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Untersuchungen zur laserinduzierten Lithotripsie
Untersuchungen zur laserinduzierten Lithotripsie
Die laserinduzierte Lithotripsie ist eine endoskopische Methode zur Behandlung von Harnsteinleiden. Sie steht in direkter Konkurrenz zur extrakorporalen Stoßwellenlithotripsie (ESWL) und der perkutanen Nephrolitholapaxie (PCNL). Bei der laserinduzierten Lithotripsie wird gepulstes Laserlicht über einen Lichtwellenleiter im Arbeitskanal eines Endoskops direkt auf den Harnstein geleitet und sorgt dort aufgrund photothermischer und mechanischer Effekte für die Zerkleinerung des Steines. Der Ho:YAG Laser (λ: 2.1 μm) gilt aufgrund der hohen Absorption dieser Wellenlänge in Wasser (α: 2.78 mm-1) und der guten Transmission der mittleren-Infrarotstrahlung in Low-OH Glasfasern als Goldstandard für diese Vorgehensweise in der Steintherapie. Die eingebrachte Laserenergie bewirkt aber auch eine Krafteinwirkung auf den Stein und umliegende Fragmente was zu einer Steinbewegung führt (Propulsion). Durch die Propulsion können zurückgestoßene Fragmente schwer auffindbar sein oder die Operation aufgrund zeitintensiven Nachführens des Endoskops erschweren. Dies kann einerseits zu einer erhöhten Rezidivrate durch Fragmentreste oder zu insgesamt längeren Operationszeit führen. Daher wurde ein modellhafter Aufbau zur Quantifizierung von Fragmentierungsraten und Propulsionseinflüssen durch Variation der Laserparameter (Energie pro Puls, Repetitionsrate und optische Pulslänge) bei der Ho:YAG laserinduzierten Lithotripsie entwickelt. Des Weiteren wurden die Fluoreszenzeigenschaften von humanen Nierensteinen mittels spektraler Fluoreszenzmikroskopie bei unterschiedlichen Anregungswellenlängen betrachtet, mit dem Ziel das Auffinden von Steinen und Fragmenten technisch zu vereinfachen. Zur Quantifizierung der Abtragsraten wurde ein Messaufbau konstruiert und im Rahmen von Untersuchungen systematisch verschiedene Laserparameter (Energie (E): 0.5 J/Puls - 2.5 J/Puls, Repetitionsraten (f): 10 Hz - 80 Hz, optische Pulsdauer (t) 0.3 ms - 4 ms an künstlichen Steinen (Bego, Mischverhältnis 15:4, Kantenlänge 5 mm) bewertet. Bei der Fragmentierung (Ablation) wurde insbesondere das sogenannte “Dusting” untersucht. Hierbei ist das Ziel den Stein aufgrund geschickt gewählter Laserparameter zu zerstäuben (Fragmente < 1 mm) und direkt mit den Spülstrom auszuwaschen. Die Untersuchung der Propulsion erfolgte mit einem Messaufbau, bestehend aus einem Plexiglasröhrchen mit einer konisch zulaufenden Innenbohrung (Ø: 8 mm), welches als Führung für den durch bodenseitige Laserapplikation nach oben beschleunigten künstlichen Stein dient. Aufgrund von Hydrodynamik und Schwerkraft wird der Stein in seine Ausgangsposition zurückgebracht. Diese Steinbewegung wird mit einer High-Speed-Kamera (1000 Bilder/s) aufgenommen und per Software in ein Bewegungsprofil umgewandelt. Durch Bestimmung der Steigung für jede der aufsteigenden Flanken, respektive der mittleren Geschwindigkeit in diesem Zeitintervall, kann eine Quantifizierung der Propulsion erreicht werden. Von Patienten stammende Harnsteine wurden mit einem Fluoreszenzmikroskop in vitro für die Anregungswellenlängen (400±5) nm, (450±10) nm und (550±5) nm auf ihre Fluoreszenz untersucht. Das remittierte Fluoreszenzlicht durchlief vor der spektralen Detektion je nach Anregungslicht verschiedene Langpassfilter (λ > 470 nm, λ > 520 nm, λ > 590 nm). Zusätzlich wurde in vivo die Fluoreszenzantwort zweier Nierensteine während einer OP bei grüner Anregung (λ = 500- 570 nm) im Spektralbereich oberhalb 610 nm mit einem Endoskopkamerasystem beobachtet. Die optischen Gewebeeigenschaften, Absorption und reduzierte Streuung, wurden am Schweinemodell (Leber, Lunge, Gehirn, Muskel) über ortsaufgelöste Remissions- und Ulbrichtkugelmessungen bestimmt. Die Bestimmung der optischen Eigenschaften von sezierten und homogenisierten Gewebeproben am Schweinemodell fokussierte sich auf die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse für diese beiden Präparationsmethoden. Neue Ho:YAG Lasersysteme mit vier Laserkavitäten bieten eine große Variation an Laserparametern: Repetitionsraten bis zu 100 Hz, Pulsenergien bis 6 J und Pulslängen von bis zu 4 ms. Durch die hohen eingebrachten mittleren optischen Leistungen (bis zu 120 W) können Kollateralschäden an umliegenden Geweben entweder durch direkten Laserbeschuss oder durch die Erhitzung des Gemisches aus Harn und Spülflüssigkeit kommen. Die durchgeführten Experimente zur Bestimmung der optischen Eigenschaften sind auch für Laserlicht den mittleren Infrarotbereich anwendbar, bilden die Basis für Untersuchungen zu möglichen Kollateralschäden bei medizinischen Laseranwendungen und können somit wichtige Anhaltspunkte für zukünftige technische Entwicklung von medizinischen Lasergeräten mit sich bringen.
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Eisel, Maximilian
2019
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Eisel, Maximilian (2019): Untersuchungen zur laserinduzierten Lithotripsie. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Die laserinduzierte Lithotripsie ist eine endoskopische Methode zur Behandlung von Harnsteinleiden. Sie steht in direkter Konkurrenz zur extrakorporalen Stoßwellenlithotripsie (ESWL) und der perkutanen Nephrolitholapaxie (PCNL). Bei der laserinduzierten Lithotripsie wird gepulstes Laserlicht über einen Lichtwellenleiter im Arbeitskanal eines Endoskops direkt auf den Harnstein geleitet und sorgt dort aufgrund photothermischer und mechanischer Effekte für die Zerkleinerung des Steines. Der Ho:YAG Laser (λ: 2.1 μm) gilt aufgrund der hohen Absorption dieser Wellenlänge in Wasser (α: 2.78 mm-1) und der guten Transmission der mittleren-Infrarotstrahlung in Low-OH Glasfasern als Goldstandard für diese Vorgehensweise in der Steintherapie. Die eingebrachte Laserenergie bewirkt aber auch eine Krafteinwirkung auf den Stein und umliegende Fragmente was zu einer Steinbewegung führt (Propulsion). Durch die Propulsion können zurückgestoßene Fragmente schwer auffindbar sein oder die Operation aufgrund zeitintensiven Nachführens des Endoskops erschweren. Dies kann einerseits zu einer erhöhten Rezidivrate durch Fragmentreste oder zu insgesamt längeren Operationszeit führen. Daher wurde ein modellhafter Aufbau zur Quantifizierung von Fragmentierungsraten und Propulsionseinflüssen durch Variation der Laserparameter (Energie pro Puls, Repetitionsrate und optische Pulslänge) bei der Ho:YAG laserinduzierten Lithotripsie entwickelt. Des Weiteren wurden die Fluoreszenzeigenschaften von humanen Nierensteinen mittels spektraler Fluoreszenzmikroskopie bei unterschiedlichen Anregungswellenlängen betrachtet, mit dem Ziel das Auffinden von Steinen und Fragmenten technisch zu vereinfachen. Zur Quantifizierung der Abtragsraten wurde ein Messaufbau konstruiert und im Rahmen von Untersuchungen systematisch verschiedene Laserparameter (Energie (E): 0.5 J/Puls - 2.5 J/Puls, Repetitionsraten (f): 10 Hz - 80 Hz, optische Pulsdauer (t) 0.3 ms - 4 ms an künstlichen Steinen (Bego, Mischverhältnis 15:4, Kantenlänge 5 mm) bewertet. Bei der Fragmentierung (Ablation) wurde insbesondere das sogenannte “Dusting” untersucht. Hierbei ist das Ziel den Stein aufgrund geschickt gewählter Laserparameter zu zerstäuben (Fragmente < 1 mm) und direkt mit den Spülstrom auszuwaschen. Die Untersuchung der Propulsion erfolgte mit einem Messaufbau, bestehend aus einem Plexiglasröhrchen mit einer konisch zulaufenden Innenbohrung (Ø: 8 mm), welches als Führung für den durch bodenseitige Laserapplikation nach oben beschleunigten künstlichen Stein dient. Aufgrund von Hydrodynamik und Schwerkraft wird der Stein in seine Ausgangsposition zurückgebracht. Diese Steinbewegung wird mit einer High-Speed-Kamera (1000 Bilder/s) aufgenommen und per Software in ein Bewegungsprofil umgewandelt. Durch Bestimmung der Steigung für jede der aufsteigenden Flanken, respektive der mittleren Geschwindigkeit in diesem Zeitintervall, kann eine Quantifizierung der Propulsion erreicht werden. Von Patienten stammende Harnsteine wurden mit einem Fluoreszenzmikroskop in vitro für die Anregungswellenlängen (400±5) nm, (450±10) nm und (550±5) nm auf ihre Fluoreszenz untersucht. Das remittierte Fluoreszenzlicht durchlief vor der spektralen Detektion je nach Anregungslicht verschiedene Langpassfilter (λ > 470 nm, λ > 520 nm, λ > 590 nm). Zusätzlich wurde in vivo die Fluoreszenzantwort zweier Nierensteine während einer OP bei grüner Anregung (λ = 500- 570 nm) im Spektralbereich oberhalb 610 nm mit einem Endoskopkamerasystem beobachtet. Die optischen Gewebeeigenschaften, Absorption und reduzierte Streuung, wurden am Schweinemodell (Leber, Lunge, Gehirn, Muskel) über ortsaufgelöste Remissions- und Ulbrichtkugelmessungen bestimmt. Die Bestimmung der optischen Eigenschaften von sezierten und homogenisierten Gewebeproben am Schweinemodell fokussierte sich auf die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse für diese beiden Präparationsmethoden. Neue Ho:YAG Lasersysteme mit vier Laserkavitäten bieten eine große Variation an Laserparametern: Repetitionsraten bis zu 100 Hz, Pulsenergien bis 6 J und Pulslängen von bis zu 4 ms. Durch die hohen eingebrachten mittleren optischen Leistungen (bis zu 120 W) können Kollateralschäden an umliegenden Geweben entweder durch direkten Laserbeschuss oder durch die Erhitzung des Gemisches aus Harn und Spülflüssigkeit kommen. Die durchgeführten Experimente zur Bestimmung der optischen Eigenschaften sind auch für Laserlicht den mittleren Infrarotbereich anwendbar, bilden die Basis für Untersuchungen zu möglichen Kollateralschäden bei medizinischen Laseranwendungen und können somit wichtige Anhaltspunkte für zukünftige technische Entwicklung von medizinischen Lasergeräten mit sich bringen.