CN112437641A

CN112437641A - 用于激光碎石术的方法和装置

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Publication number: CN112437641A
Application number: CN201980048013.7A
Authority: CN
Inventors: 格雷戈里·B·阿特舒勒; 阿纳斯塔西娅·科瓦伦科; 维多利亚·文尼琴科; 伊利亚·雅罗斯拉夫斯基
Original assignee: IPG Photonics Corp
Current assignee: IPG Photonics Corp
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2021-03-02
Also published as: IL280229B1; WO2020033121A1; KR102814155B1; EP3806771B1; US20240252242A1; EP4620416A3; JP7570315B2; BR112021000775A2; IL280229A; KR20210035224A; KR20250084973A; EP3806771A1; EP4620416A2; JP2024052981A; IL280229B2; JP2021530873A; EP3806771A4

Abstract

本发明提供了用于整形脉冲激光碎石术的方法和设备，以提供高的消融速率，同时还使消融产物的反冲最小化。一种用于治疗人体或动物体内的结石的方法和激光器系统，包括：发射激光脉冲序列的激光器，该激光器可在幅度调制制式下工作，在幅度调制制式下以恒定的脉冲频率发射激光脉冲；并且以幅度调制周期为Na的周期性变化的峰值功率或脉冲能量或周期性变化的峰值功率和脉冲能量发射激光脉冲，幅度调制周期Na等于在幅度周期脉冲组中的脉冲数。

Description

用于激光碎石术的方法和装置

技术领域

本公开总体上针对根据各种外科技术通过控制激光功率的时间结构以增加石块治疗的速度来治疗人或动物体的结石的方法和激光器系统。特别地，本发明涉及一种通过对脉冲能量、峰值功率、重复率以及脉冲形状进行调制来利用具有改进的时间结构的激光脉冲来治疗结石的方法和激光器系统。

背景技术

脉冲激光源可以用于碎石过程，以消除人和动物内的结石。结石(在本文中也称为石块)是可能在身体的器官或导管中形成的物质的凝结物。尿路结石包括肾部石块(也可以称为肾脏结石或肾石)以及膀胱石块(也可以称为膀胱结石或膀胱石)，并且可以具有多种成分(包括混合成分)中的任何一种。主要成分通常包括草酸钙、磷酸钙、磷酸镁铵、磷酸氢二铵钙、磷酸镁、半胱氨酸、尿酸或尿酸盐和黄嘌呤。胆囊和胆管的结石称为胆结石，主要由胆盐和胆固醇衍生物形成。结石也可能在身体的其他区域形成，包括鼻腔通道、胃肠道、唾液腺、扁桃体和静脉。

激光碎石术是利用激光来通过各种机制引起石块损伤。沿着刚性或柔性或脊形内窥镜的纵轴行进的光纤通常传送激光束以使石块碎裂。可以将石块分成1至3到4毫米(碎片)大小的颗粒，然后可以通过使用篮子或类似工具的刚性仪器的工作通道将其除去。或者，可以在称为微尘化的过程中将石块分裂成较细的颗粒(尺寸小于1毫米)。微尘的一个子类称为细微尘(颗粒＜0.25至0.5毫米，取决于石块组成和微尘颗粒的形状)，其碎片足够小，可通过尿液流或通过由悬挂大约40厘米高的水/盐水袋提供的标准冲洗流将其去除。汽化至分子水平也是可能的。消融效率取决于治疗部位的情况，对于大石块或当单次手术过程中治疗多个石块时可能会大大降低消融效率。当目标是在手术过程中以接触模式和非接触模式完成石块微尘化时，此问题在使用柔性输尿管镜治疗大块肾部石块和多个肾部石块时更为常见。

另一问题是在治疗期间由于反冲而使石块移动。反冲是由以下现象引起的。由在光纤和石块之间的间隙中的水吸收的光能产生水压力波，该水压力波将石块推向远离光纤尖端的方向。当激光能量被石块吸收并发生石块消融时，消融的反退动量也会使石块远离光纤。反冲延长了手术时间，使外科医生难以完成石块的碎裂或微尘化，并难以实现无残留石块颗粒结果。增加激光平均功率和治疗时间以补偿较低的消融速率受到限制，这是因为可能会增加软组织损伤的风险。

已知几种用于执行激光碎石术的手术技术，且这些手术技术基于例如光纤尖端和待治疗的石块的相互位置和相对位移。这些技术通常属于以下类别之一：接触碎片，准接触扫描(跳舞)和非接触(爆米花)技术。当使用碎裂技术时，将光纤尖端放置为与石块中心接触，并且将激光功率输送到石块直到发生石块宏观开裂和碎裂为止。在碎裂技术中，激光功率被施加在一个较小的区域中相对较长的时间。这种操作模式会导致钻孔相对较深，并且会产生热机械应力，从而引起石块宏观开裂。

在扫描技术中，光纤与石块准接触(距离0-1毫米)，并在石块表面连续移动。每次扫过石块表面都会去除(消融)一薄层石块。此技术对于将石块消融成小碎片(微尘)是更优选的。如果反冲不允许以接触模式或准接触模式运行，则使用非接触技术来治疗小碎石(通常尺寸小于3毫米)。在非接触技术中，将光纤定位在靠近目标碎石的位置的固定位置处，并以非接触方式发射激光。水汽化和汽泡爆裂会导致水流，从而导致小碎石移动。当此类碎片进入手术光纤远端的有效范围时，会进一步碎裂/微尘化，从而导致更小的碎石。

消融速率由消融机制决定，该机制取决于石块的化学成分和结构、激光的操作参数(例如波长、辐射能量、峰值功率、脉冲宽度和重复频率)、光纤的提供辐射的端部与石块表面之间的中间层的厚度、以及该中间层中物质的光学特性(透明度)。消融的各种物理过程和机制与上述的石块破坏的手术技术相伴，并且包括光机械机制、光热机制和/或光化学机制。

光机械机制(针对短于几微秒的激光脉冲的典型)认为，当激光诱导的拉伸应力超过目标物的极限拉伸强度时，就会开始消融。该机制的关键因素包括目标材料的机械性能和激光感应应力。固体材料中的瞬时拉伸应力会导致形成微观裂纹和其他缺陷，并且如果应力超过材料的有效强度，则会发生断裂和材料弹出(此过程称为散裂)。另外，液体内的瞬时拉伸应力会使介质破裂，从而引起被称为空化的现象。空化涉及液体内的空腔的生长和坍塌，并可能破坏周围的固体材料。激光能量还会导致在此物质上形成等离子体。等离子体形成是通过经由光学击穿的快速物质电离来实现的，这是当激光辐射由被辐射物质强烈吸收和/或在目标上具有高功率密度时产生的非线性效应。在液体治疗环境中，激光在液体内形成汽泡是由直接吸收或等离子体介导的吸收引起的。这种吸收会产生不断生长的蒸汽泡。尽管生长的蒸汽泡可能未到达石块，但来自脉冲的能量仍被液体吸收。因此，在生长的汽泡的前面形成了双极压力脉冲(即，冲击波)，这引起了石块的破裂。汽泡的空化过程进一步促进了冲击波生长。因此，将激光能量聚焦在目标材料上会破坏该材料，这是由于通过光学击穿的等离子形成、冲击波的生成以及汽泡空化过程中引入的负压。

对于脉冲时间长于十几微秒的激光器来说，光热机制是典型的。对于具有用于能量传递的二氧化硅光纤的碎石术，优选的是波长接近于1940nm(在1.85至2.1微米范围内)处的吸水峰的亚毫秒和毫秒激光。水是石块中最重要的初始生色团，有助于将激光能量转换为热能和热机械能，从而通过石英光纤传输的红外光谱使石块破裂。

可以以两种模式实施光热机制。第一种模式是石块微尘化，其发生是由于水的膨胀或蒸发而引起的压力升高，所述水最初限制在石块微晶之间的石块中(约占石块重量/重量的10％)，在石块孔隙、裂缝、初始微裂纹内以及其他微空间内。加热和随后的沸腾是由被石块的矿物和有机成分所包围的水的选择性吸收引起的，其中矿物和有机成分本身对波长约2微米的光具有较低的吸收率。这种机制导致碎片的分离，碎片的大小从基本微晶的特征尺寸(高达几百微米，主要是亚微米到几十微米)或其具有特征尺寸的簇/畴到高达0.5毫米(细微尘)或1毫米(微尘)。第二模式是石块碎裂(碎片＞1毫米)，这主要是由于当对石块上的一点施加激光功率时(石块钻孔)时，激光加热区域周围的大部分石块中的热应力所致并且主导微尘化。不管手术技术如何，实际上总是存在第一模式，但是在扫描和爆米花手术技术中它占主导地位。第二种模式与非常高的脉冲能量和碎裂技术有关。

消融的光化学机制基于吸收高能光子，从而导致材料中分子键的直接解离。由于石块结构内有机分子的碳化或矿物基质中的热化学反应，光化学机制可能起到增加石块的吸收的作用。可以通过激光参数(例如脉冲宽度、每脉冲能量、脉冲重复率和平均功率)控制手术过程，例如细微尘化、微尘化和碎裂、消融效率和反冲效果。另外，能量传递的方法，例如光纤参数(诸如纤芯直径、数值孔径)、远端条件以及光纤远端与石块之间的距离也起着重要作用。最后，钻孔、扫描或非接触式应用也都对激光-石块相互作用的结果有影响。

几种类型的激光器可用于激光碎石过程中，并根据不同的标准进行选择。例如，钬：YAG(Ho：YAG)闪光灯泵激光碎石机通常在高脉冲能量(0.1-6J)下工作，但在碎石过程中被限于低脉冲频率(5-100Hz)。由于闪光灯泵，该激光器的脉冲形状和时间特性的其他特性控制非常受限。

除了激光碎石中使用的Ho：YAG激光器以外，工作波长接近于约1.94微米的吸水峰的其他激光器包括但不限于：二极管泵浦的铥Tm：YAG激光器和二极管泵浦的Tm光纤激光器(TFL)。特别地，二极管泵浦的Tm光纤激光器具有许多有利的特性。这些激光器可以在较宽的脉冲能量范围(0.001-20J)以及低和高脉冲频率(1-1000000Hz)下工作。已经进行了TFL和Ho：YAG配置的比较研究。(参见，例如，Blackmon等人，《Journal of BiomedicalOptics》，16(7)：071403，2011年7月)。此外，还研究了激光脉冲工作参数(例如功率设置或减少反冲)的影响(例如，参见White等人的《Joumal of Endourologv》，12(2)：183-186，2009年3月，和Andreeva V等人的《World Journal of urology》2019年5月4日：1-7。)。TFL的发射线可在1.85至2.2微米的范围内调节，并使其非常接近1.94微米左右的水吸收峰(对于约20-30℃的水为1.94微米，对于90-100℃的水为1.908微米)。TFL对不同石块成分的消融阈值远低于Ho：YAG碎石系统的阈值(约5倍)，与Ho：YAG系统相比，也就是说，对于相同的消融速率TFL具有较低的脉冲能量，或者在等效的脉冲能量的情况下TFL对石块消融的效率更高。

因此，包括TFL在内的光纤激光器的光束分布比Ho：YAG激光器或其他固态激光器的多模态光束更加均匀和对称，其由于不可避免地损坏细芯光纤而无法耦接到细芯光纤中。例如，单模(SM)铥光纤激光器能够将激光束聚焦到大约25微米。与钬激光器的情况相比，由TFL提供的较小的光纤直径可以实现更高功率密度的聚焦，这也减少了反冲。较小的光纤直径会增加石块表面上的辐射曝光或辐照度，这意味着在激光消融过程中可以使用较低的激光脉冲能量。当将光纤用于具有较小工作通道的柔性输尿管镜中时，较小的光纤直径是重要的，这既用于改善冲洗流量又用于不损害输尿管镜的偏转角。铥光纤激光器提供的改进的空间光束分布减少了激光引发的对近端光纤尖端表面的损害，即，与基于铥的系统相比，具有更长的使用寿命。使用较小直径的光纤(小于150微米(μm)，优选在50至125微米之间)可以通过将激光能量聚焦在微晶的簇(域)之间并进入石块表面上的裂缝和裂隙来提高细微尘的效率。钬激光器系统还会产生热量，这会导致光束失准，进而可能导致光纤损坏。

总的来说，与诸如Ho：YAG系统之类的传统闪光灯泵浦的固态激光器相比，二极管泵浦的光纤激光器能够以更大范围的激光器工作参数工作。例如，单激光头Ho：YAG系统通常会由于过热并对激光棒造成热损伤的可能性而限制在＜30Hz的脉冲率上。来自闪光灯的白光大部分以热量的形式浪费掉，只有一小部分有助于激光器的实际运行，这些系统的墙插效率通常低于1-2％。因此，这些系统需要大而笨重的冷却装置(例如水冷却装置)以散发该热量并防止损坏激光棒。相反，二极管泵浦的光纤激光器系统具有大约10-50％的墙插效率，这意味着可以使用小得多的冷却装置(例如风冷)。增大的墙插效率还使基于光纤的系统能够以相较于基于钬的系统的较高的平均功率运行，但仍能够使用110-120V的电源插座。

二极管泵浦的Tm光纤激光器的其他优点包括它们能够产生不同的时间结构(包括大范围的脉冲形状)的能力，它也可以实现为在1.85-2.2微米范围内进行发射的其他二极管泵浦的激光器。例如，用二极管激光泵浦的Tm：YAG激光器具有这种能力。如将在本申请中讨论的，二极管泵浦的固态和光纤激光器的上述优点被结合在本发明中。

与激光碎石术的发展有关的问题包括减少手术时间，这与石块的消融速率、碎片移动的路径(速度)(例如，减少反冲)以及破坏的产物有关。通过优化激光发射的时间结构可以大大改善这个问题。这种能力由二极管泵浦的光纤或固态激光器提供。

用于激光碎石术的所有激光器均以预设的每脉冲能量(E＝0.025-6J)、重复率(v＝1-2500Hz)、脉冲宽度和平均功率P＝E×v(2-120W)运行。预先选择了激光参数(E、v和P)以达到理想的结果：碎裂、微尘化或爆米花，并提供应将器官壁穿孔或水过热和粘膜热灼伤的风险降至最低的安全余量。但是，如上所述，石块具有不同的组成、形状和大小。虽然固定设置的上述参数可以高效地破坏一特定石块，但对另一石块而言可能是效率低下的。

为了实现具有高消融效率的最小反冲，提出了延长脉冲宽度(长脉冲模式)或使用特殊的双脉冲制式。美国专利No.5,321,715提出了一种辐照目标物的方法(以石块为例)，其中分两步使目标物和光纤端部之间的空间透明，其中该空间通常由吸收激光辐射的液体介质占据：(1)产生具有足够能量的第一激光脉冲，在光纤的输送端部处的液体介质中形成蒸汽汽泡，以及(2)在第一脉冲之后的预定时间间隔内产生第二激光脉冲，其中将预定时间间隔选择为允许蒸汽汽泡膨胀的量足以从目标物和输送端部之间的空间中移出大部分液体介质，使得第二激光脉冲可以通过蒸汽汽泡而被输送至目标物，从而最小化被液体介质吸收的激光辐射并最大化到达目标物的激光辐射。因此，第一脉冲在光纤端部和目标物之间创建蒸汽通道(摩西效应)，且第二脉冲以最小的损耗和与液体的相互作用传播到目标物。但是，该专利教导的解决方案仅获得了部分成功。

因此，需要由激光器系统执行的整形脉冲激光碎石术，该激光器系统可操作以调制脉冲能量、峰值功率、脉冲重复频率和脉冲形状，从而为激光-石块相互作用提供最优条件，进而引起减少治疗时间和降低成本。

发明内容

通过本发明的用于治疗人或动物体内的结石的激光器系统和方法可以实现该目的。通常，本发明构思的两个方面是提供高效的消融速率，同时使反冲的不良影响最小化：1、脉冲能量、峰值功率和脉冲频率的调制或周期性变化，以及2、形成和维持最优脉冲形状。鉴于用于治疗结石的激光器系统和治疗结石的方法，讨论了每个方面。如以下对于激光领域和泌尿外科领域的普通技术人员显而易见的那样，这些方面是彼此互补的，并且以下讨论的这些方面之一的结构特征可以用于另一方面。

各个方面的方法通过使用在特定的激光功率密度范围内的、在1.85-2.2微米波长范围内工作的二极管泵浦的光纤激光器或二极管泵浦的固态激光器，来提供小于1毫米、优选小于0.5毫米、最优选为0.25毫米以下的范围内的多组分尺寸颗粒。小于500微米、优选小于250微米的颗粒可以很容易地通过用对肾脏安全的压力(水柱高度＜40cm)配置的输尿管镜的灌洗流去除。

根据第一方面的方法涉及被称为幅度调制(AM)的对脉冲能量E和/或脉冲峰值功率Pp的调制，以及被定义为频率调制(FM)的对脉冲频率v的调制(即，脉冲重复率)。最后，该方法涉及同时的幅度调制和频率调制，即，幅度-频率调制(AFM)。

特别地，根据第一方面的用于治疗人或动物体内的结石的方法涉及AM，并且包括从激光器发射激光脉冲序列，该激光脉冲序列具有恒定的脉冲重复频率(PRF)并且周期性变化的峰值功率或脉冲能量或峰值功率和脉冲能量，其中幅度调制周期Na≥2。

处理AFM从而发射激光脉冲序列的方法提供了周期性地改变脉冲峰值功率或脉冲能量或脉冲峰值功率和能量中的至少一个，其中调制周期Na等于在幅度周期脉冲组中的脉冲数；以及周期性地改变PRF，其中频率调制周期Np等于在频率周期脉冲组中的脉冲数。

第一方面的上述两种方法实现为具有调制周期Na，Na范围在从2至1000个激光脉冲，优选地从2至100个激光脉冲，最优选地从2至10个激光脉冲，PRF的调制周期Np变化范围为2至1000个激光脉冲，优选2至100个激光脉冲，最优选2至10个激光脉冲。在这两种方法中，激光脉冲在1.85至2.2微米的波长范围内发射，优选在1.91至1.96微米的波长范围内发射。

本发明的第二方面涉及根据以下两个实施例形成的最优脉冲形状的形成。

特别地，在一个实施例中，用于治疗人或动物体内的结石的方法包括输出包含关于期望的激光脉冲形状的信息的控制信号。响应于控制信号，发射激光脉冲序列，使得每个激光脉冲具有期望的激光形状，每个激光脉冲是由彼此在时间上间隔开的第一子脉冲和第二子脉冲形成的。第一子脉冲的能量在0.02至0.15J(优选0.05至0.1J)的范围内变化，并且其峰值功率在50至500W(优选100至300W)的范围内。子脉冲在时间上具有50至900us的范围(优选100至500us的范围)内变化的间隔。第二子脉冲的能量超过第一子脉冲的能量并且在0.1至10J的范围内变化，而其峰值功率超过第一子脉冲的峰值功率并且在300到20000W的范围内变化。

另一个实施例涉及用于治疗人或动物体内的结石的方法，并且包括输出包含关于期望的激光脉冲形状的信息的控制信号。响应于该控制信号，发射激光脉冲序列，使得期望的激光脉冲形状具有初始部分和后续部分，其中后续部分具有比初始部分更高的功率水平。初始部分的功率从最小功率水平单调增加到后续部分的功率水平，且最小功率水平在0到200W之间变化。初始部分的持续时间在0.1到10毫秒范围内变化，而初始脉冲部分的能量占脉冲总能量的10％至70％。后续部分的功率在400到20000W之间变化，且后续部分的持续时间在0.5到20ms范围内变化。

根据本发明的上述一方面，本发明的用于治疗结石的激光器系统通过配置脉冲重复激光来提供对多组分固体的团簇式激光消融机制。特别地，激光器被配置为具有经调制的激光辐射和受控形状的激光脉冲，以同时(i)控制消融产物的尺寸，(ii)提高消融速率，和(iii)减少石块反冲。经调制的激光发射和受控形状的激光脉冲也可以用于提高消融速率并减少碎裂模式下的反冲。

根据该方面的一个特征，本发明的激光器系统配置有发射激光脉冲序列并在AM制式(AMR)下可操作的激光器。在这种制式下，激光器以恒定的脉冲重复频率(PRF)发射激光脉冲，并周期性地改变峰值功率和脉冲能量中的至少一个，其中幅度调制周期Na等于幅度周期脉冲组中的激光脉冲数。

根据另一个特征，本发明的激光器系统包括可在幅度-频率调制制式制式(AFMR)中工作的激光器。该制式的特征在于，所述激光器发射具有以调制周期Na周期性变化的脉冲峰值功率或脉冲或两者的激光脉冲序列，调制周期Na等于幅度周期脉冲组中的脉冲数。AMPR制式进一步提供了具有以频率调制周期Np周期性变化的PRF的发射脉冲序列，频率调制周期Np等于频率周期脉冲组中的脉冲数。

在上述特征的本发明的激光器系统中的任何一个中利用的激光器的类型优选包括二极管泵浦的固态激光器和二极管泵浦的光纤激光器，例如被泵浦的固态激光器。特别地，二极管泵浦的激光器是Tm：YAG、Tm：YLF、Tm：YAP、Tm：LuAG、Tm：LuLF、Tm：LuAP和Tm光纤激光器。然而，在本发明的激光器系统中可以采用诸如Ho：YAG的闪光灯泵浦的固态激光器。此外，本发明的范围不排除使用直接二极管激光器。

周期性变化的峰值功率、脉冲能量或两者的调制周期Na的范围为2至100个激光脉冲，并且适用于所描述的两个激光器系统。在AMR中，峰值功率或脉冲能量中的至少之一或两者的调制周期为2至1000个激光脉冲。AFMR中周期性变化的PF的周期Np在2至1000个激光脉冲之间变化。

在本发明的激光器系统的两个所描述的配置中使用的激光器发射波长范围为1.85至2.2微米(优选地，在1.908至1.96微米的波长范围内)的激光脉冲。在这些波长下的操作允许由水主要吸收激光辐射，这对上述任何外科技术都非常有利。

在两种所描述的配置中使用的上述激光器可以在自由运行模式和Q开关下操作，它们之间的结构差异是调制器的类型。自由运行模式中使用的调制器包括二极管激光器，而Q开关模式与声光或电光调制器(分别为AOM和EOM)相关联。

在自由运行模式下，任何公开的激光器都输出PRF范围在2到5000Hz之间的激光脉冲序列。每个激光脉冲具有以下特征：激光脉冲能量在0.001J-10J范围内，激光脉冲峰值功率在100-20000W，优选在250-3000W范围内，并且激光脉冲持续时间在25μs-50之间ms范围，优选是100μs-15ms范围。

以Q开关模式工作的、具有经调制的谐振器质量的激光器输出激光脉冲，该激光脉冲具有以下脉冲特性：能量在0.1至10mJ之间变化、峰值功率在200至1000000W之间变化且PF范围在500至500000Hz之间。

具有所描述的两个激光器配置的本发明的系统包括控制器，在AMR中，该控制器输出包含关于期望峰值功率或脉冲能量的信息的控制信号，或在AFMR中，该控制器输出包含关于期望峰值功率或脉冲能量以及期望PRF的信息的控制信号。该信号被耦接到任何上述调制器的驱动器中。

根据另一方面，本发明的激光器系统配置有控制器，该控制器输出包含关于期望激光脉冲形状的信息的控制信号。激光器可操作地耦接到控制器，使得响应于控制信号，每个激光脉冲具有期望的激光脉冲形状。整形的激光脉冲形成有彼此在时间上间隔开的第一子脉冲和第二子脉冲。第一子脉冲的能量在0.02至0.15J(优选为0.05至0.1J)的范围内变化，并且第一子脉冲的峰值功率在50至500W(优选是100至250W)的范围内变化。第一子脉冲和第二子脉冲之间的间隔在50至900us的范围内变化(优选100至500us的范)围。第二子脉冲的能量超过第一子脉冲的能量并且在0.1J至10J的范围内变化，并且第二子脉冲的峰值功率超过第一子脉冲的峰值功率且在300至20000W的范围内变化。

根据该方面的本发明的激光器系统的又一配置结构化有控制器，该控制器输出包含关于期望激光脉冲形状的信息的控制信号。激光器可操作地耦接到控制器，并且响应于控制信号而发射激光脉冲序列，使得每个激光脉冲形成有期望的激光脉冲形状。整形的激光脉冲由初始部分和后续部分形成，其中后续部分的功率高于初始部分的功率。

初始部分的功率从0至200W之间的最小功率水平单调增加到在400至20000W之间变化的后续部分的功率水平。初始部分的持续时间在0.1至10ms的范围内变化，初始部分的能量为脉冲的总能量的10-70％，而后续部分的持续时间在0.5至20ms范围内变化。初始部分的功率根据线性函数、多项式函数和指数函数之一增加。

本发明的其他方面、结构细节和优点将在下面的具体描述中详细讨论。此外，应当理解，以上信息和以下详细描述都仅仅是各个方面和实施例的说明性示例，并且旨在提供用于理解所要求保护的方面和实施例的性质和特征的概述或框架。如容易理解的，可以以激光和泌尿学领域的普通技术人员容易理解的任何合理组合来组合本发明的所有以上和以下公开的结构特征。

附图说明

下面参考附图进一步讨论本发明的各方面，这些附图无意于按比例绘制。包括附图是为了提供对各种结构特征的说明和进一步的理解，并且被并入本说明书中并构成本说明书的一部分，但并不旨在作为对任何特定实施例的限制的定义。附图以及说明书的其余部分，用于解释所描述和要求保护的方面和实施例的原理和操作。在附图中，在各个附图中示出的每个相同或几乎相同的组件由相似的数字表示。为了清楚起见，并非每个组件都在每个图中标记。在图中：

图1是用于碎石术的本发明激光器系统和输送系统的示例性示意图；

图2A示出了当前在已知现有技术的激光碎石术中使用的具有恒定峰值功率和均匀脉冲周期的激光脉冲序列；

图2B示出了本领域已知的二极管泵浦的光纤或固态激光器的脉冲形状；

图2C示出了现有技术中已知的闪光灯泵浦的固态激光器的脉冲形状；

图2D示出了现有技术中已知的具有尖峰的闪光灯泵浦的固态激光器的脉冲形状；

图2E示出了本领域中已知的多头闪光灯泵浦的固态激光器的脉冲形状；

图2F示出了现有技术中已知的闪光灯泵浦的固态激光器的特殊构造的脉冲形状，其被设计成使光纤的远端和目标物之间的水中的能量损失最小化；

图3示出了由以幅度-频率调制制式(AFMR)操作的本发明激光器系统发射的示例性激光脉冲序列，其特征在于周期性变化的峰值功率Pp或能量E以及周期性变化的脉冲频率，其中周期性变化的峰值功率Pp或能量E具有等于在幅度周期脉冲组中的激光脉冲数的调制周期Na；周期性变化的脉冲频率具有对应于频率周期脉冲组中的脉冲数的调制周期Np；

图4A至图4B示出了本领域中已知的且作为常规方案用于微尘化实验、碎裂实验和非接触实验中的激光脉冲序列的各个示例。

图4C至图4E示出了由以幅度-频率调制制式(AFMR)操作并用于微尘化实验中的本发明的系统发射的激光脉冲组的各个示例；

图5是幅度调制制式(AMR)的示例；

图6A至图6G是AMR中的幅度周期激光脉冲组的示例，其由不同的幅度调制周期Na表征并用于接触模式实验；

图7A至图7C示出了根据AMR具有相应调制周期Na的并在非接触模式实验中使用的幅度周期激光脉冲组的另一示例；

图8是频率调制制式(FMR)的示例；

图9是单个激光脉冲的示例，该激光脉冲具有两个时间间隔开的子脉冲，其具有不同峰值功率。

图10是用两个相邻部分整形的单个激光脉冲的示例；以及

图11A、图11B和图11C分别是在碎裂实验中使用的不同激光脉冲形状。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例。在附图和说明书中，尽可能使用相同或相似的附图标记或字母表示相同或相似的部件或步骤。这些附图是简化的形式，并且没有精确的比例。仅出于方便和清楚的目的，可以相对于附图使用方向性(上/下等)或移动性(向前/向后等)术语。术语“耦接”和类似术语不一定表示直接连接和直连，而是还包括通过中间元件或设备的连接。

本发明的发明构思基于通过增加消融效率同时最小化反冲效应来提供较高的消融速率。该概念是通过以下方式来实现的：(a)脉冲能量E(n)或峰值功率Pp(n)或两者的调制(周期性变化)，其被定义为AM；(b)脉冲周期T(n)的脉冲频率(重复频率)v(n)的调制，其被定义为FM；(c)同时的幅度和频率调制，称为AFM；以及(d)特定脉冲形状的配置。

根据以下说明，可以更好地理解本发明的第一方面-脉冲峰值功率和/或能量的调制。用于治疗人或动物体中的结石的本激光器系统，激光功率的时间结构是周期脉冲序列(串)，可以用以下公式描述：

P(t)＝Pp*f(t-T*n，n＝0，1，2，...，…， (1)

其中P(t)是瞬时激光功率，Pp是峰值功率，f(t)是单个脉冲形状(分布)，且T是序列周期，与脉冲频率成反比，T＝1/v。每脉冲能量是功率的整数：

E＝INT(P(t)，0，T)＝Pp*τ， (2)

其中τ是有效脉冲宽度。

周期性脉冲序列也可以用以下公式描述：

P(t)＝(E/τ)*f(t-T*n)， (3)

单个脉冲形状(分布)f(t)由脉冲宽度τ表征。对于碎石术的激光器系统，脉冲宽度比序列周期短得多：τ＜＜T或τ＜0.1T。

常规的结石治疗技术基于以下制式：Pp、T、v和E在治疗之前设定并在治疗期间保持恒定。一些激光器系统可以配置有双踏板治疗参数，可在两组参数之间切换，两组参数具有恒定的峰值功率、频率和每脉冲能量：PP₁、T₁、v₁、E₁和PP₂、T₂、v₂、E₂。

根据本发明的幅度调制(AM)：

与已知的现有技术相反，这里将幅度调制定义为具有恒定周期T和频率v及周期性变化的峰值功率Pp的制式：

P(t)＝Pp(n)*f(t-T*n)，n＝0，1，2，... (4)

或能量

P(t)＝E(n)/τ(n)*f(t-T*n)， (5)

其中Pp(n)＝Pp(n-Na)或E(n)＝E(n-Na)或τ(n)＝τ(n-Na)或其组合，Na是一个正整数，被称为幅度调制的周期。在本发明激光器的AM制式(AMR)中，所有激光脉冲序列可以表示为一组Na脉冲的周期序列，其中在该Na脉冲组中具有可变幅度(经幅度调制的周期脉冲组)。

图6A至图6G 2和图7A至图7C示出了具有不同调制周期Na的激光脉冲序列，其自在AMR中操作的本发明激光器系统发射。这些图将在下面详细讨论。

根据本发明的频率调制(FM)

与已知的现有技术相反，本申请中使用的频率调制被定义为一种具有恒定峰值功率Pp或能量E及周期性变化的频率v或脉冲周期T的制式：

P(t)＝Pp*f(t-T(n)*n)，n＝0，1，2，... (6)

或

P(t)＝E/τ*f(t-T(n)*n)， (7)

其中T(n)＝T(n-Np)，并且Np是被称为频率调制周期的正整数。频率调制意味着频率调制，因为v(n)＝1/T(n)＝v(n-Np)。

在FM制式(FMR)中，所有激光脉冲序列都可以表示为一组Np脉冲的周期序列，在该组内的脉冲之间具有可变的周期(经频率调制的周期脉冲组)。

图8示出了在FMR中操作的本发明激光器系统。

根据本发明的幅度频率调制(AFM)：

基于根据本发明定义的AM和FM，幅度-频率调制被定义为一种具有同时周期性变化的峰值功率Pp(或能量E)和频率v(和周期T)的机制：

P(t)＝Pp(n)*f(t-T(n)*n)，n＝0，1，2，... (8)

或能量

P(t)＝E(n)/τ(n)*f(t-T(n)*n)， (9)

其中Pp(n)＝Pp(n-Na)或E(n)＝E(n-Na)或τ(n)＝τ(n-Na)和T(n)＝T(n-Np)。

图3和图4A至图4C示出了在AFMR中操作的本发明系统，并且在下面进行了详细讨论。

转向图1，该图示出了示意性示出的示例性发明激光器系统100，本领域技术人员立即认识到该系统在结构上与两个发明方面的讨论相关并且可以使用各种类型的激光技术来体现。然而，优选实施例基于特定类别的激光技术，具体地，包括以自由运行模式或Q开关模式操作的脉冲激光器104的脉冲激光器技术。在任一种激光器操作模式下，并且与激光器的类型无关，本发明的激光器系统100配置有激励激光器104的泵浦源103。通常，泵浦源104配置有一个或多个二极管激光器。在最优实施例中，脉冲激光技术意味着使用能量存储器件(例如，电容器、电感器或这些的组合)。

电源101向系统供电，可选地，储能器件102存储形成激光脉冲所需的足够量的能量。泵浦源104的激光驱动器103响应于来自控制模块108的控制信号而形成具有特定特性的电脉冲。电脉冲被泵浦源104的一个或多个二极管接收，进而形成在激光腔体105中对激光介质进行泵浦所需的光脉冲。激光介质的输出通过光耦接器106耦接到输送系统107，输送系统107被认为是激光器系统的外部。

整个系统由控制模块CM(108)控制，控制模块提供包含控制信号、时序和安全特征的校准曲线或表格(定义实现期望光输出所需的电脉冲的特性)。代替泵浦二极管，例如闪光灯的其他设备可以用作泵源。

可替代地，激光介质本身可以用作储能器件。在该配置中，通过应用具有腔损耗的内部光学调制器作为Q调制器件(例如声光、电光或无源调制器)来实现脉冲形成。

为了本发明的目的，以下术语定义为：

激光脉冲是通过由激光驱动器103直接调制二极管电流或通过直接调制储能器件102的单个充放电循环而生成的本发明激光器系统100的输出；

激光脉冲序列是由储能器件102的多个直接单个调制或单个充放电循环而生成的激光器系统的输出。

因此，通过由控制模块108针对AM制式设置期望峰值功率Pp或脉冲能量E，或者在FM制式中设置两个连续脉冲之间的间隔T，来实现根据本发明的一方面的脉冲序列的调制。通过在激光驱动器103中形成期望时间结构的脉冲来实现根据另一发明方面的脉冲整形。

基于以上讨论的方程式4-9，该方程式数学上描述了本发明的AM，以及组合的AM和FM，激光器系统100通过控制激光发射的时间结构，按照第一方面进行操作，可通过以下方式控制：

a)调制在脉冲序列中的多个脉冲的峰值功率Pp或脉冲能量E，Pp(n)＝Pp(n-Na)，其中Na是幅度调制的周期；

b)调制多个脉冲的脉冲序列的周期T(以及频率v)，T(n)＝T(n-Np)，其中Np是频率调制的周期；

c)结合以上a)、b)和c)中所述的调制方式；例如，同时调制幅度和频率(幅度-频率调制)。

在本发明的各个方面中，使用所有三种类型的调制(幅度、频率和幅度-频率)以及调整单个脉冲形状。二极管泵浦的光纤(优选)和固态激光器可以通过控制泵浦用的二极管的电流来进行调制，并可以通过改变泵浦用的二极管上的电流来修改激光器参数。优选地，二极管电流应该在二极管泵浦的激光器生成的阈值电流I_th和某个最大电流之间的范围内变化，该最大电流低于激光功率的饱和水平，激光功率是二极管电流Ist的函数。在此范围内，激光功率几乎线性地取决于二极管电流，并且可以通过对激光驱动器的泵浦用电流进行编程来产生不同的激光时间结构。

本发明的主要提议是在不损害或(优选地)增加安全分布的前提下提高石块微尘化或碎裂的速度。这可以通过适当的脉冲整形或通过调制脉冲序列(用上述一种或多种调制方式)来实现。对于每种治疗模式(例如接触式微尘化或碎裂)和非接触式微尘化，这种调制都是最优的。

在接触微尘化的情况下，期望的最终结果是将石块碎裂成小于1毫米，优选小于0.5毫米，最优选小于0.25毫米的小颗粒。在当前的激光器系统中，这种制式要求使用相对较低的每脉冲能量(0.025-0.3J)来使光纤在石块表面上连续移动。为了补偿由于较低的每脉冲能量而导致的每个脉冲的消融量小，重复率应尽可能高，同时将平均功率Pa＝E*v保持在安全极限内，以避免由于尿道中的水加热而导致对软组织的热损伤。这种安全极限(Pamax)取决于水冲洗速率和总治疗时间。可以优化激光输出的时间结构，以通过激光脉冲整形和/或调制激光脉冲序列来用相同的平均功率实现更高的消融速度，并同时降低或至少保持相同水平的反冲。消融效率和反冲效应是多种因素共同作用的结果，这些因素包括但不限于：

1.脉冲能量、脉冲峰值功率或脉冲宽度、重复率

2.光束直径，取决于光纤芯直径

3.光纤端部与石块之间的距离

4.光纤移动的速度。这一因素与施加到一个点的有效脉冲数有关。可以通过公式K＝(d/2v)*v来估算此数，其中d是石块表面上的光束直径，v是光纤的移动速度。消融效率随K的增加而降低，这是因为光纤端部与激光凹坑底部之间的距离增加，消融产物产生的阴影效应，激光凹坑底部的水分损失以及其他因素所致。

5.激光脉冲引起的光纤的振荡。光纤可以以一定幅度范围振荡。这些振荡是由来自水中的激光引发的汽泡形成的力、电致伸缩效应和其他机制引起的。光纤振荡有效地减少了施加到一个点K的脉冲数，其可以提高消融效率。

6.石块的大小和形状

脉冲调制与所有列出的因素结合使用，但可能导致不同的效果。例如，激光能量从最小值到最大值的周期性增加可以补偿消融效率的降低，同时以相同的频率、平均功率和光纤移动速度在一个点处发射恒定能量的激光。下面提供的是使用具有不同幅度制式(常规制式，代表治疗石块的当前制式)的恒定脉冲能量和峰值功率和频率进行的石块消融和反冲速度的实验比较，幅度和幅度-频率调制的证明了所提出的制式对于接触和非接触模式的优势。

激光碎石术时间制式的表征

优化激光碎石术的总体目标是加快过程，确保将石块碎裂成期望大小的碎片，并将副作用的发生率降至最低。在与该目标相关的参数中，最重要的两个是石块消融的效率和反冲效果的大小。为了比较各种时间制式内的激光发射，我们使用以下指标：1)石块消融的效率Ka，定义为Va/Et，其中Va是总消融量，Et是总激光能量【mm³/J】；2)临界反冲速度Vr，定义为激光治疗第一时刻的反冲速度【mm/s】；3)时间制式的绝对质量Qa，定义为Ka/Vr【mm²/W】，其随消融效率增加而随反冲减小；4)时间制式的相对质量Qr，定义为(Qa)/(Qa)ref，其中索引ref指的是参考常规制式【无量纲】；5)石块开裂时间，定义为以碎片模式使石块裂开的时间

以下实验技术用于表征和比较各种时间制式：

扫描实验

设备：

1)波长为1.94μm的Tm光纤激光器，峰值功率高达1000W

2)纤芯直径为200μm的传输光纤

3)二维电动平台

4)高速相机(Phantom Vision Research的Phantom Miro M310)

5)光纤支架

6)机械轮廓仪(

by Mitutoyo，日本川崎)

材料和方法：

所有实验均使用人造石块模型进行。使用BegoStone粉末(Bego GmbH，不来梅，德国)制造石块，其中粉末与水的比例为5∶1。将样本切成尺寸为60×40×8mm的板。在进行激光曝光之前，将石块在水中浸泡24小时。

在两种不同的装置上测量了消融效率和反冲效果。

首先，将石块放置在盛有水的容器中(为使装置充分定位，使用了两个汽泡水平仪)。光纤支架安装在二维电动平台上。使用速度为6mm/s的一维水平光纤移动来创建30mm长的线性凹坑，该速度代表典型的临床扫描速度。激光参数根据下表变化。凹坑的横截面面积、深度和宽度的测量是使用机械轮廓仪进行的。使用分布的横截面乘以扫描速度，再除以平均激光功率，计算出消融速率和效率。在扫描过程中，光纤端部与平坦石块表面之间的距离保持在约0.2+/-0.1mm处。

其次，对于相同的激光参数，测量了反冲效果。为了测量石块位移的大小，沿着长边附接了两个直尺，从而形成了90°凹槽。将凹槽浸没在水浴中。为了适当放置该装置，使用了两个汽泡水平仪。将石块样本(5x5x5mm的立方体)放入凹槽中。通过位于装置侧壁内的孔处的支架引入光纤。使光纤尖端与石块中心接触。为了捕获石块的移动，使用了高速(每秒1000帧)相机(Phantom MIRO M310，Phantom Vision Research，美国)。在曝光的前0.5秒期间分析了石块的移动。使用Image软件对石块随时间的移动进行了量化，并将在激光开始时的石块移动速度计算为激光开始时该函数的斜率。

汽泡表征实验

设备：

1)波长为1.94μm的Tm光纤激光器，峰值功率高达1000W

2)纤芯直径为200μm的光纤

3)石英比色皿

4)实验台

5)卤素照明系统

6)高速相机Phantom Miro M310

材料和方法：

光纤支架附接在实验室支架上。将该光纤放置于充满水的石英比色皿中。通过使用高速相机，针对各种激光参数(激光的能量和峰值功率范围分别为0.025mJ到0.4J、100到500W)记录由单个脉冲形成的蒸汽汽泡。相机的帧速率为每秒120,000帧，曝光时间为7μs。卤素照明系统用于照亮场景。录制的视频用于评估汽泡到1毫米、2.5毫米以及到汽泡的最大尺寸的生长时间。使用ImageJ软件量化汽泡长度。

非接触模式

设备：

1)波长为1.94μm的Tm光纤激光器，峰值功率高达1000W

2)纤芯直径为200μm的光纤

3)柔性内窥镜

4)两个玻璃试管

材料和方法：

实验装置包括一个特制的内部比色皿，该比色皿的直径为13毫米，在壁上40毫米的高度处钻有0.25毫米的孔。通过柔性内窥镜进行激光治疗。通过柔性内窥镜的水流量为10ml/min。将内部比色皿放置在外部比色皿中，该外部比色皿收集具有小于0.25毫米的悬浮微尘颗粒的排出水，其在碎石术期间由通过侧孔流出的水排空。半径为2mm的BegaStone球在本研究中用作石块模型。每个激光参数使用5个球。执行碎石术持续2分钟40秒。在碎石术后，对残留在内部比色皿中的碎片进行称重。微尘质量被确定为球的初始质量与剩余碎片的质量之差。消融速率被定义为微尘质量与治疗时间之间的比率。

钻孔和开裂

设备：

1)波长为1.94μm的Tm光纤激光器，峰值功率高达1000W

2)纤芯直径为200微米的光纤

3)光纤支架

4)玻璃试管

5)秒表

材料和方法：

实验是用人造石块模型进行的。使用BegoStone粉末(Bego GmbH，不来梅，德国)制造石块，其中粉末与水的比例为5：1。石块的大小为5x2.5x2.5mm。在激光曝光之前，将石块在水中浸泡24小时。将石块样本放入装满水的玻璃比色皿中。用各种参数的激光辐射钻通石块，使光纤始终在5x2.5mm侧的中心与石块接触，从而模仿碎片治疗制式。在实验期间，使用秒表记录了两个碎片上石块样本的开裂时间。之后，使用上述“扫描实验”部分中描述的装置，以相同的激光参数评估反冲。

所有测量对于每个测量点重复3次，计算均值和标准偏差。

幅度-频率调制(AFM)

当前在当前激光碎石术中使用的激光脉冲序列的一般情况如图2所示。这里，该序列的特征是每单个脉冲的恒定幅度(峰值功率)Pp、恒定脉冲能量E和恒定周期T(图2A)。另一方面，单个脉冲(201)的形状可以在以下脉冲形状之间变化：简单的准矩形脉冲202(图2B)，准矩形脉冲202对于二极管泵浦的激光器是典型的；脉冲形状203(图2C，脉冲形状203是闪光灯泵浦的激光器的特征，具有陡峭的上升沿和长尾巴；脉冲形状204(图2D)，其对于闪光灯泵浦的固态激光器也是常见的，其中平滑的总体形状由于激光器的弛豫振荡而被调制有不规则的微脉冲或尖峰；或复合脉冲形状205(图2D)，出现在多头闪光灯固态激光器系统中。其他脉冲形状在本领域中是已知的，例如规则微脉冲的口袋【Blackmon RL，FriedNM，Irby PB；Enhanced thulium fiber laser lithotripsy using micro-pulse trainmodulation，《Journal of biomedical optics》，2012年2月；17(2)：028002】或由两个子脉冲206(图2E)组成的脉冲，早先具有较小能量的子脉冲，在间隔100到200μs之后是较高能量的拖尾子脉冲206【美国专利5 321 715】。

相反，本发明强调通过根据等式(4-9)改变量Pp、E和T中的一个或多个而带来的各种优点和益处。

幅度-频率调制是本发明涵盖的最普通的调制类型。AFM的示例如图3所示。这里，幅度调制周期Na等于频率调制Np并等于6。AFM可以由平均组周期Tav表征，定义为：

其中Ng是周期组中的脉冲数，Ti是第i个脉冲的周期。

AFM对于接触治疗模式和非接触治疗模式均有利。优选的AFM参数如下：

1.扫描方式

优选参数：

波长1.81-2.2μm，更优选1.908-1.98μm

峰值功率Pa＝250-5000W，更优选400-1000W

每脉冲能量0.01-2J，更优选0.05-0.5J

脉冲重复率v＝5-3000Hz(更优选50-1000Hz)/周期T＝0.00033-0.2s(更优选0.001-0.02s)

Na＝2-10

Np＝1-100

这些设置由图4和表1举例说明。所有实验均以相同的30W平均功率进行，以提供相同的软组织安全分布。

表1.针对接触/扫描模式的碎石术的AFM序列示例

该表显示，与峰值功率为500W和1000W的常规(非调制)制式相比，AFMM制式显著提高了消融效率(高达3.1倍)和消融深度，而没有增加反冲。

接触/碎裂模式

优选参数：

波长1.81-2.2μm，更优选1.908-1.98μm

峰值功率Pa＝100-2000W，更优选250-1000W

每脉冲能量0.2-10J，更优选0.5-5J

脉冲重复率v＝1-300Hz/周期T＝0.0033-1s

Na＝2-10

Np＝1-100

2.非接触式(爆米花)模式

优选参数：

波长1.81-2.2μm，更优选1.908-1.98μm

峰值功率Pa＝500-3000W，更优选500-2000W

每脉冲能量0.05-1J，更优选0.05-0.5J

脉冲重复率v＝10-1000Hz/周期T＝0.001-0.1s

Na＝2-100

Np＝1-100

幅度调制

当脉冲周期保持恒定时，幅度调制是AFM的一种特殊情况。在图5中示出了幅度调制(AM)的典型情况。这里，幅度(Pp或E)以周期Na＝3变化，而各个脉冲之间的周期T保持恒定。在时间间隔T*Na中的脉冲组501被称为经幅度调制的周期脉冲组。

脉冲组的种类可以很多。一些由图6(a-g)示出。从图6可以看出，Pp和E都可以在AM的框架内变化。

AM对于激光碎石术的两种主要模式(即接触和非接触)都是有利的。下面总结了一些优选的制式和说明性示例：

1.接触/扫描模式

优选参数：

波长1.81-2.2μm，更优选1.908-1.98μm

峰值功率Pa＝250-3000W，更优选400-1000W

每脉冲能量0.02-2J，更优选0.05-0.5J

脉冲重复频率v＝5-3000Hz(更优选50-1000Hz)/周期T＝0.00033-0.2s(更优选0.001-0.02s)

Na＝2-10

这些设置由图6和表2举例说明。

表2.针对接触/扫描模式的碎石术的AM序列示例

这些数据表明，幅度调制可以使制式质量提高三倍以上。

2.接触/碎裂模式

优选参数：

波长1.81-2.2μm，更优选1.908-1.98μm

峰值功率Pa＝100-20000W，更优选250-3000W

每脉冲能量0.2-20J，更优选0.5-10J

脉冲重复率v＝1-500Hz/周期T＝0.0002-1s

Na＝2-10

3.非接触式(爆米花)模式

优选参数：

波长1.81-2.2μm，更优选1.908-1.98μm

峰值功率Pa＝500-3000W，更优选500-2000W

每脉冲能量0.05-1J，更优选0.05-0.5J

脉冲重复率v＝10-3000Hz/周期T＝0.0003-0.1s

Na＝2-100

这些设置由图7和表3举例说明。

表3.针对非接触模式的碎石术的AM序列示例所有实验以相同的40W平均功率执行，以针对不同设置匹配软组织安全性。

这些数据表明，幅度调制可以显著(最多60％)减少完成非接触式微尘化过程所需的时间，同时保持激光的平均功率恒定。

频率调制(FM)

当脉冲周期变化时，频率调制是FM的一种特殊情况，而脉冲能量和峰值功率都保持恒定。在图8中示出了频率调制的典型情况。这里，幅度(Pp或E)保持恒定，而脉冲周期以周期Np＝5变化。作为AFM，FM由平均脉冲周期Tav表征。在时间间隔Tav*Np中的脉冲组801形成周期脉冲组。

FM脉冲组的种类可以很多。

FM对于激光碎石术的两种主要模式(即接触和非接触)都是有利的。总结以下是更优选的制式：

1.接触/扫描模式

优选参数：

波长1.81-2.2μm，更优选1.908-1.98μm

峰值功率Pa＝250-3000W，更优选400-1000W

每脉冲能量0.02-2J，更优选0.05-0.5J

Np＝10-100

2.接触/碎裂模式

优选参数：

波长1.81-2.2μm，更优选1.908-1.98μm

峰值功率Pa＝100-3000W，更优选400-1000W

每脉冲能量0.2-20J，更优选0.5-5J

脉冲重复率v＝1-300Hz/周期T＝0.0033-1s

Np＝10-100

3.非接触式(爆米花)模式

优选参数：

波长1.81-2.2，更优选1.908-1.98

峰值功率Pa＝250-5000W，更优选250-1000W

每脉冲能量0.02-1J，更优选0.05-0.5J

脉冲重复率v＝10-1000Hz/周期T＝0.001-0.1s

Np＝10-100

脉冲形状

从光纤端部发射并在位于光纤端部与石块或组织表面之间的间隙中的液体(水)介质中朝目标石块或组织传播的激光能量将被吸收，但吸收可能比预期少，这是归因于“摩西效应”，其中发射的能量的第一成分被液体吸收并在液体介质中产生蒸汽汽泡，使得剩余的能量通过限制较少的或吸收用的气态/蒸汽介质，该气态/蒸汽介质特征在于较低的光衰减。在初始脉冲期间产生的激光诱导的蒸汽汽泡起着“分离水”的作用，使得后续脉冲能够被更有效地输送到石块上。已经提出将该现象用于通过使用两个脉冲来提高结石消融效率：首先输送短的、较低能量的脉冲，该脉冲产生蒸汽汽泡，然后是较长的、较高能量的治疗脉冲(参见美国专利No.5,321,715)。

在本发明中，控制激光功率的时间结构用于最小化反冲效应。在石块和光纤远端之间形成的水泡会生成压力和作用力，以使石块远离光纤。通过减小在汽泡形成过程期间的激光功率和能量，可以使这种影响最小化。脉冲之间汽泡的破裂会给石块生成负压和作用力，并补偿由于石块消融期间汽泡的生长和后退移动(吸附效应)而引起的石块移动。这些效果可以通过更改单个脉冲形状f(t)、脉冲能量E和脉冲之间的间隔T来控制。

激光消融通常需要高消融效率和低反冲效果的结合。为了比较不同的时间激光结构，可以使用激光消融效率η_abl以及由于激光脉冲刚开始时的反冲而导致的石块位移V的速度，激光消融效率η_abl被定义为消融产物的体积除以消融该体积所花费的总激光能量。对于低重复率的激光器系统，V值由单个脉冲的影响决定；对于高重复率的激光器系统，V值由大约0.1s内的多个脉冲的影响决定。特别地，比率η_abl/V可以表征治疗的实际(复合)效率或速度。

配置有闪光灯泵浦的固态激光器的脉冲形状通常具有不规则的尖峰结构，并且可以通过非常有限的方式由通过泵浦闪光灯的电流来控制脉冲形状。相比之下，二极管泵浦的光纤和固态激光器可以在广泛的参数范围内精确控制脉冲形状，并提高了治疗速度。

在本发明中，除了AM和AFM外，还通过调制各个脉冲形状f(t)来控制激光发射的时间结构，从而以最大的效率和减少的反冲来提供最优的石块消融条件。

当以接触方式治疗结石时，目的是提高石块消融的效率，以减少使石块碎裂所需的总时间。这可以通过经由以下操作调整脉冲的形状来实现：在脉冲的第一部分中施加减小的强度以建立具有最小能量损耗的摩西通道，但同时最小化这种脉冲的反冲效果，然后在脉冲的第二部分施加增加的强度，以使石块上的热作用或热机械作用最大化。由于脉冲的第一部分建立的摩西通道，脉冲的第二部分的水吸收损耗将大大减少。但是，在光纤端部和石块之间生长的摩西汽化汽泡或通道会在石块上产生压力和作用力，从而产生反冲效果。在本发明中，提出使激光脉冲峰值功率和能量最小化以减小反冲效果。在实验设置中，使用每秒速度为120000帧的高速摄像机在0.2毫米光纤的端部处测量汽泡动力学。测量了单脉冲曝光的石块样本的位移效应。请参见上面的实验设置说明。

表5.汽泡尺寸

表5总结了具有1940nm波长和0.2mm光纤纤芯的TFL的实验数据。结果表明，汽泡的长度和与汽泡压力成正比的石块位移随激光脉冲峰值功率和能量的增加而增加。在临床接触设置下，光纤端部与结石之间的距离在0到1mm之间，但是在短时间的治疗过程期间，可能超过2.5mm。为了针对消融效率利用摩西(汽化)通道并使反冲效果最小化，建议使用第一子脉冲的激光参数，该参数在最小压力下产生长度不超过2.5mm的汽泡。基于产生一个摩西(蒸汽)通道的第一激光子脉冲的测得峰值功率数据，峰值功率应在50-500W的范围内，优选是100-300W，每脉冲能量应为0.02到0.15J，优选是0.05-0.1J。用于有效消融的第一和第二子脉冲之间的间隔应根据以下标准定义：1)第二子脉冲应在蒸汽通道前端到达石块之后开始，即，汽泡长到2.5毫米，优选是1毫米；2)汽泡上的压力下降或变为负压，以产生石块吸附效果。

表6.汽泡的生长时间

表6示出了汽泡生长到1mm和3mm的持续时间，作为所建议范围内的激光峰值功率和能量的函数。因此，子脉冲之间的间隔应在50-900μs的范围内，优选在100-500μs的范围内。第二子脉冲的能量应在0.1至10J的范围内。这种脉冲形状如图9所示。

在本发明的其他实施例中，我们提出了在脉冲期间具有连续输送的功率的脉冲形状。当操作员使用钻孔技术并在所有治疗周期期间提供激光光纤端部与石块之间的紧密接触时，此形状对于碎裂模式最有效。在这种情况下，光纤端部和石块之间的水层可能非常小(小于0.5毫米)或根本不存在。当前用于碎石术的激光器具有均匀的矩形或平顶脉冲，这对于二极管泵浦的光纤激光器和固态激光器202(图2)是典型的。诸如Ho：YAG的闪光泵浦的固态激光器具有不对称形状，在脉冲开始时具有较高的功率，并且在后尾部203或204上的功率放缓慢(图2)。这些脉冲形状对于钻孔期间的石块开裂不是最优的。为了提高在钻孔和碎裂期间的消融效率，在本发明中，我们建议使用具有两个部分的脉冲，其中第一部分用于去除光纤和石块之间的残留水，消融石块以及预热消融凹坑周围的石块(图10)。第一部分脉冲以较低的功率进行预热会导致激光凹坑的周围的热应力增加，并且由于加热到100-250℃以上而导致石块基质的吸收系数增加。由于比第一部分脉冲具有更好的吸收、第二部分的峰值功率更高且激光凹坑周围的石块中的初始机械应力，具有更高功率的第二部分脉冲将被石块材料更有效地吸收，并且将产生更有效的机械损伤。结果，石块破裂成大块的可能性将增加。同时，由于更有效地将激光能量转换成裂纹，而不是消融具有高反冲矩的小颗粒，这种脉冲的反冲作用将降低。这由图10示出，其中τ₁是第一部分脉冲的持续时间，并且τ₂是第二部分脉冲的持续时间。第一部分脉冲的功率分布f1(t)可以在P_min级别恒定或是单调函数，例如从P_min增大到P_max的线性、指数、多项式函数，其中P_max是第二部分脉冲的峰值功率。强度的其他时间依赖性也是可能的，并且对于本领域技术人员将是清楚的。第一部分脉冲的持续时间可以根据考虑建立摩西通道并产生石块的消融所需的最小能量来确定，其中大量加热激光凹坑周围石块基质以增加石块基质吸收并增强石块宏观开裂效果。在替代实施例中，可以使用反馈机制实时确定第一部分的持续时间。反馈机制将发信号通知建立摩西通道和/或石块凹坑温度，并且可以基于光学、声学或其他技术通知。例如，可以通过测量石块通过用于激光功率传输的同一光纤发出的热辐射来检测石块的温度。对于波长为1.94μm的TFL，我们通过实验发现，第一部分脉冲的激光功率应在P_min＝50-200W的范围内。脉冲持续时间τ₁应在0.1到10ms的范围内，第一部分的能量应占脉冲总能量的10-70％，而第二部分脉冲的功率应在400到20000W及其持续时间的范围内在0.5到20ms的范围内。

图11和表7给出了针对石块钻孔和碎裂而优化的脉冲形状示例。

表7.优选用于石块钻孔和碎裂的脉冲形状所有实验均以相同的9W平均功率执行，以匹配软组织在不同设置下的安全分布。

表7显示，在常规制式中增加峰值功率会导致破裂时间减少，但也会增加反冲效果，因此最终制式质量几乎保持不变。相反，在本发明中提出的脉冲整形减少了破裂时间和减弱反冲效果，因此导致了制式质量的期望增加。

已经陈述了前面的描述和示例仅是为了说明本公开，而无意于进行限制。因此，应将公开内容广义地解释为包括所附权利要求范围内的所有变化。

Claims

1.一种用于治疗人或动物体内的结石的激光器系统，包括：

发射激光脉冲序列的激光器，所述激光器能够以幅度调制制式AMR操作，在所述AMR下，发射激光脉冲，其中：

以恒定的脉冲频率PF发射所述激光脉冲，并且

以幅度调制周期为Na的周期性变化的峰值功率或脉冲能量或者以幅度调制周期为Na的周期性变化的峰值功率和脉冲能量，发射所述激光脉冲，其中所述幅度调制周期Na等于幅度周期脉冲组中的脉冲数。

2.一种用于治疗人或动物体内的结石的激光器系统，包括：

发射激光脉冲序列的激光器，所述激光器能够以幅度-频率调制AFMR制式操作，在所述AFMR下，发射激光脉冲，其中：

以调制周期为Na的周期性变化的脉冲峰值功率和脉冲能量中的至少一个发射所述激光脉冲，其中所述调制周期Na等于幅度周期脉冲组中的脉冲数，并且

以频率调制周期为Np的周期性变化的PF发射所述激光脉冲，其中所述频率调制周期Np等于频率周期脉冲组中的脉冲数。

3.根据权利要求1或2所述的激光器系统，其中，峰值功率和脉冲能量中的至少一个的调制周期Na的范围为2至1000个激光脉冲，优选地为2至100个激光脉冲，最优选地为2至10个激光脉冲。

4.根据权利要求2所述的激光器系统，其中，PF的调制周期Np从2至1000个激光脉冲变化，优选地从2至100个激光脉冲变化，最优选地从2至10个激光脉冲变化。

5.根据权利要求1或2所述的激光器系统，其中，所述激光器选自二极管泵浦的固态激光器、二极管泵浦的光纤激光器、闪光灯泵浦的固态激光器或直接二极管激光器。

6.根据权利要求1或2所述的激光器系统，其中，所述激光器在1.85μm至2.2μm的波长范围内且优选在1.908μm至1.96μm的波长范围内工作。

7.根据权利要求6所述的激光器系统，其中，所述激光器是Tm：YAG激光器、Tm：YLF激光器、Tm：YAP激光器、Tm：LuAG激光器、Tm：LuLF激光器、Tm：LuAP激光器、Tm光纤激光器或Ho：YAG激光器之一。

8.根据权利要求1或2所述的激光器系统，其中，所述激光器以自由运行模式工作，输出PF范围在2至5000Hz之间的激光脉冲序列，每个激光脉冲的特征在于：

激光脉冲能量在0.01J-10J范围内，

激光脉冲峰值功率在100-20000W的范围内，优选在250-3000W的范围内，并且

激光脉冲持续时间在25μs-20ms的范围内，优选在50μs-10ms的范围内。

9.根据权利要求1或2所述的激光器系统，还包括：

输出控制信号的控制器，在AMR下，所述控制信号包含关于期望峰值功率或期望脉冲能量的信息；或在AFMR下，所述控制信号包含关于期望峰值功率或期望脉冲能量以及期望PF的信息；

驱动器，耦接到所述控制器，并且可操作以输出电流脉冲序列，电流脉冲被周期性地调制并耦接到对所述激光器进行激励的泵的输入中。

9b、根据权利要求9所述的激光器系统，其中，所述激光驱动器还包括可操作地耦接到所述控制器的能量存储工具。

10.根据权利要求9所述的激光器系统，还包括声光调制器AOM、电光调制器EOM或无源调制器，所述AOM、所述EOM或所述无源调制器被耦接到所述控制器和所述激光器并以经调制的谐振器质量在Q模式下工作，从而输出激光脉冲，每个激光脉冲的特征在于：

能量在0.1至10mJ之间变化，

峰值功率的范围在200至1000000W之间，并且

PF的范围在500至500000Hz之间。

11.根据权利要求1所述的激光器系统，其中，在扫描手术过程中以所述AMR操作的所述激光器输出光脉冲序列，其中：

以PF＝5-3000Hz，更优选地50-1000Hz范围，输出所述光脉冲序列，

以范围在2至10个光脉冲之间的幅度调制周期Na输出所述光脉冲序列，

以范围为1.81-2.2μm且优选为1.908-1.98μm的波长，输出所述光脉冲序列，

每个光脉冲具有250至5000W的峰值功率范围，其中优选为400至1000W范围，以及

每脉冲能量的范围为0.01至2J，优选为0.05至0.5J。

12.根据权利要求2所述的激光器系统，其中，在碎裂手术过程期间以所述AFMR制式操作的所述激光器输出光脉冲序列，其中：

以在1至5000Hz之间变化的PF输出所述光脉冲序列，

以范围在2至10个光脉冲之间的幅度调制周期Na输出所述光脉冲序列，并且

以范围在1至100个光脉冲之间的频率调制周期Np输出所述光脉冲序列：

每个光脉冲以如下参数输出：

波长范围为1.81-2.2μm，优选为1.908-1.98μm，

峰值功率范围在100至20000W之间，优选在250至3000W之间，

每脉冲能量在0.2至20J之间变化，优选在0.5至10J之间变化。

13.根据权利要求2所述的激光器系统，其中，在非接触式手术过程中以所述AFMR制式操作的所述激光器输出光脉冲序列，其中：

以在10至3000Hz之间变化的PF输出所述光脉冲序列，

以范围在2至100个光脉冲之间的幅度调制周期Na输出所述光脉冲序列，并且

以范围在1至100个光脉冲之间的频率调制周期Np输出所述光脉冲序列，

每个光脉冲以如下参数输出：

波长范围为1.81-2.2μm，优选为1.908-1.98μm，

峰值功率在250至3000W的范围内，优选在250-1000W之间，

每脉冲能量在0.02-1J之间变化，优选在0.05-0.5J范围内变化。

14.根据权利要求1或2所述的激光器系统，还包括将激光脉冲引导至结石的光纤。

15.一种用于治疗人或动物体内的结石的激光器系统，包括：

控制器，输出包含关于期望激光脉冲形状的信息的控制信号；

激光器，发射激光脉冲序列并可操作地耦接到所述控制器，以使每个激光脉冲具有期望激光脉冲形状，每个激光脉冲形成为：

具有彼此在时间上间隔开的第一子脉冲和第二子脉冲；

第一子脉冲的能量在0.02至0.15J(优选0.05至0.1J)的范围内变化；

第一子脉冲的峰值功率在50至500W(优选100至300W)的范围内变化；

第一子脉冲和第二子脉冲之间的间隔在50至900μs的范围内变化，优选在100至500μs的范围内变化；

第二子脉冲的能量超过第一子脉冲的能量并在0.1J至10J的范围内变化；

第二子脉冲的峰值功率超过第一子脉冲的峰值功率并在300至20000W的范围内变化。

16.一种用于治疗人或动物体内的结石的激光器系统，包括：

控制器，输出包含关于期望激光脉冲形状的信息的控制信号；以及

激光器，发射激光脉冲序列并可操作地耦接到所述控制器，以使每个激光脉冲形成有期望激光脉冲形状，所述期望激光脉冲形状包括：

初始部分和后续部分，其中后续部分的功率水平高于初始部分，

初始部分的功率从最小功率水平单调增加到后续部分的功率水平；

初始脉冲部分的最小功率水平在0至200W之间变化，

初始部分的持续时间在0.1至10ms的范围内变化；

初始脉冲部分的能量是总脉冲能量的10-70％；

后续部分的功率在400至20000W之间变化；以及

后续部分的持续时间在0.5至20ms的范围内变化。

17.根据权利要求17所述的激光器系统，其中，所述初始部分的功率根据线性函数、多项式函数和指数函数之一增加。

18.根据权利要求16或17所述的激光器系统，其中，所述激光器选自以下组：二极管泵浦的固态激光器、二极管泵浦的光纤激光器、闪光灯泵浦的固态激光器或直接二极管激光器。

19.根据权利要求18所述的激光器系统，其中，所述激光器是Tm：YAG激光器、Tm：YLF激光器、Tm：YAP激光器、Tm：LuAG激光器、Tm：LuLF激光器、Tm：LuAP激光器、Tm光纤激光器或Ho：YAG激光器之一。

20.根据权利要求16或17所述的激光器系统，其中，所述激光器在1.85至2.2μm的波长范围内且优选在1.908至1.96μm的波长范围内工作。

21.根据权利要求16或17所述的激光器系统，还包括将激光脉冲引导至结石的光纤。

22.一种用于治疗人或动物体内的结石的方法，包括：

以恒定的脉冲频率PF、幅度调制周期Na≥2的周期性变化的峰值功率或脉冲能量或者周期性变化的峰值功率和脉冲能量从激光器发射激光脉冲序列，其中幅度调制周期Na等于周期性幅度脉冲组中的脉冲数。

23.一种用于治疗人或动物体内的结石的方法，包括：

通过以下方式发射激光脉冲序列：

以调制周期Na周期性地改变脉冲峰值功率或脉冲能量中的至少一个或者脉冲峰值功率和脉冲能量，其中所述调制周期Na等于幅度周期脉冲组中的脉冲数，并且

以频率调制周期Np周期性地改变PRF，其中所述频率调制周期Np等于频率周期脉冲组中的脉冲数。

24.根据权利要求23或24所述的方法，其中，峰值功率和脉冲能量中的至少一个的调制周期Na的范围为2至1000个激光脉冲，优选地2至100个激光脉冲，最优选地2至10个激光脉冲。

25.根据权利要求23或24所述的方法，其中，所述PRF的调制周期Np从2至1000个激光脉冲变化，优选地从2至100个激光脉冲变化，最优选地从2至10个激光脉冲变化。

26.根据权利要求23或24所述的方法，其中，所述激光器选自二极管泵浦的固态激光器、二极管泵浦的光纤激光器、闪光灯泵浦的固态激光器或直接二极管激光器。

27.根据权利要求23或24所述的方法，其中，所述激光器在1.85至2.2μm的波长范围内并且优选在1.91至1.96μm的波长范围内工作。

28.根据权利要求23所述的方法，还包括在扫描手术过程中传送所述激光脉冲序列，其中：

以在5至3000Hz之间变化且优选在50-1000Hz范围内变化的脉冲频率PF，传送所述激光脉冲序列，

以范围在2至10个光脉冲之间的幅度调制周期Na传送所述激光脉冲序列，

以范围为1.81-2.2μm且优选为1.908-1.98μm的波长传送所述激光脉冲序列，

其中每个光脉冲的峰值功率范围为250至5000W，优选为400-1000W，以及

每脉冲能量在0.01至2J且优选为0.05至0.5J的范围内。

29.根据权利要求23所述的方法，还包括在碎裂手术模式下传送所述激光脉冲序列，其中：

以在1至300Hz之间变化的PF传送所述激光脉冲序列，

以范围在2至10个激光脉冲之间的幅度调制周期Na传送所述激光脉冲序列，

其中每个光脉冲的峰值功率范围为100和20000W且优选为250-1000W，并且每脉冲能量在0.2-20J之间变化且优选范围为0.5-5J。

30.根据权利要求24所述的激光器系统，还包括在碎裂手术过程中传送所述激光脉冲序列，其中：

以在1至3000Hz之间变化的PF传送所述激光脉冲序列，

以范围在2至10个光脉冲之间的幅度调制周期Na传送所述激光脉冲序列，并且

以范围在1至100个光脉冲之间的频率调制周期Np传送所述激光脉冲序列：

每个光脉冲以如下参数输出：

波长范围为1.81-2.2μm，优选为1.908-1.98μm，

峰值功率范围在100至20000W之间，优选在250至3000W之间，

每脉冲能量在0.2至20J之间变化，优选在0.5至10J之间变化。

31.根据权利要求24所述的激光器系统，还包括：在非接触式手术过程中传送所述激光脉冲序列，其中：

以在10至1000Hz之间变化的PF传送所述激光脉冲序列，

以范围在2至100个光脉冲之间的幅度调制周期Na传送所述激光脉冲序列，并且

以范围在1至100个光脉冲之间的频率调制周期Np传送所述激光脉冲序列，

每个光脉冲以如下参数输出：

波长范围为1.81-2.2μm，优选为1.908-1.98μm，

峰值功率范围在250和5000W之间，优选在250-1000W之间，

每脉冲能量在0.05-1J之间变化，优选在0.05-0.5J范围内变化。

32.一种用于治疗人或动物体内的结石的方法，包括：

输出包含关于期望激光脉冲形状的信息的控制信号；

发射激光脉冲序列，每个激光脉冲具有期望激光形状且形成为：

具有彼此在时间上间隔开的第一子脉冲和第二子脉冲；

第一子脉冲的能量在0.02至0.15J(优选0.05至0.1J)的范围内变化；

33.一种用于治疗人或动物体内的结石的方法，包括：

输出包含关于期望激光脉冲形状的信息的控制信号；以及

发射均具有期望激光脉冲形状的激光脉冲序列，所述期望激光脉冲形状包括：

初始部分和后续部分，其中后续部分的功率水平高于初始部分；

初始脉冲部分的最小功率水平在0至200W之间变化；

初始部分的持续时间在0.1至10ms的范围内变化；

初始脉冲部分的能量是总脉冲能量的10-70％；

后续部分的功率在400至20000W之间变化；以及

后续部分的持续时间在0.5至20ms的范围内变化。

34.根据权利要求34所述的方法，还包括根据线性函数、多项式函数和指数函数之一增加所述初始部分的功率。

35.根据权利要求33或34所述的方法，其中，所述激光器选自以下组：二极管泵浦的固态激光器、二极管泵浦的光纤激光器、闪光灯泵浦的固态激光器或直接二极管激光器。

36.根据权利要求36所述的方法，其中，所述激光器是Tm：YAG激光器、Tm：YLF激光器、Tm：YAP激光器、Tm：LuAG激光器、Tm：LuLF激光器、Tm：LuAP激光器、Tm光纤激光器或Ho：YAG激光器之一。

37.根据权利要求33或34所述的方法，其中，所述激光器在1.85至2.2μm的波长范围内且优选在1.908至1.96μm的波长范围内工作。

38.根据权利要求33或34所述的方法，还通过输送光纤引导所述激光脉冲序列以入射在人或动物体内的结石上。