CN102281830A - 用于激光碎石的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于通过激光能量破坏/烧蚀石块、结石、或其他硬质物质的系统和方法。因此，可进行若干重要的医学治疗，尤其是碎石。所述系统包括发射至少一个波长的二极管激光源、将激光辐射传送至所述治疗位置的一个或多个光纤、以及用于在所述石块(结石)周围产生液体环境的液体递送系统。所述激光装置发射至少一个下述波长，其在所述周围/覆盖介质中被高度吸收，从而引起导致石块/结石破坏的蒸发和空化效应。可使用不同的辐射构造。在一个实施例中，使用连续辐射来产生能够破坏硬质物质的无火花等离子体气泡。在另一个实施例中，使用高峰值功率脉冲辐射。优选1470nm、1940nm、或1550nm的波长。另外，其可与在水中具有中等吸收的另一个波长(例如980nm)结合使用。在另一个实施例中，使用同轴双芯纤维，其中灼烧辐射被引导在近单模内芯中并且用于维持和增强脉冲的辐射被引导到周围第二外芯中。在另一个优选实施例中，多个光纤的使用允许在较短时间段内治疗较大的结石。在另一个优选实施例中，将冷却液体提供至冲击位置以进一步降低结石的加热升温，从而减小由结石碎片固定和加热能量引起的组织损伤风险。利用这些较安全且改进的方法和系统，可在较短的治疗时间内完成改善的碎石治疗，其破坏较大范围的结石并且具有较小的组织损伤风险以及较小的医生和病人压力。

Description

用于激光碎石的方法和装置
根据35USC 119(e)的国内优先权。
本专利申请要求Leonardo Cecchetti、Walter Cecchetti、和WolfgangNeuberger于2008年12月2日提交的、名称为“Method and Device for LaserLithotripsy”的美国临时专利申请序列号61/119,190，以及另外由LeonardoCecchetti、Walter Cecchetti、和Wolfgang Neuberger于2009年12月1日提交的、名称为“Method and Device for Laser Lithotripsy”的美国序列号12/628,634的利益和优先权，上述专利均以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及用于激光治疗中的微创装置和方法。更具体地讲，本发明涉及基于激光辐射的碎石技术。
背景技术
结石或石块为材料(通常为在体内器官或管道中形成的矿物盐)凝结的结果。它们可通过若干机制引起多种医学疾病：
-刺激附近组织，从而导致疼痛、肿胀、和炎症。
-栓塞开口或管道，从而干扰正常流动并破坏所涉及器官的功能。
-因破坏正常流动而导致易于感染。
最普通的类型为存在于泌尿道(主要为肾脏或膀胱)内的肾脏结石(也称为肾结石)和形成于胆囊内的胆结石。
在医学中存在若干治疗结石的方法。上泌尿道中的多种结石是利用体外冲击波碎石术(ESWL)治疗的。ESWL尝试利用外部施加的、聚焦的、高强度的机械(声)脉冲打碎结石。体外碎石术对于小直径结石而言效果最佳。对于不太适合这种模式的那些结石而言，指定内窥镜治疗。内窥镜碎石术是指可观察结石并且同时施加某种形式的能量以将结石打碎成可引出或可通过的碎片。输尿管镜检查术为观察上泌尿道结石的最常用方法。作为另外一种选择，也可将经皮检查技术用于肾脏结石上。
用于内窥镜碎石机中的能量源包括超声、电动液压、和机械装置、以及各种激光。
激光碎石术首先于20世纪80年代晚期引入商业中，其基于下述事实，即脉动光能、通过光纤递送、转换成形式为空化气泡(与冲击波的产生相关)的机械能。这种机械能适用于破坏结石。其为通过待粉碎结石表面上的等离子体形成物支持的过程。将具有高峰值功率辐射的激光脉冲通过非常细的光纤传送至结石表面。如果结石或周围液体吸收辐射并且功率密度超过特定阈值，则产生等离子体形成物。通过在物质快速增长下离子化产生的等离子体产生与空化和冲击波效应相关的火花气泡。等离子体和空化现象与光热烧蚀效应相关；等离子体气泡的内部温度具有数千度，并且空化效应的存在与通过冲击波产生的典型噪声相关。
所使用的第一激光为脉冲-染料激光，其发射穿过光学石英纤维递送的504nm的光。该激光为非热激光，其在纤维尖端与结石之间产生等离子体，从而利用光声效应打碎结石。例如，在美国专利号5,071,422中，Watson等人公开了利用脉冲-染料激光治疗结石、石块、和钙化组织的方法。但是如果染料激光辐射未被结石吸收，将不会产生等离子形成物并且激光碎石术将为无效的。由于使用脉冲-染料激光源，通常需要频繁的维护，因为该源不是固态激光器。
作为另外一种选择，翠绿宝石激光器已用于碎石，其发射极短的脉冲宽度。例如，在美国专利号5,009,658中，Damgaard-Iversen等人公开了双频激光碎石机，其发射得自翠绿宝石激光器的两个不同波长。这种激光器的使用因在其波长范围内的不利吸收而造成不良结果。
已使用Nd:YAG激光器获得了良好结果。例如，在美国专利号4,960,108中，Reichel使用清洗金属化合物的液体，其被递送到靶结石周围并且利用Nd:YAG激光器照射。然而，该技术与其他激光技术相比缺乏精确性。由于需要使用高峰值功率，因此另一个缺陷在于，如果纤维的远端与结石相接触则其可被损坏。
为了克服这些缺点中的一些，产生了钬:YAG激光器，其为使用2150nm波长的热激光器。能量是通过低水密度石英纤维递送的。例如，Hoang在美国专利号5,860,972中公开了利用Ho:YAG激光器检测和破坏泌尿结石的方法。这些激光器与此前所述的技术相比具有更高的精确性并且更加有效。然而，这种激光器的一个重要缺陷为所产生的能量对于结石和软组织具有同等强力的效果。此外，尺寸和成本为有待考虑的重要问题。二极管激光器与离子晶体激光器相比具有许多优点。其中它们在减小的尺寸和重量下具有较高的输出。它们还具有较简单和较小的空气冷却系统。此外，由于与光纤一体化，它们具有高可靠性并且不需要对齐。
当应用现有技术的激光碎石技术时，连续冲击波压力脉冲导致直接的剪切力以及围绕结石的空化气泡，其将结石打碎成较小碎片，所述碎片随后可容易地穿过输尿管或胆囊管。该过程可需要大约一小时。这对于医生和病人而言可为乏味且有压力的。本发明可更有效地打碎结石，因此降低干预的持续时间。
由于现有碎石技术的缺点和不足，因此需要提供快速、安全、以及更经济的替代技术的装置以解决它们的缺陷。
发明内容
本发明的目的为提供用于破坏/烧蚀结石或其他硬质物质的较安全和较有效的方法和装置。
本发明的目的为提供用于碎石治疗的较安全和较有效的方法和装置。
另外本发明的目的为提供包括组合或单一发射波长的激光装置，其中所述波长中的至少一个在围绕/覆盖结石或硬质物质的介质中被高度吸收，从而产生蒸发和空化作用来破坏结石。
本发明的另一个目的为提供用于碎石治疗的较快和较精确方法，其使用多个光纤以及一个或多个波长。
本发明的另一个目的为提供用于碎石的较安全方法，其通过限制结石的加热升温来减小周围组织损伤。
本发明的另一个目的为提供较安全且改进的方法和装置，通过所述方法和装置可在较短的治疗时间内完成改善的碎石治疗，其破坏较大范围的结石并且具有较小的组织损伤风险以及较小的医生和病人压力。
简而言之，本发明提供了用于通过激光能量破坏/烧蚀石块、结石、或其他硬质物质的系统和方法。因此，可进行若干重要的医学治疗，尤其是碎石。该系统包括发射至少一个波长的二极管激光源、将激光辐射传送至治疗位置的一个或多个光纤、以及用于在石块(结石)周围产生液体环境的液体递送系统。激光装置发射至少一个下述波长，其在周围/覆盖介质中被高度吸收从而引起导致石块/结石破坏的蒸发和空化效应。可使用不同的辐射构造。在一个实施例中，使用连续辐射来产生能够破坏硬质物质的无火花等离子体气泡。在另一个实施例中，使用高峰值功率脉冲辐射。优选1470nm、1940nm、或1550nm的波长。另外，其可与在水中具有中等吸收的另一个波长(例如980nm)结合使用。在另一个实施例中，使用同轴双芯纤维，其中灼烧辐射被引导在近单模内芯中并且用于维持和增强脉冲的辐射被引导到周围第二外芯中。在另一个优选实施例中，多个光纤的使用允许在较短时间段内治疗较大的结石。在另一个优选实施例中，将冷却液体提供至冲击位置以进一步降低结石的加热升温，从而减小由结石碎片固定和加热能量引起的组织损伤风险。利用这些较安全且改进的方法和系统，可在较短的治疗时间内完成改善的碎石治疗，其破坏较大范围的结石并且具有较小的组织损伤风险以及较小的医生和病人压力。
通过阅读下述说明并结合附图，本发明的上述和其他目的、特征、以及优点将变得显而易见。
附图简述
图1示出了本发明的优选实施例，其中碎石治疗装置包括激光源和光纤。
图2示出了本发明的优选实施例，其中碎石治疗装置包括激光源，所述激光源包括发射至少两个不同波长的两个模块。
图3示出了本发明的优选实施例，其中示出了包括激光源和具有多个光纤的光纤组的碎石治疗装置。
图4示出了本发明的优选实施例的示意图，其中碎石治疗装置包括激光辐射源、光纤、和冷却液体递送系统。
图5示出了本发明的优选实施例的图示，其中碎石治疗装置包括激光源、一个或多个光纤、和液体递送系统。
具体实施方式
如在本发明中所述，现有技术的缺陷和问题可通过激光碎石技术来克服，所述激光碎石技术利用得自一个或多个二极管激光源的激光能量在液体环境中产生烧蚀和空化效应来破坏结石。如在下文进一步所述，该技术与先前方法相比提供一些重要的优点，即，较短的治疗时间、较大范围结石的破坏、较小的组织损伤风险、以及较小的医生和病人压力。另外值得论述的是，该技术并不限于肾脏和胆囊结石，而且其可用于破坏生物材料、组织、血管或体腔内的任何沉积，因为如此前所述，周围组织的热损伤为极小的。优选使用连续波激光源来实现有效的结石碎裂，因而公开了新型治疗概念。因此，产生具有高能量的热烧蚀效应，从而能够粉碎中等硬度的结石。
本发明公开了用于安全且有效破坏/烧蚀结石(碎石)或其他硬质物质的改进方法和装置。该装置包括发射至少一个波长的二极管激光源、将激光辐射传送至治疗位置的一个或多个光纤、以及用于在结石周围产生液体环境的液体递送系统。激光装置发射至少一个在递送液体中被高度吸收的波长(优选以连续波模式)，以便引起导致结石破坏的蒸发和空化效应。
当将高度吸收的辐射施用至水性介质时，水分子得到高度和快速加热。这种及其高速和即时的加热引起快速蒸汽膨胀从而产生等离子体气泡，其在几毫米之外且在几毫秒之后破裂，因而产生破裂声。接下来，在另一个几秒之后，重复该过程并且可听到破裂声，其是由气泡的生长和破裂产生的。这些气泡的内部温度超过一千度。因此，它们具有相当大的热烧蚀效果并且还在周围的水中释放其热能。当使用以连续模式发射1470nm(作为优选参数)的二极管激光器时，浸于液体介质中的纤维尖端产生高能气泡，其在研究之后经观察为等离子体气泡。这些等离子体气泡存在偶尔的火花(通常在使用具有短脉冲的Ho:YAG激光器时存在，T＜350μsec)，因此将其称为“不闪火花”或“无火花”的等离子体气泡。这些无火花等离子体气泡在结石上产生高光热效应同时具有极小的光机械效应。
因此，可通过使用连续波源产生等离子体气泡，以便能够产生具有高能的热烧蚀效应。与仅公开脉冲激光源的现有技术中所述的成果相比，这为新型概念。
图1示意性地示出了优选实施例，其中碎石治疗系统100包括激光源102和光纤104。光纤104设置为靠近待粉碎的结石/硬质物质106。光纤位置可通过超声或内窥镜进行评价。一旦就位后，将光纤104的近端连接至激光源102，所述激光源的辐射通过光纤104传送至治疗位置。激光源102发射至少一个下述波长，其在围绕/覆盖结石/硬质物质106的液体108中被高度吸收，从而引起导致结石106破坏的蒸发和空化效应。优选的是，使用连续波辐射来增强空化效应。
图2示出了本发明的另一个优选实施例，其中碎石治疗系统200包括激光源202，所述激光源又包括发射两个不同波长的两个模块。模块210发射波长λ1，其在在围绕/覆盖结石/硬质物质206的液体208中被高度吸收，从而引起导致结石206破坏的蒸发和空化效应。模块212发射任何可用的波长λ2，以便增强或补充由模块210引起的效应。例如，波长λ2可为980nm，其具有有效的强化止血效应。根据这种概念，可应用发射不同波长的不止两个模块，从而利用它们的特性中的每一个。
例如，可论述使用本发明原型(COMBO激光器)的具有组织学结果的临床试验和体外测试，其已证明组合两个波长(尤其是1470nm和980nm的二极管激光器)的有效性，从而用于实现所需组织效应的有效火花等离子体形成。当通过浸于水中的细光纤传送1470nm波长时，所述波长在低至2w的发射功率(600um的芯纤维中)的阈值水平下产生无火花等离子体气泡。通过1470nm产生的气泡能够快速烧蚀具有薄凝结物的软组织以及使硬质组织破裂。980nm波长在血液中具有优异的吸收性并且在水中具有较差的吸收性。其可产生与止血效应相关的组织汽化以及透明变白。组织上的渗透为大约2-3mm。利用COMBO激光器，1470nm波长在浸于水中的纤维尖端产生等离子体气泡。当在同一纤维中同时发射的980nm波长进入等离子体气泡时，其大约70％被吸收并且剩余的30％离开等离子体气泡。因此，980nm能量的70％转换成等离子体，并且这种波长的70％用作由1470nm波长产生的等离子体气泡的泵。980nm的剩余30％到达组织并且可产生进一步的内环境稳定。为了进一步例证这种情况，在980nm处测定以100W、75W功率发射并且在1470nm处测定以29W功率发射的COMBO激光器。当利用浸于水中的纤维递送100W时，在纤维尖端产生等离子体气泡并且从等离子体气泡离开的剩余的980nm的测定值为16W。等离子体气泡的功率供应为980nm的70％，其在1470处为大约60W和28W。因此，等离子体气泡由这两种辐射(980+1470nm)泵浦，并且980nm的剩余辐射可用于交叠等离子体气泡以改善止血效应。
临床和体外试验因而表明，在1470nm波长的低功率下可产生等离子体气泡，并且在具有较低成本和较高效率的980nm波长处，可实现这种等离子体气泡的放大和增长。
附加试验已表明，对于COMBO激光器，使用1000um的锥形纤维和120W的功率，在1470nm处测定值为35W并且在980nm处测定值为93W。
在另一个优选实施例中，可使用激光源的其他组合实现二极管泵浦激光装置，以便使用等离子体灼烧装置和脉冲功能装置来产生等离子体。例如，使用双芯纤维，其中灼烧辐射被引导在单模芯中并且用于维持和增强脉冲的辐射被引导到周围第二芯中。单模或近单模辐射来自在1550nm处泵浦的或q转换的纤维激光器以及泵浦绿色激光的二极管的纤维细长脉冲，并且用于脉冲维持和增强的辐射(其为能量的主要部分)将来自二极管激光器。1550nm脉冲可产生自915-980或1480激光二极管泵。
图3示出了本发明的另一个优选实施例，即包括激光源302以及相连光纤组314的碎石治疗系统300。包括多个光纤304的光纤组314设置为靠近待粉碎的结石/硬质物质306。光纤组314中的每个光纤304设置在结石/硬质物质306周围，以便从多个位置施加靶激光辐射，从而导致有效的结石粉碎。当试图在较短时间段内破坏较大结石时这种构造为有效的，其中对于这种情况一个光纤可为不足的。激光源302发射至少一个下述波长，其在围绕/覆盖结石/硬质物质306的液体308中被高度吸收，从而引起导致结石/硬质物质306破坏的蒸发和空化效应。
图4示出了本发明的另一个优选实施例，其中碎石治疗系统400包括激光源402和两通道导管418，通过所述两通道导管插入光纤404和用于冷却液体注射的管416。光纤404和冷却液体注射管416设置为靠近待粉碎的结石406。一旦就位后，将光纤404的近端连接至激光源402并且将冷却液体注射管416连接至含有冷却液体的容器，例如，注射器或血清袋。然后使冷却液体流入围绕结石/硬质物质406的区域以产生围绕其的浸渍/覆盖介质408。紧接下来或同时，将来自激光源402的辐射通过光纤404传送至治疗位置。将冷却液体提供至冲击位置以进一步降低结石的加热升温，从而减小由结石碎片固定和加热能量引起的组织损伤风险。激光装置402优选发射下述波长，其在递送液体中被高度吸收，从而增强导致有效石块破坏的蒸发和空化效应。
图5示出了碎石治疗系统500的另一个优选实施例，其包括激光源502和两通道导管518，通过所述两通道导管插入发射两个波长λ1和λ2或更多波长的光纤组514以及用于冷却液体注射的管516。该实施例汇集了前述实施例中提及的全部有利特征，即，围绕靶结石/硬质物质506的多个光纤、两个发射波长λ1和λ2或者更多个波长以实现最佳结果、以及用于减小组织损伤风险的液体递送系统516。
实施例1
将具有400μm纤维的1470nm二极管激光源用于草酸钙、尿酸和胱氨酸泌尿结石的碎石。使用高峰值功率的脉冲辐射以实现将聚焦高强度能量转换成机械能，其形式为与冲击波的出现相关的空化气泡。这种机械能适用于破坏结石。利用20W的功率以及包括将功率打开1.0秒和该功率关闭0.3秒的脉冲来实现良好的碎石。
表I示出了在体外利用1470nm二极管激光器进行试验的结果。对于不同类型的纤维，在纤维尖端测定用于实现等离子体形成的功率阈值。
  纤维   阈值
  1000μm具有平坦尖端   3W
  1000μm具有锥形尖端   4W
  600μm侧向发射   3W
  600μm具有平坦尖端   2W
  400μm具有平坦尖端   1W
表I.等离子体形成的功率阈值
实施例2
1470nm和1940nm的波长在水中被高度吸收；这些辐射在纤维尖端处产生具有光热和空化效应的高能气泡。据此，通过下述条件来进行体外试验，即使用发射1470nm和1940nm的波长组合的二极管源并且纤维尖端在连续波辐射情况下浸于水中，以便尽力实现泌尿结石粉碎。实验中在纤维尖端产生称为“不闪火花或无火花的等离子体气泡”的光热气泡，其能够破坏泌尿结石并且也能够烧蚀腔内泌尿外科学中的软组织。结石在周围水中无显著热量增加的情况下被破坏。获得了中等硬度的泌尿结石的完全破坏以及胱氨酸结石的显著侵蚀。
已参照附图描述了本发明的优选实施例，但应当理解，本发明并不限于所述精确实施例，并且其中在不脱离如所附权利要求所定义的本发明的范围或精神的前提下，本领域的技术人员可进行各种变化和修改。

Claims (14)

1.一种用于从泌尿道中通过微创方法破坏和移除肾脏石块、结石等(硬质物质)的激光系统，包括：激光器、至少一个光纤、和进入所述泌尿道的装置；其中所述激光器发射至少一个在围绕所述硬质物质的介质中被高度吸收的波长。
2.根据权利要求1所述的激光系统，其中所述激光器以连续波模式发射。
3.根据权利要求1所述的激光系统，还包括：在发射激光之前提供介质以围绕所述硬质物质的装置，其中所述介质和所述激光器波长选定为相容的。
4.根据权利要求1所述的激光系统，其中所述激光器为工作在约980±60nm、1470±60nm、或1940±60nm处的二极管激光器。
5.根据权利要求1所述的激光系统，其中所述至少一个光纤具有同芯结构，其中一个激光器波长在内芯中穿行并且第二波长在外芯中传输。
6.根据权利要求4所述的激光系统，其中所述优选波长中的至少两个进行组合使用：980n和1470nm；980nm和1940nm；或者1470nm和1940nm。
7.根据权利要求1所述的激光系统，其中一个激光器为纤维激光器并且第二激光器为所述纤维激光器的泵浦激光器，并且其中来自两个激光器的光束通过所述至少一个光纤传输。
8.根据权利要求7所述的激光系统，其中所述至少一个光纤具有同芯结构，其中所述纤维激光器波长在内芯中穿行并且泵浦激光器波长在外芯中传输。
9.根据权利要求7所述的激光系统，其中所述纤维激光器在约1550nm处发射，并且所述泵浦激光器在约915-980nm或约1480nm处发射。
10.根据权利要求1所述的激光系统，其中使用多个光纤，所述多个光纤设置在所述靶硬质物质周围以加速其破坏。
11.根据权利要求7所述的激光系统，其中使用多个光纤，所述多个光纤设置在所述靶硬质物质周围以加速其破坏。
12.根据权利要求3所述的激光系统，其中所述介质递送装置用于将冷却液体提供至所述治疗位置。
13.一种用于激光碎石的微创方法，其使用根据权利要求1所述的激光系统来产生无火花等离子体气泡，所述无火花等离子体气泡在泌尿道中以快速、安全、有效的方式来破坏硬质物质阻塞物。
14.根据权利要求13所述的用于激光碎石的方法，其中所述冷对液体针对靶硬质物质以便减小得自热能的组织损伤风险或者所述破坏阻塞物的有害粉碎/固定。
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