17625510671

激光碎石物理机制

发布时间: 2022-09-23 23:30:11 来源:爱游戏官网 作者:爱游戏体育最新下载

  随着研究人员对泌尿外科激光物理特性的深入了解,进一步的进步将使泌尿外科激光更安全、更高效。

  激光碎裂结石的主要机制是光机械或光热。光机械效应在具有短脉冲持续时间(通常 1 μs)的激光器中产生。此类激光器包括脉冲染料、Q 开关紫翠玉和 FREDDY 激光器。光热效应在具有长脉冲持续时间(通常 10 μs)的激光器中产生。这种激光器包括Ho:YAG和Er:YAG。使用光机械和光热激光器可以看到不同的碎片。光机械激光器往往效率更高,而光热激光器速度较慢,但会产生较小的碎片并将所有成分碎片化。回顾了用于 Ho:YAG 碎石术的光纤的物理特性。

  激光是一种相对纯净的光能形式。即,光。“激光”一词是通过受激辐射进行光放大的首字母缩写词。基本激光器由谐振光学腔中的增益介质组成。增益介质是一种可激发材料,气体、固体或液体,当其电子被外部能源激发、“激发”或“泵送”时,能够释放光子。这种外部能源可以是电流、化学能或其他光源。由于增益介质通常是均质物质,因此电子被激发跳跃到均匀的更高能量轨道,并在返回更稳定、更低能量的轨道时释放具有相同能量的光子。该过程导致发射单一波长的光。因此,

  放大通常是通过将增益介质放置在谐振腔中来实现的,其中最简单的是一个在两端具有两个反射面的盒子。想象一下,反射表面在相对两侧充当镜子,并且光子不可能逃逸。因此,受激光发射通过增益介质在谐振器中来回反射,提供进一步的激发和发射,每个受激光子有机会以二项式展开碰撞到非受激原子,直到达到一定的平衡并且信号饱和。此外,镜子的相对位置产生定向和同相的辐射。最终结果是产生高度均匀、准直的单波长同相光子(图26.1)。

  标准激光器由激光介质组成,由外部能源(如闪光灯)提供能量。光在镜子之间振荡,随着每次通过而增加能量。镜子 2 是部分透明的,激光束以激光能量1的高质量准直光束出现(经泰克曼许可转载)

  实际上,增益介质两端的反射镜由一个全反射镜和一个部分反射镜组成。理想情况下,全反射器是一个 100% 反射镜,而部分反射器允许谐振腔中的一部分光逸出,并且是激光腔的输出端,激光束在此发射。这种布置允许激光能量的连续发射并且被适当地称为连续波激光器。或者,可以通过各种机制以脉冲方式释放光。一个例子是调Q激光器,它使用百叶窗或快门机制间歇性地释放光。另一个例子是锁模或锁相激光器,它利用谐振腔中的相长干涉和相消干涉来产生极短的激光脉冲。

  生产的第一台碎石激光器使用合成红宝石晶体作为增益介质,使用闪光灯作为能量“泵”。2随后,设计了具有不同泵浦机制的多种增益介质,以在不同的能量设置下提供不同波长的激光能量。医疗应用中使用的激光器与工业激光器的不同之处在于,它们的结构要求它们是可移动的、易于维修的,并且能够承受临床使用的严酷考验。

  气体激光器是用于医疗应用的最古老的激光器类型之一。这些激光器使用二氧化碳等气体作为增益介质。3台 CO2激光器产生波长为 10,600 nm 的激光。它们是目前可用且效率最高的连续波激光器。CO 2激光被水高度吸收,因此具有窄的穿透深度。因此,CO 2激光已用于治疗和外阴病变,例如浅表鳞状细胞癌和烧蚀性皮肤表面重修,但尚未有利于结石碎裂,因为体内碎石术所需的 10.6 微米波长的光纤传输要么会遭受光纤损失,要么会受到限制。水环境中的空心波导。4-6

  染料激光器使用有机染料(如香豆素)作为增益介质,通常是闪光灯泵浦的。7这些激光器既是可调谐的(意味着可以改变发射波长),也可以产生短脉冲持续时间,从而产生高峰值压力。香豆素染料激光的波长为 504 nm,能很好地被血红蛋白吸收。在 504 nm 处“通过”结石并撞击输尿管的任何多余或杂散能量都会被血红蛋白吸收并通过血流消散,充当“能量汇”,在碎石术期间提供高安全边际。8虽然它们是安全、高效的碎石剂,但它们往往会产生大碎片,并且无法破碎硬石,如胱氨酸、透钙石或一水草酸钙结石。8,9

  固态激光器使用固体增益介质。固体增益介质通常由掺杂有离子的晶体基质材料组成,可以将其激发到所需的能级。这些激光器通常在近红外光谱中产生高输出功率。常见的激光晶体是钇铝石榴石 (YAG)。已经生产并研究了使用掺有钕、钬、铒和铥的 YAG 的激光器,用于泌尿外科。其中,长脉冲(脉冲持续时间 250-350 μs)钬:YAG(Ho:YAG)激光由于其多功能性和安全性已成为目前用于碎石术的主要激光。另一种固态激光碎石机是 FREDDY(倍频双脉冲 Nd:YAG)激光器。该激光器在 Nd:YAG 激光器的谐振腔中使用 KTP 晶体,以产生和发射两种 1、同时使用 064 和 532 nm。各种激光类型的辐射对血红蛋白、黑色素和水的相对吸收如图 1 所示。26.2.

  各种激光波长下水、黑色素、血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收光谱(经 Teichmann 许可转载。10版权所有 Springer-Verlag 2007)

  当激光能量撞击组织时,存在三种可能的相互作用:光化学、光热和光机械相互作用。11当激光促进或催化组织中的化学反应时,就会发生光化学相互作用。该过程通常通过施用光敏染料来实现,该染料在所需组织中积累。这个过程被称为光动力疗法,它利用特定染料在受到特定波长的光刺激时产生单线态氧的能力,然后可以与附近的任何生物分子快速反应。很少有人尝试将结石光敏剂用于激光碎石术,并且成功率有限。光化学激光机制目前不用于碎石术。

  当激光直接照射组织或材料导致组织蒸发甚至消融或碎裂时,就会发生光热相互作用。光热碎石术可以通过石头晶体结构直接吸收光子并破坏晶格,或通过晶格内的水快速加热并产生快速蒸汽流进而破坏晶格(“爆炸性汽化”,如微波爆米花)。当应用长脉冲激光(每脉冲约 2-500 μs)时,光热相互作用是主要机制。12例如,自由运行的 Ho:YAG 和 Er:YAG 激光器通过光热机制破碎石头。通过光热相互作用进行的有效碎裂或消融通常与热限制有关,其中激光能量在脉冲持续时间内传递,通常 10 ms,比热量从直接照射区域扩散所需的时间短,从而导致足够的热在组织内积聚以快速蒸发。13

  当激光能量沉积在组织、材料或其周围环境中产生瞬态应力波时,就会发生光机械激光消融,然后导致细胞死亡或组织消融,以及结石碎石术。脉冲染料和 FREDDY 激光器是光机械激光器的例子。13–15在使用短脉冲激光(通常小于 10 μs)进行激光碎石术期间,瞬态应力波可能由三种不同的机制引起:热弹性膨胀、烧蚀材料喷射引起的反冲以及经历相变的材料膨胀。13,14当组织或材料由于激光能量的瞬时加热而膨胀时,会产生热弹性膨胀波。这种膨胀产生压力波,它向各个方向传播,但在材料表面反射,产生从表面向内传播的负压力波。如果负压波足够强,则可能发生机械破坏,这一过程称为散裂。当材料经历快速加热或冷却时会发生散裂。剥落的一个例子是从洗碗机中取出一块热陶瓷盘,然后在冷水中运行。这种快速的温度冷却可能会产生不规则的碎片。其次,当组织消融导致材料被喷射时,动量守恒会产生反冲压力波,这可能会在消融的实际表面深处产生应力断裂。16最后,也是最重要的,在使用短脉冲激光 (1 μs) 的碎石术中,激光诱导的相位变化会产生显着的瞬态压力波,可以破碎尿路结石。13这种相变的一个例子是等离子体的产生。等离子体被认为是物质的第四种状态。它是由共享的自由电子云中存在的离子蒸发产生的。由于等离子体的不稳定性,等离子体的快速膨胀和收缩会产生压力波,从而在结石基质中引起应力断裂。等离子体以极短的脉冲持续时间发生,通常 500 ns,例如使用 Q 开关激光器实现的。13由于超短脉冲持续时间,通过等离子体机制碎石的激光器在光纤尖端产生极高的峰值压力。相变引起的压力波的另一个例子是空化气泡的形成,空化通常发生在脉冲持续时间在 500 ns 和 1 μs 之间的激光器上(尽管脉冲持续时间长达 10 μs 可能会继续发生)。空化气泡是由激光引起的水蒸气在激光光纤尖端的快速球形膨胀引起的。13数百毫秒后,球形气泡在不可压缩的周围水中迅速坍塌。当塌陷发生时,它会立即释放其产生时储存的能量,产生非常强的压力波,使石头的晶体基质变形,导致碎裂13、15与激光诱导相比,由于等离子体形成的碎裂往往会产生更大的碎片空化气泡。13空化气泡产生特征压力瞬态模式。初始压力瞬变是由空化气泡膨胀引起的,然后在脉冲持续时间结束后气泡破裂。气泡破裂后,由于气泡能量的释放,会出现更高的压力瞬变,从而导致破碎。压力瞬变的幅度(力)与最大气泡半径(提高到 3 次方)有关。13因此,光机械激光碎石术的特点是初始压力瞬态(气泡膨胀)、激光脉冲终止、气泡破裂、第二次压力瞬态和随后的碎石术。13,14时间过程不同于光热碎石术,因此光机械(空化诱导)碎石术会产生一个膨胀的球形蒸汽泡,该气泡在塌陷后会产生机械能,该机械能会传递给结石并导致碎石术;光热碎石术产生对石头的直接照射和碎石术。13,14通常,通过光机械相互作用的有效碎裂或消融通常与应力限制有关,其中激光能量在脉冲持续时间内传递,通常 1 μs,比机械应力从直接照射区域传播所需的时间更短,导致组织内压力和热量的快速积累,并经常产生冲击波,导致目标组织或晶体结构的物理解离。

  激光能量在组织中的分布对于确定特定激光的应用很重要。激光波长的选择取决于目标组织的光学特性。11如果组织引起大量光子散射,则每单位组织体积吸收的辐射较少,光学穿透力就会减弱。如果散射最小,则激光照射穿透的唯一限制是材料对激光的吸收。如果组织很好地吸收特定波长并具有低散射,则空间限制将很高(高通量)。换言之,穿透深度小。相反,具有高散射的低吸收材料将导致较深的穿透深度或低通量。11激光束的宽度也会影响激光能量的限制。与相同功率水平的窄激光束相比,宽光束将能量沉积在较大的表面积上,在组织内相同深度产生较低的能量密度。16,17最后,组织色素沉着会影响激光在组织中的分布。颜料优先吸收一些波长并且可以将激光能量限制在它们的位置。17(图26.2)。

  理想的激光碎石机可对所有结石成分进行可预测的碎石术,操作简单、效率高,并且对周围组织具有广泛的安全范围,因此可以最大程度地碎石,同时将附带损害降至最低。作为一般规则,光机械激光器在碎石术中具有很高的安全余量,并且可以有效地碎裂。光热激光器具有可接受(但较低)的安全裕度,但碎片效率较低。14然而,与光机械激光相比,光热激光产生的碎片更小,所有石头成分都被打碎。18

  脉冲染料激光是最早在临床上用于碎石术的激光之一。8,9,13如前所述,脉冲染料激光器(香豆素绿)在 504 nm 波长下工作,该波长被血红蛋白高度吸收(图26.2)。他们通过光机械机制破碎石头。11、14、15____脉冲染料激光的有效光机械碎石术的一个关键组成部分是短(1 μs)脉冲持续时间。空化气泡破裂在染料激光碎石术中很重要。这种机制的一个优点是它不需要让激光与石头直接接触,因为来自空化气泡破裂的激光诱导冲击波从光纤尖端向所有方向传播,因此可以放置在靠近石头的任何地方造成碎片化。事实上,将纤维直接放在石头上会限制空化气泡的膨胀,从而限制所产生的冲击波的幅度并抑制碎石术。15该系统的另一个优点是这些激光器的固有安全性。504 nm 的染料激光被血红蛋白很好地吸收,它充当激光和散热器,保护局部组织免受热损伤(图26.2)。然而,这些激光器受到几个因素的限制。它们倾向于产生大的异质片段。18此外,碎片弹射和瞬态压力波会导致结石显着后退,从而使碎石术更加耗时且可能更加困难。16最后,硬结石(如透钙磷石、一水草酸钙和胱氨酸)的碎裂结果令人失望。19

  对于超短激光脉冲持续时间(500 ns),激光能量的时间限制会产生高峰值压力。这种时间限制在作为碎石机制的等离子体生产中尤其重要,这需要大量的能量。图20、21已尝试使用 Q 开关紫翠玉和 Nd:YAG 激光器进行碎石术,但实际限制是高峰值功率会导致光纤尖端破坏并且可能在输尿管内产生光纤碎片。22-24

  FREDDY 激光通过类似的光机械机制破碎石头。通过在 Nd:YAG 激光器的谐振腔中加入 KTP 晶体,FREDDY 激光器可产生 532 和 1,064 nm 的激光波长,脉冲持续时间为 0.3–1.5 μs。在这些脉冲持续时间内,532 nm 波长的光会诱导等离子体形成,1,064 nm 的光会进一步增强等离子体的形成,从而导致高能压力瞬变。25-27这种激光器设计具有成本效益,并且具有很高的安全裕度。28,29虽然对碎石术也有效,但 FREDDY 激光在碎裂硬结石方面效果较差。30,31

  Ho:YAG 激光使用光热机制破碎石头。32大多数 Ho:YAG 激光器产生的光波长为 2.12 μm,脉冲持续时间为 250–350 μs,明显长于脉冲染料激光器。这种长脉冲持续时间排除了任何显着的应力限制,因此汽泡膨胀和破裂在形状上是不规则的(即,非球形),因此气泡破裂在不同时间发生在多个位置,而不会产生明显的压力瞬变。33Ho:YAG 激光器的时间分辨成像研究和瞬态压力波研究未能显示出显着的光机械效应。15,32,33Ho:YAG 的压力瞬变通常在 8 到 20 巴之间,明显低于光机械激光器产生的压力瞬变 (300 巴)。13、15、32____

  在一系列实验中,Vassar 等人。展示了Ho:YAG激光器的光热机制。32每个实验都显示了石头直接吸收能量的证据,或者没有压力瞬变的证据。当水合和脱水结石在空气或水中照射时,空气中的脱水结石表现出更多的碎裂。这一发现表明,由于缺乏用于等离子体和空化气泡引起的压力瞬变的水性介质,因此缺乏光机械效应。它还表明,水实际上会阻碍碎石术,因为它会吸收(并消散)石头直接吸收的能量。高速成像还显示了 Ho:YAG 激光碎石的动力学:需要长达 60 μs 的初始时间来汽化光纤尖端和石头表面之间的水,14、15、32____再次,这种现象表明,与需要水来产生空化气泡的光机械碎石术相比,水是如何吸收和消散长脉冲 Ho:YAG 能量的。在 Ho:YAG 碎石术期间,碎片喷射开始 60 μs 到 250 μs 脉冲,同时激光继续发射。在脉冲期间(而不是在脉冲之后)发生碎石术的这个时间过程与直接能量吸收一致,而不是空化气泡破裂动力学。另一个发现是,Ho:YAG 激光在与结石表面成 90°(法向入射)时产生更多的碎石,表明直接照射是相关的,并且能量密度对于达到消融标准阈值至关重要;34与光机械激光相比,纤维尖端和结石之间的定向角度在碎裂方面几乎没有差异。事实上,其他研究表明,入射角与 Ho:YAG 碎石效率相关。35–38光热机制的进一步证据包括在使用 Ho:YAG 激光碎石过程中产生热分解产物,以及在室温相对于冷条件下照射石头时增强的碎石效果。32

  脉冲持续时间的影响是机制的组成部分。在一个重要的实验中,Jansen 等人。在静止的水中(无石头)通过光纤发射钬:YAG激光,改变脉冲持续时间,并使用高速图像记录每个脉冲持续时间的蒸汽泡动力学。33在 500 ns 脉冲持续时间(使用 Q 开关)时,会产生大的球形空化气泡,这些气泡坍塌成一个单一的轨迹,在水中释放出明显的波纹(压力瞬变)。随着激光脉冲持续时间的延长,汽泡变得不那么球形,并且坍塌事件发生在多个位点,在水中产生的波纹更少。随着脉冲持续时间延长到 260 μs,气泡变成梨形并不对称地塌陷,没有看到任何波纹。因此,目前使用的长脉冲 Ho:YAG 激光器不会产生任何显着的光机械效应(图26.3)。16,33

  两个脉冲持续时间在室温下的气泡膨胀和破裂的汇编:(a)短脉冲,(b)长脉冲。纤维直径 365 μm,能量 800 mJ。每张图片上方显示的脉冲开始后经过的时间(经 Kang 许可转载。16版权所有 2006 Wiley-Liss, Inc.,Wiley 的子公司)

  Ho:YAG 激光器确实存在一些局限性。小的粉状碎片的产生意味着碎石的效率较低和手术时间较长。39这种低效率可以通过简单地增加能量或频率设置来克服,但更高的效率是以更多的后推力为代价的,附带组织损伤的风险更高,以及能量设置 1.0 J 时的尖端退化。40后推力是一个偶尔出现的问题在正常能量设置下使用 Ho:YAG 碎石术,但与其他体内碎石术设备(如电液碎石术、脉冲染料激光或气动设备)相比要少得多。使用钬:YAG 时,蒸汽泡膨胀和碎屑喷射产生的动量会发生石头反冲。16

  李等人。表明无论入射角如何,碎片总是从石头表面以直角喷射。16大直径纤维会形成一个宽而浅的陨石坑,从而允许更大的 x 轴射流喷射和增加的反冲力。相比之下,小纤维会产生狭窄而深的陨石坑,y 轴矢量越多,x 轴矢量碎片越少,因此反冲力被最小化(图26.4)。另一种最小化反冲的策略是延长脉冲持续时间。由于反冲压力与辐射功率(每脉冲持续时间的能量)成正比,因此具有高能量密度的较短脉冲持续时间会产生更高的反冲力。实验上,延长长脉冲持续时间的钬:YAG 激光器在每个脉冲中实现了更少的反冲,并且在每单位结石消融中实现了更少的反冲。16,42一些市售的钬:YAG 激光器提供“正常”脉冲持续时间和“延长”脉冲持续时间。

  从宽与窄激光光纤中喷射烧蚀石粒的示意图。注意 Y 方向上的总矢量对于更宽的火山口更大。(a) 宽而浅的火山口。(b) 狭窄而深的陨石坑(经 Lee 等人许可转载。41版权所有 Elsevier 2003)

  克服当前光热碎石术的一些限制的一种方法是使用波长更有效地被肾结石吸收的激光。自由电子激光器的实验表明,与 2.1 μm(Ho:YAG 波长)相比,在 2.9 和 3.1 μm 之间的波长下碎石术更有效。17Erbium:YAG 激光的波长为 2.9–2.94 μm,使其成为可能比 Ho:YAG 激光更有效的碎石机。与 Ho:YAG 激光器类似,实验表明 Er:YAG 激光器在运行时缺乏光机械效应,具有相似的汽泡特性,并且可以烧蚀具有对称烧蚀坑的多种宝石类型。43,44Er:YAG 和 Ho:YAG 激光器在相似的能级下进行了实验比较。Er:YAG 激光比 Ho:YAG 激光产生更多的碎石术,但在 50 mJ 时碎片略大。然而,当 Ho:YAG 激光增加到 500 J 时,碎石量与 50J 的 Er:YAG 激光相似。虽然在相同的能量输出下存在一些差异,但只需简单地实现相似的碎石量即可增加 Ho:YAG 功率和频率设置。但高能输出可能会导致光纤尖端损坏和不规则光束输出。45铒和钬激光器也在体外进行了比较。46两者都被控制焦距、能量密度、光束宽度和轮廓。每个脉冲能量在 0.2 和 1 J 之间变化。对于单个激光脉冲,所有使用 Er:YAG 激光的宝石类型的陨石坑体积是 Ho:YAG 激光的五倍。46铒激光器的临床使用受到临床上有用的激光纤维的缺乏最重要的限制。46与钬激光器一起使用的相对便宜且可重复使用的低 OH 石英光纤不能充分传输来自铒激光器的激光。这是由于激光器输入端的能量吸收,这会导致热降解和光纤和激光器损坏。氟化物纤维是激光纤维材料的另一种选择,它确实可以成功传输 Er:YAG 辐照,但往往很脆,并且具有吸湿结构。单晶蓝宝石光纤提供了另一种选择,但它们的成本过高,如果选择 425 μm 的直径,它们只能充分传输高达 200 mJ 的能量,并且由于高峰值功率水平,它们的输出端有损坏的风险。仍在考虑的光纤包括具有二氧化硅尖端和中空波导的氧化锗复合光纤。虽然复合纤维仍在研究中,但中空波导纤维已经过实验测试。一些初步研究显示出良好的柔韧性和强度,其能量传输足以粉碎结石。然而,问题仍然存在,包括热点的产生和不规则的烧蚀坑。47,48

  基本的光纤设计包括一个被两到三层包层包围的内部圆形纤芯和一个周围的护套。玻璃和聚合物都可以用作芯材。在玻璃中,二氧化硅(无定形二氧化硅SiO2)是主要材料。49临床上用于泌尿外科的第一台激光器使用的是二氧化硅纤维。这些是理想的激光光纤,因为它们以最小的衰减很好地传输激光能量,相对便宜,并且足够小且足够灵活,可用于内窥镜器械。Ho:YAG 激光器使用低 OH 石英光纤,因为羟基很容易吸收 2,100 nm 的光,从而减少光的传输并可能导致光纤损坏。10高 OH 浓度有利于紫外线透射。覆层类型也可以不同。由氟掺杂二氧化硅构成的包层比氟丙烯酸酯包层具有更好的激光限制和更小的弯曲半径,在 2 μm 波长的激光下会产生漏光和损坏。50大多数光纤还有第三层包层,称为缓冲层。缓冲剂通常由乙烯四氟乙烯 (ETFE, Tefzel) 组成,可保护光纤免受外部机械损伤。

  激光-光纤接口通常由一个保护连接器组成,该连接器将激光光纤的近端保持在正确的方向,以接收来自激光本身的能量。超小型 A 型连接器 (SMA) 是行业标准连接器,允许不同的激光器接受多种激光光纤尺寸和品牌。它由一个被连接器外壳包围的中央加固外壳组成。外壳通常是聚合物材料,外壳通常由钢制成。离开外壳的激光光纤的末端被收缩包裹在塑料涂层中,以防止机械损坏。经常使用时,激光器和光纤近端会出现一些错位,这会导致更高阶的射线、衰减或光纤击穿。在输入端,杂散激光可以被钢壳吸收,然后可以蒸发。蒸汽的凝结覆盖了激光器的外表面,破坏了其光学系统并导致故障(图 1)。26.5)。制造商使用各种机制和工程将激光耦合到近端光纤连接器。每种设计都有优点和缺点,更详细的解释可以在 Nazif 等人中找到。50

  典型的 SMA 连接器。激光器和激光光纤之间的连接器接口。当激光光纤进入连接器时,热缩包装与激光光纤重叠,从而提供刚度并降低连接处的机械应力。聚合物粘合剂将激光光纤包裹在连接器内。(经 Nazif 许可转载。5Review 版权所有 Mary Ann Liebert 2004)

  泌尿科医生可能会将理想激光产生的准直激光发射与激光纤维的输出混淆。目前使用的光纤设计导致非准直输出。准直的激光束通过透镜聚焦,从而会聚光束从透镜传递到近端光纤尖端,并且光束作为发散光束沿着光纤发射。50如果能量不是用“靶心”发射的,击中光纤的中心,离轴射线就会增加,近端光纤故障的风险也会增加。51为了在没有过度损耗或热损伤的情况下传导激光,大部分光必须在光纤内反射到最远端的尖端,然后在此处排出。这一原理称为全内反射,用于激光光纤技术。光子从包层反弹并反射回纤芯光纤,在那里它们从对面的墙壁包层反弹,就像台球从台球桌的一侧反弹一样。当光线照射到一个表面时,它的一部分会被反射,而一部分可能会被折射,这取决于环境和材料的折射率。材料的折射率描述了它允许光通过它的速度。当来自密度较大的环境的光照射到密度较小的物质上时,它与法线的折射或弯曲角度,大于入射光的入射角。随着与法线的入射角变宽,在密度较小的物质中的折射光最终将以与法线° 角或平行于物质表面传播。换句话说,光不会穿透密度较小的物质。在这个入射角处,存在全内反射,激光完全不被包层吸收,在纤芯内部完全反射。相反,如果激光以更垂直的入射角接近包层,则光会发生折射并且可能不会反射。例如,可以以较大的入射角沿水面跳过卵石,而将卵石落到水面(窄入射角)会导致卵石落入水中。对光纤传输的影响意义重大:发射光束过于发散的激光有折射到包层的风险,而发射光束发散窄的激光折射到包层的风险较小。光纤可以安全传输的光束发散极限以数值孔径 (NA) 为特征。NA 描述了激光的最大接收角将为特定光纤提供全内反射。Ho:YAG 激光器的 NA 范围从 0.2 到 0.22。0.21 的 NA 对应于 12° 的最大接受角。尽管全内反射,一些光会部分穿透包层。这些穿透性光波(称为渐逝波)如果足够强,会损坏包层。它们因纤维的弯曲而加重。发射光束过于发散的激光有折射进入包层的风险,而发射光束发散较窄的激光折射进入包层的风险较小。光纤可以安全传输的光束发散极限以数值孔径 (NA) 为特征。NA 描述了激光的最大接收角将为特定光纤提供全内反射。Ho:YAG 激光器的 NA 范围从 0.2 到 0.22。0.21 的 NA 对应于 12° 的最大接受角。尽管全内反射,一些光会部分穿透包层。这些穿透性光波(称为渐逝波)如果足够强,会损坏包层。它们因纤维的弯曲而加重。发射光束过于发散的激光有折射进入包层的风险,而发射光束发散较窄的激光折射进入包层的风险较小。光纤可以安全传输的光束发散极限以数值孔径 (NA) 为特征。NA 描述了激光的最大接收角将为特定光纤提供全内反射。Ho:YAG 激光器的 NA 范围从 0.2 到 0.22。0.21 的 NA 对应于 12° 的最大接受角。尽管全内反射,一些光会部分穿透包层。这些穿透性光波(称为渐逝波)如果足够强,会损坏包层。它们因纤维的弯曲而加重。

  激光光纤的弯曲也会影响光的反射。大量的弯曲或弯曲量会产生更多的内部反射。如果产生的反射角小于临界角,一些能量将通过包层传输。这对于诸如 Ho:YAG 等近红外激光的情况尤其有害,因为它们的波长被塑料很好地吸收。这个问题偶尔会在逆行输尿管肾镜检查下极肾结石时遇到,其中柔性输尿管镜最大程度地偏转以将纤维定向到下极结石。激光能量在最大偏转部位折射到包层中,导致光纤和输尿管镜损坏,并可能对患者造成伤害。45,52

  激光碎石术中光纤的定位也是需要考虑的重要因素。由于用于碎石术的短脉冲和长脉冲激光之间的一个重要区别在于,在发生光机械碎石术的短脉冲持续时间激光(1 μs)中,光纤尖端和结石表面之间 1 mm 的分离距离会产生最大的碎裂,因为最大气泡膨胀和塌陷引起的压力瞬变的重要性。13,15相反,长脉冲 Ho:YAG 和 Er:YAG 激光 (250–350 μs) 在接触模式下实现最大的碎石效率,因为能量被水有效吸收。14,17,32,33为了最大限度地减少因蒸发水通道而损失的 Ho:YAG 或 Er:YAG(“摩西效应”),应将激光光纤放置在与石材表面接触的位置。

  了解激光设计和功能的物理特性将使泌尿科医生能够就激光技术在其实践中的临床应用做出明智的决定。激光在泌尿外科临床应用的核心是激光与生物组织及其环境相互作用的基本知识。激光碎石的物理学是激光在泌尿外科中研究最多的应用之一,其理解在临床上很重要,并且与新的和更好的激光技术的出现有关。最后,激光能量的光学传输是激光技术的一个重要组成部分,对可以使用的激光类型、如何使用以及泌尿科仪器和设备都有影响。在本章中,我们总结了有关激光物理的要点,这应该证明对泌尿科医生有用,因为它适用于结石病。随着研究人员对泌尿外科激光物理特性的深入了解,进一步的进步将使泌尿外科激光更安全、更高效。