医生会持续灌注生理盐水，循环的介质可明显带走部分热量，以减少温度损伤；且根据术中情况，功率亦可调整，激发和间歇的时间也会不同。所以，体外钬激光对新鲜离体兔肾的热损伤实验并不能完全等同于人体内手术的实际情况，这有待临床医生实施钬激光碎石等手术时进一步明确。
因为工作原理，钬激光常用的碎石功率会产生渐增的热损伤，当肾盂和输尿管结石体积较大，质地较硬，预计碎石时间偏长时，应当引起临床医生注意；增加水循环，适当降低功率等是可以选择的方法。
钬激光是一种当代泌尿外科常用的激光，为脉冲式激光，工作介质为固定在钇铝石榴石晶体中的钬，波长为 2 100 nm，通过软/硬光导纤维（光纤）传送，在泌尿外科领域广泛应用，适合泌尿外科的结石、肿瘤等体腔内手术。钬激光具有以下特性：① 组织穿透度<0.5 mm，可用于精确的外科切割和止血；② 高能脉冲，常用于处理泌尿系统结石、前列腺切除、尿道或输尿管狭窄切开和膀胱肿瘤切除等。钬激光使用时约 95% 能量被周围 5 mm 的水介质吸收，方向性好，碎石效率高，是泌尿系统腔内手术理想的碎石工具，能够高效处理泌尿系统结石等[1-3]。但是随着钬激光在国内的普及，泌尿外科医生发现有些泌尿系统结石术后随诊患者出现了输尿管狭窄、粘连甚至管腔闭锁甚至肾功能受损[4]，需要后续治疗。其原因除与结石损伤、感染、手术操作等有关外，是否与术中钬激光的热效应有关？目前其相关研究较少，特别是缺乏国产钬激光设备的文献。为此，我们采用国产钬激光设备对成年新西兰大白兔的新鲜离体肾脏和输尿管进行了尝试性实验，探究钬激光手术时热效应导致的热损伤产生的不良反应。现报告如下。
1 材料与方法
1.1 材料
本研究在手术室内进行，室内恒定温度为 22℃，湿度为 60%，标准电源 220 V，频率 50 Hz。实验动物为 5 只健康新西兰大白兔，雌雄不限，年龄 6 个月，体质量 4～5 kg，由四川大学华西医学中心动物实验中心提供。采用广东普电自动化科技股份有限公司生产的钬激光治疗机（型号：POTENT-H2），最大输出功率 60 W，波长 2 100 nm，标准配置 550 μm 传导光纤。一次性使用无菌 BD 注射器，注射用生理盐水，实验室常用水银温度计。
1.2 方法
钬激光治疗机连接标准配置的 550 μm 钬激光光纤，钬激光功率参数设定为频率 20 Hz，能量 2 J 状态，保持待机。尖段光纤放入 50 mL 的一次性无菌 BD 注射器，固定在金属架上，注射器中为 50 mL 室温生理盐水；采用过量空气耳缘静脉注射处死新西兰大白兔后，立即采集肾脏并放入注射器中，保持密闭，钬激光激发 15 s，间歇 5 s，重复进行，分别在进行到 2、5、7 min 时用实验室常用的标准水银温度计在此 3 个时间点分别测定注射器内生理盐水的温度，每个时间点均取出大白兔肾脏，每个时间点重复 3 只兔，取 3 次温度的平均值。仔细观察并用普通数码相机拍摄完整兔肾脏和剖开后的肾皮质、髓质及输尿管，随后处理标本，用苏木精-伊红（hematoxylin and eosin，HE）染色，奥林巴斯显微镜不同放大倍数观察其病理切片，并拍摄分析。
2 结果
2.1 2 min 时钬激光热效应
钬激光激发 2 min 时，注射器内生理盐水温度从 22℃ 升高到 38℃。解剖兔肾脏，其皮质和髓质基本红润；病理检查提示肾脏皮质、髓质及输尿管均接近正常。见图 1。
图1
钬激光激发 2 min 时兔肾脏彩色像
2.2 5 min 时钬激光热效应
钬激光激发 5 min 时，注射器内生理盐水温度升至 57℃。解剖兔肾脏，其皮质部分有比较明显的变化，色泽泛白色，皮质、髓质分界欠清，肾脏的内层包括肾髓质色泽红润；病理检查提示皮质肾单位大部分坏死，髓质变性不明显，输尿管明显变性。见图 2。
图2
钬激光激发 5 min 时兔肾脏彩色像
2.3 7 min 钬激光热效应
钬激光激发 7 min 时，注射器内生理盐水温度高达 78℃。解剖兔肾，其内外层皮质、髓质分界不清，色泽几乎全部为白色，皮质、髓质凝固；病理检查提示肾小球、肾小管均基本变性、坏死。见图 3。
图3
钬激光激发 7 min 时兔肾脏彩色像
3 讨论
3.1 钬激光热效应的手术价值
钬激光属于多用途的一种临床治疗激光技术，在泌尿外科领域中应用广泛[5-6]，其优点主要包括凝固特性好、切割精确、能量易于被水介质吸收、穿透性弱、方向性好[7-8]。泌尿系统属于管道系统，针对碎石、切除、切开等操作可达到满意的效果，因此钬激光在内镜的配合下治疗泌尿外科疾病具有重要的临床价值[9]。
因为钬激光使用时约95%的能量被周围 5 mm 的水介质吸收，根据能量守恒原则，钬激光的能量假设完全转化成水的热能。根据比热容公式：Q=cmΔt，即 Q=cm（t–t1），其中 Q 为能量，c 为比热，m 为质量，t 为末温，t1 为初温。而 Q=钬激光功率（W）×激发时间（s），由此可得：激发时间=cmΔt/钬激光功率。考虑到 95% 的能量被吸收的情况，水的比热在液态情况下是 4.2×103 J/（kg·℃），如钬激光功率为 40 W，可以算出理论上加热 10 mL 水每升高 1℃ 需要的时间为 4.2×103×0.01/（40×95%）=1.11 s，加热 50 mL 水每升高 1℃ 需要 4.2×103×0.05/（40×95%）=5.53 s[10]。考虑到实际手术中钬激光激发环境是生理盐水混合尿液，其比热略大于水和操作过程中热量散失的具体情况后，其实和我们的实验数据结果是比较一致的[11-12]。
3.2 手术中钬激光的热损伤
泌尿系统如输尿管和肾盂内部体积一般不大，液体量有限（取决于积水程度），手术数量较多时，外科医生为快速碎石特别是上尿路结石、处理狭窄等，钬激光的功率常倾向调大[13-14]。我们前期的实验研究发现，因钬激光工作原理，常用的功率会产生明显的热效应，介质温度增高，手术室内，钬激光功率 40 W（频率 20 Hz，能量 2 J），激发 15 s，间歇 5 s，10 mL 生理盐水不到 1 min 水温将超过 50℃，可能对人体组织产生损伤作用；115 s 时水温会超过 70℃，产生的热效应会导致包括血管收缩在内的明显损伤组织[15]。钬激光常用的功率会产生热效应，随时间延长而明显增加，水温超过 50℃ 以后，可能对机体组织产生危害即损伤作用，对 50 mL 生理盐水中的兔肾、输尿管有明确损伤作用，特别是在 5、7 min 时水温分别增高至 57、78℃。况且，人体基础体温是 37℃，热量散失小于室温 22℃，提示钬激光用于肾盂和输尿管碎石术时，使用数分钟后，即可能产生积累的热损伤。而钬激光术后一些患者出现肾功能下降、泌尿管道狭窄，如输尿管狭窄、粘连甚至管腔闭锁，除结石引起的炎症和感染因素外，钬激光的热效应导致介质水温增加引起的人体组织损伤亦不可忽视[16]。
必须承认，体外实验的钬激光介质水是静止的，实际手术时医生会持续灌注生理盐水，循环的介质可明显带走部分热量，以减少温度损伤；且根据术中情况，功率亦可调整，激发和间歇的时间也会不同。所以，体外钬激光对新鲜离体兔肾的热损伤实验并不能完全等同于人体内手术的实际情况，这有待临床医生实施钬激光碎石等手术时进一步明确。
因为工作原理，钬激光常用的碎石功率会产生渐增的热损伤，当肾盂和输尿管结石体积较大，质地较硬，预计碎石时间偏长时，应当引起临床医生注意；增加水循环，适当降低功率等是可以选择的方法。
