Об оценке скорости абляции мочевых конкрементов тулиевым волоконным литотриптером

Введение

В современной урологии для лечения мочекаменной болезни путём дробления мочевых конкрементов используются литотриптеры, построенные на основе квантовых генераторов различного типа. В настоящее время для фрагментации мочевых камней наиболее широко применяется литотрипсия на основе гольмиевого лазера. Дробление мочевых конкрементов с использованием гольмиевого лазера считается «золотым стандартом» лазерной литотрипсии [1][2]. Несмотря на существенные преимущества гольмиевого лазерного литотриптера, по сравнению с пневматическим ему присущ ряд недостатков, таких как низкий коэффициент полезного действия, относительно большое потребление электроэнергии, необходимость водяного охлаждения, чувствительность к вибрациям и ударам корпуса [3][4].

Более перспективным для проведения операций по дроблению мочевых конкрементов является литотриптер, построенный на основе тулиевого волоконного лазера. Коэффициент полезного действия тулиевого волоконного лазера значительно выше, чем у твердотельного гольмиевого с накачкой от импульсной лампы, поскольку спектр излучения диодного лазера, используемого для лазерной накачки, практически совпадает с линией поглощения ионов тулия. Следовательно, тулиевый волоконный лазер выделяет значительно меньше тепла, в связи с чем он может работать в диапазонах большей мощности (> 50 Вт) и на высоких частотах (до 2000 Гц). Для его охлаждения достаточно простого воздушного вентилятора, размещенного внутри генератора. Кроме того, волоконные литотриптеры нечувствительны к повреждениям, связанным с ударами, в отличие от гольмиевых, поскольку в конструкции волоконного лазера не применяются зеркала. Благодаря использованию в TFL литотриптерах в качестве источников накачки лазерных диодов с электронной модуляцией, появилась возможность сравнительно просто и более гибко изменять энергию и длительность излучаемых импульсов [3 – 7].

Результаты сравнения эффективности гольмиевой и тулиевой литотрипсии приведены в ряде работ отечественных и зарубежных авторов [2 – 16]. Одним из критериев сравнения эффективности гольмиевой и тулиевой литотрипсии является скорость абляции мочевых конкрементов, измеряемая в мг/с. Основным недостатком использования этого параметра при тулиевой литотрипсии является зависимость его от энергии и частоты лазерных импульсов. Поэтому результаты измерений скорости абляции различными исследователями существенно различаются, так как они проводились при разных значениях энергии и частоты импульсов, а также при различных величинах рентгенологической плотности конкрементов.

Целью исследования является разработка универсального показателя эффективности контактной тулиевой волоконной лазерной литотрипсии, инвариантного по отношению к энергии и частоте лазерных импульсов.

Материалы и методы

В процессе проведённых исследований были проанализированы научные статьи, опубликованные в специализированных изданиях России, а также в США, Австралии, Австрии, Великобритании, Германии, Китая и других развитых стран, представленных в различных базах данных (PubMed, Embase, Ovid® и Scopus®) с 2005 по 2023 год включительно, относящиеся к области тулиевой волоконной литотрипсии и измерению скорости абляции мочевых конкрементов, в частности.

Измерение скорости потери массы конкрементов зарубежными исследователями выполнялось при использовании преимущественно тулиевого литотриптера типа TLR 110 – 1908 (“IPG Photonics Inc.”, Marlborough, MA, USA). Российские урологи проводили аналогичные исследования при дроблении тулиевым волоконным литотриптером FiberLase U2 (НПО «ИРЭ Полюс», Фрязино, РФ). Параметры обоих литотриптеров практически одинаковы, так как основателями обеих фирм и основными разработчиками литотриптеров были одни и те же специалисты из России. Скорость потери массы конкремента Rc оценивалась исследователями по формуле:

(1)

где, m — масса конкремента в мг, определенная по результатам КТ;

T_LOT — длительность воздействия лазерного луча на конкремент до полного разрушения (фрагментов размером не более 1 мм), в секундах.

Cтатистический анализ. При разработке универсального показателя удельной величины уменьшения массы конкремента на единицу энергии лазерных импульсов использовали физические методы оценок удельных величин. При анализе и обработке статистических данных использовали программу для работы с электронными таблицами Microsoft Excel 2019 («Microsoft Corp.», Redmond, WA, USA), в частности статистические функции для определения средних значений (М) и стандартного отклонения (SD).

Результаты

Сравнение эффективности контактной трансуретральной гольмиевой и тулиевой литотрипсии большинство исследователей проводят на основе критерия скорости абляции (скорости потери массы) мочевых конкрементов, измеряемой в мг/с [4 – 14]. При измерении скорости абляции контролируемыми параметрами при выполнении процедуры дробления во всех исследованиях являлись энергия лазерных импульсов Ei и частота их следования Fi. Одни исследователи ограничивались только этими двумя параметрами [5][11][13], другие учитывали также длительность лазерных импульсов ti и диаметр оптического волокна [10][14][16]. При проведении тулиевой литотрипсии в одних случаях использовались тулиевые волоконные лазеры с длиной волны 1940 нм, а в других 1908 нм.

Для того, чтобы сделать показатель скорости абляции независимым от значений энергии и частоты импульсов следует пронормировать этот показатель относительно Ei и Fi, то есть разделить скорость абляции на эти величины. В результате получим удельную величину скорости абляции на единицу энергии (1 Дж) и частоты (1 Гц), обозначенную символом γ. Математически это выглядит следующим образом:

(2)

где Ei — энергия лазерного импульса в Дж;

Fi — частота следования лазерных импульсов в Гц;

Pi — средняя мощность лазерного излучения в Вт;

Есум — суммарная энергия, затраченная на полное дробление конкремента.

Обсуждение

Полученные различными исследователями данные о скорости абляции в ряде случаев отличаются на порядок. Так, в работе П.В. Глыбочко и соавт. (2016) скорость абляции в режиме распыления изменялась в диапазоне от 0,3 до 1,1 мг/с при значениях энергии импульсов от 0,2 до 0,6 Дж и частоте следования соответственно от 20 до 50 Гц. В режиме фрагментации исследователями получена скорость абляции 1,1 мг/с при Ei = 0,6 Дж и Fi = 6 Гц [5]. В работах R.L. Blackmon et al. (2011, 2015) скорость абляции в режиме распыления изменялась от 0,05 до 0,14 мг/с при частотах импульсов от 20 до 100 Гц, но энергия лазерных импульсов при этом составляла всего лишь 35 мДж [9][10]. По данным измерений, во время дробления конкрементов в режиме фрагментации, приведённым в исследовании B.H. Chew et al. (2023), скорость абляции при аналогичной энергии импульсов равнялась 2,23 ± 0,22 мг/с. Однако частота импульсов при этом устанавливалась равной 30 Гц [11]. Аналогичные расхождения в измеренных данных по скорости абляции наблюдаются и в исследованиях других авторов [12 – 16]. Причина расхождений связана с тем, что измерения проводились при различных энергиях и частотах лазерных импульсов, а также различных диаметрах оптического волокна. В связи с этим невозможно на основании имеющихся данных по скорости абляции рассчитать время дробления конкремента при известной его массе.

При пересчёте величин скорости абляции, приведённых в анализируемых работах, по формуле (2), оказывается, что значения γ для во всех случаях сопоставимы между собой по величине, незначительно отклоняясь от среднего значения [5 – 16]. Отклонения могут возникать как за счёт применения оптического волокна различного диаметра, так и за счёт погрешностей измерений. Путём усреднения по 11 значениям установлено, что средняя величина γ равна 0,059 ± 0,003 мг/Дж.

Так, например, на основе приведённых в публикации П.В. Глыбочко и соавт. (2016) данных по скорости абляции 0,3 мг/с при Ei = 0,2 Дж и Fi = 20 Гц получено расчётное γ = 0,075 мг/Дж, при скорости абляции 0,6 мг/с, Ei = 0,2 Дж и Fi = 40 Гц удельное значение уменьшение массы на один Дж энергии получено такое же значение γ = 0,075 мг/Дж [5]. Рассчитаем параметр γ на основе данных, приведённых в работах R.L. Blackmon et al. (2015) [10]. При Rc = 0,05 ± 0,005 мг/с, Ei = 35 мДж и Fi = 20 Гц параметр γ = 0,07 ± 0,01 мг/Дж, а при Rc = 0,09 ± 0,01 мг/с, Ei = 35 мДж и Fi = 50 Гц параметр γ = 0,05 ± 0,01 мг/Дж.

Благодаря инвариантности показателя γ от параметров излучения тулиевого волоконного литотриптера он может быть использован для оценки ожидаемого времени дробления мочевого конкремента T_LOT при известной массе m и конкретным значениям энергии Ei и частоты Fi лазерных импульсов ещё на этапе предоперационной подготовки [17].

Величина γ, как показано выше в формуле (2), определяется из соотношения γ = m / Eсум, где Есум — суммарная энергия, затраченная на полное дробление конкремента. При этом суммарная энергия равна энергии импульса Еi умноженной на количество импульсов N, воздействующих на камень в процессе дробления:

(3)

Отсюда прогнозируемое значение времени литотрипсии может быть определено следующим образом:

(4)

Для расчёта времени чистого дробления по формуле (4) требуется знание массы конкремента до операции. В раннее опубликованных нами работах приведено обоснование целесообразности использования урологами этого параметра как более информативного, содержащего информацию об объёме и плотности конкремента, вместо максимального размера конкремента или его объёма [18][19].

Пример.

Камень мочеточника массой 520 мг. Выбран режим распыления с параметрами Ei = 0,2 Дж, Fi = 40 Гц.

Это время несколько завышено, так как дробление фрагментов размеров менее 1 мм не осуществляется.

Заключение

В результате проведённых исследований разработан универсальный показатель оценки удельной скорости разрушения единицы массы мочевого конкремента на 1 Дж энергии лазерных импульсов. Получено среднее значение коэффициента удельной величины уменьшения массы мочевых конкрементов тулиевым литотриптером в режиме распыления, равное 0,059 ± 0,003 мг/Дж. Эта величина может использоваться как для оценки эффективности дробления конкрементов, так и для прогнозирования длительности дробления камня на основании полученной авторами формулы.