Сравнительное исследование эффективности электроимпульсного и лазерного литотрипторов  in-vitro

А.Г. Мартов, В.М. Диамант, А.В. Борисик, А.С. Андронов, Д.А. Джалилов

Городская клиническая больница №57 Департамента Здравоохранения г. Москвы (Главный врач – И.А. Назарова), кафедра эндоскопической урологии РМАПО (зав. проф. О.В. Теодорович)

Введение. Мочекаменная болезнь является распространенным заболеванием и составляет в разных странах более 30% всех урологических заболеваний [1]. При этом, для лечения наиболее сложных форм нефроуретеролитиаза (крупные, множественные и коралловидные камни почки, «вколоченные» и крупные камни мочеточника и др.) все чаще применяют эндоурологические методы, и, в частности, перкутанную и трансуретральную контактную литотрипсию, которая позволяет снизить периоперационные риски дистанционной литотрипсии и открытой литотомии, а также сократить продолжительность стационарного и амбулаторного лечения [2].

В области контактной литотрипсии в настоящее время используется несколько основных методов: ультразвуковой, пневматический, электрокинетический, лазерный и  электрогидравлический. Каждый литотриптор имеет свои преимущества и недостатки. Для ультразвуковой литотрипсии используются только ригидные зонды и ригидные эндоскопы, а сфера её применения в настоящее время ограничивается, в основном, камнями почки. Ударная литотрипсия (пневматический или электрокинетический методы) считается одним из наиболее эффективных и безопасных способов контактного разрушения камней. Однако использование таких литотрипторов также ограничено ригидными эндоскопами, а ретроградная пропульсия камня при трансуретральной уретеролитотрипсии считается недостатком метода. Электрогидравлический и лазерный методы литотрипсии, являясь эффективными способами контактного дробления, могут быть применены как с ригидными, так и с гибкими эндоскопами, что значительно расширяет сферу их использования в современной урологии. Однако электрогидравлическое дробление вызывает больше осложнений по сравнению с другими методами, потому что произведенная ударная волна вызывает повреждение ткани, когда разряд происходит слишком близко к стенкам мочевого тракта. Лазерное дробление более безопасно, но требует больше времени и метод требует более дорогостоящего оборудования. Кроме того, частое повреждение гибкого уретропиелоскопа за счет  поломки лазерного волокна в изогнутом  эндоскопе является большим недостатком лазерного дробления [3-7].

Как альтернативу существующим методам литотрипсии компания Lithotech Medical Ltd (Израиль) разработала новый метод и контактный литотриптор, позволяющий безопасно осуществлять разрушение камней во всех частях мочевой системы человека, имеющий зонды различных диаметров, которыми можно работать как с жесткими, так и с гибкими эндоскопами. Этот метод литотрипсии существенно отличается по своему принципу действия от существующих и использует для разрушения камней короткие наносекундные электрические импульсы [8-11].

Новая технология разрушения твердых биологических конкрементов основана на следующем явлении: при подаче очень коротких электрических импульсов определенного напряжения на твердое тело, находящееся в жидкой среде,  было установлено, что  твердый диэлектрик имеет более низкое напряжения пробоя, чем жидкая среда. Когда наносекундный импульс высокого напряжения приложен к мочевому камню, являющимся  в своей основе твердым неорганическим диэлектриком, происходит его пробой и электрический ток протекает через плазменные каналы, образующиеся в объеме диэлектрика. При этом в камне возникают растягивающие термомеханические напряжения, которые приводят к его растрескиванию и, в конечном итоге, разрушению [8]. При электроимпульсном методе разрушения камней, в отличие от электрогидравлического, энергия электрического импульса выделяется непосредственно в объеме разрушаемого тела, что требует значительно меньших энергий для его дезинтеграции (Рис.1).

На Рис. 1 схематично дано сопоставление вольт-секундных характеристик пробоя при одинаковом разрядном промежутке для твердого тела и жидкой среды. Точка пересечения вольт-секундных характеристик Ak соответствует равенству прочностей и вероятности электрического пробоя сравниваемых сред. При экспозиции импульсного напряжения менее 2-3×10-7с твёрдое тело становится электрически слабее такого жидкого диэлектрика, как техническая вода и в области диаграммы левее Ak преобладает электрический пробой твердого тела.

Реализация отмеченного эффекта инверсии электрической прочности диэлектриков в применении к разрушению твёрдого тела поясняется на Рис. 2.  К электродам, установленным на поверхность твердого тела, прикладывается импульс напряжения U(t) с параметрами, соответствующими левой части графика от точки равной вероятности (Рис. 2 а).  Пробой в промежутке с вероятностью более чем 50 % происходит внутри твердого тела, а не по кратчайшему пути на поверхности твердого тела.  Это явление называется «внедрение разряда в твердое тело». Пробивная стадия процесса характеризуется протеканием в канале разряда импульса тока I(t) и выделением энергии (Рис. 2 б). При этом если в канале разряда достаточно быстро будет выделено необходимое количество энергии, то воздействие канала разряда на твердое тело по внешним признакам будет аналогично микровзрыву в твердом теле с образованием воронки и отрывом части материала от массива (Рис. 2 в). Среда, окружающая разрушаемый массив материала с токоподводящими электродами, выполняет в процессе роль агента, способствующего электрическому пробою твердого тела.

 Данная разновидность способа разрушения твердых тел электрическим пробоем получила название электроимпульсного способа разрушения материалов. Главными предпосылками для разрушения материалов таким способом является их склонность к электрическому пробою и хрупкому разрушению в условиях импульсного силового нагружения. На основе электроимпульского способа был разработан новый, не имеющий аналогов, наносекундный электроимпульсный литотриптор (ЭИЛ), позволяющий создавать электрический пробой в мочевых камнях с последующей их фрагментацией. В настоящее время ЭИЛ используется в клинической практике в десятках российских клиник и зарекомендовал себя как эффективный и безопасный литотриптор [9-11].

Базовыми характеристиками разработанного прибора является создание наносекундного импульса с фронтом менее 50 наносекунд, длительностью 250 – 500 наносекунд и напряжением до 9.6 kV при прикладываемой к объекту энергии от 0.3 и до 1.0 Дж.

Механизм разрушения мочевых камней с помощью ЭИЛ, исходя их теории самого процесса,  можно представить следующими взаимосвязанными стадиями:

 1. Первоначально происходит разрушение поверхности камня, которая расположена между электродами под действием электрической дуги, создающей эффект микровзрыва с образованием взрывной термической и механической ударной волны,  приводящей к созданию лунки откола в зоне электродов (Рис 2 а-в);

2. Далее происходит накопление микроповреждений в объёме камня за счёт распространения в нём ударных волн, вызванных электрическим пробоем;

 3. Объединение повреждений в магистральную трещину, соединяющуюся с исходной лункой-зоной разрушения между электродами,  приводит к  последующему расколу камня. (Рис.3)

Целью данной работы является проведение в лабораторных условиях сравнительного исследования эффективности фрагментации  искусственных «мочевых камней» наносекундным элуктроимпульсным литотриптором и стандартным  гольмиевым (Ho:YAG) лазерным литотриптором, которые широко применяются в клинической практике и являются популярными для контактного разрушения камней.

Материалы и методы. В данной работе применялись образцы двух типов, симулирующие «твёрдые» и «мягкие» мочевые камни, для приготовления которых использовался стоматологический сверхпрочный гипс BegoStone  (BegoStone plus™, Bego USA), имеющий очень низкий коэффициент расширения.  Процедура приготовления образцов была выдержана в соответствии с рекомендациями изготовителя [12]. Разница в плотности и твёрдости материалов достигалась изменением пропорции исходного порошка материала к воде при их перемешивании. «Твёрдые» образцы имели весовое соотношение порошок-вода - 15:3, а «мягкие» соответственно 15:6. На полученных материалах были измерены плотность в единицах по шкале Хаунсфильда  (HU) и твёрдость по методу Виккерса (HV).  Измерение твёрдости по Виккерсу выполнялось при нагрузке 100 г и времени выдержки 10 секунд. Измеренная усредненная плотность «твердых» образцов составляла 2534 единицы HU, «мягких» образцов - около 1400 единиц HU. Измеренная величина микротвердости для «твердых» образцов составляла около 90 HV, а для «мягких» образцов приблизительно 60 HV.

Для проведения испытаний были изготовлены 4 типоразмера образцов камней в форме прямоугольного параллелепипеда. Каждый размер камня соответствовал определенному размеру зонда литотрипторов, между которыми происходило сравнение эффективности. При этом размеры зондов и камней в определённой степени симулировали реальную клиническую ситуацию. В экспериментах для Ho:YAG лазерного литотриптора (ЛЛ) использовали зонды Genuine StarMedTec fibers («StarMedTec», Германия) трех типоразмеров: 230 мкм, 360 мкм и 600 мкм. Для ЭИЛ  использовались зонды 2,7 Fr, 3,6 Fr, 4,5 Fr и 6,0 Fr. Сравнение эффективности литотрипторов в экспериментах было выполнено для пар зондов, которым соответствовал определённый размер камня (Таблица 1). В Таблице 1 также показано основное клиническое применение сравниваемых зондов.

Таблица 1. Выбор зондов и камней для сравнения эффективности литотрипторов

Для  электроимпульсного литотриптора один зонд использовался для разрушения одного камня определенного размера. Для лазерного литотриптора использовались зонды многократного воздействия до прекращения работы зонда. Кончик лазерного зонда обрезался специальным инструментом как в течение эксперимента, если это требовалось (согласно визуальной инспекции зонда), так и перед каждым новым экспериментом для обновления рабочей поверхности зонда.

Методика эксперимента. Сравнительные исследования проводились в водной среде при комнатной температуре. «Камни» указанного размера для каждого типа зонда литотрипторов помещались на сетку из нержавеющей стали с размерами ячеек 2x2 мм, погруженную в воду. Дистальную часть зонда (кончик) располагали под углом 90 градусов к горизонтальной поверхности «камня» и приводили в контакт с образцом.  Эксперимент прекращали, когда на поверхности сетки не оставалось частичек разрушенного «камня», то есть когда фрагментируемый образец был раздроблен на части менее 2 мм. Таким образом, успешным критерием эксперимента являлась фрагментация образца камня до размера меньше 2 мм. Каждый эксперимент с заданным типом и размером «камня» и зонда повторяли не менее 5 раз.

При заданной энергии и частоте импульсов регистрировали следующие параметры фрагментации образцов:  количество импульсов (для ЭИЛ) или накопленная энергия (для ЛЛ), необходимые для разрушения определенного «камня» заданным типом зонда.

Эффективность ЭИЛ и ЛЛ сравнивалась при близких уровнях энергии для обоих устройств, используя одинаковые типы камней  и соответствующие диаметры зондов. В дальнейшем регистрируемые данные были пересчитаны для обоих случаев в количество импульсов и накопленную энергию, а также «чистое» время, необходимое для полной фрагментации камня на соответствующие части, размером ≤ 2 мм. В экспериментах использовались:

1. наносекундный электроимпульсный литотриптор «Urolit-105М» («Lithotech Medical Ltd.» и «Medline Ltd.», Израиль) (Рис. 4 a); Максимальная энергия импульса 1 Дж, максимальная частота 5 Гц, максимальная выходная мощность 5 Вт;

2. Ho:YAG лазерный литотриптор «Auriga» («StarMedTech», Германия) (Рис. 4 б), работающий в частотном режиме (до 20 Гц), с длиной волны 2080 нм и позволяющий передавать энергию импульса к камню до 3 Дж. Выходная мощность системы до 30 Вт. Рабочие параметры оборудования для выполнения базовых сравнительных тестов, где устройства сравнивались при тех же самых уровнях энергии импульса, приведены в Таблице 2.

В дополнение к основному (базовому) эксперименту было проведено исследование в лабораторных условиях эффективности лазерного литотриптора при более высоких энергиях импульса, чем в базовом эксперименте. Лазерный литотриптор с зондом 365 μ был исследован при разрушении искусственных камней при энергии импульса 1.6 Дж (камень 6x6x4 мм). Кроме того, были проведены тесты и с самым большим, изученным  в этой работе, лазерным зондом 600 μ, для энергий импульса 1.6 Дж, 2 Дж и 2.5 Дж на образцах камней 8x8x4 и 8x8x5 мм. Для этих тестов использовались твердые и мягкие «камни» BegoStone. Вместе с тем, дополнительно исследовалась эффективность лазерного литотриптора при различных мощностях (изменялась энергия импульса и частота). Лазерный литотриптор с самым большим в этом исследовании лазерным зондом 600 μ был исследован при используемой мощности 14.4 W, 24 W и 30 W на образцах камней  8x8x4 и 8x8x5 мм. Для экспериментов использовались только «твердые» камни.

После проведения тестов был выполнен статистический анализ результатов измерений. Критерием оценки существенного отличия полученных результатов для двух исследуемых приборов был выбран критерий p-значения при статистическом уровне значимости 5%. Расчёт проводился с использованием статистической программы IBM SPSS Statistics. Рассчитанная величина p для всех рассмотренных случаев составляла менее 0.01.     

Результаты. Следует отметить, что, число успешно фрагментированных «камней» в настоящей работе составляет 100%, то есть во всех выполненных экспериментах образцы были разрушены на части менее 2 мм.

Суммарная энергия (Е sum) и количество импульсов, необходимое для разрушения «камня», а также «чистое» время, затраченное на фрагментацию определенного типа и размера «камня» для двух сравниваемых видов литотрипторов в базовом эксперименте приведены в Таблице 3.

Главным критерием для сравнения эффективности приборов была выбрана суммарная энергия, затраченная на разрушение камня и приводящая к его требуемой фрагментации. Для наглядности данные суммарной энергии рассматриваемых пар зондов (Таблица 3)  представлены на Рис. 5.

Результаты экспериментальных исследований по изучению эффективности лазерного литотриптора, работающего при более высоких энергиях импульса, чем в базовом эксперименте, представлены в Таблице 4.

Обсуждение результатов.  Из приведённых данных (Таблица 3, 4, 5, Рис. 5) следует, что для всех проверенных типов образцов камней наносекундный электроимпульсный литотриптор требует существенно более низкой суммарной энергии и меньшего времени для разрушения искусственных камней, чем лазерный литотриптор. Отличия по суммарной энергии разрушения, количеству импульсов и времени работы прибора во многих случаях отличаются почти на порядок. При этом оба устройства успешно закончили работу, то есть фрагментировали все образцы камней на части менее 2 мм.

Для разрушения мягких «камней» для ЭИЛ всегда требовалось заметно меньше энергии по сравнению с энергией, необходимой для  разрушения твердых «камней». В то же время для ЛЛ часто требовалась примерна та же самая энергия, а иногда даже и большая, чем для разрушения твёрдого «камня» (см. Табл. 3, 4, Рис. 5). Понятно, что действия сравниваемых литотрипторов отличаются механизмом разрушения образцов, имеющих разную плотность (твёрдость), чем, по нашему мнению, и объясняется существенное отличие полученных данных [8, 13]. Статистический анализ подтвердил наличие принципиального отличия выборок полученных результатов. Кроме значительного различия в самих регистрируемых показателях, разброс их значений также существенно ниже для ЭИЛ по сравнению с ЛЛ.

Принимая во внимание полученные результаты, также представляется интересным рассмотреть приведённую характеристику затраченной суммарной энергии для разрушения «камня» к объёму образца (удельную энергию фрагментации) и её зависимость от размера зонда литотриптора. Данные удельной суммарной энергии фрагментации для каждого литотриптора в зависимости от размера зонда и плотности «камня» приведены на Рис. 6.

Полученные результаты показывают совершенно разные зависимости удельной энергии, затрачиваемой на разрушение камня, от диаметра зонда.  Так, для ЛЛ не наблюдается явной зависимости удельной энергии импульса, приложенной к камню от плотности материала образца и от диаметра зонда, что, по-видимому, подтверждает известное мнение об относительной «безразличности» лазера к свойствам фрагментируемого материала. В тоже время для ЭИЛ наблюдается явная зависимость удельной энергии от плотности разрушаемого материала и происходит явное уменьшение удельной энергии, требуемой для разрушения камня при увеличении размера зонда.  При этом общий усредненный по всем полученным результатам уровень необходимой удельной энергии фрагментации камней для ЭИЛ более чем в 6 раз ниже, чем для ЛЛ (Рис. 7). Таким образом, для ЭИЛ требуются существенно более низкие значения суммарной энергии для разрушения камня и соответственно затраченного для этого времени при сопоставимых параметрах импульсов.

В связи с этим нами была предпринята попытка определить параметры импульса лазерного литотриптора, при котором возможно получить схожие с ЭИЛ результаты. Для этой цели были проведены дополнительные испытания (Табл. 4). Полученные результаты представлены на Рис. 8, из которого видно, что увеличение энергии импульса ЛЛ более чем в три раза привело лишь к незначительным изменениям суммарной энергии, требующейся для разрушения «камней», и даже наблюдается тенденция увеличения необходимой для фрагментации суммарной энергии с увеличением энергии импульса лазерного литотриптора. Из этого сразу же можно сделать определённый клинический вывод: при гольмиевой лазерной литотрипсии, если имеется необходимость раздробить камень до песка (трансуретральная пиелокаликолитотрипсия, «вколоченный» камень мочеточника и др.), не следует стремиться начинать дробление на высоких энергиях.

Дополнительно было проведено исследование работы лазерного литотриптора при увеличении мощности передаваемого сигнала за счет изменения энергии импульса и его частоты (Табл. 5).  Полученные результаты приведены на рис. 9. Как и в предыдущем случае, увеличение прикладываемого импульса дало обратный результат и привело к повышению требуемой энергии для фрагментации образцов.

Заключение. Таким образом, в настоящей работе проведены сравнительные исследования эффективности наносекундного электроимпульсного литотриптора с лазерным литотриптором.

Результаты исследований показывают, что для всех типов образцов камней в данном эксперименте наносекундный электроимпульсный литотриптор требует существенно более низкой энергии и меньшего времени для разрушения «камней», чем лазерный литотриптор, то есть по физическим параметрам является более эффективным для их дробления.

Действия сравниваемых литотрипторов отличаются механизмом разрушения образцов, чем объясняется различное влияние плотности и твердости образцов камней на полученные результаты. Так при разрушении мягких «камней» для наносекундного ЭИЛ всегда требовалось затратить заметно меньше энергии по сравнению с твердыми «камнями». В тоже время для лазерного литотриптора часто требовалась та же самая энергия для разрушения твёрдого и мягкого «камня», а иногда для мягкого «камня» требовалось затратить даже большее количество энергии, чем для твердого.

Различные зависимости от энергии импульса и свойства «камней» при их разрушении для двух рассматриваемых методов контактной литотрипсии подтверждены экспериментально.

Список литературы к статье Мартова А.Г. и соавт. Сравнительное исследование эффективности электроимпульсного и лазерного литотрипторов  in-vitro

1.Урология: Учебник..; Под ред. Н.А.Лопаткина. – 7-е изд., перераб. и доп. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2011. – 815 с.: ил.

2.Мартов А.Г. , Ергаков Д.В.  Достижения современной эндоурологии: Материалы XII Съезда Российского Общества Урологов. - М., 2012. -С. 417-426.

3.Мартов А.Г., Сафаров Р.М., Гущин Б.Л., Кудрявцев Ю.В. Сравнительная характеристика эффективности и безопасности применения различных типов контактных литотрипторов. Пленум правления Российского общества урологов, Саратов, 15-17 сентября 1998 г. – Москва, 1998. – С. 312-313.

4.Piergiovanni M., Desgrandchamps F., Cochand-Priollet B., Janssen T., Colomer S, Teillac P., Le Duc A. Ureteral and Bladder Lesions After Ballistic, Ultrasonic, Electrohydraulic, or Laser Lithotripsy. J. Endourology. 1994, 8(4): 293-299.

5.Sofer M., Watterson J.D., Wollin T.A., Nott L., Razvi H., Denstedt J.D. Holmium:YAG laser lithotripsy for upper urinary tract calculi in 598 patients. J Urol 2002;167:31-34.

6.Marks A.J, Teichman J.M. Lasers in clinical urology: state of the art and new horizons. World J Urol. 2007; 25(3): 227-233. 

7.Santa-Cruz R.W, Leveillee R.J, Krongrad A. Ex vivo comparison of four lithotripters commonly used in the ureter: what does it take to perforate? J.  Endourol. 1998, 12(5):417-22.

8.Усов А.В., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные процессы в установках электроимпульсных технологий. СПб.: Наука, 2000.- 160с.

9.Гудков А.В., Бощенко В.С., Афонин В.Я.  Контактная электроимпульсная литотрипсия. Урология 2009, №2, стр.  

10.Румянцев А.А., Дутов В.В., Беляев В.В., Саакян А.А., Беляев Д.В. Трансуретральная контактная электроимпульсная уретеропиелолитотрипсия. Урология 2011, №3, стр.

11.Boshchenko, V.S., Gudkov, A.V., Afonin, V.Y., Petlin, A.V. Assessment of efficiency and safety of retrograde contact electropulse lithotripsy: Simple pilot multicenter study. 27th Annual Congress of the European Association of Urology, Paris 2012, European Urology – Supplements, 2012-02-01, e496.

12.Yunbo Liu, Pei Zhong. BegoStone  - a new stone phantom for shock wave lithotripsy research. J. Acoust. Soc. Am., 2002, 112 (4), 1268-1268.

13.Vassar G. J., Chan K. F., Teichman J., Glickman R. D., Weintraub S. T., T. Pfefer J., Welch A. J. Holmium: YAG Lithotripsy: Photothermal Mechanism. J.Endourology. 1999, 13(3): 181-190.

Резюме статьи Мартова А.Г. и соавт. Сравнительное исследование эффективности электроимпульсного и лазерного литотрипторов in-vitro

В работе представлено сравнительное исследование наносекундного электроимпульсного (Urolit-105М, «Lithotech Medical Ltd.», Израиль) и гольмиевого лазерного (Auriga, «StarMedTech», Германия) литотрипторов in-vitro.

Применялись образцы двух типов, симулирующие «твёрдые» и «мягкие» мочевые камни, для приготовления которых использовался стоматологический сверхпрочный гипс BegoStone (BegoStone plus^TM, Bego USA). Для проведения испытаний были изготовлены 4 типоразмера образцов камней в форме прямоугольного параллелепипеда. При этом размеры зондов и камней в определённой степени симулировали реальную клиническую ситуацию. В экспериментах для Ho:YAG лазерного литотриптора (ЛЛ) использовали зонды трех типоразмеров: 230 мкм, 360 мкм и 600 мкм. Для ЭИЛ использовались зонды 2,7 Fr, 3,6 Fr, 4,5 Fr и 6,0 Fr. Сравнение эффективности литотрипторов в экспериментах было выполнено для пар зондов, которым соответствовал определённый размер камня.

Сравнительные исследования проводились в водной среде при комнатной температуре. «Камни» указанного размера для каждого типа зонда литотрипторов помещались на сетку из нержавеющей стали с размерами ячеек 2x2 мм, погруженную в воду. Дистальную часть зонда (кончик) располагали под углом 90 градусов к горизонтальной поверхности «камня» и приводили в контакт с образцом. Эксперимент прекращали, когда на поверхности сетки не оставалось частичек разрушенного «камня», то есть когда фрагментируемый образец был раздроблен на части менее 2 мм. Каждый эксперимент с заданным типом и размером «камня» и зонда повторяли не менее 5 раз.
Результаты исследований показывают, что для всех типов образцов камней в данном эксперименте наносекундный электроимпульсный литотриптор требует существенно более низкой энергии и меньшего времени для разрушения «камней», чем лазерный литотриптор, то есть по физическим параметрам является более эффективным для их дробления. Действия сравниваемых литотрипторов отличаются механизмом разрушения образцов, чем объясняется различное влияние плотности и твердости образцов камней на полученные результаты. Так при разрушении мягких «камней» для наносекундного ЭИЛ всегда требовалось затратить заметно меньше энергии по сравнению с твердыми «камнями». В тоже время для лазерного литотриптора часто требовалась та же самая энергия для разрушения твёрдого и мягкого «камня», а иногда для мягкого «камня» требовалось затратить даже большее количество энергии, чем для твердого.

Различные зависимости от энергии импульса и свойства «камней» при их разрушении для двух рассматриваемых методов контактной литотрипсии подтверждены экспериментально.