钬激光碎石，温度超过 43 °C，会导致细胞毒性作用呈指数级增加

Generated temperatures and thermal laser damage during upper tract endourological procedures using the holmium: yttrium–aluminum-garnet (Ho:YAG) laser: a systematic review of experimental studiesCite this article

Rice, P., Somani, B.K., Nagele, U. et al. Generated temperatures and thermal laser damage during upper tract endourological procedures using the holmium: yttrium–aluminum-garnet (Ho:YAG) laser: a systematic review of experimental studies. World J Urol 40, 1981–1992 (2022). https://doi.org/10.1007/s00345-022-03992-7

在使用钬激光的上尿路泌尿外科手术过程中产生的温度和热激光损伤：对实验研究的系统评价

对与 Ho:YAG 激光使用过程中产生的温度相关的最新证据进行审查，并提供不同的工具来保持降低的值，并最大限度地减少泌尿外科手术期间的并发症发生率。方法

我们使用 PubMed、Scopus、EMBASE 和 Cochrane Central Register of Controlled Trials-CENTRAL 进行了文献检索，仅限于英文原创文章，包括动物、人工模型和人体研究。不同的关键词是URS、RIRS、输尿管镜检查、经皮、PCNL和激光。结果热剂量 (t43) 是一种可接受的工具，可以使用产生的温度和激光照射时间来评估可能的热损伤。超过 120 分钟的 43 °C 值会导致热组织损伤的高风险，并且在高于 43 °C 的温度下，Ho:YAG 激光的使用会因细胞毒性效应呈指数增加而变得危险。使用开放式连续流动或冷冻灌溉，温度保持低于 45 °C。通过使用高功率 (> 40 W) 或更短的激光脉冲，温度升高到可接受的阈值以上，但添加输尿管通路鞘 (UAS) 有助于保持可接受的值。

结论

开放式灌溉系统、冷冻灌溉、UAS、激光功率 < 40 W 和更短的激光激活间隔有助于在 URS 和 PCNL 期间将肾内温度保持在可接受的值。

      激光通常用于治疗输尿管和肾结石。泌尿科医生在 1980 年代开始使用激光碎石术治疗尿石症，当时使用的是 Nd:YAG（钕:钇-铝-石榴石）激光 [ 2 , 3 ]，目前的钬：钇-铝-石榴石（Ho:YAG）激光被1990 年代中期 [ 4 ]。通过以 2120 nm 的波长发射，Ho:YAG 是一种安全、有效且适应性强的工具，适用于各种类型的宝石，并且明显主导了市场。

在激光碎石术中，操作者可以调整三个主要设置：脉冲能量 (J)、脉冲频率 (Hz) 和脉冲长度 (μs) [ 8 ]。为了调节给予石头进行消融的总功率 (W)，通常会滴定脉冲能量和频率 [ 9 ]。如今，无论石头的大小和成分如何，大功率的坐姿都会促进石头碎裂或撒粉。然而，整个温度随着总功率的升高而升高，增加了热损坏的危险[ 10 ]。激光碎石术的并发症发生率约为 10% [ 11 , 12 ]，局部热损伤被确定为关键并发症 [ 13 ]。光热效应 [ 14]是温升的主要原理。石头直接吸收激光能量，导致间隙水的熔化和破碎以及化学分解和蒸发[ 14 , 15 ]。取决于脉冲持续时间，热能通常会超出直接激光吸收区。这种作用对周围组织的影响包括凝血、碳化和变性 [ 16 ]。在实验研究中通过跨越热剂量阈值来测量热损伤。热剂量是考虑组织温度和暴露时间的常用指标。热剂量 (t 43 ) 通常使用 Sapareto 和 Dewey 公式计算：

t43 值超过 120 分钟与热组织损伤的高风险有关。_ 灌溉通常用于降低热损伤的风险，因为操作员可以控制灌溉液的流速和温度 。不同的夹紧压力和位置 ，提升灌溉袋并根据重力 [ 19 ]，或使用专门的泵 [ 22 ]] 都可以用来获得更大的流量。此外，已经发现使用更大的输尿管通路鞘 (UAS) 并增加冲洗率会导致肾内温度降低，在更高的能量设置下影响更明显 。  尽管术中温度升高会使任何程序恶化，但只有少数内科医生仍然意识到并知道正常和病理温度值。  此外，温度升高对围手术期并发症的影响以及预防它们的方法仍然不清楚。  本研究的目的是观察 Ho:YAG 激光在泌尿外科（输尿管镜检查，URS；经皮肾镜取石术，PCNL）中引起的热损伤，重点是热损伤阈值、激光设置和冲洗流量。

材料和方法

取证

纳入和排除标准

   我们搜索了评估 Ho:YAG 激光激活过程中温度值和/或热损伤的尸体、体内、离体、体外研究。我们排除了没有定量分析、评论、评论和社论的研究。

搜索策略和研究选择

     我们按照 Cochrane [ 24 ] 和系统评价和元分析 (PRISMA) [ 25 ] 指南的首选报告项目进行了系统评价。检索的书目数据库是 PubMed、Scopus、EMBASE 和 Cochrane Central Register of Controlled Trials-CENTRAL。我们还评估了手动搜索单个泌尿外科期刊、引文和参考文献列表。仅包括英语文章。两位作者 (PR, TT) 进行了文献检索。搜索词包括（不限于）：URS、RIRS、输尿管镜检查、经皮、PCNL、激光。布尔运算符（AND、OR）被用来增强搜索过程。研究方案于 2021 年 7 月在线发表于 OSF（www.osf.io，注册https://doi.org/10.17605/OSF.IO/QA8G4）。

结果测量

     在台式或动物模型中的 Ho:YAG 激光激活过程中，温度读数和升高是尿路上皮损伤的潜在原因，是主要目标。动物研究中检测到的组织损伤或实验模型中的潜在热损伤被视为并发症的潜在风险。此外，我们详细介绍了 Ho:YAG 激光光纤的热损伤。激光激活时间、激光设置、激光纤维直径、冲洗类型、冲洗流速、输尿管通路鞘 (UAS) 的使用也作为独立变量呈现，可能影响主要结果。温度以摄氏度为单位，时间以分钟为单位。

结果

纳入研究

我们通过电子搜索确定了 5462 篇参考文献（图 1）。我们共检索了157篇参考文献进行综合评价，最终将其中17篇纳入综述（表1）

图。1  

灌注类型

七项研究仅使用泵，四项仅使用重力，两项同时使用泵和重力，四项未指定所采用的灌

注类型。一项研究记录了每秒泵数（0.33 泵/秒），一项报告了袋压（0、100、200 毫米汞柱），三项试验未报告灌溉率。莫利纳等人在两个离体绵羊泌尿道模型中，研究了激光激活期间灌溉与非灌溉的影响。在开放式输尿管模型上，输尿管纵向打开以直接测量尿路上皮温度曲线，在临床模型上，在完整的泌尿系统中进行顺行输尿管镜检查以复制临床环境。作者发现完整（37.4 ± 2.5 vs. 49.5 ± 2.3 °C）和开放输尿管（49.7 ± 6.7 vs. 112.4 ± 24.2 °C）模型的冲洗温度显着降低。然而，作者并未发现两个灌溉组之间的热扩散存在显着差异。在他们故意穿孔输尿管的试验中，冲洗组的温度明显低于非冲洗组（81.8 ± 8.8 对 145.0 ± 15.0 °C）。布蒂斯等人。研究了不同灌溉液温度的使用，比较了 36.5 °C 的泵送恒定灌溉流量和 24.5 °C 的重力灌溉（均在 50 cm H 2 O 压力下）。作者还比较了封闭式冲洗与开放式冲洗以及 200 μm 与 272 μm 激光光纤。他们证明，在封闭式灌溉设置中，所有激光设置下的温度在 5 分钟内超过 45 °C。对于开放式灌溉，温度不超过 45 °C，200 和 272 μm 纤维的最高温度分别为 26.2 °C 和 25.5 °C。在 36.5 °C 的水箱中也有类似的发现，在所有封闭式灌溉试验中温度都超过了 45 °C。然而，对于开放式灌溉，没有试验超过 45 °C，最高温度为 38.5 °C（272 μm，2 J × 5 Hz，5 分钟）。道等人。还比较了不同的冲洗液温度，比较了室温 (19 ± 1 °C) 和冷冻 (1 ± 1 °C) 冲洗液 [ 20]。作者发现， 室温条件下达到热损伤阈值的时间 ( t 43 = 120 分钟) 比以 8 毫升/分钟的灌溉速度进行的冷冻灌溉 (28 与 33 秒) 更快。以 12 ml/min 的速率，室温在 46 秒内达到阈值，而冷冻灌溉未达到阈值。冷藏和室温灌溉均未达到 15 ml/min 或 40 ml/min 的热阈值。

热剂量（表2）

Maxwell 等人采用不同的激光能量和灌溉率。   研究了一个实验装置，并建立了一个用于测量热剂量的数值模拟 [    29    ]。   使用t    43 = 240 分钟阈值   ，损伤发生在 0 ml/min 时 5 W、5 ml/min 时 10 W 和 15 ml/min 时 40 W。   在 40 ml/min 时，没有发生热损伤。   作者得出结论，在临床相关条件下，激光加热会导致泌尿道液体和周围组织的温度显着升高。   阿尔杜基等人。   研究了 40 W 激光能量的热剂量，激光开/关时间从 5 秒/5 秒到 30 秒/30 秒不等，总时间为 1 分钟 [    35    ]。   作者发现，对于 30 s/30 s 和 15 s/15 s，阈值 (    t   43 = 120 分钟）在 9 秒内达到，t43 等效剂量分别为 6813 和 1333 分钟。   对于 10 秒/10 秒的试验，该障碍在 45 秒内达到。   在 5 s/5 s 试验中未达到阈值，   t    43   等效剂量为 6 分钟。   作者得出结论，踏板激活时间是影响流体加热和热剂量的重要因素。  

输尿管鞘 (UAS)

只有四项研究报告了 UAS 的使用，其尺寸范围从 10/12 到 14/16 Fr。Noureldin 等人。是唯一一个将 UAS 用作独立变量的研究组，并与重力灌溉与手动泵灌溉的使用进行了交叉比较 [ 23]。作者研究了体内猪肾脏，当在重力灌溉期间不使用 UAS 时，在最低激光功率 (20 W) 下，20 秒内达到危险的肾内温度。在 20 W 试验期间，使用 UAS 可改善肾内温度 (< 54 °C)。然而，对于 40 W 和 60 W，尽管使用了增大的 UAS 尺寸（10/12、12/14 和 14/16 Fr），但温度仍升高到危险水平。在手动泵灌溉（0.33 泵/秒）期间，所有三种能量设置（20 W、40 W、60 W）的温度从未达到 54 °C 的阈值，并且使用 UAS 与不使用 UAS 的温度相比更低。无人机系统。

高激光能量

十项研究报告了高能激光使用（≥ 40 W）的热分布，其结果总结在表3中。最常见的激光设置是 0.5 J × 80 Hz (40 W)，六项研究使用，其他研究报告为 50-100 W。Aldoukhi 等人。发现在 40 W 时，在 10 秒激光激活时间后，在 0 ml/min (50.7 ± 2.0 °C) 和 14 - 15 ml/min (45.2 ± 0.6 °C) 的灌溉设置下，平均温度超过 45 °C。需要 36–38 ml/min 的高灌溉速率来保持温度低于 45 °C (37.8 ± 2.1 °C) [ 9 ]。阿尔杜基等人。在使用相同的激光设置时也有类似的发现 [ 26 ]。

脉冲类型和持续时间

海因等人。研究了脉冲长度对体外实验模型中热分布的影响，比较了 150 到 400 μs 的脉冲持续时间。在 12.1 W（高 9.5%）和 100 W（高 6.5%）下，较短的激光脉冲导致的温度升高明显大于较长的脉冲持续时间。作者得出结论，即使在低功率设置下，如果冲洗不充分，较短的脉冲也会对泌尿道造成热损伤 [ 22 ]。温希普等人。还比较了激光脉冲持续时间，比较了长脉冲与短脉冲、Moses-Contact 和 Moses-Distance，但是，作者没有描述确切的脉冲持续时间 [ 31]。他们发现在 0.6 J × 6 Hz、0.2 J × 70 Hz 和 1 J × 20 Hz 时没有统计学上的显着差异。对于 0.8 J × 8 Hz 和 1 J × 10 Hz，长脉冲模式产生的最高温度明显高于 MOSES 设置，尽管热剂量仍低于阈值（t 43  = 120 分钟）。

讨论

     自 1990 年代问世以来，Ho:YAG 激光已广泛用于尿石症的手术治疗。其波长（2120 nm）接近水的吸收峰（1940 nm），脉冲持续时间更长（500 ls），使其与之前引入的激光器区分开来]。光热效应  涉及在熔化和碎裂过程期间结石直接吸收光子能量，是其基本作用机制。当结石吸收激光能量时，其温度会升高，直到达到临界点，在那里可能会有化学分解并蒸发间隙水 。在激光脉冲期间，热能流过直接激光吸收的区域，因为脉冲持续时间比热扩散周期长。这种作用会导致周围组织的凝结、碳化和变性。临床前和临床研究调查了热对生物组织影响的各种因素，温度范围为 41 至 47 °C，显示直接的细胞破坏。温度超过 43 °C，会导致细胞毒性作用呈指数级增加。值得注意的是，报告的二水合磷酸铵镁、二水合磷酸氢钙、一水草酸钙和胱氨酸结石的熔点阈值分别为 100 °C、109 °C、206 °C 和 264 °C。然而，这些热细胞毒性效应并不仅仅与术中绝对峰值温度相关，并且随着暴露时间的增加而升高 。因此，研究人员引入了热剂量 ( t 43 ) 和 Sapareto 和杜威公式 [ 17 ] 来评估热损伤。为了将等效效应的时间-温度连接与 43 °C 参考温度下的等效持续时间进行比较，该公式确定了热剂量的单位。

我们的审查表明，开放式灌溉系统可将温度保持在 45 °C 以下。这一发现可以用持续的盐水流动来解释，盐水应该直接排放到石头表面，吸收一部分激光波长能量。灌溉可以充当“散热器”，因为较冷的水在系统中循环，散发热量。在 8 ml/min 的灌溉速率下，操作员可以在 1 °C 下使用冷冻灌溉，以 12 ml/min 的速率将时间延长至热损伤阈值 ( t 43 = 120 min) [ 20]。在困难的灌溉环境中，冷冻灌溉可以提供热保护。它降低了流体的温度，增加了在不超过热阈值的情况下可以安全输送的能量。此外，低温灌溉的恒定流入抑制了由激光能量沉积引起的温度升高 [ 44 ]。然而，在 PCNL 等使用大量冲洗液的程序中避免冷冻冲洗是降低体温过低风险的合理方法 [ 45 ]。此外，纳入的研究表明，额外使用 UAS 可实现高达 60 毫升/分钟的灌溉流速 [ 46]。使用 10/12Fr 和 12/14Fr UAS 导致温度超过 45°C，而 14/16Fr UAS 导致温度刚刚超过 43°C 阈值，这可能与组织损伤的发生有关 [ 23 ]。值得注意的是，UAS 与改善冲洗和降低肾内压力有关。

    此外，这项工作展示了不同的激光设置如何影响温度增量和热激光损伤。当激光功率超过 40 W 时，应采用较大的灌溉速度以将温度保持在 45 °C 以下。随着更高功率激光系统越来越多地用于激光碎石术，泌尿科医生必须更好地了解高功率激光系统可能导致的温升和热剂量。另一方面，必须谨慎使用压力冲洗，以避免肾盂静脉回流、液体外渗和败血症的危险 [ 48 ]。此外，与较大的脉冲持续时间和 MOSES 设置相比，较短的激光脉冲会导致明显更大的温度升高 [ 31]。观察到的脉冲类型之间的热输出变化的病因可能很复杂，并且尚未完全了解。外科医生只能在临床设置范围内控制激光用户界面上的设置。不管根本原因是什么，知道使用给定的脉冲设置可能会导致发热增加，这对患者安全至关重要。尽管脉冲能量和频率的用户控制参数相同，但当脉冲类型改变时，激光器的总功率输出可能会发生剧烈波动。根据 FDA 规定，医用激光器的功能必须在建议设置的 –20% 范围内 [ 49] 并且令人惊讶的是，真正的激光功率远低于激光器上标明的功率。这种情况会导致实际和报告的激光功率相差 10%，从而危及温度升高。我们的研究结果强调了对实际使用的激光能力制定科学标准的必要性，以及使用功率计验证此类能力以确保研究可以进行比较的重要性。最后，由于不能始终满足t 43 = 120 分钟阈值，因此建议使用短持续时间开/关间隔（5 秒/5 秒）以保持低温。激光激活通常与休息时间相结合，以使结石碎片从视野中清除并评估剩余的结石负荷。通过允许流体冷却，该间隔也是有利的。

   我们的结果可能有一些临床意义，因为特别是在输尿管镜检查期间，激光大部分时间都在使用，从而提高温度。尽管如此，很少讨论主动使用激光期间发生的温度变化，它们可能会影响正常的肾功能。在之前的体外研究、数值模拟和体内数据中发现的热剂量会导致尿路上皮瘢痕形成、集合系统阻塞和肾功能丧失。尽管在激光碎石术时泌尿科医生可能看不到与热损伤相关的组织改变，并且可能仅覆盖总肾组织的一小部分，但不应认为任何程度的永久性热实质组织损伤是可接受的。这对于在他们的一生中可能需要多次碎石手术的复发性结石形成者来说尤其重要。输尿管中泌尿系统损伤的风险高于肾盏，因为提供“热沉”的周围脉管系统较少，狭窄的管腔限制了冲洗流量。

    本研究存在一些不足，主要是其叙述性特征，反映了纳入研究的异质性，主要涉及不同的激光设置和流速。此外，我们只能包括实验研究，因为没有关于该主题的临床数据。因此，我们的结果可能不容易在日常临床实践中实施。需要进一步的研究来证明由 Ho:YAG 激光引起的温度升高的临床意义，并帮助医生避免严重的激光副作用。

结论

根据实验研究，由于使用 Ho:YAG 导致的温度升高可能是上尿路泌尿外科手术后术后结果的重要预测因素。开放式灌溉系统、冷冻灌溉、UAS、激光功率 < 40 W 和更短的开/关激光激活间隔有助于将温度保持在可接受的值。进一步的研究被认为需要将这些发现转移到临床环境中。