レーザ結石破砕装置
レーザ結石破砕術とは
レーザ結石破砕とは、1980年代から実施されている、レーザを使って腎臓結石を治療する方法で、多くの場合、他の方法よりも患者の転帰が良好であることで知られています。 レーザ結石破砕術における絶対的基準となっているのはホルミウムレーザですが、技術の進歩に伴い、ツリウムファイバーレーザも普及しつつあります。
腎臓は、一般的な成人の場合、1日に約150リットルの血液をろ過しています。 このろ過の過程で、ミネラルが蓄積されます。 これは、身体のさまざまな機能的な問題や健康状態、食生活が原因で起こります。 この蓄積したミネラルが結晶化して「腎臓結石」を形成することがあります。
腎臓結石は、砂粒のような小さなものから、ゴルフボールのような大きなものまであります。 その多くは数ミリ以下の大きさです。 約4mm以下の結石は、通常は自然に尿路を通過し、尿中に排石されます。
しかし、結石が尿路に詰まることもあり、特に大きい結石は詰まりやすくなります。 結石が自然に（あるいは薬を使っても）排出されず、尿路を大きく塞いでしまうと、重篤な感染症につながる可能性があります。 また、激しい痛みを伴うこともあります。 この場合、医学的な治療が必要になります。
図 1:臓器から結石を除去するための内視鏡バスケット。
腎臓結石の治療
腎臓結石の治療オプションは、結石の大きさや成分（異なる数種類）、位置に応じてさまざまです。
衝撃波結石破砕術（SWL） |
結石破砕術（英語では「石を砕く」という意味のギリシャ語を語源とする「Lithotripsy」）は、何らかの手段を使って腎臓結石を粉砕するものです。 これによって、結石は自然に尿路を通過するか、手術で排石できるほど小さく粉砕されます。 またSWLは、超音波衝撃波を利用して結石を破砕する体外衝撃波結石破砕術（ESWL）とも呼ばれます。 この施術では、患者は衝撃波を発生する専用マシン上に横たわって治療を受けます。 SWLは、腎臓や尿管の上部に詰まった小さな結石の治療に広く用いられています。 通常SWLは、軽い全身麻酔または局所麻酔下において、外来で行われます。 |
尿管鏡検査 |
尿管鏡は、尿道に直接挿入できる細長い管で、尿路を誘導することができます。 尿管鏡には、術者が細部を観察できるよう照明光源とイメージングオプティクスが搭載されています。 また、尿管鏡の先端には、結石を物理的に取り込む「バスケット」が付属しています。 そして捕捉された結石は、尿管鏡とともに体から抜去されます。 また、尿管鏡に光ファイバーを挿入することも可能です。 高出力のパルス発振レーザをファイバーを通して結石に照射し、結石を砕きます。 これがレーザ結石破砕術です。 尿管鏡検査は全身麻酔で行われ、通常、外来で実施されます。 多くの場合、取り外し可能なステントが手術中に設置されます。 尿管鏡検査は、複数の結石の治療に適した方法です。 また、抗凝血薬を服用しているため、切開が必要な治療にリスクを伴う患者には特に有効です。 |
経皮的腎結石摘出術（PCNL） |
PCNLは、結石が大きすぎる、数が多い、アクセスしにくい場所にあるなど、他の手段では治療できない場合に使用されます。 PCNLは、患者の背中を切開し、腎臓に腎臓鏡を挿入します。 そして、超音波で結石を粉砕し、破片を吸引して除去します。 また、レーザ結石破砕術を使用する場合もあります。 通常PCNLは全身麻酔で実施され、入院による回復期が必要です。 取り外し可能な尿道ステントは、多くの場合、手術中に設置されます。 |
従来の手術 |
従来の手術法は、非常に大きな結石を除去する場合ごく稀に（1%未満）使用されます。 大規模な切開が必要な侵襲的な方法であるため、入院が必要です。 そして、他の治療法に比べて回復に時間がかかります。 |
ホルミウムレーザ結石破砕術
尿管鏡検査は、レーザ砕石術との併用が一般的で、他の治療様式に比べてメリットが多いため、腎臓結石治療に最もよく用いられています。 たとえば、石の大きさや位置、成分に関係なく、あらゆる結石治療に効果的です。 これはSWLには当てはまりません。 さらに、レーザ結石破砕術はSWLよりも成功率が高く、 尿路閉塞を引き起こす大きさの結石破片を残すこともありません。
ホルミウムヤグ（Ho:YAG）レーザは、最先端の結石破砕ツールです。 これは、フラッシュランプ励起の固体レーザで、波長2.1μmの高出力のパルス発振出力が得られます。
Ho:YAGレーザの普及が進んだ背景には、いくつかの理由があります。 たとえば、その波長は水によく吸収されるため、結石を効率的に切除することができます。 また、尿管鏡の使用に不可欠なファイバーによる実施も可能です。
Ho:YAGは柔軟なツールです。 レーザの出力パラメータである、繰り返し周波数やパルスエネルギー、パルス幅の調整が可能です。 そのため、術者は結石の除去にさまざまな方法を採用することができます。 たとえば、低いパルスエネルギーで高い繰り返し周波数を用いると、「ダスティング」（サブミリサイズの破片）粉砕が可能になります。 これは、結石を体外に排出できる程度に小さく砕くことを意図しています。
より低い繰り返し率でより高いパルスエネルギーを使用すると、破片がより大きくなります。 この方法は「フラグメンテーションによる抽石」と呼ばれ、術者は破砕された大きな破片をキャッチバスケットを使って除去します。
レーザパルス幅を長くすることで、結石の後方移動（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）を抑制できます。 術者が尿管鏡を動かして後方移動した結石片を探し、捕捉する手間を最小限に抑えることができるため、後方移動の抑制は有益です。
ツリウムファイバーレーザ
Ho:YAGレーザは結石破砕に有効で、広く受け入れられていますが、完璧なツールではありません。 ここ数年、コストや信頼性、性能、治療効果の面で大きなメリットを提供する代替手法として、ツリウムファイバーレーザ（TFL）が台頭しています。
TFLは、一般的なファイバーレーザと同じ構成を採用しています。 すなわち、半導体レーザの励起光をゲインファイバー（この場合はCoherent NuTDFシリーズなどのツリウムドープファイバー）に結合させています。 このファイバーでレーザ共振器を形成し、エンドミラーとしてファイバーブラッググレーティング（FBG）を組み込んでいます。
この構造は、フラッシュランプ励起のHo:YAG技術に比べて、以下のような実用的なメリットがあります。
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無駄になり、熱を発生させます。 一方、半導体レーザの出力のほとんどはTmドープファイバーの励起に使われるため、高い動作効率と低い消費電力を実現できます。 |
冷却の簡素化 |
Ho:YAGレーザは大量の廃熱を発生させるため水冷が必要となり、コストと複雑さを伴います。 TFLは通常、空冷式です。 |
小型化 |
水冷システムを排除することで省スペース化が実現し、励起半導体レーザモジュール自体もフラッシュランプ式よりはるかにコンパクトになっています。 |
必要な設備の削減 |
TFLは標準出力（110Vまたは220V）で動作するため、専用の高電流や高電圧の供給は必要ありません。 小型なので、 TFLは移動が容易で、電源接続さえあればほぼどこででも使用することができます。 |
また、TFLの出力特性は、結石破砕に大きなメリットをもたらします。 ひとつは、TFLの1940nm出力です。 水はこの波長をHo:YAG波長の約4倍強く吸収します。 これにより、より効率的に結石を除去できます。
図2： TFLは、近赤外線での水の吸収ピークに近い波長で出力を行い、より効率的なファイバー伝送を実現できます。 そのため、Ho:YAGレーザよりもはるかに理想的な手術用光源であるといえます。
もう一つのメリットは、TFLの高品質な出力ビームです。 Ho:YAGレーザは、マルチモードの非均一なビームを出力します。 これは、コア径が200μm以下の光ファイバーへの結合を困難にします。 これはシステムの光効率を低下させ、ファイバーの出力端での小さな集束スポットサイズを達成する能力を制限します。
一方、TFLは、ほぼ回折限界に近いガウス分布の出力プロファイルを実現し、ホットスポットを排除しています。 このビームは、コア径が50μm程度の光ファイバーに容易に集束できます。 これは、より効率的な治療を実現する、小さな集束スポットを作り出す尿管鏡の構築を容易にします。
またTFLは、パルスエネルギーや繰り返し周波数（パルス繰返周波数）、パルス形状について、より広い動作範囲をサポートします。 これにより、医師はより大きな「パラメータ空間」で作業できるようになり、より多くの手術モダリティを実現することができます。
たとえば、TFLはHo:YAGの10倍低いパルスエネルギーで、10倍以上のパルス繰返周波数を維持することができます。 この組み合わせにより、結石を除去する「ダスティング」技術をより高度に実装することができます。 さらにTFLは、Ho:YAGよりも長いパルスを発生させることができるため後方移動を制限できます。 長いパルス幅は、ファイバー先端のバーンバックや劣化の低減に直接的に貢献します。
そして、TFLの光をより小さな直径のファイバーで供給できる能力は、さらに効果的な新世代の尿管鏡を可能にします。 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。 装置の小型化やファイバーをより柔軟にすることも可能で、より幅広い手術シーンへの対応も実現されます。
TFLはあらゆる面で優れた結石破砕術ですが、医療関係者が新しい技術を採用するには時間がかかります。 新しい方法を納得して使ってもらうためには、そのメリットを検証し、定量化する臨床試験が必要です。 そして、新しいツールの使い方のトレーニングも必要です。さらに、新しい医療技術が広く利用されるための認定には、さまざまな規制上の障害があります。 しかし、TFLがHo:YAGに代わるレーザ結石破砕の優先的な手法になることは、ほぼ間違いないでしょう。