Ho∶YAG激光照射对兔胃与结肠的作用
作者：毛永平 黄英才
单位：毛永平 黄英才(解放军总医院消化科北京市，100853)
关键词：激光；内镜术，胃肠道
中国激光医学杂志990106摘要
目的 探讨Ho∶YAG激光在消化系统疾病内镜治疗中的应用价值。
方法 采用Ho∶YAG激光对新西兰白兔的胃和结肠组织进行在体照射，观察其汽化切割和止血特性及组织损伤病理特点，用计算机图像分析系统精确测量其热损伤带宽度，并通过重量丢失实验检测其可控性。
结果 Ho∶YAG激光具有精细的组织切割和可靠的止血特性，其热损伤带宽度为400～800 μm，且不受能量脉冲设置、照射时间、照射方式及液体介质等照射条件的影响，组织重量丢失与激光总能量之间呈良好的线性关系，具有良好的可控性。
, 百拇医药
结论 Ho∶YAG激光是用于消化系统疾病内镜治疗的安全、有效的理想激光。
Effects of Ho∶YAG Laser Irradiation on the Rabbit Stomach and Colon in Vivo
MAO Yongping, HUANG Yingcai
Department of Gastroenterology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853
ABSTRACT
Objective To evaluate the endoscopic use of Ho∶YAG laser in the treatment of gastrointestinal diseases.
, 百拇医药
Methods Tissue effects of a Ho∶YAG laser operating at a wavelength of 2.1 μm with a maximum power of 15 W and 10 different energy pulse settings were systemically evaluated on stomach and colon in vivo in the New Zealand rabbits. Microscopic examination, computer image analysis and mass loss experiments were performed.
Results Microscopic examination and computer image analysis of the irradiated tissues revealed that zones of thermal damage extended 400-800 μm from ablation sites, which is not affected by different exposure conditions including energy pulse settings, exposure time, irradiation distance and fluid media. Mass loss experiments showed that the tissues mass loss increased linearly with delivered radiant exposure.
, http://www.100md.com
Conclusions Our findings indicate that Ho∶YAG laser produces less thermal damage in the surrounding tissues than current widely used endoscopic laser systems such as continuous wave Nd∶YAG laser, and the ablation rate can be precisely controlled, and the Ho∶YAG laser may become a promising alternative means for endoscopic laser therapy of digestive diseases.
Key words Lasers; Endoscopy, Gastrointestinal
随着内镜技术和激光技术的不断发展，激光已逐渐成为消化系统疾病内镜治疗的重要手段，但目前临床上常用的激光机用于内镜治疗尚不够理想。如Nd∶YAG激光组织穿透深、热损伤范围大，对于某些病变如结肠广基息肉，因结肠管腔壁薄，汽化切割时易发生穿孔，使其应用受到一定的限制。又如CO2激光虽然在组织中吸收较好，热弥散范围小，治疗时造成的热损伤带较窄，具有良好的组织切割特性，但因它不能通过现有的石英光导纤维进行传递而无法用于内镜治疗。此外，氩激光和磷酸钛钾倍频Nd∶YAG(KTP)激光因受组织色素和血红蛋白的影响，且能量较低，在内镜治疗中的应用也受到限制。Ho∶YAG激光是一种新型激光，自问世以来已逐渐应用于泌尿外科[1,2]、妇产科[3]、眼科[4]及骨科[5]等领域。在这些领域的研究表明，其汽化、切割效果均优于上述各种激光。但Ho∶YAG激光在消化系统的应用情况迄今报道甚少。我们拟通过动物实验，观察胃和结肠组织对Ho∶YAG激光的反应特性，分析Ho∶YAG激光在消化系统疾病内镜治疗中的可行性、安全性、可控制性及其应用价值。
, 百拇医药
材料和方法
一、实验仪器
1.钬激光机，波长2.1 μm，脉宽250 μs，最大平均输出功率15 W，脉冲峰值功率6 kW，脉冲频率5～20 Hz，可调增值5 Hz，脉冲能量0.5～2.0 J，可调增值0.5 J；指示光为同轴He-Ne激光，波长632.8 nm；采用低含水量的石英光导纤维传输，直径400 μm。实验前激光机的各项技术指标均经生产厂家的专业技术人员检测校准。
2.德国IBAS 2000型计算机图像分析系统。
二、实验动物
成年雄性新西兰白兔30只，体重2.5～3.5 kg。
三、实验方法
, 百拇医药 1.热损伤带宽度测定 新西兰白兔用3%戊巴比妥钠溶液(30 mg/kg)静脉麻醉，取仰卧位，腹正中切口，暴露胃和结肠，胃沿大弯侧切开，结肠沿肠系膜对侧缘切开，充分暴露胃粘膜和结肠粘膜，分别以不同能量脉冲设置(本机共有10种)的Ho∶YAG激光进行照射，照射时间分别为1s和
2s，照射方式为接触、准接触(距靶组织0.5 cm)和非接触照射(距靶组织1.0 cm)，分别于有液体(生理盐水)和无液体环境下照射。激光照射后取出胃和结肠，10%福尔马林固定，石蜡包埋，切片，苏木精-伊红染色，于光镜下观察组织损伤的病理特点。采用计算机图像分析系统对病理切片进行热损伤带宽度的测量，每张病理切片均在汽化带的底部和两侧分别测量3次，取平均值作为这份标本热损伤带宽度的测量值。
2.组织切割和凝固实验 采用上述方法充分暴露胃和结肠粘膜，采用不同的能量脉冲设置，于粘膜面进行全层汽化切割，长度约为2 cm，仔细观察切割效果和出血、凝血情况。
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3.重量丢失实验 取小块胃和结肠组织(重约20 g)，分别用Ho∶YAG激光接触照射，输出功率分别为5.0、7.5、10、15 W，总能量分别为500、1 000、1 500、2 000 J。每块标本均于照射前和照射后用分析天平精确称取组织重量，分析组织重量丢失与激光照射总能量之间的关系以及输出功率对重量丢失的影响。
四、统计学处理
动物的选择、不同能量脉冲设置、照射部位的选择及照射顺序的确定均严格遵守随机的原则。热损伤带宽度的检测结果及重量丢失实验的称量结果均采用SAS 6.04版本统计软件分别进行方差分析和直线相关与回归分析。
结果
一、热损伤带宽度的测定
大体观察：胃和结肠的组织反应相似，能量密度为20～50 J/cm2时，无肉眼可见的组织缺损，只是粘膜颜色由淡红色变为白色和棕黄色；能量密度大于50 J/cm2时，即有肉眼可见的汽化割口形成；能量密度大于100 J/cm2时，则割口非常明显，但无穿透浆膜者。
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组织学检查：热损伤带与正常组织的分界非常明显，能量密度低于50 J/cm2时，粘膜表面完整，无组织缺损，表面可见少量炎性渗出物，热损伤带内细胞数目减少，细胞质嗜酸性增强，核固缩、碎裂、消失。能量密度大于50 J/cm2时，可见组织缺损，热损伤带由浅至深表现为：细胞结构消失，可见裸核；细胞数目减少，细胞质嗜酸性增强；核固缩、碎裂、消失。热损伤带内的粘膜肌层和肌层无损伤，粘膜下层充血、淤血，胶原蛋白增粗、嗜碱性变，有的汽化割口深达肌层，但未见有浆膜穿孔者。
计算机图像分析：全部病理切片经计算机图像分析显示，所有照射条件下的组织热损伤带宽度均在400～800 μm之间，脉冲率、脉冲能量的大小、照射时间的长短、照射方式的不同及有无液体介质等因素对热损伤带宽度均无明显影响，胃和结肠组织热损伤带宽度的差异亦无统计学意义。
二、组织切割和凝固实验
用激光汽化切割胃和结肠壁，采用能量脉冲设置为0.5 J/脉冲、20 脉冲/s(10 W)时的止血效果最好，飞溅现象最小。止血效果较差的是低脉冲率设置：0.5 J/脉冲、5 脉冲/s(2.5 W)；
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1.0 J/脉冲、5 脉冲/s(5 W)；1.5 J/脉冲、5 脉冲/s(7.5 W)；0.5 J/脉冲、10 脉冲/s(5 W)。飞溅现象最严重的是0.5 J/脉冲、5 脉冲/s和0.5 J/脉冲、10 脉冲/s。有少量出血者多在1～2 min内自行停止，观察1～2 h均无活动性出血。
三、重量丢失实验
结果显示，组织的重量丢失与激光总能量之间存在良好的线性关系，总能量每增加500 J，组织重量丢失约增加100 mg，在总能量相同的情况下，输出功率的不同对组织重量丢失没有明显影响，说明Ho∶YAG激光的可控性非常好。
讨论
激光用于内镜治疗的前提是它必须能通过石英光导纤维进行传递，现有的石英光导纤维只能传导波长在0.4～2.5 μm范围内的激光。CO2激光波长10.6 μm，不能通过石英光导纤维传递，因而不能用于内镜治疗。虽然有报道能传导CO2激光的光导纤维已试制成功[6,7]，但迄今尚未用于临床。Er∶YAG激光波长2.9 μm，虽然可通过氟化锆纤维传递，但这种纤维质脆、水溶且有毒性，亦不适合于内镜治疗。Ho∶YAG激光波长2.1 μm，能通过现有的石英光导纤维进行传递，故可用于内镜治疗。
, http://www.100md.com
本研究结果显示，Ho∶YAG激光的热损伤带宽度为400～800 μm，且不受能量脉冲设置、照射方式、液体介质和照射时间等照射条件的影响。其光线的组织吸收介于CO2激光和Nd∶YAG激光之间，它产生的热损伤带宽度约为Nd∶YAG激光的1/6，为CO2激光的15倍[8]。CO2激光的热损伤带太窄，对于血管组织较丰富的软组织进行治疗时易发生出血。Ho∶YAG激光的热损伤带虽然也较窄，但在汽化切割时其厚度已足以防止出血，这在本实验中已得到证实。由于Ho∶YAG激光的热损伤带窄且不受照射条件的影响，其组织切割比较精细，较Nd∶YAG激光照射引起穿孔的可能性更小，因而更加安全，加上良好的可控性，比较适合于内镜治疗。总之，Ho∶YAG激光具有精细的组织切割和可靠的止血特性，可控性好，且能通过光导纤维进行传递，是用于内镜治疗安全、有效的理想激光。
参考文献
[1]Kabalin JN. Holmium∶YAG laser prostatectomy canine feasibility study. Lasers Surg Med, 1996, 18:221-224.
, 百拇医药
[2]施虹敏, 朱菁, 戴胜国, 等. Ho∶YAG激光治疗膀胱癌. 中国激光医学杂志, 1998, 2:73-75.
[3]Duffy S, Davis M, Sharp F, et al. Preliminary observations of holmium∶YAG laser tissue interaction using human uterus. Lasers Surg Med, 1992, 12:147-152.
[4]Min K, Leu H, Zweifel K. Quantitative determination of ablation in weight of lumbar intervertebral discs with holmium∶YAG laser. Lasers Surg Med, 1996, 18:187-190.
[5]Buchelt M, Schlangmann B, Schmolke S, et al. High power Ho∶YAG laser ablation of intervertebral discs: effects on ablation rates and temperature profile. Lasers Surg Med, 1995, 16:179-183.
, http://www.100md.com
[6]Bhatta N, Isaacson K, Bhatta KM, et al. Comparative study of different laser systems. Fertil Steril, 1994, 61:581-591.
[7]Baggish MS, ElBakry MM. A flexible CO2 laser fiber for operative laparoscopy. Fertil Steril, 1986, 46:16-20.
[8]Nishioka NS, Domankevitz Y, Flotte TJ. Ablation of rabbit liver, sto-
mach, and colon with a pulsed holmium laser. Gastroenterology, 1989, 96:831-837.
(收稿日期：1998-07-28), 百拇医药
单位：毛永平 黄英才(解放军总医院消化科北京市，100853)
关键词：激光；内镜术，胃肠道
中国激光医学杂志990106摘要
目的 探讨Ho∶YAG激光在消化系统疾病内镜治疗中的应用价值。
方法 采用Ho∶YAG激光对新西兰白兔的胃和结肠组织进行在体照射，观察其汽化切割和止血特性及组织损伤病理特点，用计算机图像分析系统精确测量其热损伤带宽度，并通过重量丢失实验检测其可控性。
结果 Ho∶YAG激光具有精细的组织切割和可靠的止血特性，其热损伤带宽度为400～800 μm，且不受能量脉冲设置、照射时间、照射方式及液体介质等照射条件的影响，组织重量丢失与激光总能量之间呈良好的线性关系，具有良好的可控性。
, 百拇医药
结论 Ho∶YAG激光是用于消化系统疾病内镜治疗的安全、有效的理想激光。
Effects of Ho∶YAG Laser Irradiation on the Rabbit Stomach and Colon in Vivo
MAO Yongping, HUANG Yingcai
Department of Gastroenterology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853
ABSTRACT
Objective To evaluate the endoscopic use of Ho∶YAG laser in the treatment of gastrointestinal diseases.
, 百拇医药
Methods Tissue effects of a Ho∶YAG laser operating at a wavelength of 2.1 μm with a maximum power of 15 W and 10 different energy pulse settings were systemically evaluated on stomach and colon in vivo in the New Zealand rabbits. Microscopic examination, computer image analysis and mass loss experiments were performed.
Results Microscopic examination and computer image analysis of the irradiated tissues revealed that zones of thermal damage extended 400-800 μm from ablation sites, which is not affected by different exposure conditions including energy pulse settings, exposure time, irradiation distance and fluid media. Mass loss experiments showed that the tissues mass loss increased linearly with delivered radiant exposure.
, http://www.100md.com
Conclusions Our findings indicate that Ho∶YAG laser produces less thermal damage in the surrounding tissues than current widely used endoscopic laser systems such as continuous wave Nd∶YAG laser, and the ablation rate can be precisely controlled, and the Ho∶YAG laser may become a promising alternative means for endoscopic laser therapy of digestive diseases.
Key words Lasers; Endoscopy, Gastrointestinal
随着内镜技术和激光技术的不断发展，激光已逐渐成为消化系统疾病内镜治疗的重要手段，但目前临床上常用的激光机用于内镜治疗尚不够理想。如Nd∶YAG激光组织穿透深、热损伤范围大，对于某些病变如结肠广基息肉，因结肠管腔壁薄，汽化切割时易发生穿孔，使其应用受到一定的限制。又如CO2激光虽然在组织中吸收较好，热弥散范围小，治疗时造成的热损伤带较窄，具有良好的组织切割特性，但因它不能通过现有的石英光导纤维进行传递而无法用于内镜治疗。此外，氩激光和磷酸钛钾倍频Nd∶YAG(KTP)激光因受组织色素和血红蛋白的影响，且能量较低，在内镜治疗中的应用也受到限制。Ho∶YAG激光是一种新型激光，自问世以来已逐渐应用于泌尿外科[1,2]、妇产科[3]、眼科[4]及骨科[5]等领域。在这些领域的研究表明，其汽化、切割效果均优于上述各种激光。但Ho∶YAG激光在消化系统的应用情况迄今报道甚少。我们拟通过动物实验，观察胃和结肠组织对Ho∶YAG激光的反应特性，分析Ho∶YAG激光在消化系统疾病内镜治疗中的可行性、安全性、可控制性及其应用价值。
, 百拇医药
材料和方法
一、实验仪器
1.钬激光机，波长2.1 μm，脉宽250 μs，最大平均输出功率15 W，脉冲峰值功率6 kW，脉冲频率5～20 Hz，可调增值5 Hz，脉冲能量0.5～2.0 J，可调增值0.5 J；指示光为同轴He-Ne激光，波长632.8 nm；采用低含水量的石英光导纤维传输，直径400 μm。实验前激光机的各项技术指标均经生产厂家的专业技术人员检测校准。
2.德国IBAS 2000型计算机图像分析系统。
二、实验动物
成年雄性新西兰白兔30只，体重2.5～3.5 kg。
三、实验方法
, 百拇医药 1.热损伤带宽度测定 新西兰白兔用3%戊巴比妥钠溶液(30 mg/kg)静脉麻醉，取仰卧位，腹正中切口，暴露胃和结肠，胃沿大弯侧切开，结肠沿肠系膜对侧缘切开，充分暴露胃粘膜和结肠粘膜，分别以不同能量脉冲设置(本机共有10种)的Ho∶YAG激光进行照射，照射时间分别为1s和
2s，照射方式为接触、准接触(距靶组织0.5 cm)和非接触照射(距靶组织1.0 cm)，分别于有液体(生理盐水)和无液体环境下照射。激光照射后取出胃和结肠，10%福尔马林固定，石蜡包埋，切片，苏木精-伊红染色，于光镜下观察组织损伤的病理特点。采用计算机图像分析系统对病理切片进行热损伤带宽度的测量，每张病理切片均在汽化带的底部和两侧分别测量3次，取平均值作为这份标本热损伤带宽度的测量值。
2.组织切割和凝固实验 采用上述方法充分暴露胃和结肠粘膜，采用不同的能量脉冲设置，于粘膜面进行全层汽化切割，长度约为2 cm，仔细观察切割效果和出血、凝血情况。
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3.重量丢失实验 取小块胃和结肠组织(重约20 g)，分别用Ho∶YAG激光接触照射，输出功率分别为5.0、7.5、10、15 W，总能量分别为500、1 000、1 500、2 000 J。每块标本均于照射前和照射后用分析天平精确称取组织重量，分析组织重量丢失与激光照射总能量之间的关系以及输出功率对重量丢失的影响。
四、统计学处理
动物的选择、不同能量脉冲设置、照射部位的选择及照射顺序的确定均严格遵守随机的原则。热损伤带宽度的检测结果及重量丢失实验的称量结果均采用SAS 6.04版本统计软件分别进行方差分析和直线相关与回归分析。
结果
一、热损伤带宽度的测定
大体观察：胃和结肠的组织反应相似，能量密度为20～50 J/cm2时，无肉眼可见的组织缺损，只是粘膜颜色由淡红色变为白色和棕黄色；能量密度大于50 J/cm2时，即有肉眼可见的汽化割口形成；能量密度大于100 J/cm2时，则割口非常明显，但无穿透浆膜者。
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组织学检查：热损伤带与正常组织的分界非常明显，能量密度低于50 J/cm2时，粘膜表面完整，无组织缺损，表面可见少量炎性渗出物，热损伤带内细胞数目减少，细胞质嗜酸性增强，核固缩、碎裂、消失。能量密度大于50 J/cm2时，可见组织缺损，热损伤带由浅至深表现为：细胞结构消失，可见裸核；细胞数目减少，细胞质嗜酸性增强；核固缩、碎裂、消失。热损伤带内的粘膜肌层和肌层无损伤，粘膜下层充血、淤血，胶原蛋白增粗、嗜碱性变，有的汽化割口深达肌层，但未见有浆膜穿孔者。
计算机图像分析：全部病理切片经计算机图像分析显示，所有照射条件下的组织热损伤带宽度均在400～800 μm之间，脉冲率、脉冲能量的大小、照射时间的长短、照射方式的不同及有无液体介质等因素对热损伤带宽度均无明显影响，胃和结肠组织热损伤带宽度的差异亦无统计学意义。
二、组织切割和凝固实验
用激光汽化切割胃和结肠壁，采用能量脉冲设置为0.5 J/脉冲、20 脉冲/s(10 W)时的止血效果最好，飞溅现象最小。止血效果较差的是低脉冲率设置：0.5 J/脉冲、5 脉冲/s(2.5 W)；
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1.0 J/脉冲、5 脉冲/s(5 W)；1.5 J/脉冲、5 脉冲/s(7.5 W)；0.5 J/脉冲、10 脉冲/s(5 W)。飞溅现象最严重的是0.5 J/脉冲、5 脉冲/s和0.5 J/脉冲、10 脉冲/s。有少量出血者多在1～2 min内自行停止，观察1～2 h均无活动性出血。
三、重量丢失实验
结果显示，组织的重量丢失与激光总能量之间存在良好的线性关系，总能量每增加500 J，组织重量丢失约增加100 mg，在总能量相同的情况下，输出功率的不同对组织重量丢失没有明显影响，说明Ho∶YAG激光的可控性非常好。
讨论
激光用于内镜治疗的前提是它必须能通过石英光导纤维进行传递，现有的石英光导纤维只能传导波长在0.4～2.5 μm范围内的激光。CO2激光波长10.6 μm，不能通过石英光导纤维传递，因而不能用于内镜治疗。虽然有报道能传导CO2激光的光导纤维已试制成功[6,7]，但迄今尚未用于临床。Er∶YAG激光波长2.9 μm，虽然可通过氟化锆纤维传递，但这种纤维质脆、水溶且有毒性，亦不适合于内镜治疗。Ho∶YAG激光波长2.1 μm，能通过现有的石英光导纤维进行传递，故可用于内镜治疗。
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本研究结果显示，Ho∶YAG激光的热损伤带宽度为400～800 μm，且不受能量脉冲设置、照射方式、液体介质和照射时间等照射条件的影响。其光线的组织吸收介于CO2激光和Nd∶YAG激光之间，它产生的热损伤带宽度约为Nd∶YAG激光的1/6，为CO2激光的15倍[8]。CO2激光的热损伤带太窄，对于血管组织较丰富的软组织进行治疗时易发生出血。Ho∶YAG激光的热损伤带虽然也较窄，但在汽化切割时其厚度已足以防止出血，这在本实验中已得到证实。由于Ho∶YAG激光的热损伤带窄且不受照射条件的影响，其组织切割比较精细，较Nd∶YAG激光照射引起穿孔的可能性更小，因而更加安全，加上良好的可控性，比较适合于内镜治疗。总之，Ho∶YAG激光具有精细的组织切割和可靠的止血特性，可控性好，且能通过光导纤维进行传递，是用于内镜治疗安全、有效的理想激光。
参考文献
[1]Kabalin JN. Holmium∶YAG laser prostatectomy canine feasibility study. Lasers Surg Med, 1996, 18:221-224.
, 百拇医药
[2]施虹敏, 朱菁, 戴胜国, 等. Ho∶YAG激光治疗膀胱癌. 中国激光医学杂志, 1998, 2:73-75.
[3]Duffy S, Davis M, Sharp F, et al. Preliminary observations of holmium∶YAG laser tissue interaction using human uterus. Lasers Surg Med, 1992, 12:147-152.
[4]Min K, Leu H, Zweifel K. Quantitative determination of ablation in weight of lumbar intervertebral discs with holmium∶YAG laser. Lasers Surg Med, 1996, 18:187-190.
[5]Buchelt M, Schlangmann B, Schmolke S, et al. High power Ho∶YAG laser ablation of intervertebral discs: effects on ablation rates and temperature profile. Lasers Surg Med, 1995, 16:179-183.
, http://www.100md.com
[6]Bhatta N, Isaacson K, Bhatta KM, et al. Comparative study of different laser systems. Fertil Steril, 1994, 61:581-591.
[7]Baggish MS, ElBakry MM. A flexible CO2 laser fiber for operative laparoscopy. Fertil Steril, 1986, 46:16-20.
[8]Nishioka NS, Domankevitz Y, Flotte TJ. Ablation of rabbit liver, sto-
mach, and colon with a pulsed holmium laser. Gastroenterology, 1989, 96:831-837.
(收稿日期：1998-07-28), 百拇医药