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ツリウムファイバーレーザ技術により、手術費用の削減と患者の予後を改善を実現

ホルミウム:YAG(Ho:YAG)レーザは、結石破砕やその他の外科手術に広く用いられ、大きな成功を収めています。 しかし、これらのレーザには、運用や実用上の特性において、まだいくつかの欠点があります。 これらの限界は技術に内在するものであり、これを克服することは困難です。 現在、結石破砕術、前立腺核出術、その他の顕微手術などの用途において、Ho:YAGに代わる可能性のある技術として、ツリウム(Tm)ドープファイバーレーザが登場しています。 特に、Tmドープファイバーレーザは、システムビルダーにとっての容易な統合、ユーザーにとっての運用コストの低減と性能の向上、そして患者にとっての結果の向上を約束するものです。

Ho:YAGレーザは、波長2.1 μmで高出力のパルス発振出力を発生する固体光源です。 この波長は、可視光よりも水への吸収が強く、効率よく組織を切除することができます。 また、ファイバー伝送も可能です。 その結果、これらのレーザは外科手術に広く使用され、中でもレーザ結石破砕術は治療の「ゴールドスタンダード」とされています。 

しかし、Ho:YAGの技術は基本的に設計の限界に達しています。 そのため、メディカルレーザの信頼性向上や出力特性の改善、そしてもちろん低コスト化を求めるシステムビルダーは、別の技術に目を向ける必要があります。 外科医も同様で、より早く、より良い結果が得られ、かつ所有や運用にかかるコストが低いツールを求めています。

 

Tmファイバーレーザ

ツリウムファイバーレーザ(TFL)は、10年以上前に初めて開発され、Ho:YAG技術と比較していくつかの利点があり、ほぼ理想的な手術用光源としてすぐに確立されました。 これは、出力特性と動作特性の組み合わせによるものです。 

出力面では、1940 nmの波長で動作することがTFLの主要な利点です。 これは近赤外域における水の吸収ピークに非常に近く、TFLからの光はHo:YAGからの光の約4倍も強く吸収されます。 さらに、この波長は手軽にファイバー伝送ができます。 実際、TFLの高いビーム品質は、一般的なHo:YAGレーザの出力よりもはるかに効率的にファイバーに集光することができます。 これらの特性は、外科手術の用途において重要な利点となります。

 

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.

TFLの実用的な利点は、その構築方法と運用方法に直接由来しています。 それらを理解するためには、Ho:YAGレーザとTmファイバーレーザの基本構造を比較することが有効です。

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:

高いウォールプラグ効率

フラッシュランプで発生した光のほとんどは、レーザ光に変換するためのHo:YAG結晶に吸収されません。 それどころか、単にシステムを加熱してエネルギーを浪費しているに過ぎません。 一方、半導体レーザの出力は、Tmドープファイバーに吸収されやすいように選択されており、高い動作効率と低い消費電力が得られます。 

冷却の簡素化

Ho:YAGレーザのフラッシュランプは大量の廃熱を発生させるため、水冷が必要であり、それに伴うコストや複雑さ、スペースの確保が不可欠となります。 TFLでは、効率的な半導体レーザの励起機構により、高出力システムを除けば空冷が可能です。    

小型化

水冷システムが不要になることによる省スペース化に加え、励起式半導体レーザシステム自体もフラッシュランプシステムに比べてはるかにコンパクトです。 

必要な設備の削減

さらに、電気効率に優れているため、特殊な大電流や高電圧の電源を必要とせず、標準的な電源でTFLを動作させることができます。 また、TFLは小型でありながら、通常の取り扱いにおいてアライメントを維持する堅牢なコンポーネントを使用しているため、システムの可動性が向上しています。 

より優れた出力ビーム

Ho:YAGの出力はマルチモードの非均一なビームであるため、コア径200 μm以下の光ファイバーへの結合は困難です。 そのため、遠位端にある光を小さなスポットに当てて治療することに制約が伴います。 TFLは、ほぼ回折限界のガウス分布の出力プロファイルを実現し、ホットスポットのない出力が得られます。 この小さく高品質のスポットは、コア径50 μm程度の光ファイバーに容易に集光することができます。 これにより、小さなスポットに集中し、より効率的な治療が実現します。 

より柔軟なパルシングを実現

TFLは、パルスエネルギー、繰り返し周波数(パルス繰返周波数)、さらにパルス形状の面で、より広い動作範囲をサポートします。 後者は、励起式半導体レーザの駆動方法を変えることで簡単に変更できます。 これにより、ユーザーはより大きな「パラメータ空間」で作業できるようになり、より幅広い手術モダリティを実現することができます。 

 

ツリウムドープ光ファイバーの進化

過去数年の技術改良により、商用TFLの出力は継続的に向上し、信頼性の向上と所有コストの低減が実現されています。 Coherent NuTDFシリーズに代表される先進的なツリウムドープ光ファイバーは、この進化に欠かせない要素となっています。 これらのファイバーには様々な形状のものがあり、様々な特殊なファイバーレーザを構成することができます。 

このファイバーの設計と製造には、いくつかの具体的な進歩があります。 例えば、Coherentのツリウムドープダブルクラッドファイバーは、Tmイオンレーザ間の交差緩和が高度になるように特別に最適化されたガラス組成を使用しています。 これにより、励起式半導体レーザからの光をレーザ光に変換する効率を向上させることができます。 さらに、コアとクラッディング(肉盛り)の形状を最適化することで、シングルモード出力を実現しながら、取り扱い、切断、接続を容易にするために十分なファイバー寸法を確保しています。 これにより、TFLを用いた手術システムの製造が簡素化され、信頼性が向上します。

 

レーザ結石破砕装置

TFLは特に結石破砕に有利であり、この用途で広く研究されています。 これまでに行われた調査や研究によると、TFLがサポートする幅広い操作範囲は、この手順にとっていくつかの具体的な利点を生むことがわかってきています。 

TFLは、Ho:YAGの10倍以上のパルス繰り返し周波数と10倍以下のパルスエネルギー、さらに単一パルスのパワー整形が可能で、治療の柔軟性を高めることができます。 この組み合わせにより、より小さな結石片を生成し、逆流(結石や結石片が切除後にファイバー先端から離れること)を抑制することで、結石切除の効率化を図っています。 結石の破片を追いかけることが少ないので、治療時間が短縮され、その後の患者の不快感も軽減されます。 さらに、TFLはHo:YAGよりも幅広いパルス幅持続時間に対応しているため、劣化やファイバー先端のバーンバックが少なく、TFLファイバーを再利用することができます。  

また、TFLの優れたビーム品質は、はるかに小さな直径のビーム伝送ファイバーを使用することを可能にして、治療とファイバー寿命の両方に大きな影響を与えます。 治療面では、ファイバー径が小さいほど小さな結石片ができ、逆流を抑えることができるようです。 さらに、TFLビームにホットスポットがないため、チップのバーンバックを抑えることができ、TFLファイバーを再利用することができます。 

また、小型ファイバーは、より効果的な新世代の尿管鏡の実現に向けた重要な技術です。 ファイバーサイズを小さくすることで、灌流のためのスペースが増え、術者の視認性が向上します。 器具の小型化やファイバーの柔軟化も可能で、より幅広い手術シーンに対応できるようになりました。

TFLはHo:YAGレーザと比較して、高い切除率と手術時間の短縮(4分の1程度)が確立されています。 これは、結石がTFLの光を強く吸収すること、レーザのパルス特性、術者が頻繁に尿管鏡を再調整する必要がある逆流が減少することなどが複合的に作用しているためです。

 

前立腺核出術

現在、前立腺肥大症(BPH)の治療には、いくつかの手法が用いられています。 現在、経尿道的前立腺切除術(TURP)は、レーザを使わない方法(熱線)で組織を切除するもので、治療のゴールドスタンダードと言われています。 また、Ho:YAGレーザやTm:YAGレーザ(ファイバーレーザではなく固体レーザ)を使った手術も普及しています。 

前立腺のTFL核出術(ThuFLEP)の正確な最適作業方法はまだ調査中であり開発中ですが、すでに行われた作業からプロセスに関するいくつかの明確な結論が導き出されます。 まず、TFLは他のレーザ法に比べて早く終わる(手術時間が短い)ようですが、TURPほど早くはありません。 

一般的なThuFLEPシステムでは、核出し(前立腺組織の切除)の設定と止血の設定が分かれています。 これにより、前立腺の組織を効率的に切除しつつ、出血が起きた場合には止血するように設定を切り替えることができます。 ThuFLEPが明らかに優位だと思われるのは、止血の分野です。 これは、TFL特有の低いピークパワー、長いパルス幅、浅い浸透深度(高い水分吸収による)の組み合わせによるものである。 これによって、広範囲の組織を急速に焼灼する効果があります。  

また、TFLは核出しの際にも優れた組織分離性を発揮しますが、この点については他のソースと比較して優れているとは言い切れません。 しかし、臨床試験では、TURPで特に問題とされていた術後の勃起機能の温存において、ThuFLEPが手術成績を改善することが示されています。  

 

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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