I-  Rappels

 Le terme L.A.S.E.R est l’acronyme de «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation»: amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement.

La lumière laser possède des caractéristiques particulières qui la différencient de la lumière émise par le soleil ou par une ampoule électrique.

La lumière se déplace dans le vide à la vitesse de 30 0000 km/s, selon un mode ondulatoire (γ en hertz est le nombre de cycles d’ondes, λ en m est la distance parcourue par la lumière pendant un cycle d’onde, λ = c / γ)

L’énergie d’un photon est définie par la formule: e = h γ (avec h = constante de Planck). L’énergie d’un photon est proportionnelle à sa fréquence, et la longueur d’onde est inversement proportionnelle à l’énergie d’un photon (λ = c.h / e)

La longueur d’onde augmente quand l’énergie du photon diminue. Le rayonnement laser présente des qualités très particulières:

• il possède une seule longueur d’onde et est dit monochromatiq Il existe un grand nombre de

lasers de différentes couleurs.

 

• les photons se dirigent tous dans la même direction, avec une très faible divergence: le rayon est dit monodirectio

 

• les photons sont organisés en phase les uns par rapport aux autres dans le temps et l’espace (même longueur d’onde, même direction de propagation, même amplitude, même phase) et sont dits cohérent

 

• la synchronisation des photons offre au faisceau une énorme densité d’énergie, et le faisceau est dit puissan Plus que la quantité de lumière, c’est la qualité de lumière fournie par le laser qui est son atout principal: quasi parallélisme, pureté spectrale, durées d’impulsions ultra courtes permettant des puissances instantanées gigantesques, jusqu’à 100 Gigawatts. C’est parce que ces lasers sont pulsés que des puissances si importantes sont atteintes.

• Anatomie de la peau

 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Skin.jpg

C’est Albert Einstein, qui, dans les années 30, a décrit le principe de l’émission stimulée: l’absorption d’énergie par un atome excité déplace un électron sur une orbite plus éloignée, le retour à l’état initial de l’électron entraine l’émission d’un photon. (L’ état excité n’est pas stable, le retour à la stabilité induit l’émission d’un photon).

 

 

 

schéma de l’amplification des photons

 Si un électron déjà excité absorbe un autre photon de même énergie, il va émettre 2 photons lors de son retour sur son orbite de départ. C’est le principe de l’amplification avec inversion de population: les atomes, en majorité excités, émettent des photons qui excitent d’autres atomes.

 

Le système du pompage optique a ensuite été mis au point, en 1950, par Kastler et Brossel. Utilisant ce principe, le premier laser a été réalisé par T.H.Maiman aux USA, en 1960, à partir d’un barreau de rubis (λ = 694 nm) éclairé par une lampe flash.

 I-1- Principe de fonctionnement:

 Un appareil laser est constitué de 3 éléments de base:

• 1° un milieu actif, qui peut être:
  • un solide (Nd:YAG, Er:YAG, Rubis, Saphir, Alexandrite)
  • un gaz (CO2, Ar+, Krypton+, He-Ne, Excimères)
  • un liquide (colorants)
  • un semi-conducteur (diodes)
  • une fibre optique

 milieu constitué de matière (réservoir d’électrons) et que l’on va exciter.

Le milieu actif va ensuite restituer, sous forme d’un rayonnement, l’énergie mobilisée.

 C’est le milieu actif qui donne son nom au laser, car il définit la longueur d’onde des photons émis. Pour les milieux actifs de type solide, les cristaux ou verres constituent la matrice et doivent être dopés par un ion qui donne sa longueur d’onde au laser. Par exemple pour le Nd:YAG, la matrice est un Grenat d’ Aluminium et d’Yttrium dopé par du Néodyme.

Autres solides: rubis, saphir, Alexandrite, KTP.

 

 

 

 

Echelle des longueurs d’onde et spectre de la lumière

 2° un dispositif d’excitation, dit système de pompage, source d’énergie extérieure utilisée pour exciter les atomes du milieu actif, et pouvant être de nature:

• optique (lampe flash, lampe à arc, autre laser): pour les lasers à corps solides et les

lasers à colorants

• décharge électronique: pour les lasers à gaz
• décharge électrique: pour les lasers à diodes

 3° un milieu amplificateur ou cavité de résonance, dont le but est d’augmenter la densité de lumière grâce au principe d’émission stimulée. Les photons sont émis dans le milieu amplificateur entre 2 miroirs dont l’un est réfléchissant et l’autre l’est partiellement, laissant passer les photons (de même phase, même fréquence, même direction et même couleur), par une ouverture, formant le faisceau laser.

La cavité peut comprendre également des éléments dispersifs: prisme, réseau, filtre de Liot, Fabry- Pérot, ainsi que des lentilles.

 

Figure 7: schéma de fonctionnement d’un rayon laser

Un système de refroidissement permet de compenser l’échauffement produit dans l’appareil en fonctionnement et produisant une forte puissance énergétique

 

• Une fois constitué, le faisceau laser est transmis par différentes technologies:
• une fibre optique: souple et solide, elle peut transmettre de grandes puissances avec un bon rendement, mais elle ne peut transmettre que dans le proche UV, le visible et le proche infra- roug
• un bras optique: constitué d’une succession de tubes articulés et de miroirs réfléchissants: il est utilisé pour l’UV lointain (excimère), les lasers Q-Switchés, ou pour l’IR lointain (CO2)

 

I-2- Modes de fonctionnement:

 Un laser permet donc de fabriquer une très grande quantité de photons, dont l’intensité de chaque tir et la forme du faisceau peuvent être émis selon différents modes.

 Le laser peut émettre:

• en mode continu, produisant de 1 à 10 Watts, avec des durées d’impulsions allant des millisecondes aux seconde Le milieu actif est excité de manière continue par le système d’énergie extérieure.
• en mode impulsionnel relaxé, produisant des kiloWatts, avec des impulsions allant de la milli- à la

microseconde. La puissance moyenne sera comparable à celle d’un laser continu, mais la puissance instantanée, plus élevée, aura un impact tissulaire plus important.

 

• en mode impulsionnel déclenché ou Q-switché, produisant des MégaWatts, avec des durées d’impulsion de l’ordre de la nanoseco Un obturateur optique bloque le démarrage de l’émission stimulée. A la fin de l’impulsion de pompage, l’obturateur est ouvert, libérant l’énergie sur un temps très court. La puissance du laser est très importante, pendant un minimum de temps, réduisant l’élévation de température dans l’appareil

La puissance est inversement proportionnelle au temps d’émission du laser.

 

 

 Mode d’émission des lasers – d’après Les lasers en dermatologie

 

 

I-3- Paramètres du faisceau laser:

En matière de laser cutané, la taille du spot de lumière conditionne sa profondeur de pénétration. Pour une même couleur, les diamètres les plus gros de spots permettent de pénétrer plus en profondeur dans la peau. Les couleurs différentes ont aussi un impact sur la profondeur de pénétration.

 

On détermine les paramètres suivants:

• longueur d’onde: en nm
• durée d’émission, ou temps d’exposition: en secondes
• diamètre (D) et surface du spot (π x D²)/4 en cm². Elle dépend de la surface du faisceau, de la distance laser-cible, de la présence d’éléments optiques sur le trajet du faisceau
• énergie totale déposée ou dose: en Joules (J)
• puissance P exprimée en Watts (J / s)
• densité de puissance ou irradiance (W / cm²) : puissance délivrée par cm²
• densité d’énergie ou fluence (F) mesurée en J/cm² : énergie délivrée par cm²

 I-3-1- Temps d’exposition

 

Il correspond à la durée globale d’irradiation. Il faut néanmoins différentier le mode de fonctionnement des lasers, continus ou pulsés:

-en mode continu, durée d’exposition et temps d’utilisation sont identiques

-en mode pulsé, la durée d’exposition est égale au temps d’utilisation multiplié par le nombre d’impulsions et par le temps d’impulsion.

 

I-3-2- Surface d’exposition

 

C’est la surface irradiée par le laser. Elle dépend de la distance laser-cible, de la présence d’éléments optiques sur le trajet du faisceau, de la divergence du faisceau

 

 I-3-3-La puissance

 

Elle s’exprime en Watts. C’est la puissance instantanée qui importe dans les lasers pulsés.

Elle est égale à l’énergie de l’impulsion laser divisée par le temps d’impulsion

 

 I-3-4- Densité de puissance

 

C’est l’énergie délivrée à la cible par seconde et par unité de surface. Elle s’exprime en Watts par cm² ou m²

 

 I-3-5- Densité d’énergie

 

C’est l’énergie reçue par unité de surface de la cible. Elle s’exprime en Joules par cm² ou m²

 II Interaction tissu – rayonnement laser

 

L’interaction laser-tissu dépend des caractéristiques du faisceau laser et des propriétés des tissus. La peau est constituée de 3 couches d’épaisseur variable (épiderme, derme , hypoderme) de composition très hétérogène. L’atteinte sélective d’une cible située en profondeur de cet organe est donc complexe et dépend de nombreux facteurs.

Les lois de l’optique s’appliquent à la peau, la caractérisation de l’optique de la peau reposant sur de nombreuses études expérimentales.

Lors de l’interaction tissu-laser, quatre phénomènes intéressant la lumière incidente se produisent: réflexion, diffusion, absorption, transmission.  Le principal effet recherché est l’absorption du faisceau par le tissu. L’énergie va être transformée en chaleur et provoquer un effet tissulaire proportionnel à l’élévation de température obtenue.

Différents types d’interactions tissu – rayonnement laser

 II-1- La réflexion:

 

Lorsqu’un faisceau de lumière passe d’un milieu à l’autre, d’indice différent, une partie de ce faisceau est réfléchie au niveau de la frontière entre ces deux milieux, alors que la seconde traverse cette frontière et pénètre l’autre milieu ( d’où le port de lunettes: 4 à 5 % de la lumière sont réfléchis au niveau de la couche cornée).

Il est important de connaître la réflexion de la lumière par les tissus afin d’évaluer la quantité

d’énergie qui pourra être ensuite absorbée ou diffusée dans le tissu.

L’interface air-épiderme se situe au niveau du stratum cornéum, l’interface épiderme-derme correspond à la jonction dermo-épidermique.

 

II-2- La transmission:

 

Elle correspond à la fraction du faisceau qui n’est ni réfléchie, ni diffusée, ni absorbée.

La transmission de la lumière résiduelle au tissu sous-cutané est prédominante pour les longueurs d’onde les plus courtes (300-400 nm).

II-3- La diffusion:

 

Le faisceau initial change de direction au contact de la cible sans perte d’énergie. La diffusion dépend de la nature du tissu. C’est un effet non recherché car concernant un volume plus important que la cible visée avec un effet atténué sur celle-ci.

La diffusion est due essentiellement au  collagène du derme, et se fait vers la profondeur et latéralement. Elle diminue rapidement le flux d’énergie susceptible d’être absorbé par le chromophore cible et donc l’effet clinique sur les tissus.

Dans le rouge et le proche infra-rouge, où l’absorption de la peau est faible, la diffusion est le mécanisme optique dominant, ce qui conduit à une plus plus forte pénétration de la lumière en profondeur, et à des volumes illuminés importants. On peut observer ce phénomène en plaçant dans le noir une ampoule sous la main: seul le rouge passe, les autres couleurs étant absorbées. L’intervalle des longueurs d’onde comprises entre 600 et 1200 nm constitue une fenêtre optique dans la peau (diffusion faible, absorption par les chromophores endogènes limitée).

La diffusion dépend de la taille des particules, de leur forme, de la longueur du rayon incident. Les tissus biologiques sont anisotropes, toutes les directions ne sont pas équivalentes.

Le sang est le milieu le plus diffusant.

 

II-4- L’absorption:

 

Elle nécessite la présence d’une cible dont le spectre d’absorption correspond à la longueur d’onde du faisceau laser.

Le photon est absorbé par la cible et produit un effet thérapeutique: c’est la première étape du transfert d’énergie.

 

La lumière d’une longueur d’onde donnée transmise au travers d’un tissu dépend de son intensité initiale, de la profondeur de pénétration et de la distance d’extinction.

La pénétration de la lumière dans la peau dépend du coefficient d’absorption et du coefficient de diffusion.

La profondeur de pénétration de la lumière est la distance à laquelle il ne reste que 13% des photons émis: c’est la profondeur maximale théorique.

Par exemple, à 755 nm, pour 100% de la lumière incidente à la surface de la peau, 13,7 % pénètre jusqu’à 3,13 mm de profondeur: c’est la valeur maximale pouvant être atteinte à cette longueur d’onde.

 

 

Pénétration du laser dans la peau en fonction de sa longueur d’onde – d’après Les lasers en dermatologie

 D’autres facteurs influencent l’absorption tels que: le temps d’application, la densité d’énergie, la surface du spot.

 

Plus la taille du spot augmente, plus la profondeur de pénétration augmente et s’approche de la profondeur maximale théorique. Un spot large permet d’utiliser moins d’énergie et est moins affecté par la diffusion qu’un petit spot (scattering). Cependant, l’augmentation du diamètre du spot ne permet pas d’obtenir une action en profondeur significativement différente et ne peut constituer une alternative à un choix inapproprié de la longueur d’onde.

 

 

 

Les principales cibles biologiques des lasers sont:

• la mélanine (spectre: 300 à 1100 nm)
• l’oxyhémoglobine (spectre: 300 à 1100 nm, pic à 577 nm)
• l’eau (spectre: UV, parties moyennes et extrêmes de l’Infra-Rouge). Parmi les chromophores exogènes, on trouve les encres des tatouage

 

 

Spectre d’absorption des principaux chromophores

 

L’action thermique dépend essentiellement de deux facteurs: le chromophore cible et la longueur d’onde du faisceau laser.

 

La durée d’émission est le paramètre majeur déterminant l’action du laser sur la peau.

III– Mécanismes  d’action du  laser : action d’un  faisceau laser sur  un  tissu  biologique

 

L’absorption du faisceau laser par le tissu cible est à l’origine des effets électromécaniques, photo- ablatifs, photo-thermiques, photochimiques, et de biostimulation.

 

III-1- Effet électromécanique:

 

Il est produit par des impulsions très courtes (10 ps à 100 ns) et des puissances très élevées (10puissance7 à 10puissance12 W/cm² ), provoquant la formation d’un micro-plasma au point de focalisation où la température et la pression sont très importantes. Il apparaît une onde de choc acoustique capable de réaliser l’ablation mécanique des tissus: on parle de phénomène de cavitation.

 

III-2- Effet photo-ablatif:

 

C’est une ablation pure du matériel comme le ferait une lame froide sans lésion thermique sur les berges. Avec de très courtes longueurs d’onde (0,190 à 0,300 nm) le champ électrique associé à la lumière est supérieur à l’énergie de liaison moléculaire. Il y a alors rupture des liaisons et les composants du tissu sont gazéifiés. Les durées d’impulsion sont de l’ordre de 10 ns à 1 µs. On utilise des lasers pulsés très absorbés et dont l’énergie des photons est très grande. C’est le cas des lasers excimères utilisés en ophtalmologie.

 

III-3- Effet photo-chimique:

 

Le principe est de marquer un tissu pathologique avec un photosensibilisant, et d’activer l’agent chimique par un rayonnement laser approprié, provoquant la nécrose du tissu (photothérapie dynamique).

 

III-4- Effet photo-thermique:

 

La photothermolyse est l’effet le plus couramment utilisé.

Les durées d’émission vont de quelques centaines de microsecondes à quelques millisecondes, l’ irradiance de 10 à 10 puissance 6 W/cm².

 

L’effet photothermique résulte de trois étapes (15):

• conversion de la lumière en chaleur: celle-ci est transférée vers les tissus avoisinant Elle dépend de la réflexion, de la diffusion optique et de l’absorption du laser par le tissu.
• transfert de la chaleur par convection et conduction
• rétraction tissulaire liée à l’augmentation de la température et à la durée d’échauffemen

 

  

 

Principe de l’action thermique des lasers sur les tissus biologiques – d’après Le relissage laser

 

La réaction tissulaire dépend de la température. Les dommages tissulaires observés sont les suivants:

 

• hyperthermie à 40-41° pendant quelques minutes: la mort cellulaire est retardée par atteinte des processus enzymatiques

 

• à 45°: vasodilatation, dommage endothélial

 

• de 50 à 100° pendant quelques secondes: arrêt des processus enzymatiques, désorganisation des membranes tissulaires, dénaturation des protéines et du collagène, détersion puis cicatrisation

 

• à 80° pendant une seconde : nécrose de coagulation avec dénaturation des protéine Cliniquement, on observe une rétraction et une dessiccation des tissus, puis une détersion de la nécrose suivie de la cicatrisation.

 

• à plus de 100° pendant quelques dixièmes de secondes: volatilisation et perte de substanc

Effets thermiques tissulaires

 

Température (°C)	Changements histologiques
45°	vasodilatation, dommage endothélial
50°	disparition de l’activité enzymatique
60°	désorganisation des membranes cellulaires dénaturation des protéines
70°	dénaturation du collagène perméabilisation des membranes
80°	contraction des fibres collagènes nécrose de coagulation
100°	vaporisation de l’eau
> 100°	volatilisation des constituants organiques

 

III-5- Temps de relaxation thermique

 

La capacité d’un tissu à transporter de l’énergie par conduction va définir un paramètre capital appelé temps de relaxation thermique (TRT): c’est le temps nécessaire pour que la moitié de la chaleur captée par la cible diffuse à l’extérieur.

 

Le TRT dépend de la nature de la cible, mais également de la taille du chromophore-cible: il est proportionnel au carré du diamètre de la cible et varie de quelques nanosecondes à plusieurs centaines de millisecondes ou plus.

Par exemple:

• le TRT d’un poil de 0,3 à 1 mm est de 0,1 à 1 s
• le TRT d’une cellule de 3 à 10 mm est de 10 à 100 ms
• le TRT d’un vaisseau de 30 à 300 mm de diamètre est de 1 à 100 ms
• le TRT d’une particule de carbone de 1 mm est de 1 à 10 ms
• le TRT de la peau est d’environ 1 ms
• le TRT d’une particule de tatouage est inférieur à 1 ms

 

Le TRT induit le refroidissement de la cible et l’élévation de température des tissus adjacents à la cible en fonction du temps d’impulsion du laser:

Ainsi:

• si la durée d’impulsion est inférieure à 1/10 du TRT, il y a élévation rapide de la température dans la ci Elle explose sans qu’il y ait de diffusion de la chaleur à l’extérieur: c’est la photothermolyse sélective (15,23)
• si la durée d’impulsion est égale au TRT, la chaleur diffuse dans un volume plus grand que la ci Il y a dénaturation des tissus de celle-ci: c’est la photocoagulation sélective
• si la durée d’impulsion est supérieure à 10 fois le TRT, le chauffage est diffus avec une perte de sélectivité optiq Il est possible d’obtenir une coagulation plus importante, par chauffage à distance de la cible.

 

III-6- Effet de biostimulation

 

A très faible puissance, le laser peut induire une activation de la synthèse du collagène, une

augmentation de la production d’ ATP mitochondrial, une augmentation du nombre de fibroblastes et de macrophages.

On obtient un effet anti-inflammatoire et une réduction du temps de cicatrisation.

 IV Protection de l’épiderme: refroidissement tissulaire

 

Une lésion thermique de l’épiderme peut entrainer l’apparition de bulle, dyschromie, cicatrice tardive, hyperpigmentation.

Pour éviter ces effets indésirables des traitements lasers, il faut optimiser la longueur d’onde par rapport aux caractéristiques d’absorption du chromophore visé, et y associer des impulsions longues ainsi que le refroidissement de l’épiderme.

 

Diverses techniques peuvent être utilisées:

• air pulsé à -30°C
• pulvérisation d’un agent cryogène: un gel gelé est pulvérisé sur la peau. Le tétrafluoroéthane utilisé dans cette indication ayant un indice de pollution thermique élevé, il pourrait être remplacé par le dioxyde de carbone liquide (25)
• refroidissement par contact: par exemple par saphir, bien meilleur conducteur que le verre

 

Le refroidissement de l’épiderme permet d’utiliser des fluences plus élevées avec un nombre de séances réduit, le traitement des différents phototypes en toute sécurité, et la réduction de la douleur.

 

Néanmoins, la succession des phases de refroidissement et d’échauffement doit être très soigneuse du fait de l’absence de sélectivité intrinsèque.

Les limites du volume refroidi déterminent en partie la «plaque» de peau qui sera chauffée. Par

exemple, dans le traitement des rides, la majeure partie des lésions d’élastose solaire se trouvent à partir de 100 à 600 µm en dessous de la surface. Il est vraisemblable qu’on désirera pratiquer une lésion au niveau de cette bande pour améliorer les rides. Avec ce refroidissement par contact

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