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Thulium-Faserlasertechnologie sorgt für geringere Kosten und bessere Patientenergebnisse bei Operationen

Holmium:YAG-Laser (Ho:YAG) werden in großem Umfang und mit großem Erfolg für die Lithotripsie und andere chirurgische Verfahren eingesetzt. Allerdings weisen diese Laser noch immer einige Nachteile in Bezug auf ihre betrieblichen und praktischen Eigenschaften auf. Diese Einschränkungen sind der Technologie inhärent und schwer zu überwinden. Jetzt hat sich die Thulium (Tm)-dotierte Faserlasertechnologie als möglicher Ersatz für Ho:YAG bei Anwendungen wie Lithotripsie, Prostata-Enukleation und anderen mikrochirurgischen Verfahren herauskristallisiert. Insbesondere Tm-dotierte Faserlaser versprechen eine einfachere Integration für den Systemhersteller, niedrigere Betriebskosten und eine verbesserte Leistung für den Anwender sowie verbesserte Ergebnisse für die Patienten.

Ho:YAG-Laser sind Festkörperquellen, die gepulste Hochleistung bei einer Wellenlänge von 2,1 µm erzeugen. Diese Wellenlänge wird von Wasser stärker absorbiert als sichtbares Licht, was eine effiziente Gewebeablation ermöglicht. Sie kann auch über Fasern übertragen werden. Daher werden diese Laser in großem Umfang in der Chirurgie eingesetzt, vor allem bei der Laser-Lithotripsie, wo sie als „Goldstandard“ für die Behandlung gelten. 

Jedoch hat die Ho:YAG-Technologie im Wesentlichen ihre Konstruktionsgrenzen erreicht. Hersteller medizinischer Lasersysteme, die eine höhere Zuverlässigkeit, verbesserte Leistungsmerkmale und natürlich auch niedrigere Kosten anstreben, müssen sich daher nach einer anderen Technologie umsehen. Dasselbe gilt für Chirurgen, die Werkzeuge wünschen, mit denen sie schneller arbeiten können, bessere Ergebnisse erzielen und deren Anschaffungs- und Betriebskosten geringer sind.

 

Tm-Faserlaser

Der Thulium-Faserlaser (TFL) wurde vor mehr als einem Jahrzehnt entwickelt und hat sich schnell als nahezu ideale chirurgische Strahlungsquelle etabliert, die gegenüber der Ho:YAG-Technologie mehrere Vorteile bietet. Dies ist auf eine Kombination von Leistungs- und Betriebsmerkmalen zurückzuführen. 

Ein Hauptvorteil eines TFL in Bezug auf die Leistung ist, dass der Laser bei einer Wellenlänge von 1940 nm arbeitet. Diese liegt sehr viel näher an der Wasserabsorptionsspitze im nahen Infrarot, d. h. das Licht eines TFL wird etwa viermal stärker absorbiert als das Licht eines Ho:YAG. Außerdem wird diese Wellenlänge über Glasfasern übertragen. Die hohe Strahlqualität eines TFL-Lasers ermöglicht es zudem, ihn erheblich effizienter in einer Faser zu fokussieren. Dadurch ist seine Leistung beachtlich höher als die Leistung eines typischen Ho:YAG-Lasers. Diese Eigenschaften bieten wichtige Vorteile bei chirurgischen Anwendungen.

 

Figure 1

Figure 1: A TFL can be designed to deliver output at a wavelength that closely matches the absorption peak of water in the near infrared, and can be more efficiently fiber delivered. This makes it a much more ideal surgical source than the Ho:YAG laser.

Die praktischen Vorteile von TFL ergeben sich unmittelbar aus der Bau- und Funktionsweise. Um diese zu verstehen, ist es nützlich, die grundlegende Konstruktion von Ho:YAG- und Tm-Faserlasern zu vergleichen.

Figure 2

Figure 2: Simplified schematics of the main optical elements of Ho:YAG and Thulium Fiber Lasers. The Ho:YAG utilizes several separate components whose alignment must be maintained precisely for proper operation. The TFL is built using all fiber coupled components, making it largely immune to subsequent misalignment, even when handled roughly.

 

The Ho:YAG is a flashlamped pumped, solid-state laser. A burst of light from the flashlamp supplies energy to the laser crystal, which then produces a pulse of laser light. The flashlamp, laser crystal, laser resonator mirrors, and other laser cavity components are typically all separate, discrete elements that are rigidly mounted so that they stay in optical alignment. 

In a TFL, the laser crystal is replaced by a long optical fiber. This fiber is doped with Tm compounds and other elements so that it provides optical gain (supports laser action). Instead of a flashlamp, pump light is supplied by semiconductor (diode) lasers which are coupled into this fiber. Similarly, the cavity mirrors are also Fiber Bragg Gratings that are integrated directly into the fiber itself. This arrangement produces a number of benefits, including:

Höherer Steckdosen-Wirkungsgrad

Der größte Teil des von einer Blitzlampe erzeugten Lichts wird vom Ho:YAG-Kristall nicht absorbiert und in Laserlicht umgewandelt. Stattdessen heizt sie das System nur auf und verschwendet Energie. Im Gegensatz dazu wird die Diodenlaserleistung so gewählt, dass sie von der Tm-dotierten Faser stark absorbiert wird, was zu einer hohen Betriebseffizienz und einem geringeren Stromverbrauch führt. 

Vereinfachte Kühlung

Die große Menge an Abwärme, die von der Blitzlampe in einem Ho:YAG-Laser erzeugt wird, macht eine Wasserkühlung mit allen damit verbundenen Kosten, der Komplexität und dem Platzbedarf erforderlich. Der effiziente Diodenlaser-Pumpmechanismus in einem TFL ermöglicht die Luftkühlung in allen Systemen außer denen mit der höchsten Leistung.    

Kleinere Größe

Neben der Platzersparnis durch den Wegfall des Wasserkühlsystems ist das Pumpendiodenlasersystem selbst viel kompakter als ein Blitzlampensystem. 

Geringere Anforderungen an die Einrichtung

Dank der elektrischen Effizienz kann der TFL auch mit normalem Strom betrieben werden, ohne dass eine spezielle Hochstrom- oder Hochspannungsversorgung erforderlich ist. Darüber hinaus bietet ein TFL eine größere Systemmobilität, sowohl durch seine geringere Größe als auch durch seine robusten Komponenten, die auch bei normaler Handhabung ausgerichtet bleiben. 

Besserer Ausgangsstrahl

Die Ho:YAG-Ausgangsleistung wird über einen ungleichmäßigen Multomode-Strahl erzeugt, der sich nur schwer in Glasfasern mit einem Kerndurchmesser von unter 200 µm einkoppeln lässt. Dies schränkt die Möglichkeit ein, das Licht am distalen Ende auf einen kleinen Arbeitspunkt zu fokussieren. Ein TFL liefert ein nahezu beugungsbegrenztes, gaußförmig verteiltes Ausgangsprofil, das frei von Hot Spots ist. Dieser kleine, qualitativ hochwertige Spot kann problemlos in Glasfasern mit einem Kerndurchmesser von nur 50 µm fokussiert werden. So entsteht ein kleiner, konzentrierter Punkt für eine effizientere Behandlung. 

Flexibleres Pulsen

Ein TFL unterstützt einen viel größeren Betriebsbereich in Bezug auf die Pulsenergie, die Wiederholungsrate (Pulsfrequenz) und sogar die Pulsform. Letzteres lässt sich leicht ändern, indem man die Ansteuerung der Pumpdioden verändert. Dies bietet Anwendern einen wesentlich größeren „Parameterraum“ zum Arbeiten und ermöglicht eine größere Auswahl an chirurgischen Modalitäten. 

 

Fortschritte bei Thulium-dotierten optischen Fasern

Technologische Verbesserungen in den letzten Jahren haben zu einer kontinuierlichen Steigerung der verfügbaren Ausgangsleistung kommerzieller TFLs geführt, zusammen mit einer verbesserten Zuverlässigkeit und niedrigeren Betriebskosten. Fortgeschrittene Thulium-dotierte optische Fasern, wie die Coherent NuTDF-Serie, waren ein Schlüsselelement für diesen Fortschritt. Diese Fasern sind in einer Reihe von Formen erhältlich, die den Bau einer Vielzahl von verschiedenen spezifischen Faserlaser-Konfigurationen ermöglichen. 

Es gibt eine Reihe von Fortschritten bei der Entwicklung und Herstellung dieser Fasern. Bei den thuliumdotierten Doppelmantelfasern von Coherent werden beispielsweise Glaszusammensetzungen verwendet, die speziell für ein hohes Maß an Kreuzrelaxationen zwischen Tm-Ionen optimiert sind. Dadurch wird die Effizienz der Umwandlung von Licht aus den Pumpdioden in Laserlicht verbessert. Darüber hinaus wurden die Kern- und Mantelgeometrien so optimiert, dass sie eine Singlemode-Ausgangsleistung liefern und gleichzeitig die Faserabmessungen groß genug sind, um die Handhabung, das Spalten und das Spleißen zu erleichtern. Dies vereinfacht die Herstellung von TFL-basierten chirurgischen Systemen und macht sie zuverlässiger.

 

Laser-Lithotripsie

TFLs sind besonders vorteilhaft für die Lithotripsie und wurden für diesen Zweck eingehend untersucht. Ausgehend von den bisher durchgeführten Untersuchungen und Studien scheint der breitere Einsatzbereich von TFLs mehrere greifbare Vorteile für dieses Verfahren zu bringen. 

TFLs haben Fähigkeiten, die die Behandlungsflexibilität erhöhen, einschließlich eines größeren möglichen Bereichs von Pulswiederholungsraten (bis zu zehnmal höher) und Pulsenergien, die zehnmal niedriger sind als die eines Ho:YAG, sowie die Möglichkeit der Leistungsformung eines einzelnen Pulses. Diese Kombination trägt zur Effizienz der Steinablation bei, da sie kleinere Steinfragmente erzeugt und die Retropulsion (Bewegung des Steins oder Fragments von der Faserspitze weg nach der Abtragung) reduziert. Die geringere Zerkleinerung von Steinfragmenten reduziert die Behandlungszeit und die damit verbundenen Beschwerden des Patienten. Darüber hinaus unterstützt ein TFL eine größere Bandbreite an Pulsdauern als ein Ho:YAG, was zu einer Verringerung der Degradation und des Rückbrennens der Faserspitze führt und die TFL-Fasern wiederverwendbar macht.  

Die überlegene Strahlqualität eines TFL, die den Einsatz von Strahlführungsfasern mit wesentlich kleinerem Durchmesser ermöglicht, wirkt sich ebenfalls erheblich auf die Behandlung und die Lebensdauer der Fasern aus. Was die Behandlung betrifft, so scheint ein kleinerer Faserdurchmesser kleinere Steinfragmente zu erzeugen und die Retropulsion zu verringern. Da es im TFL-Strahl keine heißen Stellen gibt, ist auch der Rückbrand der Spitze begrenzt, so dass TFL-Fasern wiederverwendbar sind. 

Kleine Fasern sind auch eine Schlüsseltechnologie für eine neue Generation effektiverer Ureteroskope. Durch die Verkleinerung der Fasern ist mehr Platz für den Spülstrom vorhanden, was dem Chirurgen eine bessere Sicht ermöglicht. Dadurch kann das Instrument kleiner und die Faser flexibler werden, wodurch es in einer größeren Bandbreite von chirurgischen Szenarien eingesetzt werden kann.

Insgesamt hat die Forschung für den TFL im Vergleich zum Ho:YAG-Laser wesentlich höhere Ablationsraten und eine kürzere Operationszeit (bis zu einem Faktor vier) festgestellt. Dies ist auf eine Kombination aus der stärkeren Absorption des Lichts des TFL durch die Steine, die pulsierenden Eigenschaften des Lasers und die Verringerung der Retropulsion zurückzuführen, die ein häufiges Nachjustieren des Ureteroskops durch den Chirurgen erfordert.

 

Prostata-Enukleation

Für die Behandlung der benignen Prostatahyperplasie (BPH) werden derzeit mehrere Verfahren eingesetzt. Die transurethrale Resektion der Prostata (TURP), bei der das Gewebe nicht mit einem Laser (sondern mit einem heißen Draht) entfernt wird, gilt derzeit als Goldstandard in der Behandlung. Chirurgische Verfahren mit dem Ho:YAG-Laser und auch Tm:YAG-Laser (Festkörperlaser, nicht Faserlaser) sind ebenfalls weit verbreitet. 

Während die genauen optimalen Arbeitsmethoden für die Thulium-Faserlaser-Enukleation der Prostata (ThuFLEP) noch sehr stark erforscht werden und sich in der Entwicklung befinden, können aus den bereits durchgeführten Arbeiten einige eindeutige Schlussfolgerungen über das Verfahren gezogen werden. Erstens scheint eine Behandlung mit einem TFL schneller zu verlaufen (kürzere Operationszeit) als mit anderen Lasermethoden, aber nicht so schnell wie eine transurethrale Resektion (TURP). 

Ein typisches ThuFLEP-System verfügt über separate Einstellungen für die Enukleation (Entfernung von Prostatagewebe) und die Hämostase (Stillen von Blutungen). Auf diese Weise kann der Chirurg Prostatagewebe effizient entfernen, aber auch die Einstellungen ändern, um Blutungen zu stoppen, falls diese auftreten. Ein Bereich, in dem das ThuFLEP-Verfahren einen klaren Vorteil zu haben scheint, ist die Hämostase. Dies ist auf die Kombination aus niedriger Spitzenleistung, langer Impulsbreite und geringer Eindringtiefe (aufgrund der hohen Wasserabsorption) zurückzuführen, die für der TFL einzigartig ist. All dies hat den Effekt, dass ein großer Bereich des Gewebes schnell kauterisiert wird.  

Der TFL bietet auch eine hervorragende Gewebetrennung bei der Enukleation, obwohl nicht klar ist, ob sie in dieser Hinsicht anderen Quellen überlegen ist. Klinische Tests deuten jedoch darauf hin, dass ThuFLEP die chirurgischen Ergebnisse verbessern kann, insbesondere im Hinblick auf den Erhalt der postoperativen erektilen Funktion, die insbesondere bei der TURP ein Problem darstellt.  

 

Conclusion

The high reliability, exceptional ruggedness, low cost-of-ownership, and excellent output quality typical of fiber lasers that output at a wavelength of 1 µm has led to their widespread in industrial materials processing applications. Now, fiber lasers based on Tm-doped active optical fibers are delivering the same benefits for a new generation of lasers that operate at 1.94 µm. These fibers show tremendous promise as a surgical laser source that delivers improved safety and better patient outcomes over previous technologies, and are more cost-effective and easier to integrate for the system builder.

 

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