Originalarbeit
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Wassergekühlte Laserversiegelung von Lungengewebe am ex vivo ventilierten Schweinelungenmodell Water-Cooled Laser Sealing of Lung Tissue in an Ex-Vivo Ventilated Porcine Lung Model
Autoren
T. Tonoyan 1, G. Prisadov 1, P. Menges 2, K. Herrmann 3, P. Bobrov 4, A. Linder 1
Institute
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3 4
Schlüsselwörter " Thoraxchirurgie l " Laserchirurgie l " Metastase l Key words " thoracic surgery l " laser surgery l " metastasis l
Bibliografie DOI http://dx.doi.org/ 10.1055/s-0033-1360282 Online-publiziert 28. 02. 2014 Zentralbl Chir 2014; 139: 329–334 © Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York · ISSN 0044‑409X Korrespondenzadresse Tigran Tonoyan Thoraxchirurgie Klinikum Bremen Ost Züricher Straße 40 28325 Bremen Deutschland Tel.: 04 21/40 86 14 84 Fax: 04 21/4 08 18 26 [email protected]
Thoraxchirurgie, Klinikum Bremen Ost, Deutschland Abteilung für Allgemeine Chirurgie, Viszeral-, Thorax- und Gefäßchirurgie, Universitätsmedizin, Greifswald, Deutschland Zentrum für Pathologie, Klinikum Bremen Mitte, Bremen, Deutschland Institut für Statistik, Universität Bremen, Deutschland
Zusammenfassung
Abstract
!
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Einleitung: Die Laserresektion von Lungenmetastasen führt per se zu Luftfisteln aus den Parenchymdefekten, die übernäht, kleinere häufig thermisch mit Elektrokauter oder Laser versiegelt werden. Über die thermische Versiegelung gibt es nur wenige wissenschaftlich fundierte Erkenntnisse. In einer experimentellen Studie werden 2 Verfahren der thermischen Versiegelung von Lungengewebe mit Laserlicht verglichen. Ziel und Methode: Am Ex-vivo-Lungenmodell wurde die Hypothese überprüft, ob Karbonisation, die bei Laser- oder HF-Versiegelung bei Temperaturen über 180 °C vorkommen kann, kontraproduktiv zur Hämo- oder Pneumostase wirkt. In einer 2-armigen Versuchsreihe wurde einmal die Karbonisation des Lungengewebes durch Kühlung verhindert und einmal die Karbonisation zugelassen. Dazu wurde die Laserfaser mit Wasser umspült, das von der Faserspitze auf den Gewebedefekt tropft und die Temperatur auf 100 °C begrenzt. In der Kontrollgruppe wurde das Laserlicht im Non-Kontakt-Modus appliziert. Die Laserleistung betrug 40 W bei 1350 nm im kontinuierlichen Modus. Luftfisteln wurden mit einer einfachen und schnell reagierenden Technik mit hoher Genauigkeit über dem Defekt quantitativ gemessen (Vt). Jede Versiegelungsmethode wurde an 14 gleich großen Gewebedefekten eingesetzt und der Versiegelungseffekt S = (1−V0/Vt) in 3 Intervallen von 15 s berechnet. Der Unterschied des Versiegelungseffekts wurde statistisch auf Signifikanz untersucht. Ergebnisse: Die Basiswerte der Luftfistel vor Versiegelung waren für beide Serien gleich groß. Die Luftfisteln Vt nach 15, 30 und 45 s Versiegelung unterschieden sich in den beiden Serien signifikant (p = 0,03). Der Versiegelungseffekt S nahm mit zunehmender Einwirkung des Laserlichts bei Gewebekühlung zu, während er in der Kontrollgruppe geringer wurde. Histologisch zeigten die
Introduction: Laser resections of lung metastases are followed by air leaks from the parenchymal defect. Large surfaces after metastasectomy are closed by sutures or sealants while smaller areas are frequently sealed thermally by cautery or laser. In this study two different techniques of thermal sealing of lung tissue with laser light are investigated. Aim and Methods: Carbonisation of lung tissue during thermal sealing appears at temperatures higher than 180 °C. Hypothetically this is contraproductive to haemo- as well as to pneumostasis. In this experimental study thermal laser sealing with and without carbonisation is investigated. In one series tissue temperatures higher than 100 °C are avoided by water dropping from the tip of the light guide onto the parenchymal leak. In the other series carbonisation appeared because the laser light was applied in the non-contact mode without tissue cooling. The characteristics of the laser were 40 W, 1350 nm continuous mode. Air leaks (Vt) were measured with a simple and fast technique with high precision. The sealing effect of either series was defined as S = (1 −Vt/V0) and the difference of S was statistically examined. Results: The basic values V0 before sealing were about the same in both series. The air leaks Vt after 15, 30 and 45 s of sealing varied significantly in both series (p = 0.03). During simultaneous cooling the sealing effect was increasing with the duration of laser application, while it became worse in the series without cooling. Histological examination of the sealing zone showed only coagulation of the tissue, while ruptured alveolae could be seen more often in the non-cooled sealing area. Discussion: It could be shown in the ex-vivo lung model that laser sealing of parenchymal leaks is improved by simultaneous cooling during laser
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Originalarbeit
gekühlten Präparate überwiegend Koagulationseffekte, während in der Kontrolle immer wieder deutlich Rupturen von Alveolen und Bronchiolen zu sehen waren. Diskussion: Es konnte mit dem dargestellten Ex-vivo-Modell an Schweinelungen gezeigt werden, dass die Laserversiegelung nach atypischen Lungenresektionen durch simultane Gewebekühlung verbessert werden kann. Bei Laserversiegelung ohne Temperaturkontrolle kommt es durch abrupte Gewebeerwärmung mit Karbonisation zu Rupturen von Alveolen und Bronchiolen und konsekutiv zu größeren Luftfisteln. In Übereinstimmung mit der klinischen Erfahrung konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die Pneumostase durch Laserversiegelung mit simultaner Kühlung des Lungengewebes z. B. nach Metastasenresektion verbessert werden kann.
application. Non cooled laser sealing seems to heat up the tissue abruptly and create carbonisation followed by multiple ruptures of alveola and small airways. In accordance with our clinical experience this experimental study confirms that laser sealing for pneumostasis after metastasectomy can be improved by simultaneously cooling the resection area when treated with the laser.
Einleitung
lang nicht publiziert. Lediglich für das Kleben mit Fibrin- oder anderen Gewebeklebern gibt es klinische Studien [9–11]. Die thermische Versiegelung mit Elektrokauter in unterschiedlichen Modi (soft, forciert, swift, oder Argon-Beamer) oder mit dem Laser im Non-Kontakt-Modus vergrößert häufig das Luftleck, anstatt es durch die Koagulation zu verkleinern. Das Problem dabei scheint die fehlende Temperaturkontrolle zu sein; es entstehen Gewebetemperaturen > 180 °C, bei denen die Gewebeproteine karbonisieren [12, 13]. Die zur Versiegelung notwendige Proteindenaturierung erfolgt im Temperaturintervall 60 °C < T < 120 °C. Wird eine Temperatur von 180 °C überschritten, werden die Proteine sozusagen „verbrannt“. Wir haben klinisch bei der Metastasenchirurgie eine gute Oberflächenversiegelung erreicht, wenn wir Laserlicht unter simulta" Abb. 1 a, b). ner Wasserkühlung anwenden (l Erfolgt die Metastasektomie bereits mit einem modifizierten handelsüblichen Laserapplikator, in dem die Faser mit Wasser umspült wird, dann entsteht bei der Resektion an der Oberfläche des Parenchymdefekts unter idealen Bedingungen schon eine glatte, spiegelnde Grenzschicht, die einer Neopleura gleicht und nicht die Verkohlungen an der Resektionsfläche aufweist, die für " Abb. 2). die Resektion im Non-Kontakt-Verfahren typisch sind (l Die eigenen klinischen Erfahrungen wurden nun in einer experimentellen Studie am ex vivo ventilierten Lungenmodell mit Schweinelungen untersucht und der Effekt der Temperaturkontrolle des Lungengewebes während der Versiegelung mit und ohne simultane Gewebekühlung quantitativ gemessen.
!
Die Anwendung eines CO2-Lasers zur Resektion, zum Verschluss von Luftfisteln sowie zur Blutstillung von Lungengewebe wurde erstmals 1985 beschrieben [1]. In den späten 80er-Jahren wurden diese Ergebnisse hinsichtlich Blutstillung, Präzision der Schnittführung und Reduktion des Gewebetraumas mit einem 1318-nm-Nd : YAG-Laser wesentlich verbessert [2, 3]. Es wurde gezeigt, dass bei der Parenchymheilung nach Nd : YAG-Laserresektion im Vergleich mit elektrokoaguliertem Lungenparenchym weniger fibrotische Reaktionen entstehen [4]. In einer weiteren Studie wurde ein elektrochirurgisches Skalpell neuer Generation mit Lasern verschiedener Wellenlänge verglichen. Die Beeinträchtigung des umgebenden Gewebes war nach Einsatz des Lasers deutlich geringer [5]. Neben den posttraumatischen Reaktionen am Lungenparenchym gibt es eindeutige Hinweise auf einen verbesserten postoperativen Verlauf nach Metastasenresektion mittels Lasertechnik. Mineo et al. verglichen Laserresektionen mit konventionellen Verfahren. Die mit Laser resezierten Patienten hatten einen deutlich kürzeren Krankenhausaufenthalt aufgrund der geringeren Luftfisteln. Damit verbunden ist im Verlauf eine wesentlich geringere Morbidität [6]. Die Dauer des Krankenhausaufenthalts ist nicht nur unter Kostenaspekten [7], sondern insbesondere unter Aspekten der Lebensqualität von Bedeutung [8]. Gerade bei Lasermetastasektomien mit oft multiplen kleineren Resektionen stellt sich die Frage des Parenchymverschlusses oder der Versiegelung. Mit manuellen Nähten oder Klammernaht wird viel Parenchym gerafft, Gewebeklebungen sind zeit- und kostenintensiv. Daher wird häufig mit mehr oder weniger Erfolg versucht, kleinere Defekte (bis ca. 1 cm2) thermisch mit dem HFKauter oder Laser zu versiegeln. Systematische klinische Untersuchungen zur Versiegelung oberflächlicher Lungenparenchymdefekte mit thermischer, Licht- oder Ultraschallenergie sind bis-
Material und Methoden !
Versuchsaufbau, Präparate und Beatmung Die Versuchsserie erfolgte mit einem reduzierten Versuchsaufbau wie er zum IHLP (isolierten humanen Lungenperfusionsmodell) beschrieben wurde [14]. Lediglich das Perfusionsmodul
Abb. 1 a und b Luftfistel nach Lasermetastasektomie: a vor und b nach wassergekühlter Gewebeversiegelung unter Beatmung.
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Protokoll
Abb. 2 Resektionsfläche nach Laserversiegelung am Ex-vivo-Lungenmodell ohne (links) und mit (rechts) Gewebekühlung. Ohne Kühlung kommt es zur Schwarzfärbung der Resektionsfläche durch Karbonisation.
In einer 2-armigen Studie wurden mit der Schere entlang einer Schablone oberflächliche Gewebedefekte von 1,5 cm2 Fläche an " Abb. 4). Dann wurde die Luftfistel V Schweinelungen erzeugt (l 0 über den Defekten unter definierter Beatmung gemessen. Im nächsten Schritt folgte die Versiegelung der Defekte mit Laserlicht 1350 nm, 40 W, kontinuierlicher Modus (Ceralas HPD® Fa. Biolitec AG, Jena) in Serie 1 mit einer wasserumspülten Faser im „Pseudo-Non-Kontakt-Modus“, in Serie 2 im Non-Kontakt-Verfahren mit der ungekühlten Laserfaser. In Serie 1 wurde zur Kühlung der Resektionsfläche die Laserfaser über einen 3-WegeHahn vor dem handelsüblichen Applikator mit Wasser (1,5 ml/ min) umspült, das vom Ende der Faser auf das Gewebe tropfte " Abb. 5). Der Abstand des Faserendes zum Gewebedefekt be(l trug ca. 2 cm.
war für diese Untersuchungen nicht erforderlich. Die über die Trachea verbundenen Doppellungen von frisch geschlachteten Schweinen wurden zunächst bronchoskopisch abgesaugt, intubiert und über die Trachea an ein Beatmungsgerät (Siemens-Elema AB Model SV 900 C) angeschlossen. Mit folgenden Beatmungsparametern AZV = 10 l/min, f = 20/min lagen die Beatmungsdrucke im physiologischen Bereich pmax = 30 mbar und die Präparate " Abb. 3). erschienen nicht überbläht (l
Die aus dem Defekt austretende Luft wurde über einen Trichter aufgefangen und in ein wassergefülltes Verdrängungsgefäß geleitet. Die durch die austretende Luft verdrängte Wassermenge/Zeit entspricht dabei der Luftfistel V. Es ist durch die Behältergeometrie sichergestellt, dass der zur Verdrängung benötigte Druck das freie Fistelvolumen nicht verfälscht. Mit dieser einfachen Anordnung gelingt eine sehr präzise Messung des Fistelvolumens mit nur wenigen Sekunden Zeitverzögerung.
Abb. 3 Versuchsaufbau.
Abb. 4 Versuchsablauf.
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Luftfistelmessung
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Abb. 5 Wassergekühlte Laserfaser.
den für die Testentscheidung relevanten kritischen Wert bzw. p-Wert.
Ergebnisse !
Statistische Auswertung Insgesamt wurden an 7 Doppellungenpräparaten je 4 Defekte im Ober- und im Unterlappen erzeugt. Jeweils 7 dieser Defektpaare werden einer Serie zugeordnet. Die Mittelwerte und Standardabweichungen der Luftfisteln V0 ohne Versiegelung bilden die Basiswerte für die beiden Serien und sind ein Maß für die Einheitlichkeit der Defekte. Für beide Serien wurden zunächst die einzelnen Luftfisteln in 3 Zeitintervallen von 15 s gemessen und deren Mittelwerte mit dem Basiswert V0 verglichen. Schließlich wurde als Maß für den Versiegelungseffekt die Größe S = (1−Vt/ V0) berechnet und für die 3 Zeitintervalle bestimmt. Die Signifikanz des Unterschieds des Versiegelungseffekts in beiden Serien wurde statistisch analysiert. Das Ziel der statistischen Auswertung ist ein Vergleich der beiden Gruppen bez. der mittleren Verbesserung. Die Frage könnte zwar mithilfe eines t-Tests oder einer Varianzanalyse (ANOVA) beantwortet werden, aber die dafür notwendigen Voraussetzungen (Normalverteilung, Varianzhomogenität und Stichprobenumfang) waren in diesem Fall nicht erfüllt. Deswegen wurde eine modifizierte Methode, welche die Abweichungen in der Verteilungsform der Beobachtungen berücksichtigt, verwendet: Zuerst wurde eine hinreichend große Anzahl der Stichproben mit der Verteilungsform wie in der ursprünglichen Stichprobe mittels Monte-Carlo-Methode [15] erzeugt. Das ermöglicht die Konstruktion einer Teststatistik, die einer realen Verteilung entspricht. Diese Verteilung lieferte
Die mittleren Basiswerte der Luftfisteln ohne Versiegelung betrugen in Serie 1: V0 = 95,9 ml/min ± 36,6 ml/min und in Serie 2: V0 = 92,8 ml/min ± 38,0 ml/min. Die Laserversiegelung der Defekte hatte bei beiden thermischen Verfahren der Lungenversiegelung zu einem Rückgang der Luftfisteln geführt. Die Durchschnittswerte beider Serien nach 15, 30 und 45 s unterschieden sich zugunsten der Versiegelung mit simultaner Gewebekühlung " Abb. 6 a, b). In Serie 1 stellte sich der beste Effekt nach 45 s (l Versiegelung ein. Die Luftfistel betrug dann V45 = 33,3 ml/min, wurde also um durchschnittlich 65,3 % verkleinert. Der beste Versiegelungseffekt ohne Kühlung war bereits nach 15 s erreicht und lag mit S15 = 35,6 % deutlich unter dem S15-Wert von 55,0 %, dem schlechtesten mit Kühlung. Bemerkenswert ist der unterschiedliche Zeitverlauf der beiden Messreihen. Ohne Kühlung wurden in Serie 2 die Luftfisteln mit weiterer Versiegelung größer, während sie sich unter Wasserkühlung bei Fortsetzung der Versiegelung verringerten und schließlich den besten Wert nach 45 s erreichten. Die Versuche waren so geplant, dass interindividuelle Variationen zwischen den Präparaten bei der Differenzbildung der Messwerte beider Serien nicht auftraten. Die beiden Methoden wurden stets seitengetrennt verglichen und jeweils Laserungen im Oberlappen bzw. im Unterlappen miteinander verglichen. Mit der dargestellten Statistik konnte gezeigt werden, dass sich die Versiegelungseffekte in beiden Serien signifikant unterscheiden (p = 0,031). Histologie: Die histologische Untersuchung erfolgte an HESchnitten aus den versiegelten Lungenarealen. Zur besseren Darstellung des Bindegewebes wurden zusätzlich EVG-Schnitte gefärbt. In den Proben der Serie 1 (mit Kühlung) sah man als Reaktion der Laserversiegelung überwiegend Koagulationszonen und nur wenig rupturierte Alveolarwände, während man in Serie 2 häufig rupturierte Alveolen antraf und auch einige Karbonisa" Abb. 7 a, b). Es muss tionszonen dargestellt werden konnten (l einschränkend erwähnt werden, dass bei der Bearbeitung der
Abb. 6 a und b Versiegelungseffekt in %: a mit und b ohne Kühlung.
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Schnitte Kohleaggregate ausgewaschen werden. Man muss also davon ausgehen, dass in den Schnittpräparaten wesentlich weniger Kohlepartikel zu sehen sind als bei der Laserbestrahlung ent" Abb. 2 stehen und makroskopisch durch die Schwarzfärbung in l in Erscheinung treten.
Diskussion !
Die Laserresektion von Lungenmetastasen wird seit Langem sowohl in der wissenschaftlichen Literatur [16–19] als auch in der Laienpresse und im Internet propagiert, obwohl der technische oder onkologische Vorteil der Laserresektion gegenüber der HFResektion oder konventionellen Klemmenresektion nie als signifikant besser bewiesen wurde. Es wird von den Laserprotagonisten immer wieder hervorgehoben, dass das peritumorale Lungengewebe bei der Non-Kontakt-Resektion „wegschmilzt“ und die Metastase demarkiert. Somit gehe die Resektion mit minimalem Verlust an funktionellem Lungengewebe einher. Es wird angeführt, dass die bei der Laserresektion auftretende Erhitzung des umgebenden Lungengewebes einen zusätzlichen onkologischen Gewinn in Form von Sicherheitsabstand bringe. Allerdings ist auch bekannt, dass bei dieser Art der Laserresektion, also im Non-Kontakt-Verfahren, per se Luftfisteln entstehen, die ab einer gewissen Größe und Menge einen Verschluss erfordern, um langanhaltende Fistelungen über die Thoraxdränage zu vermeiden. Über die Technik der Abdichtung des Metastasenbetts gibt es allerdings keine wissenschaftlichen Erkenntnisse oder allgemeingültige Empfehlungen. Dennoch ist die Lasermetastasektomie zumindest in Deutschland so weit verbreitet, dass das Thema des Parenchymverschlusses wissenschaftlich bearbeitet werden muss. Die vorgestellte Arbeit tut einen ersten Schritt und zeigt eine einfache experimentelle Lösung auf, um auch andere Methoden der Versiegelung von Parenchymfisteln zu evaluieren. Aus der thoraxchirurgischen Praxis ist bekannt, dass es bis zu einem gewissen Grad möglich ist, thermisch nicht nur eine Hämostase, sondern auch eine Pneumostase eines Tumorbetts nach Laserresektion oder einer durchtrennten Parenchymbrücke zu erzielen. Für die Hämostase an anderen parenchymatösen Organen ist dieses Prinzip seit Jahrzehnten unbestritten. Die Übernähung als Alternative führt zu einer Raffung des Gewebes, einem
geringeren Lungenvolumen und einer geringeren Compliance und somit zu Funktionsverlust. Sie ist insbesondere nach Resektion multipler Metastasen zeitaufwendig. Beim Defektverschluss mit Gewebeklebstoffen kommt neben dem Zeit- auch noch der Kostenfaktor zum Tragen. Bei der thermischen Gewebeversiegelung gibt es diese Kontras nicht, dagegen bleibt ihr Versiegelungseffekt insbesondere bei größeren Parenchymdefekten bislang hinter den Erwartungen zurück. Bei der Laserresektion im Non-Kontakt-Verfahren kommt es durch Umwandlung von Licht in thermische Energie zu plötzlicher starker Erhitzung der Zellen, zu deren Platzen und zum Zerreißen des Zellverbands. Alveolen, Bronchiolen oder Subsegmentbronchien werden eröffnet und Luft kann aus unterschiedlich großen Öffnungen aus der Lunge austreten. Dieser Effekt tritt bei Gewebetemperaturen > 180 °C auf. Man erkennt ihn makroskopisch an der Verkohlung der Oberfläche als Ausdruck der Umwandlung des Aggregatzustands des proteingebundenen Kohlenstoffs in Kohle. Dieser Prozess sollte vermieden werden, da er zu einer erhöhten Luftleckage führt und mutmaßlich die Spontanheilung der Resektionsfläche verzögert. Neuere experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die Laserapplikation an Lungengewebe nicht zwangsläufig zu Luftleckagen führen muss [20]. Wir konnten an Schweinelungen zeigen, dass die Gewebetemperatur bei der thermischen Versiegelung eine große Rolle zu spielen scheint und dass es notwendig ist, eine Karbonisation des Gewebes bei Temperaturen > 180 °C bei der Versiegelung, am besten aber schon bei der Resektion zu vermeiden. Das Schweinelungenmodell wurde in dieser Serie nicht perfundiert. Die Perfusion hätte lediglich zu einer zusätzlichen Gewebekühlung geführt und somit den nachgewiesenen Effekt der Gewebeversiegelung verstärkt. Die Umspülung der Faser mit Wasser hat bei der Resektion außerdem den Vorteil, dass Blut aus dem Resektionsbett ausgespült wird und man immer eine gute Sicht auf das zu resezierende Gewebe und den Tumorrand hat. Ein weiterer Vorteil der wasserumspülten Faser liegt darin, dass unerwünschtes Verkleben der Faser mit dem Lungengewebe oder Blut beim Kontaktverfahren verhindert wird und die Schorfbildung an der Faserspitze nicht auftritt.
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Abb. 7 a und b a Probe mit Kühlung, HE-Färbung; b Probe ohne Kühlung, HE-Färbung.
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Die von uns derzeit verwendete technische Lösung des genannten Prinzips wird auf der Basis dieser Untersuchungen verbessert werden. Ein ergonomischer Handgriff mit Regelung des Wasserstroms und Vorschub der Faser wird das Verfahren wesentlich vereinfachen. Eine wahlweise Kühlung der Faser mit Flüssigkeit oder Gas ist problemlos zu integrieren. Aktuell werden noch handelsübliche kristalline Infusionslösungen zur Faser- und Gewebekühlung angeschlossen. Es ist allerdings denkbar, mit unterschiedlichen Kühlflüssigkeiten die Gewebetemperatur bei der Resektion oder Versiegelung bedarfsgerecht zu variieren. Dazu werden weitere experimentelle Untersuchungen folgen.
Interessenkonflikt: Nein Literatur 1 LoCicero J, III, Hartz RS, Frederiksen JW et al. New applications of the laser in pulmonary surgery: hemostasis and sealing of air leaks. Ann Thorac Surg 1985; 40: 546–550 2 Rolle A, Pereszlenyi A, Koch A et al. Is surgery for multiple lung metastases reasonable? A total of 328 consecutive patients with multiple-laser metastasectomies with a new 1318-nm Nd : YAG laser. J Thorac Cardiovasc Surg 2006; 131: 1236–1242 3 Rolle A, Pereszlenyi A, Koch R et al. Laser resection technique and results of multiple lung metastasectomies using a new 1,318 nm Nd : YAG laser system. Lasers Surg Med 2006; 38: 26–32 4 Cole PH, Wolfe WG. Mechanisms of healing in the injured lung treated with the Nd-YAG laser. Lasers Surg Med 1987; 6: 574–580 5 Scanagatta P, Pelosi G, Leo F et al. Pulmonary resections: cytostructural effects of different-wavelength lasers versus electrocautery. Tumori 2012; 98: 90–93 6 Mineo TC, Ambrogi V, Tonini G et al. Pulmonary metastasectomy: might the type of resection affect survival? J Surg Oncol 2001; 76: 47–52 7 Marulli G, Droghetti A, Di Chiara F et al. A prospective randomized trial comparing stapler and laser techniques for interlobar fissure completion during pulmonary lobectomy. Lasers Med Sci 2013; 28: 505–511
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8 Linder A, Ertner C, Steger V et al. Postoperative chest tube management: snapshot of German diversity. Interact Cardiovasc Thorac Surg 2012; 15: 622–626 9 Marta GM, Facciolo F, Ladegaard L et al. Efficacy and safety of TachoSil® versus standard treatment of air leakage after pulmonary lobectomy. Eur J Cardiothorac Surg 2010; 38: 683–689 10 Macchiarini P, Wain J, Almy S et al. Experimental and clinical evaluation of a new synthetic, absorbable sealant to reduce air leaks in thoracic operations. J Thorac Cardiovasc Surg 1999; 117: 751–758 11 Wain JC, Kaiser LR, Johnstone DW et al. Trial of a novel synthetic sealant in preventing air leaks after lung resection. Ann Thorac Surg 2001; 71: 1623–1628 12 Koch F, Vietze A, Laskowski U et al. Humanes Ex-vivo-Lungentumormodell: Nutzung für Temperaturmessungen während der Thermoablation von NSCLC. RöFo 2011; 183: 251–259 13 Ritz, JP, Lehmann KS, Mols A et al. Laser-induced thermotherapy for lung tissue–evaluation of two different internally cooled application systems for clinical use. Lasers Med Sci 2008; 23: 195–202 14 Linder A, Friedel G, Fritz P et al. The ex-vivo isolated, perfused human lung model: description and potential applications. Thorac Cardiovasc Surg 1996; 44: 140–146 15 Binder K. Monte Carlo Methods in statistical Physics. Berlin: Springer; 1979 16 Passlick B. Lasergestütztes Verfahren. Resektion von multiplen Lungenmetastasen. Im Focus Onkologie 2010; 49: 393 17 Welcker K, Diemel KD, Halberstadt B et al. Einsatz des Nd-YAG Lasers in der Resektion intrapulmonaler Metastasen. 122. Kongress der Deutschen Gesellschaft für Chirurgie; München: Deutsche Gesellschaft für Chirurgie; 2005 18 Rolle und Rolle GmbH. Patienteninformationen: Thoraxchirurgie und Lungenmetastasen. Im Internet: www.lungenmetastasen.info/depatienten-information.htm; Stand: 1. 6. 2013 19 Krebs-Forum. Lungenmetastasen mit Laser entfernen. Im Internet: http://www.krebs-kompass.de/showthread.php?t=31207; Stand: 1. 6. 2013 20 Kirschbaum A, Palade E, Kayser G et al. Local effects of high-powered neodymium-doped yttrium aluminium garnet laser systems on the pulmonary parenchyma: an experimental study on the isolated perfused pig lung lobe. Interact Cardiovasc Thorac Surg 2012; 15: 191–193
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Introduction: Laser resections of lung metastases are followed by air leaks from the parenchymal defect. Large surfaces after metastasectomy are closed by sutures or sealants while smaller areas are frequently sealed thermally by cautery or laser. In this study two different techniques of thermal sealing of lung tissue with laser light are investigated. Aim and Methods: Carbonisation of lung tissue during thermal sealing appears at temperatures higher than 180 °C. Hypothetically this is contraproductive to haemo- as well as to pneumostasis. In this experimental study thermal laser sealing with and without carbonisation is investigated. In one series tissue temperatures higher than 100 °C are avoided by water dropping from the tip of the light guide onto the parenchymal leak. In the other series carbonisation appeared because the laser light was applied in the non-contact mode without tissue cooling. The characteristics of the laser were 40 W, 1350 nm continuous mode. Air leaks (Vt) were measured with a simple and fast technique with high precision. The sealing effect of either series was defined as S = (1 −Vt/V0) and the difference of S was statistically examined. Results: The basic values V0 before sealing were about the same in both series. The air leaks Vt after 15, 30 and 45 s of sealing varied significantly in both series (p = 0.03). During simultaneous cooling the sealing effect was increasing with the duration of laser application, while it became worse in the series without cooling. Histological examination of the sealing zone showed only coagulation of the tissue, while ruptured alveolae could be seen more often in the non-cooled sealing area. Discussion: It could be shown in the ex-vivo lung model that laser sealing of parenchymal leaks is improved by simultaneous cooling during laser
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gekühlten Präparate überwiegend Koagulationseffekte, während in der Kontrolle immer wieder deutlich Rupturen von Alveolen und Bronchiolen zu sehen waren. Diskussion: Es konnte mit dem dargestellten Ex-vivo-Modell an Schweinelungen gezeigt werden, dass die Laserversiegelung nach atypischen Lungenresektionen durch simultane Gewebekühlung verbessert werden kann. Bei Laserversiegelung ohne Temperaturkontrolle kommt es durch abrupte Gewebeerwärmung mit Karbonisation zu Rupturen von Alveolen und Bronchiolen und konsekutiv zu größeren Luftfisteln. In Übereinstimmung mit der klinischen Erfahrung konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die Pneumostase durch Laserversiegelung mit simultaner Kühlung des Lungengewebes z. B. nach Metastasenresektion verbessert werden kann.
application. Non cooled laser sealing seems to heat up the tissue abruptly and create carbonisation followed by multiple ruptures of alveola and small airways. In accordance with our clinical experience this experimental study confirms that laser sealing for pneumostasis after metastasectomy can be improved by simultaneously cooling the resection area when treated with the laser.
Einleitung
lang nicht publiziert. Lediglich für das Kleben mit Fibrin- oder anderen Gewebeklebern gibt es klinische Studien [9–11]. Die thermische Versiegelung mit Elektrokauter in unterschiedlichen Modi (soft, forciert, swift, oder Argon-Beamer) oder mit dem Laser im Non-Kontakt-Modus vergrößert häufig das Luftleck, anstatt es durch die Koagulation zu verkleinern. Das Problem dabei scheint die fehlende Temperaturkontrolle zu sein; es entstehen Gewebetemperaturen > 180 °C, bei denen die Gewebeproteine karbonisieren [12, 13]. Die zur Versiegelung notwendige Proteindenaturierung erfolgt im Temperaturintervall 60 °C < T < 120 °C. Wird eine Temperatur von 180 °C überschritten, werden die Proteine sozusagen „verbrannt“. Wir haben klinisch bei der Metastasenchirurgie eine gute Oberflächenversiegelung erreicht, wenn wir Laserlicht unter simulta" Abb. 1 a, b). ner Wasserkühlung anwenden (l Erfolgt die Metastasektomie bereits mit einem modifizierten handelsüblichen Laserapplikator, in dem die Faser mit Wasser umspült wird, dann entsteht bei der Resektion an der Oberfläche des Parenchymdefekts unter idealen Bedingungen schon eine glatte, spiegelnde Grenzschicht, die einer Neopleura gleicht und nicht die Verkohlungen an der Resektionsfläche aufweist, die für " Abb. 2). die Resektion im Non-Kontakt-Verfahren typisch sind (l Die eigenen klinischen Erfahrungen wurden nun in einer experimentellen Studie am ex vivo ventilierten Lungenmodell mit Schweinelungen untersucht und der Effekt der Temperaturkontrolle des Lungengewebes während der Versiegelung mit und ohne simultane Gewebekühlung quantitativ gemessen.
!
Die Anwendung eines CO2-Lasers zur Resektion, zum Verschluss von Luftfisteln sowie zur Blutstillung von Lungengewebe wurde erstmals 1985 beschrieben [1]. In den späten 80er-Jahren wurden diese Ergebnisse hinsichtlich Blutstillung, Präzision der Schnittführung und Reduktion des Gewebetraumas mit einem 1318-nm-Nd : YAG-Laser wesentlich verbessert [2, 3]. Es wurde gezeigt, dass bei der Parenchymheilung nach Nd : YAG-Laserresektion im Vergleich mit elektrokoaguliertem Lungenparenchym weniger fibrotische Reaktionen entstehen [4]. In einer weiteren Studie wurde ein elektrochirurgisches Skalpell neuer Generation mit Lasern verschiedener Wellenlänge verglichen. Die Beeinträchtigung des umgebenden Gewebes war nach Einsatz des Lasers deutlich geringer [5]. Neben den posttraumatischen Reaktionen am Lungenparenchym gibt es eindeutige Hinweise auf einen verbesserten postoperativen Verlauf nach Metastasenresektion mittels Lasertechnik. Mineo et al. verglichen Laserresektionen mit konventionellen Verfahren. Die mit Laser resezierten Patienten hatten einen deutlich kürzeren Krankenhausaufenthalt aufgrund der geringeren Luftfisteln. Damit verbunden ist im Verlauf eine wesentlich geringere Morbidität [6]. Die Dauer des Krankenhausaufenthalts ist nicht nur unter Kostenaspekten [7], sondern insbesondere unter Aspekten der Lebensqualität von Bedeutung [8]. Gerade bei Lasermetastasektomien mit oft multiplen kleineren Resektionen stellt sich die Frage des Parenchymverschlusses oder der Versiegelung. Mit manuellen Nähten oder Klammernaht wird viel Parenchym gerafft, Gewebeklebungen sind zeit- und kostenintensiv. Daher wird häufig mit mehr oder weniger Erfolg versucht, kleinere Defekte (bis ca. 1 cm2) thermisch mit dem HFKauter oder Laser zu versiegeln. Systematische klinische Untersuchungen zur Versiegelung oberflächlicher Lungenparenchymdefekte mit thermischer, Licht- oder Ultraschallenergie sind bis-
Material und Methoden !
Versuchsaufbau, Präparate und Beatmung Die Versuchsserie erfolgte mit einem reduzierten Versuchsaufbau wie er zum IHLP (isolierten humanen Lungenperfusionsmodell) beschrieben wurde [14]. Lediglich das Perfusionsmodul
Abb. 1 a und b Luftfistel nach Lasermetastasektomie: a vor und b nach wassergekühlter Gewebeversiegelung unter Beatmung.
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Protokoll
Abb. 2 Resektionsfläche nach Laserversiegelung am Ex-vivo-Lungenmodell ohne (links) und mit (rechts) Gewebekühlung. Ohne Kühlung kommt es zur Schwarzfärbung der Resektionsfläche durch Karbonisation.
In einer 2-armigen Studie wurden mit der Schere entlang einer Schablone oberflächliche Gewebedefekte von 1,5 cm2 Fläche an " Abb. 4). Dann wurde die Luftfistel V Schweinelungen erzeugt (l 0 über den Defekten unter definierter Beatmung gemessen. Im nächsten Schritt folgte die Versiegelung der Defekte mit Laserlicht 1350 nm, 40 W, kontinuierlicher Modus (Ceralas HPD® Fa. Biolitec AG, Jena) in Serie 1 mit einer wasserumspülten Faser im „Pseudo-Non-Kontakt-Modus“, in Serie 2 im Non-Kontakt-Verfahren mit der ungekühlten Laserfaser. In Serie 1 wurde zur Kühlung der Resektionsfläche die Laserfaser über einen 3-WegeHahn vor dem handelsüblichen Applikator mit Wasser (1,5 ml/ min) umspült, das vom Ende der Faser auf das Gewebe tropfte " Abb. 5). Der Abstand des Faserendes zum Gewebedefekt be(l trug ca. 2 cm.
war für diese Untersuchungen nicht erforderlich. Die über die Trachea verbundenen Doppellungen von frisch geschlachteten Schweinen wurden zunächst bronchoskopisch abgesaugt, intubiert und über die Trachea an ein Beatmungsgerät (Siemens-Elema AB Model SV 900 C) angeschlossen. Mit folgenden Beatmungsparametern AZV = 10 l/min, f = 20/min lagen die Beatmungsdrucke im physiologischen Bereich pmax = 30 mbar und die Präparate " Abb. 3). erschienen nicht überbläht (l
Die aus dem Defekt austretende Luft wurde über einen Trichter aufgefangen und in ein wassergefülltes Verdrängungsgefäß geleitet. Die durch die austretende Luft verdrängte Wassermenge/Zeit entspricht dabei der Luftfistel V. Es ist durch die Behältergeometrie sichergestellt, dass der zur Verdrängung benötigte Druck das freie Fistelvolumen nicht verfälscht. Mit dieser einfachen Anordnung gelingt eine sehr präzise Messung des Fistelvolumens mit nur wenigen Sekunden Zeitverzögerung.
Abb. 3 Versuchsaufbau.
Abb. 4 Versuchsablauf.
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Luftfistelmessung
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Abb. 5 Wassergekühlte Laserfaser.
den für die Testentscheidung relevanten kritischen Wert bzw. p-Wert.
Ergebnisse !
Statistische Auswertung Insgesamt wurden an 7 Doppellungenpräparaten je 4 Defekte im Ober- und im Unterlappen erzeugt. Jeweils 7 dieser Defektpaare werden einer Serie zugeordnet. Die Mittelwerte und Standardabweichungen der Luftfisteln V0 ohne Versiegelung bilden die Basiswerte für die beiden Serien und sind ein Maß für die Einheitlichkeit der Defekte. Für beide Serien wurden zunächst die einzelnen Luftfisteln in 3 Zeitintervallen von 15 s gemessen und deren Mittelwerte mit dem Basiswert V0 verglichen. Schließlich wurde als Maß für den Versiegelungseffekt die Größe S = (1−Vt/ V0) berechnet und für die 3 Zeitintervalle bestimmt. Die Signifikanz des Unterschieds des Versiegelungseffekts in beiden Serien wurde statistisch analysiert. Das Ziel der statistischen Auswertung ist ein Vergleich der beiden Gruppen bez. der mittleren Verbesserung. Die Frage könnte zwar mithilfe eines t-Tests oder einer Varianzanalyse (ANOVA) beantwortet werden, aber die dafür notwendigen Voraussetzungen (Normalverteilung, Varianzhomogenität und Stichprobenumfang) waren in diesem Fall nicht erfüllt. Deswegen wurde eine modifizierte Methode, welche die Abweichungen in der Verteilungsform der Beobachtungen berücksichtigt, verwendet: Zuerst wurde eine hinreichend große Anzahl der Stichproben mit der Verteilungsform wie in der ursprünglichen Stichprobe mittels Monte-Carlo-Methode [15] erzeugt. Das ermöglicht die Konstruktion einer Teststatistik, die einer realen Verteilung entspricht. Diese Verteilung lieferte
Die mittleren Basiswerte der Luftfisteln ohne Versiegelung betrugen in Serie 1: V0 = 95,9 ml/min ± 36,6 ml/min und in Serie 2: V0 = 92,8 ml/min ± 38,0 ml/min. Die Laserversiegelung der Defekte hatte bei beiden thermischen Verfahren der Lungenversiegelung zu einem Rückgang der Luftfisteln geführt. Die Durchschnittswerte beider Serien nach 15, 30 und 45 s unterschieden sich zugunsten der Versiegelung mit simultaner Gewebekühlung " Abb. 6 a, b). In Serie 1 stellte sich der beste Effekt nach 45 s (l Versiegelung ein. Die Luftfistel betrug dann V45 = 33,3 ml/min, wurde also um durchschnittlich 65,3 % verkleinert. Der beste Versiegelungseffekt ohne Kühlung war bereits nach 15 s erreicht und lag mit S15 = 35,6 % deutlich unter dem S15-Wert von 55,0 %, dem schlechtesten mit Kühlung. Bemerkenswert ist der unterschiedliche Zeitverlauf der beiden Messreihen. Ohne Kühlung wurden in Serie 2 die Luftfisteln mit weiterer Versiegelung größer, während sie sich unter Wasserkühlung bei Fortsetzung der Versiegelung verringerten und schließlich den besten Wert nach 45 s erreichten. Die Versuche waren so geplant, dass interindividuelle Variationen zwischen den Präparaten bei der Differenzbildung der Messwerte beider Serien nicht auftraten. Die beiden Methoden wurden stets seitengetrennt verglichen und jeweils Laserungen im Oberlappen bzw. im Unterlappen miteinander verglichen. Mit der dargestellten Statistik konnte gezeigt werden, dass sich die Versiegelungseffekte in beiden Serien signifikant unterscheiden (p = 0,031). Histologie: Die histologische Untersuchung erfolgte an HESchnitten aus den versiegelten Lungenarealen. Zur besseren Darstellung des Bindegewebes wurden zusätzlich EVG-Schnitte gefärbt. In den Proben der Serie 1 (mit Kühlung) sah man als Reaktion der Laserversiegelung überwiegend Koagulationszonen und nur wenig rupturierte Alveolarwände, während man in Serie 2 häufig rupturierte Alveolen antraf und auch einige Karbonisa" Abb. 7 a, b). Es muss tionszonen dargestellt werden konnten (l einschränkend erwähnt werden, dass bei der Bearbeitung der
Abb. 6 a und b Versiegelungseffekt in %: a mit und b ohne Kühlung.
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Schnitte Kohleaggregate ausgewaschen werden. Man muss also davon ausgehen, dass in den Schnittpräparaten wesentlich weniger Kohlepartikel zu sehen sind als bei der Laserbestrahlung ent" Abb. 2 stehen und makroskopisch durch die Schwarzfärbung in l in Erscheinung treten.
Diskussion !
Die Laserresektion von Lungenmetastasen wird seit Langem sowohl in der wissenschaftlichen Literatur [16–19] als auch in der Laienpresse und im Internet propagiert, obwohl der technische oder onkologische Vorteil der Laserresektion gegenüber der HFResektion oder konventionellen Klemmenresektion nie als signifikant besser bewiesen wurde. Es wird von den Laserprotagonisten immer wieder hervorgehoben, dass das peritumorale Lungengewebe bei der Non-Kontakt-Resektion „wegschmilzt“ und die Metastase demarkiert. Somit gehe die Resektion mit minimalem Verlust an funktionellem Lungengewebe einher. Es wird angeführt, dass die bei der Laserresektion auftretende Erhitzung des umgebenden Lungengewebes einen zusätzlichen onkologischen Gewinn in Form von Sicherheitsabstand bringe. Allerdings ist auch bekannt, dass bei dieser Art der Laserresektion, also im Non-Kontakt-Verfahren, per se Luftfisteln entstehen, die ab einer gewissen Größe und Menge einen Verschluss erfordern, um langanhaltende Fistelungen über die Thoraxdränage zu vermeiden. Über die Technik der Abdichtung des Metastasenbetts gibt es allerdings keine wissenschaftlichen Erkenntnisse oder allgemeingültige Empfehlungen. Dennoch ist die Lasermetastasektomie zumindest in Deutschland so weit verbreitet, dass das Thema des Parenchymverschlusses wissenschaftlich bearbeitet werden muss. Die vorgestellte Arbeit tut einen ersten Schritt und zeigt eine einfache experimentelle Lösung auf, um auch andere Methoden der Versiegelung von Parenchymfisteln zu evaluieren. Aus der thoraxchirurgischen Praxis ist bekannt, dass es bis zu einem gewissen Grad möglich ist, thermisch nicht nur eine Hämostase, sondern auch eine Pneumostase eines Tumorbetts nach Laserresektion oder einer durchtrennten Parenchymbrücke zu erzielen. Für die Hämostase an anderen parenchymatösen Organen ist dieses Prinzip seit Jahrzehnten unbestritten. Die Übernähung als Alternative führt zu einer Raffung des Gewebes, einem
geringeren Lungenvolumen und einer geringeren Compliance und somit zu Funktionsverlust. Sie ist insbesondere nach Resektion multipler Metastasen zeitaufwendig. Beim Defektverschluss mit Gewebeklebstoffen kommt neben dem Zeit- auch noch der Kostenfaktor zum Tragen. Bei der thermischen Gewebeversiegelung gibt es diese Kontras nicht, dagegen bleibt ihr Versiegelungseffekt insbesondere bei größeren Parenchymdefekten bislang hinter den Erwartungen zurück. Bei der Laserresektion im Non-Kontakt-Verfahren kommt es durch Umwandlung von Licht in thermische Energie zu plötzlicher starker Erhitzung der Zellen, zu deren Platzen und zum Zerreißen des Zellverbands. Alveolen, Bronchiolen oder Subsegmentbronchien werden eröffnet und Luft kann aus unterschiedlich großen Öffnungen aus der Lunge austreten. Dieser Effekt tritt bei Gewebetemperaturen > 180 °C auf. Man erkennt ihn makroskopisch an der Verkohlung der Oberfläche als Ausdruck der Umwandlung des Aggregatzustands des proteingebundenen Kohlenstoffs in Kohle. Dieser Prozess sollte vermieden werden, da er zu einer erhöhten Luftleckage führt und mutmaßlich die Spontanheilung der Resektionsfläche verzögert. Neuere experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die Laserapplikation an Lungengewebe nicht zwangsläufig zu Luftleckagen führen muss [20]. Wir konnten an Schweinelungen zeigen, dass die Gewebetemperatur bei der thermischen Versiegelung eine große Rolle zu spielen scheint und dass es notwendig ist, eine Karbonisation des Gewebes bei Temperaturen > 180 °C bei der Versiegelung, am besten aber schon bei der Resektion zu vermeiden. Das Schweinelungenmodell wurde in dieser Serie nicht perfundiert. Die Perfusion hätte lediglich zu einer zusätzlichen Gewebekühlung geführt und somit den nachgewiesenen Effekt der Gewebeversiegelung verstärkt. Die Umspülung der Faser mit Wasser hat bei der Resektion außerdem den Vorteil, dass Blut aus dem Resektionsbett ausgespült wird und man immer eine gute Sicht auf das zu resezierende Gewebe und den Tumorrand hat. Ein weiterer Vorteil der wasserumspülten Faser liegt darin, dass unerwünschtes Verkleben der Faser mit dem Lungengewebe oder Blut beim Kontaktverfahren verhindert wird und die Schorfbildung an der Faserspitze nicht auftritt.
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Abb. 7 a und b a Probe mit Kühlung, HE-Färbung; b Probe ohne Kühlung, HE-Färbung.
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Die von uns derzeit verwendete technische Lösung des genannten Prinzips wird auf der Basis dieser Untersuchungen verbessert werden. Ein ergonomischer Handgriff mit Regelung des Wasserstroms und Vorschub der Faser wird das Verfahren wesentlich vereinfachen. Eine wahlweise Kühlung der Faser mit Flüssigkeit oder Gas ist problemlos zu integrieren. Aktuell werden noch handelsübliche kristalline Infusionslösungen zur Faser- und Gewebekühlung angeschlossen. Es ist allerdings denkbar, mit unterschiedlichen Kühlflüssigkeiten die Gewebetemperatur bei der Resektion oder Versiegelung bedarfsgerecht zu variieren. Dazu werden weitere experimentelle Untersuchungen folgen.
Interessenkonflikt: Nein Literatur 1 LoCicero J, III, Hartz RS, Frederiksen JW et al. New applications of the laser in pulmonary surgery: hemostasis and sealing of air leaks. Ann Thorac Surg 1985; 40: 546–550 2 Rolle A, Pereszlenyi A, Koch A et al. Is surgery for multiple lung metastases reasonable? A total of 328 consecutive patients with multiple-laser metastasectomies with a new 1318-nm Nd : YAG laser. J Thorac Cardiovasc Surg 2006; 131: 1236–1242 3 Rolle A, Pereszlenyi A, Koch R et al. Laser resection technique and results of multiple lung metastasectomies using a new 1,318 nm Nd : YAG laser system. Lasers Surg Med 2006; 38: 26–32 4 Cole PH, Wolfe WG. Mechanisms of healing in the injured lung treated with the Nd-YAG laser. Lasers Surg Med 1987; 6: 574–580 5 Scanagatta P, Pelosi G, Leo F et al. Pulmonary resections: cytostructural effects of different-wavelength lasers versus electrocautery. Tumori 2012; 98: 90–93 6 Mineo TC, Ambrogi V, Tonini G et al. Pulmonary metastasectomy: might the type of resection affect survival? J Surg Oncol 2001; 76: 47–52 7 Marulli G, Droghetti A, Di Chiara F et al. A prospective randomized trial comparing stapler and laser techniques for interlobar fissure completion during pulmonary lobectomy. Lasers Med Sci 2013; 28: 505–511
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