Cutting effects induced by 2 μm laser radiation of cw Tm:YLF and cw and Q-switched Ho:YAG lasers on ex-vivo tissue

Background and objectivesLaser radiation in the 2 μm wavelength region is well-absorbed by water and has good transmittance through commercially available, low-OH quartz optical fibers which are generally acknowledged to have great potential for medical application in endoscopic and open surgery. Medical laser systems in this wavelength range are flashlamp- or laser-pumped pulsed Ho:YAG lasers and continuous wave (cw) thulium (Tm)-doped fiber lasers. This paper presents the laser–tissue effects on an ex-vivo tissue model using an innovative diode-pumped cw Tm:YLF laser and cw and Q-switched Ho:YAG laser.Materials and methodsThe diode-pumped air-cooled Tm:YLF laser (IAP RAS prototype) emits cw light at 1909 nm with an output power of up to 20 W and an optic-to-optic efficiency of more than 41%. The Ho:YAG laser (IAP RAS prototype) is pumped by the radiation of a Tm:YLF laser and can operate at 2090 nm in cw or Q-switched mode with an average power of up to 10 W. The laser beam quality of both lasers is about M2 < 1.3 and can be easily coupled in low-OH optical fibers.Laser–tissue interaction experiments were performed using porcine kidney and liver tissue. Single-spot and cutting experiments were performed in a reproducible set-up. In the single-spot experiments, a fixed distance was used between fiber and tissue surface of d = 5 mm and energies were applied in the 10–200 J range. The cutting experiments were performed with the same laser parameters but in contact mode (d = 0 mm) using a constant scanning velocity of v=1 mm/sv=1 mm/s of the linear fiber movement. Macroscopic and histological evaluations were performed.ResultsThe tissue effect showed precise and reproducible ablation. The ablation depth depended on the applied power. Interestingly, the histological findings showed that the thickness of the coagulation zone in lateral and axial plane was nearly constant at 1 ± 0.5 mm in each direction.ConclusionThe presented lasers showed more flexibility for surgical approaches. The induced tissue effects showed a very high reproducibility in ablation and in coagulation for both radial and axial planes. The constant small size of these effects may show the potential for precise laser-assisted surgical preparation.

ZusammenfassungHintergrundIR-Laserstrahlung im 2 μm-Bereich wird gut von Wasser, der wichtigsten Gewebekomponente, absorbiert und kann gleichzeitig noch gut mittels Lichtwellenleiter vom Lasergerät zum Gewebe transportiert werden. Somit zeigt diese Strahlung ein hohes Potenzial sowohl für endoskopische als auch für offen chirurgische Interventionen. Kommerzielle medizinische Lasergeräte in diesem Wellenlängenbereich basieren technisch auf Blitzlampen- oder Laser-gepumpten gepulsten Ho:YAG-Systemen oder kontinuierlich abstrahlenden (cw) Thulium-dotierten Faserlasersystemen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Laser-Gewebe-Wechselwirkung von zwei experimentellen IR-Lasersystemen (Dioden-gepumpter cw Tm:YLF-Laser, cw und Q-switched Ho:YAG-Laser) im Ex-vivo-Experiment.Material und MethodikDer Dioden-gepumpte, luftgekühlte Tm:YLF-Laser (IAP RAS Prototyp) emittiert Licht mit einer Wellenlänge von 1909 nm im cw-Betrieb mit einer Leistung von max. 20 W und einer Konversionseffizienz von über 40%. Der Ho:YAG-Laser (IAP RAS Prototyp) wird von dem Tm:YLF-Laser gepumpt und emittiert bei einer Wellenlänge von 2090 nm im kontinuierlichen (cw) oder Q-switched-Modus mit einer durchschnittlichen Leistung von 10 W. Die Strahlqualität beider Lasersysteme liegt bei M2 < 1,3. Somit kann die Laserstrahlung einfach in Low-OH-Lichtwellenleiter eingekoppelt werden.Die Laser-Gewebe-Wechselwirkung beider Systeme wurde ex-vivo an Nieren- und Lebergewebe vom Schwein untersucht. In einem standardisierten experimentellen Aufbau wurden sowohl Einzelspot- als auch Schneid-Experimente durchgeführt. Bei den Einzelspot-Experimenten betrug der Abstand zwischen Gewebeoberfläche und Lichtwellenleiterendfläche d = 5 mm, wohingegen die Schneid-Experimente im Kontakt (d = 0 mm) und mit einer konstanten linearen Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtwellenleiters (v=1 mm/sv=1 mm/s) durchgeführt wurden. Die applizierten Laserenergien lagen im Bereich von 10–200 J. Die Gewebeeffekte wurden makroskopisch vermessen und histologisch ausgewertet.ErgebnisseIn den Experimenten zeigte sich eine präzise und reproduzierbare Ablation mit klar umschriebenem Koagulationssaum. Die Ablationstiefe war abhängig von der applizierten Laserenergie. Histologisch konnte eine konstante Ausdehnung der Koagulation in axialer und in radialer Richtung von 1 ± 0,5 mm ermittelt werden.ZusammenfassungDie vorgestellten Lasersysteme zeigen eine hohe Schneideffizienz. Die induzierten Gewebeeffekte (Ablation, Koagulation) sind reproduzierbar. Die reproduzierbar konstante und geringe Ausdehnung des Koagulationssaumes macht einen Einsatz für die lasergestützte präzise Gewebepräparation während chirurgischer Interventionen denkbar.