APPLICATION LASER EN MEDECINE
Qu’est-ce qu’un laser ?
L= Light
A= Amplification
S= by Stimulated E= Emission
R= of Radiations
L’effet LASER correspond à la transformation d’une énergie d’origine quelconque
en énergie lumineuse
L’objectif est de disposer d’un faisceau lumineux cohérent de forte énergie
Décrit par Towns en 1958: application récente
Le mot LASER est un acronyme : L(Lumière) A (Amplificateur) S (Stimulation ) E (Emission) R (Radiation) ; c’est à dire amplification de lumière par émission simultanée de rayonnement .
Milieu gazeux , liquide ou solide dont on excite les électrons des atomes avec une source externe.
Ces électrons vont émettre à leur retour en orbite un faisceau de lumière très particulier comportant une seule longueur d’onde. Selon le milieu de départ utilisé on obtient un laser CO2, un laser à colorant, un laser YAG, un laser Alexandrite, qui auront chacun un faisceau de longueur d’onde définie et une action différente , spécifique sur les tissus traités.
A. Effets biologiques
Ils dépendent de la longueur d’onde , de la durée d’exposition, de l’énergie
déposée, de la nature du tissu exposé, de l’absorption du rayonnement
Effet thermique le plus fréquent
– 45° : hyperthermie tissulaire
– 50° : dénaturation des protéines
– 60° : effet de coagulation
– 80° : effet de dessiccation
Les milieux les plus sensibles sont l’eau, la mélanine, l’hémoglobine
Milieux pour lesquels l’absorption des photons est la plus importante
B.Effets mécaniques
Ils sont mal connus
Ils sont rencontrés avec des LASER de forte énergie avec des temps d’application brefs, ns ou ps)
Propagation d’une onde de choc
Pulvérisation de certain matériau (destruction des calculs?)
LASER MEDICAL
Quasi parallélité
Monochromaticité
Contrairement à la lumière « blanche », un laser n’émet que sur une seule longueur d’onde, c’est à dire une couleur bien définie. A titre d’exemple, lorsque la lumière du soleil est décomposée dans un arc-en-ciel, la couleur d’un laser est tellement pure qu’elle serait comprise dans une tranche de 1/30000e de la largeur totale de l’arc-en-ciel !
Cohérence
Les différentes ondes dont se compose un laser ont non seulement même longueur d’onde et même direction de propagation, mais aussi même amplitude et même phase. Ainsi, tous les fronts d’onde appartiennent à des plans communs. Cette propriété s’appelle la cohérence. C’est elle par exemple qui permet de réaliser des interférences entre deux parties du même faisceau laser, et par conséquent des hologrammes. Notons également que ce sont ces mêmes interférences qui, lorsque le faisceau frappe une surface rugueuse, provoquent l’apparition de points scintillants (le speckle) sur la tache du laser.
Luminance intense
Les lasers sont des sources de lumières brillantes et intenses. On peut même dire qu’un modeste laser hélium néon de 1 mW est plus brillant que le soleil.
Grossièrement, on peut dire que la lumière ordinaire est une lumière désordonnée (anarchique) et que la lumière laser est une lumière ordonnée (sociale).
Effet photochimique (LASER à courte longueur d’onde)
– destruction de certains acides aminé (tyrosine, tryptophane, phénylalanine)
– destruction du cytochrome C
Les milieux les plus sensibles sont l’eau, la mélanine, l’hémoglobine
Milieux pour lesquels l’absorption des photons est la plus importante
Le milieu actif
La source d’énergie extérieure
Le résonateur optique
QU’EST-CE QU’ UN LASER
1. Le milieu actif
On appelle milieu actif la substance contenant les atomes ou les molécules qui vont émettre la lumière. Cette substance peut être gazeuse (Ar+, CO2, Excimères, .. ), liquide (lasers à colorant), ou solide (Nd:Yag, diode laser) et impose la couleur de l’émission laser. AR+ Argon ionisé
Nd:Yag = YAG néodyne
2. La source d’énergie extérieure (pompage)
Les différentes sources d’énergie nécessaires à l’excitation des molécules du milieu actif sont essentiellement de quatre types:
Par une décharge électronique, analogue à un éclair dans le ciel (lasers à gaz)
Par du courant électrique (diode laser)
Par de la lumière ordinaire, fortement concentrée, telle que celle produite par des flash très puissants (Nd:Yag, certains lasers à colorant)
Par un autre laser (lasers à colorant)
3. Le résonateur optique
cavité optique est parfois complétée par d’autres éléments tels que des éléments dispersifs (prisme, réseau) permettant de choisir la longueur d’onde d’émission, ou des lentilles pour compenser d’éventuelles dérives thermiques.
Le milieu actif est placé dans une cavité résonnante constitué de deux miroirs dont l’un est partiellement transparent. Il subit une excitation afin d’obtenir le phénomène de pompage. Lorsque le niveau d’énergie supérieur devient plus peuplé que le niveau inférieur, il y a inversion de population et émission spontanée dans toutes les directions. Lorsqu’un photon rencontre un électron excité, il y a émission stimulée. Le faisceau laser sort de la cavité à travers le miroir partiellement transparent.
4. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ET UNITES
La longueur d’onde
La puissance et l’énergie d’un laser continu
La puissance et l’énergie d’un laser pulsé
Mode
Densité d’énergie et de puissance
- La longueur d’onde
- La longueur d’onde de la lumière détermine sa couleur. La couleur du laser est un paramètre important au niveau de la pénétration des tissus:
un laser vert ne pénètrera que de – 1 mm
alors qu’un laser dans le proche infrarouge tel que le YAG pénètrera – 6 mm
un laser CO2 dans l’infrarouge moyen par contre ne pénètrera à nouveau plus dans les tissus car il est fortement absorbé par l’eau.
Le type d’interaction (mécanique par formation d’un plasma, thermique, photochimique,…) dépend aussi de la longueur d’onde du laser. La longueur d’onde est exprimée soit en nanomètres (mn), soit en microns (µm).
laser Argon: 488 mn 0.488 µm
514 nm
laser CO2 : 10600 mn 10.6 µm
2. La puissance et l’énergie d’un laser continu
Puissance P des lasers continus (CW)
Ar+ : 5-25 Watts
CO2 : 10-100 Watts
Energie E déposée dans un tissus
P=10W pdt 10s => E=100J
3. La puissance et l’énergie d’un laser pulsé
Puissance de crête : Pc[W] = E[J] / Δt[s]
Puissance moyenne :
= E[J] x N[Hz]
N = taux de répétition, N fois/sec
Un laser pulsé de X Watts en puissance moyenne n’aura pas du tout les mêmes effets sur les tissus qu’un laser continu de la même puissance, car le laser pulsé présentera des crêtes très brutales à quelques millions de Watts.
un laser excimer émet une énergie par pulse de 0,4 Joule dans 20 nS.
Sa puissance de crête sera Pc = 0,4 / 20 . 10-9 = 2 . 107 [W] = 20 millions de Watts.
Le même laser à un taux de répétition de 80 Hz. Il aura une puissance moyenne de
= 80*0,4 = 32 W.
4. Mode
Répartition de l’énergie lumineuse dans le faisceau (disque ou anneau…).
5. Densité d’énergie et de puissance
La densité spatiale de puissance représente la puissance disponible par unité de surface. Si l’on focalise une certaine énergie lumineuse sur une toute petite surface, la densité d’énergie sera très grande (comme une loupe placée sous le soleil permet de mettre le feu à du papier).
La densité de puissance Dp est définie par Dp [W / cm2] = P [W] . 100 /3,14 . r2 [mm] où P est la puissance du laser et r le diamètre du point de focalisation
LES DIFFÉRENTS TYPES DE LASERS
1)CO2
2)HELIUM NEON
3)YAG NEODYME
4)ARGON IONISE
5)A EXCIMERES
6)A DIODES
7)A COLORANTS
1)Effet électromécanique
Effet électromécanique
Applications : ophtalmologie, angiologue, lithotritie
Lasers utilisés : Nd:YAG
Avec des pulses laser très courts et une focalisation extrême, on obtient des densités de puissance tellement élevées (~1012 W / cm2) qu’on réalise un véritable claquage optique (semblable à un éclair dans le ciel, mais très ponctuel). Ce claquage crée un microplasma (électrons arrachés aux molécules) et par suite une onde de choc capable de détruire localement la matière en laissant intacts les tissus adjacents.
2)Effet photoablatif
Effet photoablatif
Applications : ophtalmologie, angiologie
Lasers utilisés : excimères
Une forte densité de puissance de lumière ultraviolette (entre 200 et 360 mn) a la capacité de dissocier les molécules chimiques en plusieurs fragments.
Ophtalmologie
comprise entre 400 et 900nm, 10-3 à 1s, 50m à 1mm, 0 à 1 W)
Absence d’absorption par les milieux transparents (cornée, cristallin, vitrée)
Absorption importante par la mélanine (rétine) et hémoglobine (vaisseaux)
Traitement des décollements de rétine : photocoagulation à la périphérie des
zones de déchirures pour les fixer
Traitement des rétinopathies exsudatives : coagulation des points de la paroi
vasculaire où se produisent les exsudats
Chirurgie de la myopie
Contre indication: hémorragie vitréenne, opacité cristallinienne
3)Effet thermique
Applications : chirurgie, dermatologie, angioplastie,angiologie
Lasers utilisés : CO2, Nd:YAG, Argon, Colorants
L’effet thermique est l’effet le plus simple réalisé lors d’une interaction laser-tissu. L’énergie lumineuse est absorbée et convertie en énergie thermique, provoquant une élévation de température dans le milieu. Suivant les paramètres laser et la nature des tissus, on obtiendra une coupe très fine, avec hémostase ou la volatilisation de petites tumeurs. Les coupes les plus fines sont obtenues avec des temps d’interaction courts et des longueurs d’onde peu pénétrantes (laser CO2 pulsé, par exemple).
L’effet obtenu dans le tissu dépend bien entendu de la température atteinte lors de l’irradiation.
Température Effet obtenu
43 – 45°C Rétraction, Hyperthermie
50°C Réduction de l’activité enzymatique
60°C Coagulation
80°C Dénaturation des collagènes, Carbonisation
100°C Vaporisation
Les tissus adjacents de l’impact laser sont peu touchés. A 2 mm de l’impact laser, la température n’atteint que 8°C environ, contre l00°C pour l’électrocoagulation, d’où une meilleure cicatrisation.
Chirurgie :
Hémostase (Argon ou YAG)
Destruction tissulaire (CO2)
Découpe chirurgicale (CO2)
4)Effet photochimique
Effet photochimique
Applications : cancer des voies respiratoires, de l’oesophage
Lasers utilisés : Colorants
La monochromaticité du laser lui permet d’induire des réactions chimiques dans certaines substances préalablement injectées au patient. Ainsi, des dérivés de l’hématoporphyrine ont la propriété de se fixer sélectivement sur les cellules malades et cancéreuses. Lorsqu’on expose ensuite le patient à de la lumière laser d’une certaine longueur d’onde (630 nm), il se produit une réaction photochimique qui crée une substance toxique pour la cellule. Les cellules malades sont par conséquent détruites, et les cellules saines intactes. Ce genre de traitement est particulièrement avantageux en endoscopie, permettant des interventions non invasives.
CONFIGURATION D’ UN APPAREIL A LASER
- Les moyens de transmission du faisceau
- 1a. La fibre optique
La fibre optique est un moyen de transmission quasi idéal car elle transmet avec un bon rendement de fortes puissances optiques. Elle est souple et solide. Toutefois, elle a deux limites. Elle ne peut transmettre que de la lumière située dans le proche ultraviolet, le visible et le proche infrarouge et ceci en continu ou en impulsions longues (micro et millisecondes). En outre, elle modifie la géométrie du faisceau laser qui, lorsqu’il sort de la fibre, n’est plus parallèle mais divergent.
2b. Le bras optique
Pour les lasers émettant dans l’ultraviolet lointain (lasers excimères) ou dans l’infrarouge lointain (lasers C02) ou en impulsions très courtes (lasers Nd:Y AG nano seconde) il faut faire appel aux bras optiques articulés à multiples miroirs. Ces bras optiques ne modifient pas la géométrie du faisceau qui reste parallèle. La technologie des bras optiques a fait beaucoup de progrès et les bras optiques ne se dérèglent plus aussi facilement qu’il y a quelques années. Mais ils restent toujours volumineux et ne sont pas utilisables en endoscopie.
3c. Le guide creux
Les guides creux sont des tubes en alumine creux le plus souvent rigides qui ont la propriété de « guider » la lumière laser sur plusieurs dizaines de cm avec très peu de pertes. Leur diamètre extérieur varie de 2 à 5 mm environ. Ils sont bien adaptés à l’utilisation des lasers C02 en endoscopie (coelioscopie, arthroscopie … ).
2. Les systèmes d’application du faisceau
directe à partir d’un faisceau non focalisé provenant d’un bras optique, d’un guide d’onde ou d’une fibre optique,
directe à partir d’un faisceau focalisé provenant d’un bras optique, d’un guide d’onde, d’une fibre optique ou d’une lampe à fente complété(e) par une lentille de focalisation,
indirecte à partir d’un saphir qui permet de transformer l’énergie optique en chaleur.
3. Les accessoires
Les accessoires
le microscope
le micromanipulateur
les lunettes de protection
l’aspirateur de fumées
SECURITE
Les effets oculaires et cutanés
irritation de la conjonctive : conjonctivite
irritation de la cornée : Kératite
opacification du cristallin : cataracte
et cutanés
2. Les lunettes
Les yeux sont protégés par des coques ou des lunettes pendant la séance .
3. un système de refroidissement
matérialisé par un spray cryogènique
, est déclenché juste avant le tir laser par la même pression sur la barette de la pièce à main; il est destiné à préserver l’épiderme contre l’effet thermique. Pour le laser QSWITCHE le système de refroidissement n’est pas nécessaire.- Classification des lasers
dans l’ophtalmologie puis plus brièvement ses utilisations pour soigner les tumeurs ainsi que son usage en dermatologie.
1) L’utilisation du LASER pour soigner les maladies optiques
Choisir le centre laser et le matériel du centre avant l’ophtalmologiste.
Traitement de la myopie par Laser
Pour éviter le décollement de la rétine, le principe est de diminuer la myopie. Pour cela, on utilise la technique du LASIK (Laser Assisted Intrastromal Keratomileusis) en plusieurs étapes :
L’opération se pratique sous anesthésie locale. La première étape de l’intervention consiste en la découpe d’un volet cornéen superficiel Le laser peut alors travailler sur une zone interne de la cornée et la modifier par photo-ablation. Lorsque l’intervention au laser (environ 1 min dans les années 70) est terminée, le volet est remis en place par le chirurgien. Jusqu’au début des années 2000, le moyen le plus courant de découpe du volet cornéen est l’utilisation d’un microkératome, un appareil mécanique (robot miniaturisé et très sophistiqué), que le chirurgien applique sur l’œil. Cette première phase très délicate est maintenant réalisée par un laser, le laser femtoseconde. Le laser femtoseconde permet à présent une opération 100% laser. La découpe de la lamelle cornéenne, est alors réalisée en quelques dizaines de secondes, puis l’ablation est réalisée à l’aide d’un laser « excimer ». Les risques liés au caractère « mécanique » de la découpe sont donc ici réduits, et les caractéristiques de la découpe (angle, épaisseur, homogénéité,…) sont mieux maitrisées.
– La PKR :
– les douleurs post-opératoires : après l’intervention, des douleurs peuvent appraître. Elles sont dues à l’ablation de la partie superficielle de la cornée. Elles n’excèdent cependant pas 48h après l’opération et les douleurs peuvent être atténuées avec des traitements.
– Si cette technique est encore très répandue en France c’est qu’il s’agit de l’intervention de chirurgie réfractive la plus superficielle de la cornée.
– Les conditions pour effectuer une opération au LASER
Une personne ne peut pas pratiquer ce type d’intervention à n’importe quelle période. En effet, dans le cas de l’instabilité réfractive, le degré d’atteinte de la maladie optique varie avec le temps. Il est donc impossible de pratiquer une intervention au laser avant que le degré de correction à apporter soit stable. C’est le cas des :
– personnes ayant moins de 20 ans
– personnes atteintes d’une maladie qui provoque une variation des taux d’hormones (comme le diabète)
– femmes qui sont enceintes ou qui allaitent
– personnes qui prennent des médicaments qui peuvent être la cause de variations de la vision ou qui peuvent les faire souffrir de l’instabilité réfractive.
Traitement de la lésion de la cornée
Pour traiter ce cas, on effectue une photo coagulation grâce au laser à YAG (un laser émettant des impulsions très brèves, en dessous du milliardième de seconde, produisant un peu de chaleur, utilisé ici comme un bistouri), qui permet la cautérisation des vaisseaux, c’est à dire les détruire à l’aide d’une brûlure. On effectue ensuite un collage des deux feuillets autour de la brèche rétinienne.
Traitement de l’hypertension intraoculaire
Pour régler ce problème, la chirurgie au laser vise à réaliser une ouverture dans la périphérie de l’iris (iridectomie périphérique) afin de permettre à l’humeur aqueuse de passer de l’arrière à l’avant de celui-ci et de réduire la pression intraoculaire. Si ce traitement est réalisé assez tôt, la vision est préservée.
– Les effets post-opératoires
Après l’intervention, il est possible pour un faible pourcentage de personnes d’être victime de certains effets indésirables. La chirurgie au laser est également très récente et il n’y a donc pas encore d’informations sur les effets à long terme.
Même si la chirurgie laser est une grande avancée par rapport à la kératotomie, l’après-intervention est dans la plupart des cas douloureux pour le patient. En effet, une personne opérée peut avoir des douleurs aux yeux, des brûlures ou encore des démangeaisons…
Voici une opération de la myopie par un LASER femtoseconde.
Video ici : http://www.ophtalmologie.fr/operation-myopie-video-lasik.html
2) L’utilisation du LASER pour soigner les tumeurs
Le laser peut être utilisé lorsque le cerveau est atteint d’une tumeur : une tumeur cérébrale. Ce type d’intervention évite d’ouvrir la boîte crânienne des patients, qui restent conscients pendant l’intervention. En pratique, après avoir localisé très précisément la tumeur à détruire à l’aide de l’IRM, les neurochirurgiens introduisent, au travers d’un petit orifice de 3 millimètres, la fibre optique équipée à son extrémité d’un laser. Une fois correctement positionné, au contact de la tumeur à détruire, ce laser est activé, ce qui échauffe le tissu tumoral et le nécrose. De plus, ce laser a pour propriété d’être en permanence «refroidi», ce qui évite la coagulation du sang à son contact. Cette opération est une alternative à la chimiothérapie et elle ne dure qu’environ 3 minutes ce qui est beaucoup plus court qu’une intervention classique. Le patient peut ainsi récupérer beaucoup plus rapidement et rentrer plus tôt chez lui. L’intervention au laser dans ce cas présente aussibeaucoup moins de risques.
3) L’utilisation du LASER cutanée :
La peau est un domaine dans lequel les LASER sont largement utilisés que ce soit pour traiter des angiomes ou des cicatrices ou même encore dans le cadre d’épilations au laser. Dans un but de traitement en cutanée, le rayon lumineux est focalisé sur une cible cutanée afin d’en modifier la structure soit en la chauffant, en la coagulant ou en la détruisant. Les trois cibles essentielles de la peau qui vont absorber l’énergie des rayons lumineux émis sont l’hémoglobine (élément contenu dans les globules rouges permettant le transport de l’oxygène), la mélanine (le pigment cutané fabriqué par les cellules de la peau) et l’eau. Pour agir sur ces trois cibles possibles, il existe un grands nombres de différents laser comme le laser Alexandrite pour l’épilation, le laser CO2 pour les cicatrices ou encore le laser à colorant pulsé pour les angiomes.
L’énergie délivrée par le laser, dont on peut moduler l’intensité, va ainsi pouvoir couper, détruire ou modifier la structure cellulaire ou extracellulaire de la peau et ceci, jusqu’au niveau de la graisse hypodermique.
4)Le lifting médical raffermit la peau du visage et du corps. On chauffe le collagène jusqu’à 7 cm de profondeur pour le régénérer. Techniques de lifting médical : laser fraxel, thermage et titan.
Les 50 ans du laser par CNRS
A l’occasion des 50 ans de l’invention du laser, ce film retrace différents aspects de cette découverte scientifique qui révolutionne notre vie au quotidien. Le laser (Amplification de Lumière par Emission Stimulée de Rayonnement) s’est imposé dans de très nombreux domaines comme les télécommunications, la chirurgie, la découpe de matériaux, les mesures de distance, la lecture de codes barres… , ce qui n’avait pas été envisagé lors de sa mise au point.
L’histoire des lasers est le parfait exemple de l’impact de la recherche fondamentale sur la science, mais aussi sur notre quotidien.
Un film réalisé par Hervé Colombani et produit par CNRS Images
Voir la notice du film sur la Catalogue en ligne : http://videotheque.cnrs.fr/index.php?urlaction=doc&id_doc=2226
Le CNRS célèbre les 50 ans du laser : http://www.cnrs.fr/50anslaser/
http://www.univ-lille1.fr/digitalAssets/8/8204_100421-LaserMedecine.pdf
http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/handle/2042/8242/MURS_1990_22_61.pdf?s
