Il laser (acronimo inglese di “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”) è rappresentato da un sistema fisico ed ottico sofisticato in grado di amplificare ed emettere una radiazione elettromagnetica coerente, collimata e monocromatica. Conseguentemente, il fascio laser, caratterizzato da una minima divergenza, è unidirezionale e produce un intenso fascio di energia orientabile con precisione sul bersaglio. Dalle prime sperimentazioni su vesciche canine ad opera di Parson nel 1966, l’applicazione del laser in ambito urologico ha subito continui e significativi miglioramenti inerenti il tipo di sorgente e lunghezza d’onda del laser, la tipologia delle fibre ottiche e la precisione dell’applicazione della radiazione, la riduzione dei costi di acquisizione e manutenzione, estendendone le potenziali applicazioni cliniche. Nell’ultimo decennio le procedure chirurgiche con impiego del laser si sono imposte come gold standard in molti campi del panorama urologico. Se, infatti, nella pratica clinica attuale il laser è soprattutto utilizzato nel trattamento della nefrolitiasi, molteplici altre patologie possono essere trattate con successo utilizzando l’energia laser: le stenosi uretrali, ureterali e pielo-ureterali, l’ostruzione cervico-uretrale e le neoplasie uroteliali dell’alta via escretrice. Attualmente, l’Holmium:Yttrium–Aluminium–Garnet (Ho:YAG) rappresenta il laser maggiormente utilizzato in ambito urologico: sorgenti laser a ridotta energia di esercizio (fino a 20 W) sono state recentemente impiegate nel trattamento dei calcoli urinari, delle neoplasie uroteliali e delle patologie benigne dei tessuti molli, mentre rimangono tuttora necessarie sorgenti energetiche ad elevata potenza (80-100 W) per il trattamento dell’ostruzione cervico-uretrale secondaria ad ipertrofia prostatica. Analogamente all’Ho:YAG laser, anche la radiazione continua generata da una sorgente laser a diodi con lunghezza d’onda di 1470 nm è caratterizzata da un’elevata capacità di assorbimento da parte dell’acqua, rendendo quindi ipotizzabile la generazione all’estremità della fibra di una bolla di plasma ad alta energia, con potenziali effetti fototermici e di cavitazione. Scopo del primo studio è stata la sperimentazione e la valutazione del grado di efficacia e sicurezza di una nuova sorgente Ho:YAG laser a ridotta potenza di esercizio (max 10 W), l’Ho:YAG laser CalculaseTM prodotto dalla Karl Storz (Tuttlingen, Germany), utilizzata nel trattamento ureterorenoscopico della calcolosi reno-ureterale così come delle neoplasie delle alte vie escretrici. Nel secondo studio è stata effettuata una sperimentazione “in vitro” utilizzando una sorgente laser a diodi con lunghezza d’onda di 1470 nm, allo scopo di comprendere con precisione la tipologia delle interazioni tra tale lunghezza d’onda e l’acqua ed i tessuti biologici e di valutare il suo possibile impiego in litotrissia. L’esistenza di una sorgente laser a diodi con lunghezza d’onda di 980 nm, caratterizzata da un’elevato assorbimento nel sangue e da un ridotto assorbimento nell’acqua (utilizzata nella cosiddetta “Selective Light Vaporization” della prostata), ha inoltre portato alla ideazione di una nuova “piattaforma” laser a diodi, in grado di erogare contemporaneamente le due lunghezze d’onda, 1470 e 980 nm. Un prototipo di tale laser, prodotto dalla Biolitec AG (Bonn, Germany), è stato utilizzato sia in studi in vitro che in vivo, allo scopo di testare l’efficacia e sicurezza di questa nuova sorgente laser combinata nella fotovaporizzazione della prostata. Nel corso del primo studio, la nuova sorgente Ho:YAG, operante con basse energie e ridotte frequenza di ripetizione degli impulsi, si è dimostrata efficace nella litotrissia reno-ureterale, indipendentemente dalla composizione chimica dei calcoli, così come nella fotoablazione delle neoplasie dell’alta via escretrice. Nel secondo studio, è stato dimostrato come il laser a diodi a 1470 nm rappresenti fino ad ora il primo ed unico laser in continua in grado di generare una bolla di plasma ad alta energia a livello della punta della fibra, quando questa è immersa in acqua. Tale bolla di plasma si è inoltre dimostrata efficace nella frantumazione di calcoli urinari di diversa composizione. Combinando le due lunghezze d’onda del laser a diodi in un’unica piattaforma, è stato inoltre possibile sfruttare contemporaneamente l’elevata efficacia coagulativa del laser a 980 nm con il potere termoablativo della radiazione a 1470 nm, garantendo un’efficacie e sicura fotovaporizzazione della prostata e suggerendo un promettente ruolo di questa sorgente a doppia lunghezza d’onda sia nel trattamento della nefrolitiasi così come della ostruzione cervico-uretrale.

Laser, acronym for “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, represents a monochromatic light with a narrow wavelength bandwidth, and with the properties of coherence and collimation. Consequently, the laser beams have minimal divergence, are directional, and produce intense beams of energy that may be targeted with precision. Since Parson in 1966 used a pulsed-ruby laser in a dog’s bladder, the use of laser technology in Urology has undergone significant advances with regard to different types of lasers, wavelength of energy and optical fibers used, precision of laser application and cost reduction, further improving laser technology and extending its potential applications. During the last decade some laser technologies have become established as standard modalities widely available to urologists. In the current urological practice, laser is predominantly applied to the treatment of urinary stones. However, a number of diseases other than stones can be successfully managed, including urethral, ureteral and ureteropelvic junction strictures, benign prostate hyperplasia (BPH) and upper urinary tract (UUT) transitional cell carcinomas (TCCs). Nowadays, Holmium:Yttrium–Aluminium–Garnet (Ho:YAG) laser is the most widespread, versatile, available laser. Recently, low-power versions of Ho:YAG laser, that yield up to 20 W of power, allowed successfully treating urinary stones, urethral, ureteral and ureteropelvic junction strictures, and TCCs. In contrast, high-power holmium laser devices (80-100 W) are still necessary for benign prostate hyperplasia treatment. Similar to Ho:YAG laser, the continuous wave radiation at 1470 nm delivered by diode laser has a high absorption in water; therefore, the radiation could produce, with a fiber tip immersed in water, high energy plasma bubbles, with photothermal and cavitation effects. Aim of the first study was the evaluation of efficacy and safety of a new low-power Ho:YAG laser with a maximum power limited to 10 W (Ho:YAG laser CalculaseTM, built by Karl Storz, Tuttlingen, Germany) in the transureteral retrograde treatments of both urinary stones and UUT TCCs. Aim of the second experiment was to test the 1470 nm diode laser in order to better understand the inter-action modalities of this wavelength with water and biological matter, evaluating its capacity to function as a lithotripter. Moreover, as 980 nm diode laser used in the selective light vaporization of the prostate has a low absorption in water and a high absorption in blood, with an optimal haemostatic effect, our idea was to create a high power multi-diode laser source, capable of delivering two simultaneous diode wavelengths (980 nm and 1470 nm) through the same optical fiber (laser unit built by Biolitec AG, Bonn, Germany). The goal of this study was to test this new diode laser in the photo-vaporization of the prostatic tissues, both in vitro and in vivo. In the first study, the new employed low-power Ho:YAG laser, that operates using low repetition frequencies and energy levels, would seem to provide excellent stone free rates, regardless of the stone hardness. Likewise, the CalculaseTM Ho:YAG laser, proved to be safe and effective in the treatment of the UUT neoplasms, allowing for a fine and complete tumor photoablation. In the second study, the 1470 nm diode laser proved to be the first continuous wave source capable of producing a high energy plasma bubble with a high thermoablation effect, confirming its capacity to function as a lithotripter, capable of shattering calculi of medium hardness. Moreover, combining the 980 nm with the 1470 nm radiation, it was possible to merge the optimal haemostatic effect with the 980 nm wavelength and the fast thermoablative effect of the 1470 nm radiation, thus guaranteeing, in our initial in vivo experiments, an efficient and safe photovaporization of the prostate. In conclusion, our preliminary data suggest a promising role of the multi-wavelength diode laser in the treatment of renal stones as far as of BPH.

Sviluppo e sperimentazione clinica di nuovi laser per il trattamento mininvasivo della nefrolitiasi, delle neoplasie uroteliali e dell’ostruzione cervico-uretrale.

RUGGERA, Lorenzo
2010-01-01

Abstract

Laser, acronym for “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, represents a monochromatic light with a narrow wavelength bandwidth, and with the properties of coherence and collimation. Consequently, the laser beams have minimal divergence, are directional, and produce intense beams of energy that may be targeted with precision. Since Parson in 1966 used a pulsed-ruby laser in a dog’s bladder, the use of laser technology in Urology has undergone significant advances with regard to different types of lasers, wavelength of energy and optical fibers used, precision of laser application and cost reduction, further improving laser technology and extending its potential applications. During the last decade some laser technologies have become established as standard modalities widely available to urologists. In the current urological practice, laser is predominantly applied to the treatment of urinary stones. However, a number of diseases other than stones can be successfully managed, including urethral, ureteral and ureteropelvic junction strictures, benign prostate hyperplasia (BPH) and upper urinary tract (UUT) transitional cell carcinomas (TCCs). Nowadays, Holmium:Yttrium–Aluminium–Garnet (Ho:YAG) laser is the most widespread, versatile, available laser. Recently, low-power versions of Ho:YAG laser, that yield up to 20 W of power, allowed successfully treating urinary stones, urethral, ureteral and ureteropelvic junction strictures, and TCCs. In contrast, high-power holmium laser devices (80-100 W) are still necessary for benign prostate hyperplasia treatment. Similar to Ho:YAG laser, the continuous wave radiation at 1470 nm delivered by diode laser has a high absorption in water; therefore, the radiation could produce, with a fiber tip immersed in water, high energy plasma bubbles, with photothermal and cavitation effects. Aim of the first study was the evaluation of efficacy and safety of a new low-power Ho:YAG laser with a maximum power limited to 10 W (Ho:YAG laser CalculaseTM, built by Karl Storz, Tuttlingen, Germany) in the transureteral retrograde treatments of both urinary stones and UUT TCCs. Aim of the second experiment was to test the 1470 nm diode laser in order to better understand the inter-action modalities of this wavelength with water and biological matter, evaluating its capacity to function as a lithotripter. Moreover, as 980 nm diode laser used in the selective light vaporization of the prostate has a low absorption in water and a high absorption in blood, with an optimal haemostatic effect, our idea was to create a high power multi-diode laser source, capable of delivering two simultaneous diode wavelengths (980 nm and 1470 nm) through the same optical fiber (laser unit built by Biolitec AG, Bonn, Germany). The goal of this study was to test this new diode laser in the photo-vaporization of the prostatic tissues, both in vitro and in vivo. In the first study, the new employed low-power Ho:YAG laser, that operates using low repetition frequencies and energy levels, would seem to provide excellent stone free rates, regardless of the stone hardness. Likewise, the CalculaseTM Ho:YAG laser, proved to be safe and effective in the treatment of the UUT neoplasms, allowing for a fine and complete tumor photoablation. In the second study, the 1470 nm diode laser proved to be the first continuous wave source capable of producing a high energy plasma bubble with a high thermoablation effect, confirming its capacity to function as a lithotripter, capable of shattering calculi of medium hardness. Moreover, combining the 980 nm with the 1470 nm radiation, it was possible to merge the optimal haemostatic effect with the 980 nm wavelength and the fast thermoablative effect of the 1470 nm radiation, thus guaranteeing, in our initial in vivo experiments, an efficient and safe photovaporization of the prostate. In conclusion, our preliminary data suggest a promising role of the multi-wavelength diode laser in the treatment of renal stones as far as of BPH.
2010
Ho:YAG laser; laser a diodi; nefrolitiasi; IPB; neoplasie uroteliali
Il laser (acronimo inglese di “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”) è rappresentato da un sistema fisico ed ottico sofisticato in grado di amplificare ed emettere una radiazione elettromagnetica coerente, collimata e monocromatica. Conseguentemente, il fascio laser, caratterizzato da una minima divergenza, è unidirezionale e produce un intenso fascio di energia orientabile con precisione sul bersaglio. Dalle prime sperimentazioni su vesciche canine ad opera di Parson nel 1966, l’applicazione del laser in ambito urologico ha subito continui e significativi miglioramenti inerenti il tipo di sorgente e lunghezza d’onda del laser, la tipologia delle fibre ottiche e la precisione dell’applicazione della radiazione, la riduzione dei costi di acquisizione e manutenzione, estendendone le potenziali applicazioni cliniche. Nell’ultimo decennio le procedure chirurgiche con impiego del laser si sono imposte come gold standard in molti campi del panorama urologico. Se, infatti, nella pratica clinica attuale il laser è soprattutto utilizzato nel trattamento della nefrolitiasi, molteplici altre patologie possono essere trattate con successo utilizzando l’energia laser: le stenosi uretrali, ureterali e pielo-ureterali, l’ostruzione cervico-uretrale e le neoplasie uroteliali dell’alta via escretrice. Attualmente, l’Holmium:Yttrium–Aluminium–Garnet (Ho:YAG) rappresenta il laser maggiormente utilizzato in ambito urologico: sorgenti laser a ridotta energia di esercizio (fino a 20 W) sono state recentemente impiegate nel trattamento dei calcoli urinari, delle neoplasie uroteliali e delle patologie benigne dei tessuti molli, mentre rimangono tuttora necessarie sorgenti energetiche ad elevata potenza (80-100 W) per il trattamento dell’ostruzione cervico-uretrale secondaria ad ipertrofia prostatica. Analogamente all’Ho:YAG laser, anche la radiazione continua generata da una sorgente laser a diodi con lunghezza d’onda di 1470 nm è caratterizzata da un’elevata capacità di assorbimento da parte dell’acqua, rendendo quindi ipotizzabile la generazione all’estremità della fibra di una bolla di plasma ad alta energia, con potenziali effetti fototermici e di cavitazione. Scopo del primo studio è stata la sperimentazione e la valutazione del grado di efficacia e sicurezza di una nuova sorgente Ho:YAG laser a ridotta potenza di esercizio (max 10 W), l’Ho:YAG laser CalculaseTM prodotto dalla Karl Storz (Tuttlingen, Germany), utilizzata nel trattamento ureterorenoscopico della calcolosi reno-ureterale così come delle neoplasie delle alte vie escretrici. Nel secondo studio è stata effettuata una sperimentazione “in vitro” utilizzando una sorgente laser a diodi con lunghezza d’onda di 1470 nm, allo scopo di comprendere con precisione la tipologia delle interazioni tra tale lunghezza d’onda e l’acqua ed i tessuti biologici e di valutare il suo possibile impiego in litotrissia. L’esistenza di una sorgente laser a diodi con lunghezza d’onda di 980 nm, caratterizzata da un’elevato assorbimento nel sangue e da un ridotto assorbimento nell’acqua (utilizzata nella cosiddetta “Selective Light Vaporization” della prostata), ha inoltre portato alla ideazione di una nuova “piattaforma” laser a diodi, in grado di erogare contemporaneamente le due lunghezze d’onda, 1470 e 980 nm. Un prototipo di tale laser, prodotto dalla Biolitec AG (Bonn, Germany), è stato utilizzato sia in studi in vitro che in vivo, allo scopo di testare l’efficacia e sicurezza di questa nuova sorgente laser combinata nella fotovaporizzazione della prostata. Nel corso del primo studio, la nuova sorgente Ho:YAG, operante con basse energie e ridotte frequenza di ripetizione degli impulsi, si è dimostrata efficace nella litotrissia reno-ureterale, indipendentemente dalla composizione chimica dei calcoli, così come nella fotoablazione delle neoplasie dell’alta via escretrice. Nel secondo studio, è stato dimostrato come il laser a diodi a 1470 nm rappresenti fino ad ora il primo ed unico laser in continua in grado di generare una bolla di plasma ad alta energia a livello della punta della fibra, quando questa è immersa in acqua. Tale bolla di plasma si è inoltre dimostrata efficace nella frantumazione di calcoli urinari di diversa composizione. Combinando le due lunghezze d’onda del laser a diodi in un’unica piattaforma, è stato inoltre possibile sfruttare contemporaneamente l’elevata efficacia coagulativa del laser a 980 nm con il potere termoablativo della radiazione a 1470 nm, garantendo un’efficacie e sicura fotovaporizzazione della prostata e suggerendo un promettente ruolo di questa sorgente a doppia lunghezza d’onda sia nel trattamento della nefrolitiasi così come della ostruzione cervico-uretrale.
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