LASER MEDICAL LA LUMIERE LASER QU’EST-CE QU’ UN LASER CARACTERISTIQUES TECHNIQUES TYPES DE LASER APPLICATION EN MEDECINE

LA LUMIERE LASER Quasi parallélité Monochromaticité Cohérence Luminance intense

Quasi parallélité L'angle dans lequel se propage le faisceau laser (appelé divergence) est extrêmement faible: son diamètre augmente d'environ la cm tous les kilomètres! On peut comparer ce faisceau quasi-parallèle à un véritable tube de lumière.

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).

La source d’énergie extérieure Le résonateur optique QU’EST-CE QU’ UN LASER Le milieu actif La source d’énergie extérieure Le résonateur optique

QU’EST-CE QU’ UN LASER 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

QU’EST-CE QU’ UN LASER 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)

QU’EST-CE QU’ UN LASER Le résonateur optique Le milieu actif est enfermé dans un résonateur optique généralement composé de deux miroirs, l'un totalement réfléchissant, et l'autre semi transparent pour laisser sortir la lumière du laser. Cette 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.

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

CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ET UNITES 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

CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ET UNITES 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 CW = continuous wave

CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ET UNITES La puissance et l’énergie d’un laser pulsé Puissance de crête : Pc[W] = E[J] / Δt[s] Puissance moyenne : <P> = 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 <P> = 80*0,4 = 32 W.

CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ET UNITES Mode Répartition de l’énergie lumineuse dans le faisceau (disque ou anneau…).

CARACTERISTIQUES TECHNIQUES ET UNITES 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 CO2 HELIUM NEON YAG NEODYME ARGON IONISE A EXCIMERES A DIODES A COLORANTS

APPLICATION DES LASERS EN MÉDECINE Effet électromécanique Effet photoablatif Effet thermique Effet photochimique

APPLICATION DES LASERS EN MÉDECINE Effet électromécanique Applications : ophtalmologie, cardiologie, 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.

APPLICATION DES LASERS EN MÉDECINE Effet photoablatif Applications : ophtalmologie, cardiologie 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.

APPLICATION DES LASERS EN MÉDECINE Effet thermique Applications : chirurgie, dermatologie, angioplastie 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.

APPLICATION DES LASERS EN MÉDECINE 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 Les systèmes d’application du faisceau Les accessoires

CONFIGURATION D’ UN APPAREIL A LASER Les moyens de transmission du faisceau La fibre optique Le bras optique Le guide creux

CONFIGURATION D’ UN APPAREIL A LASER Les moyens de transmission du faisceau 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.

CONFIGURATION D’ UN APPAREIL A LASER Les moyens de transmission du faisceau 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.

CONFIGURATION D’ UN APPAREIL A LASER Les moyens de transmission du faisceau 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 ... ).

CONFIGURATION D’ UN APPAREIL A LASER 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.

CONFIGURATION D’ UN APPAREIL A LASER Les accessoires le microscope le micromanipulateur les lunettes de protection l'aspirateur de fumées

SECURITE Les effets oculaires et cutanés Classification des lasers Les lunettes

SECURITE Les effets oculaires et cutanés irritation de la conjonctive : conjonctivite irritation de la cornée : Kératite opacification du cristallin : cataracte

SECURITE Classification des lasers

SECURITE Les lunettes