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Laser

S’il est un domaine où le laser a provoqué un grand intérêt, c’est bien la médecine. La chirurgie n’est cependant pas la principale application des lasers médicaux et c’est dans des conditions non invasives que le laser ait les applications les plus intéressantes. Ces applications se font dans un large éventail de spécialités. Il n’est pas inutile de rappeler que les lasers ne font partie de l’arsenal thérapeutique que depuis très peu de temps. Le laser reste toujours à l’avant-garde de la science médicale. Cette notion de nouveauté a son importance car elle explique l’esprit pionnier de ce champ d’application. Actuellement seule une petite fraction des possibilités des lasers a été explorée suffisamment. Le futur des lasers en médecine est encore largement ouvert.


- Le rayonnement laser
Lumière et rayon laser

Le terme de lumière est appliqué à une petite portion du spectre électromagnétique, comprenant la lumière visible, l’ultraviolet et l’infrarouge. La lumière visible, c’est-à-dire, à laquelle la rétine est sensible, est une radiation électromagnétique dont la longueur d’onde s’étend de 400 à 770 nanomètres. Bien qu’invisibles à l’œil nu, les radiations infrarouges et ultraviolettes sont classées dans la lumière. Prises séparément, ces longueurs d’ondes sont perçues comme des couleurs différentes, le bleu correspond à celles qui sont courtes, le rouge aux plus grandes. Le blanc est le résultat du mélange de toutes les longueurs d’ondes du spectre visible.

Les sources de lumière conventionnelles comme une lampe incandescente ou une lampe à arc produisent une lumière blanche qui rempli l’espace environnant. Cette lumière est obtenue par échauffement d’un filament situé à l’intérieur d’un verre soufflé. Chaque atome du filament agit comme une lampe isolée émettant une lumière non synchronisée sur un cercle de 360 °. A cause de la distribution au hasard dans le temps, l’espace et la longueur d’onde, l’énergie provenant de ce type de source est particulièrement dispersée.

Le rayonnement laser est très différent. Le mot de laser correspond à « light amplification by stimulated emission of radiation ». Il s’agit en fait de l’émission stimulée d’une source de lumière cohérente.

Caractéristiques du rayonnement laser

Il n’y a pas un laser mais des lasers très différents quant à leur mode de fonctionnement, de transmission et à leurs effets biologiques. Tous les lasers ont en commun la cohérence, la collimation et la mono chromaticité.
La cohérence signifie que les ondes lumineuses sont distribuées en phase dans le temps et dans l’espace.
La collimation veut dire que les ondes sont émises de façon parallèle.
La mono chromaticité signifie que toutes les ondes ont la même longueur d’onde et donc la même couleur.



Chacune de ces caractéristiques correspond à un avantage par rapport à la lumière.
La cohérence explique la puissance du laser. La lumière, au lieu d’être dispersée, est distribuée de façon synergique, ce qui augmente de façon considérable son action au point d’impact.
La collimation permet une transmission sur de longues distances sans perte de puissance. Le rayonnement peut aussi être focalisé ce qui permet de délivrer des énergies élevées sur des points d’impacts très localisés.
La densité de puissance au point d’impact est considérablement supérieure à celle d’un rayonnement lumineux classique. La mono chromaticité est principalement responsable des effets biologiques, car à chaque longueur d’onde correspondent des actions spécifiques. Certes, en ce qui concerne les effets biologiques, il ne s’agit pas du seul élément à considérer, car par exemple la puissance et le mode de distribution doivent également être pris en compte.



Création d’un rayonnement laser

Les composants de base d’un laser sont la chambre de pompage, le matériel pompé (ou activé) et le système de pompage. La chambre est une cavité réfléchissante qui présente un miroir à chaque extrémité dont l’un est semi transparent. L’émetteur de rayonnement laser est variable et sa stimulation est faite de façon optique ou électrique. La longueur d’onde dépend du type de produit activé. Les photons émis spontanément par le principe actif du laser sont réfléchis sur les miroirs et renvoyés vers celui-ci. Ils stimulent alors l’émission de nouveaux photons à la même longueur d’onde et dans la même direction. Le résultat de cette émission stimulée est le rayonnement laser.


- Interaction avec les tissus vivants

Un certain nombre de phénomènes apparaissent quand le rayonnement laser heurte la surface des tissus. Une partie de l’énergie est réfléchie et le reste absorbé. L’importance relative de la réflexion et de l’absorption dépend de la longueur d’onde et de la puissance du laser. L’absorption peut se faire en surface ou à une profondeur variable dans les tissus. Le degré de réflexion, absorption ou de nécrose dépend de nombreux facteurs, dont la qualité des tissus, la puissance et la longueur d’onde du laser.


- Effets thermiques

Ce sont les effets thermiques qui sont les mieux connus et les plus utilisés. Selon la température, on obtient des effets variables, nécrose tissulaire et inflammation locale au-dessous de 40 degrés, vaporisation tissulaire à des températures plus élevées. Pour être plus exact, l’augmentation de température est directement proportionnelle à l’énergie absorbée, qui se calcule en multipliant la durée et la puissance de l’émission. Ce critère n’est pas suffisant car la distance doit également être prise en compte. En effet, la plupart des lasers ont une divergence ou une focalisation artificielle.

La densité de puissance au point cible est inversement proportionnelle au carré de la distance de l’émission laser. Le volume de tissu irradié a une grande importance sur les effets biologiques.
La profondeur de pénétration dépend du type de tissus concerné, c’est-à-dire, sa couleur, sa vascularisation et la longueur d’onde utilisée. Certains lasers comme le laser yag sont plus particulièrement sensibles à des critères de couleur et de vascularisation. Quelques exemples de cette pénétration sont résumés sur le tableau suivant.


- Profondeur de la pénétration (nm)

Tableau

Laser nm Estomac Foie
CO2 10600 0.05 0.05
Argon 488 0.5 0.2
YAGNd 1060 2 0,8

On voit nettement sur ce tableau que l’effet en profondeur d’un laser infrarouge type yag est important en particulier si la surface des tissus est blanche. Toute la stratégie du traitement est basée sur ces effets.

Les lasers médicaux

Spécificité des lasers médicaux

D’après ce que nous avons dit précédemment il est évident que les effets biologiques sur le corps humain varient considérablement selon le type de laser choisi. De très nombreux appareils sont disponibles ou en cours de développement : les lasers co2, yag, yap, argon, à colorants, excimères, à vapeur d’or ou de cuivre, etc… Chaque système a sa spécificité qui dépend de sa puissance, de sa longueur d’onde et de son mode d’action.

Si l’on considère la complexité du tissu humain, il est difficile de prévoir les effets biologiques d’un rayonnement laser. La couleur des tissus est un élément important. La mélanine et l’hémoglobine, deux des principaux colorants de l’organisme, absorbent différemment les rayonnements lasers.

L’interaction des lasers avec les tissus dépend en grande part de l’importance relative de ces deux éléments. Les lasers qui émettent dans l’infrarouge sont très absorbés avec un effet de nécrose latérale modéré et sont donc mieux adaptés à la découpe que les lasers visibles. A cause de cette absorption en surface, les lasers infrarouges sont mieux adaptés à la résection précise.

Les lasers existants

Les Lasers CO2 sont des appareils très utilisés en médecine. Ils sont caractérisés par le fait que le rayonnement monochromatique est produit par l’excitation du gaz carbonique. Invisible, le rayonnement de ce laser est absorbé par le verre. Sa longueur d’onde est de 10,600 nm (infrarouge). La puissance dépend du type d’appareil, elle est aux alentours de 20/30 watts pour les petits appareils et 40/60 watts pour les appareils plus puissants. Les effets biologiques sont essentiellement une vaporisation des tissus. C’est un instrument précis qui peut être comparé à un bistouri lorsqu’il est utilisé de façon focalisée. Défocalisé, il a un faible pouvoir de coagulation. Le mode de transmission est un bras articulé formé de miroirs. Son rayonnement n’est malheureusement pas transmissible par fibre optique, ce qui limite ses applications aux tissus directement accessibles à une vision directe.

Le Laser Argon est un des premiers lasers à avoir été utilisé en médecine. L’excitation d’un gaz rare, l’argon, donne une émission dans le spectre visible vert avec une longueur d’onde de 488 nm (ou parfois 514 nm). Le mode de transmission est différent, il se fait généralement au moyen d’une fibre optique, ce qui lui ouvre la possibilité d’être utilisé en endoscopie. La puissance est modérée, aux alentours de 3 watts, ce qui ne veut pas dire que les effets biologiques soient faibles. Les effets biologiques sont très différents de ceux du co2, la principale qualité du laser argon réside dans son absorption spécifique par le rouge. Par un réglage approprié, il est possible d’obtenir un effet en profondeur sans léser la surface des tissus, d’où son intérêt pour la coagulation des vaisseaux de la rétine par exemple. Si ce laser a un bon effet de coagulation, il reste peu actif lorsqu’il s’agit de détruire des tissus, sauf s’il est utilisé par contact.

Le Laser YAG a connu depuis un grand développement, car ces lasers se sont révélés particulièrement pratiques en endoscopie. Ils sont invisibles (infrarouge). La longueur d’onde est de 1,064 nm, mais il existe aussi des lasers à fréquence doublée. Le mode de transmission qui se fait au moyen d’une fibre optique en fait l’instrument idéal pour l’endoscopie. La puissance peut aller jusqu’à 100 watts, ce qui est beaucoup trop pour les applications médicales courante. Les effets biologiques sont très importants à connaître. Les réactions non visibles peuvent être très supérieur à ce que l’on voit. Ce rayonnement est absorbé différemment par les tissus en fonction de leur coloration et de la densité de puissance. C’est ainsi qu’un tissu pâle et peu vascularisé laisse passer le rayonnement sans effet visible. Celui-ci n’est absorbé en profondeur que lorsqu’il est en contact avec un tissu de coloration foncée. Son succès est dû à sa double propriété de coagulation et de vaporisation des tissus.

Le Laser YAP (yttrium aluminium pevroskite) a une longueur d’onde de 1340 nm ce qui lui confère un pouvoir d’absorption supérieur dans les tissus vivants. Cet effet lui confère un remarquable pouvoir de coagulation, essentiel en bronchologie.

Les Lasers à Vapeurs métalliques sont très peu utilisés. Les métaux les plus utilisés sont l’or, le cuivre, le manganèse et le baryum. Le cuivre a une longueur d’onde dans le vert et une dans le jaune (511 et 578 nm). Il peut être couplé à un laser à colorant. L’or a une longueur d’onde située dans le rouge foncé à 628 nm et une raie moins importante infrarouge (311 nm). Le plomb est à 723 nm (rouge) et le baryum dans l’ultraviolet à 1500 nm. Les effets biologiques dépendent, nous l’avons dit, de la longueur d’onde choisie.

Les Lasers excimères, récemment développés, leur longueur d’onde dépend du type de gaz rare utilisé. Ils ont une action très intéressante de destruction tissulaire localisée par effet mécanique. Ce type de laser semble voué à un grand avenir dans le traitement des plaques d’athérome. Les longueurs d’ondes sont variables, 193, 249, 308, 351 nm, selon le gaz rare employé.

Les Lasers à colorant (ou Dye) ont une longueur d’onde variable en fonction du colorant utilisé. Leur longueur d’onde peut aller de 360 à 700 nm, c’est-à-dire, dans tout le spectre visible. Ces lasers à colorants nécessitent la présence d’un deuxième laser qui va exciter le premier par pompage optique. Le laser d’excitation étant un laser au Krypton, un laser Argon ou un laser à vapeur métallique. Ces lasers peuvent émettre des rayonnements dans diverses longueurs d’onde du visible selon le colorant employé. Leur principale utilisation concerne la mise en évidence de la fluorescence des tumeurs marquées à l’hématoporphyrine (raie rouge à 630 nm) et leur destruction (raie violette à 405 nm).

Avantages du YAG et du YAP pour les résections endoscopiques

En endoscopie, ce sont les lasers YAG ou le YAP qui sont le mieux adaptés pour de nombreuses raisons. Ils permettent une vaporisation précise et une coagulation simultanée. Sa transmission par fibre optique permet d’amener la puissance du laser à l’extrémité de l’endoscope. Il est possible de délivrer de 10 à 100 watts à l’extrémité d’une fibre de 2,4 mm de diamètre. Les fibres ont en général 4 mètres de long, mais la longueur peut facilement être augmenté. Elles sont refroidies par un jet d’air continu.

Les effets de ces lasers du proche infrarouge sur les tissus vivants sont très nettement supérieurs à ceux qui sont visibles à l’oeil nu. Ils dépendent de la puissance, de la distance, de la coloration des tissus et de la durée et la fréquence des impacts.

Les effets de vaporisations sont plus facilement obtenus en utilisant une densité de puissance élevée sur des tissus sombres.

Rappelons que cette densité de puissance est inversement proportionnelle au carré de la distance et directement liée à la puissance utilisée).

Lorsqu’un effet de destruction commence à se produire, les tissus deviennent noirs en surface et absorbent localement toute l’énergie du laser, augmentant considérablement les effets de vaporisation.

Cela limite l’action à distance, mais peut entraîner l’apparition d’un cratère de plusieurs millimètres en quelques impacts.



Les effets de rétraction tissulaire sont plus importants sur les tissus pâles avec une densité de puissance modérée. Il n’est pas inutile de préciser que ces lasers n’ont pas d’effet direct de coagulation. Il est possible de diminuer la vascularisation par rétraction tissulaire, ce qui peut diminuer ou arrêter un saignement, mais cela suppose une pénétration en profondeur du rayonnement sans effet de destruction. Il n’est pas toujours facile de choisir entre ces deux effets de rétraction et de vaporisation.

La densité de puissance peut être limitée soit en diminuant la puissance soit en éloignant l’extrémité de la fibre du point cible. En endoscopie, il est souvent plus facile d’éloigner la fibre du point d’impact sans changer les réglages du laser.



Les effets à distance dépendent de la couleur des tissus, de la densité de puissance et de l’angle d’attaque. C’est une notion fondamentale sur laquelle il convient de revenir. Il y a deux risques que tout utilisateur d’un laser YAG ou YAP doit connaître. Lorsqu’un rayonnement laser est appliqué sur un tissu peu coloré avec une densité de puissance modérée, celui-ci traverse sans effet visible les tissus sur plusieurs millimètres. Sa course peut être arrêtée au niveau d’une zone plus colorée responsable d’un effet en profondeur qui peut être redoutable. Des perforations à distance ont été décrites, en particulier au niveau du rectum lors du traitement de lésions de la vessie.

Un autre effet redoutable décrit par Jack Fisher doit être particulièrement bien connu, c’est "l’effet pop-corn".

Si l’on irradie un tissu vivant de façon continue au même point d’impact, pendant une durée même courte (10/15 secondes), celui-ci n’a pas le temps de refroidir et il se crée une accumulation de vapeur qui peut entraîner une explosion.

Nous avons expérimentalement obtenu la destruction d’un foie de rat après 16 secondes d’irradiation à 40 watts en continu, l’extrémité de la fibre étant placée à 4 mm du point d’impact. C’est une des raisons qui nous fait préférer l’usage du laser YAG en discontinu.



Si l’on fait la balance entre les avantages et inconvénients de ces effets à distance, on peut dire que les premiers sont supérieurs aux seconds. C’est la raison pour laquelle nous préconisons son emploi pour l’endoscopie trachéobronchique thérapeutique.

Au titre des avantages, on trouve la réduction de la vascularisation des tumeurs et une action antivirale probable dans les cas de lésions papillomateuses ou autre tumeur induite par des virus.

Si l’on considère les inconvénients, il faut rappeler le risque de lyse des cartilages dans les sténoses trachéales et l’effet pop-corn non désiré en profondeur.

Les Lasers YAG et YAP medicalisés

Les lasers YAG médicaux qui sont commercialisés sont nombreux et présentent des caractéristiques souvent voisines. Il sont soumis à des règles d’homologation strictes en matière de sécurité et de fiabilité responsable de leur prix élevé. En dehors des sécurités concernant l’alimentation électrique et le refroidissement, ils présentent tous une sécurité ayant pour but d’éviter la dispersion du rayonnement lumineux, au niveau de l’appareil qui est totalement fermé, au niveau des connexions et au niveau des moyens de déclenchement du rayonnement. Par exemple la pédale d’activation du rayonnement est à double détente et ne peut être actionnée par inadvertance. Il existe un bouton d’arrêt d’urgence bien visible et facilement accessible.

Pour éviter un traumatisme oculaire, des lunettes de protection absorbant spécifiquement le rayonnement du YAG ou du YAP doivent être porté par tout le personnel.

La qualité de ces lunettes a une extrême importance. Certaines lunettes bon marché ont une qualité optique déplorable et leur coloration très foncée les rends difficilement compatibles avec un travail de précision. Il est surprenant de voir des constructeurs renommés livrer des appareils de qualité avec ce genre de lunettes bas de gamme. Il faut être très exigeant à ce sujet.

Les fibres optiques doivent également être de très bonne qualité. Étant donné leur prix élevé, il faut exiger de fibres de première qualité dont l’embout métallique de refroidissement ait un dessin efficace, évitant toute souillure de la fibre et soit serti correctement.

Une longueur de 4 mètres est un minimum et nous conseillons de demander des fibres de 6 mètres.

Les fibres standard ont en général 2,6 mm de diamètre hors tout lorsqu’elles sont gainées et 1 mm lorsqu’elles sont nues.

Il existe cependant des fibres plus fines de 600 microns pouvant descendre jusqu’à 200 microns.

Il est utile d’avoir à sa disposition un jeu de fibre fine si l’on envisage de réaliser des traitements pédiatriques.

Le rayonnement du YAG et du YAP étant invisible, il est nécessaire d’utiliser un laser de visée.

L’hélium néon est le plus utilisé, et sa couleur rouge est paradoxalement bien visible sur les tissus de même couleur.

Certains utilisent des lasers de visée verts, jaunes ou blancs, pouvant même être modifié à la demande.

La plupart des appareils modernes sont informatisés, avec des commandes très précises au niveau du temps d’impact, de la puissance et du mode fonctionnement. En raison de son utilisation généralement multidisciplinaire, l’appareil idéal doit avoir la possibilité d’un réglage très fin de la puissance de quelques watts à 100 watts. Il doit pouvoir être réglé en continu ou discontinu en dixièmes de secondes. En réglage discontinu, la répétition doit pouvoir être automatique par simple maintien de la pression sur la pédale pour éviter de fastidieux mouvements.

Le choix de l’appareil dépend essentiellement de multiples critères dans lesquels il ne faut pas oublier la qualité du service après vente et le prix et la qualité des consommables, c’est-à-dire surtout les fibres optiques.

 
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