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Nov 26, 2023

Erforschung neuer Laserquellen für die Lithotripsie

Nierensteine ​​kommen in entwickelten Ländern häufig vor und betreffen etwa 10 % aller Menschen

Nierensteine ​​kommen in entwickelten Ländern häufig vor und betreffen etwa 10 % der Bevölkerung. Die Laserlithotripsie, vorwiegend mittels fortgeschrittener Ureteroskopie, hat sich zu einer wichtigen Technik für die minimalinvasive chirurgische Entfernung von Harnleiter- und Nierensteinen entwickelt. Der blitzlampengepumpte Festkörper-Holmium:YAG-Laser war in den letzten zwei Jahrzehnten die dominierende Technologie in der Laserlithotripsie. Diese ausgereifte Technologie weist jedoch einige grundlegende Einschränkungen auf. Auch alternative Technologien wie Thulium-Faserlaser, Thulium:YAG-Laser und Erbium:YAG-Laser wurden für die Laserlithotripsie untersucht.

Die Laserlithotripsie ist eine minimalinvasive endoskopische Technik (Ureteroskopie), bei der mit einem Laser Steine ​​fragmentiert und aus dem Harntrakt entfernt werden. Sobald der Stein in der Blase, im Harnleiter oder in der Niere lokalisiert ist, wird eine optische Faser in den Arbeitskanal des Ureteroskops eingeführt und dann der Laser aktiviert, um den Stein in kleinere Stücke zu fragmentieren. Die Steinfragmentierung wird hauptsächlich durch photothermische Ablation erreicht. Die direkte Absorption der Laserstrahlung führt zur Wärmeentwicklung und anschließendem Schmelzen und Abtragen des Steins. Ein sekundärer Ablationsmechanismus resultiert aus der Wasserabsorption des Lichts. Wasser in Poren verdampft schnell oder dehnt sich aus, wodurch ein hoher lokaler Druck entsteht, der ebenfalls zur Ablation führt. Im Allgemeinen entfernt der Chirurg die größeren Stücke mit einem kleinen Körbchen durch die Harnröhre, kleinere Stücke können später beim Urinieren ausgeschieden werden. Abhängig vom verwendeten Lasertyp und seinen Parametern kann der Chirurg jedoch unterschiedlich vorgehen.

Die verfügbare Pulsenergie hängt vom verwendeten Lasersystem ab, kann jedoch zwischen 0,2 und 6,0 ​​J variieren, wobei typische Einstellungen bei der Nierensteinentfernung zwischen 0,2 und 2,0 J liegen.

Aufgrund der technischen Einschränkungen des Holmium-Lasers liegen die typischen Frequenzwerte zwischen 5 Hz und 80 Hz.

Typische Pulsdauerwerte für Holmiumlaser liegen zwischen 150 und 500 µs.

Der Hauptgrund, warum Holmium:YAG-Laser derzeit die klinischen Standardlaser für die Lithotripsie sind, liegt in ihrer Emissionswellenlänge bei 2120 nm. Licht dieser Wellenlänge wird stark von dem in den Steinporen und -taschen enthaltenen Wasser absorbiert, was zu einer thermischen Ausdehnung und Verdampfung des Wassers führt, was zu einer verstärkten Ablation führt. Darüber hinaus haben Ho:YAG-Laser Erfolge bei der Abtragung einer breiten Palette von Steinzusammensetzungen gezeigt.

Die Zahl der zur Ablation von Harnsteinen eingesetzten Laserlithotripsie-Modi hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Diese Modi können jedoch in drei Haupttechniken eingeteilt werden:

Bei der Fragmentierung wird der Stein durch eine hohe Pulsenergie bei niedriger Pulsfrequenz in mehrere Stücke abgetragen. Die Stücke mit größerem Durchmesser (> 2 mm) werden mit einem Korb entnommen. Beim Bestäuben wird der Nierenstein in kleine Stücke mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm zerbrochen, bei denen eine aktive Körbchenentfernung nicht erforderlich ist. Eine andere Technik ist als Popcorning bekannt, bei der die Faser an einer Stelle gehalten wird und eine hohe Impulsenergie verwendet wird, um eine turbulente Strömung zu erzeugen und die Steine ​​schrittweise in kleine Stücke abzutragen. Tabelle 1 fasst die typischen Pulsenergie- und Pulsfrequenzwerte für jeden der Laser-Lithotripsie-Modi zusammen.

Laser-Lithotripsie-Modus Pulsenergie (J) Pulsfrequenz (Hz)

Stauben 0,2–0,5 50–80

Fragmentierung 0,5–1,0 5–20

Popcorn ~1,5 20–40

Tabelle 1.Die typischsten Laserbetriebsmodi werden bei der Holmium:YAG-Laserlithotripsie verwendet

Der Festkörper-Holmium:YAG-Laser (Ho:YAG) hat sich in den letzten Jahrzehnten zum am häufigsten verwendeten Laser für die Lithotripsie entwickelt. Seine Hauptvorteile sind die nachweislich hohe Erfolgsquote bei der Fragmentierung vieler verschiedener Steinarten und die relativ geringen Kosten für Laser mit geringer Leistung. Allerdings hat diese Technologie auch ihre Grenzen und Nachteile. Die kritischsten Parameter sind:

Die Emissionswellenlänge von Ho:YAG-Lasern stimmt nicht genau mit der Spitzenabsorption von Wasser um 2 µm überein. Thulium-Faserlaser haben eine Emissionswellenlänge, die näher an der Wasserabsorptionsspitze liegt, aber Monocrom bietet die Möglichkeit, die Emissionswellenlänge gezielt so abzustimmen, dass sie perfekt zur Wasserspitzenabsorption passt, was nachweislich zu einer effizienteren Steinablation führt.

Die maximale Pulsfrequenz bzw. Pulsfrequenz liegt typischerweise im Bereich von 20–80 Hz. Dies schränkt die möglichen Behandlungsstrategien insbesondere im Staubbetrieb ein. Die neuesten Ho:YAG-Lasersysteme bieten eine Wiederholrate von 100–120 Hz, was zeigt, dass der Trend dahin geht, diesen Wert weiter zu steigern.

Was Monocrom anbietet, ist ein direktes Diodensystem, das elektronisch auf eine Frequenz gepulst wird, die 1000 Hz überschreiten kann. Darüber hinaus ist unsere lötfreie Laserbarren-Montagetechnologie (Klemmung) unempfindlich gegenüber der CTE-Fehlanpassung zwischen dem Halbleiter und den Elektroden, was eine längere Lebensdauer bei Anwendungen mit harten Impulsen ermöglicht.

Ein ähnlicher Trend ist bei der maximalen Durchschnittsleistung bei den neuesten Hochleistungslasersystemen zu beobachten, die eine Ausgangsleistung von 120–140 W bieten. Der Monocrom @FLEX-Laser erreicht eine Durchschnittsleistung von 105 W, mit der Möglichkeit, diesen Parameter in der nächsten Generation weiter zu erhöhen Serie.

Der Steckdosenwirkungsgrad von Ho:YAG-Lasern ist mit Werten um 1-2 % eher gering. Der Thulium-Faserlaser zeigte den höchsten Wirkungsgrad bei Steckdosen, wobei Maximalwerte von etwa 10 % angegeben wurden. Eine direkte Diodenlaserquelle von Monocrom kann einen maximalen Wirkungsgrad von etwa 5 % erreichen, was mindestens dem Vierfachen der Leistung eines Ho:YAG-Lasers entspricht.

Ein weiterer wichtiger Aspekt, der berücksichtigt werden muss, betrifft die Tatsache, dass direkte Diodenlaserlösungen effektiv im CW- und Pulsbetrieb eingesetzt werden können. Dieser Vorteil in Kombination mit der Fähigkeit, die Emissionswellenlänge perfekt an die Wasserspitzenabsorption bei niedrigen und hohen Temperaturen anzupassen, macht es zu einer idealen Wahl auch für den Einsatz bei Behandlungen, die eine Ablation und/oder Koagulation von Weichgewebe erfordern, wie z. B. benigne Prostatahyperplasie (BPH). Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung der Vor- und Nachteile der von Monocrom angebotenen Ho:YAG-Laserquellen und direkten Diodenlaserquellen mit 2 µm.

Holmium:YAG

Vorteile:

Nachteile:

Direkter Diodenlaser

Vorteile:

Nachteile:

Geschrieben von Joan Montiel, Application Solution Manager bei Monocrom