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툴륨 파이버 레이저 기술은 수술 비용을 절감하고 환자에게 더 나은 결과를 제공합니다.

Holmium:YAG(Ho:YAG) 레이저는 쇄석술 및 기타 수술 방식에 널리 사용되어 큰 성공을 거두었습니다. 그러나 이러한 레이저는 작동 및 실제 특성 측면에서 여전히 몇 가지 단점이 있습니다. 이러한 한계는 기술에 내재되어 있으며 극복하기 어렵습니다. 이제 툴륨(Tm) 첨가 파이버 레이저 기술은 쇄석술, 전립선 적출술 및 기타 미세 수술 절차를 포함한 응용 분야에서 Ho:YAG의 대안으로 떠오르고 있습니다. 특히, Tm 첨가 파이버 레이저는 시스템 빌더에게는 더 쉬운 통합을, 사용자에게는 더 낮은 운영 비용 및 향상된 성능을, 환자에게는 개선된 결과를 약속합니다.

Ho:YAG 레이저는 2.1µm의 파장에서 고출력 펄스 발진 출력을 생성하는 고체 소스입니다. 이 파장은 가시광선보다 물에 더 강하게 흡수되어 효율적인 조직 절제가 가능합니다. 또한 파이버로 전달될 수 있습니다. 결과적으로 이러한 레이저는 외과 수술 분야에 광범위하게 사용되며, 가장 두드러지게는 레이저 쇄석술에서 치료의 '표준'으로 간주됩니다. 

그러나 Ho:YAG 기술은 본질적으로 설계 한계에 도달했습니다. 따라서 더 높은 신뢰성, 개선된 출력 특성, 그리고 물론 더 낮은 비용을 추구하는 의료용 레이저 시스템 빌더들은 다른 기술을 찾아야 합니다. 더 빨리 작업할 수 있고 더 나은 결과를 얻을 수 있으며 소유 및 운영 비용이 적게 드는 도구를 원하는 외과 의사의 경우에도 마찬가지입니다.

 

Tm 파이버 레이저

툴륨 파이버 레이저(TFL)는 10여 년 전에 처음 개발되었으며 Ho:YAG 기술에 비해 여러 장점을 제공하는 거의 이상적인 수술 소스로 빠르게 자리 잡았습니다. 이는 출력 속성과 작동 특성의 조합 때문입니다. 

출력 측면에서 TFL의 주요 이점은 1940nm의 파장에서 작동한다는 것입니다. 이것은 근적외선의 물 흡수 피크에 훨씬 더 가깝습니다. 즉, TFL의 빛은 Ho:YAG의 빛보다 약 4배 더 강하게 흡수됩니다. 또한 이 파장은 쉽게 파이버로 전달됩니다. 사실, TFL의 높은 빔 품질은 실제로 일반적인 Ho:YAG 레이저의 출력보다 광학 파이버에 훨씬 더 효율적으로 초점을 맞출 수 있도록 합니다. 이러한 특성은 수술 분야에서 중요한 이점을 제공합니다.

 

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.

TFL의 실질적인 이점은 구축 및 작동 방식에서 직접 파생됩니다. 이를 이해하려면 Ho:YAG와 Tm 파이버 레이저의 기본 구성을 비교하는 것이 좋습니다.

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:

더 높은 콘센트 효율성

플래시 램프에서 생성된 대부분의 빛은 레이저 광으로 변환하기 위한 Ho:YAG 크리스털에 흡수되지 않습니다. 대신, 단순히 시스템을 가열하고 에너지를 낭비합니다. 대조적으로, 다이오드 레이저 출력 덕분에 Tm 첨가 파이버에 의해 많이 흡수되므로 높은 작동 효율과 낮은 전력 소비를 나타냅니다. 

단순화된 냉각

Ho:YAG 레이저의 플래시 램프에 의해 생성되는 많은 폐열에는 수냉 및 모든 관련 비용, 복잡성 및 공간 사용이 요구됩니다. TFL의 효율적인 다이오드 레이저 펌핑 메커니즘은 최고 전력 시스템을 제외한 모든 시스템에서 공기 냉각을 가능하게 합니다.    

더 작은 크기

수냉식 시스템을 제거하여 공간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 펌프 다이오드 레이저 시스템 자체가 플래시 램프 시스템보다 훨씬 더 작습니다. 

시설 요구 사항 감소

전기 효율성은 TFL이 특수한 고전류 또는 고전압 공급 없이도 표준 전력으로 실행할 수 있도록 합니다. 또한 TFL은 더 작은 크기와 일반적인 취급 방식에서 정렬을 유지하는 견고한 구성 요소를 통해 더 큰 시스템 이동성을 제공합니다. 

더 나은 출력 빔

Ho:YAG 출력은 다중 모드, 비균일 빔으로 코어 직경이 200 µm 미만인 광학 파이버에 결합하기 어렵습니다. 이것은 원위에서 치료해야 할 작은 지점에 빛을 집중시키는 능력을 제한합니다. TFL은 거의 회절이 제한된 가우스 분포 출력 프로파일을 제공하므로 핫스폿이 없습니다. 이 작은 고품질의 스폿은 코어 직경이 50µm만큼 작은 광학 파이버에 쉽게 초점을 맞출 수 있습니다. 이것은 보다 효율적인 치료를 위해 작고 집중된 스폿을 생성합니다. 

더 유연한 펄스

TFL은 펄스 에너지, 반복률(펄스 주파수) 및 펄스 모양 면에서 훨씬 더 넓은 작동 범위를 지원합니다. 후자는 펌프 다이오드가 구동되는 방식을 변경하여 쉽게 변경할 수 있습니다. 이것은 사용자에게 작업할 훨씬 더 큰 '매개변수 공간'을 제공하고 더 넓은 범위의 수술 방식을 가능하게 합니다. 

 

툴륨 첨가 옵티칼 파이버의 발전

지난 몇 년 동안의 기술 개선으로 인해 향상된 안정성 및 낮은 소유 비용과 함께 상용 TFL에서 사용할 수 있는 출력 전력이 지속적으로 증가했습니다. Coherent NuTDF 시리즈 같은 고급 툴륨 첨가 옵티칼 파이버가 이러한 발전의 핵심 요소였습니다. 이러한 파이버는 다양한 특정 파이버 레이저 구성을 구성할 수 있도록 다양한 형태로 제공됩니다. 

이러한 파이버의 설계 및 제조에 구현된 많은 특정 발전이 있습니다. 예를 들어, Coherent 툴륨 첨가 이중 클래드 파이버는 Tm 이온 간 높은 수준의 교차 이완에 특히 최적화된 유리 조성을 사용합니다. 이것은 펌프 다이오드의 빛을 레이저 빛으로 변환하는 효율을 향상시킵니다. 또한 코어 및 클래딩 형상은 단일 모드 출력을 제공하도록 최적화된 동시에 처리, 절단 및 스플라이싱을 용이하게 하기에 충분히 큰 파이버 치수를 만듭니다. 이것은 TFL 기반 수술 시스템의 제조를 단순화하고 더 안정적으로 만듭니다.

 

레이저 쇄석술

TFL은 쇄석술에 특히 유리하며 이 용도에 대해 광범위하게 조사되었습니다. 지금까지 수행된 연구와 조사에 따르면 TFL이 지원하는 더 넓은 범위의 운영 범위는 이 절차에 대해 몇 가지 실질적인 이점을 제공하는 것으로 보입니다. 

TFL은 가능한 더 넓은 범위의 펄스 반복률(최대 10배 더 높음)과 Ho:YAG보다 10배 더 낮은 펄스 에너지를 포함하여 치료 유연성을 향상시키는 기능과 단일 펄스의 전력 형성 기능을 갖추고 있습니다. 이 조합은 더 작은 결석 조각을 생성하고 역류(절제 후 파이버 팁에서 결석 또는 조각의 이동)를 감소시키기 때문에 결석 절제의 효율성에 도움이 됩니다. 결석 조각을 덜 쫓는 것은 치료 시간과 그에 따른 환자의 불편함을 줄입니다. 또한 TFL은 Ho:YAG보다 더 넓은 범위의 펄스 지속 시간을 지원하므로 성능 저하와 광학 파이버 팁 번백이 감소하여 TFL 광학 파이버를 재사용할 수 있습니다.  

훨씬 더 작은 직경의 빔 전달 파이버의 사용을 허용하는 TFL의 우수한 빔 품질은 또한 치료 및 파이버 수명 모두에 상당한 영향을 미칩니다. 치료의 관점에서, 더 작은 파이버 직경은 더 작은 결석 조각을 생성하고 역류를 감소시키는 것으로 보입니다. 또한 TFL 빔에 핫스폿이 없기 때문에 팁 번백이 더욱 제한되어 TFL 파이버를 재사용할 수 있습니다. 

작은 파이버는 또한 보다 효과적인 차세대 요관경을 가능하게 하는 핵심 기술입니다. 파이버 크기를 줄임으로써 세척을 위한 더 많은 공간이 확보되므로 외과의가 더 높은 가시성을 가질 수 있습니다. 기구를 더 작게 만들고 파이버를 더 유연하게 만들 수 있으므로 더 넓은 범위의 수술 시나리오에서 사용할 수 있습니다.

전반적으로 연구 결과, Ho:YAG 레이저에 비해 TFL의 절제율이 훨씬 더 높고 수술 시간이 단축되었습니다(최대 4배). 이것은 결석이 TFL의 빛을 더 강하게 흡수하고, 레이저의 펄스 특성과 요관경을 자주 재조정해야 하는 역류의 감소가 결합되어 있기 때문입니다.

 

전립선 적출

현재 양성 전립선 비대증(BPH)을 치료하기 위해 여러 기술이 사용되고 있습니다. 조직 제거를 위해 비레이저 방법(열선)을 사용하는 전립선 경요도 절제술(TURP)은 현재 치료의 표준으로 간주됩니다. Ho:YAG 레이저와 Tm:YAG 레이저(파이버 레이저가 아닌 고체 레이저)를 이용한 수술도 널리 사용되고 있습니다. 

전립선의 TFL 적출(ThuFLEP)을 위한 정확한 최적의 작업 방법은 아직 많이 조사 중이며 개발 중이지만 이미 수행된 작업에서 프로세스에 대한 몇 가지 확실한 결론을 도출할 수 있습니다. 첫째, TFL은 다른 레이저 방법보다 빠르지만(작동 시간이 짧음) TURP만큼 빠르지는 않습니다. 

일반적인 ThuFLEP 시스템에는 적출(전립선 조직 제거) 및 지혈(출혈 차단)에 대한 별도의 설정이 있습니다. 이를 통해 외과의는 전립선 조직을 효율적으로 제거하면서도 출혈이 발생하면 이를 멈추기 위해 설정을 전환할 수 있습니다. ThuFLEP이 분명한 이점이 있는 것으로 보이는 한 영역은 지혈입니다. 이는 TFL 고유의 낮은 피크 전력, 긴 펄스 폭 및 얕은 침투 깊이(높은 물 흡수로 인한)의 조합 때문입니다. 이 모든 것은 조직의 넓은 영역을 빠르게 소작하는 효과가 있습니다.  

TFL은 또한 적출 중에 탁월한 조직 분리를 제공하지만, 이와 관련하여 다른 소스에 비해 우수한지는 분명하지 않습니다. 그러나 임상 시험에 따르면 ThuFLEP은 특히 TURP의 문제였던 수술 후 발기 기능을 보존하는 데 있어 수술 결과를 개선할 수 있습니다.  

 

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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