Laser Excimer : principe et systèmes de fonctionnement

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Professeur JL ARNE
CHU Toulouse
DIU de Chirurgie Réfractive 2010

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Laser Excimer : principe et systèmes de fonctionnement

  1. 1. LASERS EXCIMER PRINCIPES ET SYSTEMES DE FONCTIONNEMENT<br />
  2. 2. HISTORIQUE DU LASER EXCIMER<br /><ul><li> 1975VELAZCO: capacité de certains gaz rares de</li></ul> former avec les halogènes un composé<br /> instable qui en se dissociant émet un photon dans<br /> la longueur d’onde des UV<br /> (application : industrie des plastiques)<br /><ul><li> 1981 TABADOA 1ere étude expérimentale sur</li></ul> cornée de lapin<br />
  3. 3. <ul><li> 1983 - TROKEL, SRINIVASAN, BRAREN :</li></ul> 1ere évocation de l’application à la chirurgie <br /> réfractive cornéenne<br /><ul><li> 1985 - SEILER : 1ere utilisation en expérimentation</li></ul> animale et humaine<br />
  4. 4. <ul><li> 1988 - MUNNERLYN :</li></ul> - démontre que l’ablation superficielle modifie la <br />courbure antérieure sans changer la postérieure<br /> - définit les relations entre quantité de tissus <br />enlevé et modification du pouvoir réfractif cornéen<br /><ul><li> 1988 </li></ul> - FDA autorise 9 yeux en cécité légale<br /> - Mc DONALD : 1ere PRK sur œil voyant<br />
  5. 5. EVOLUTIONS TECHNIQUES<br /> photoablation sphérique ZO 3mm<br />problèmes centrage et fibrose<br /> régressions<br /> ZO plus larges 5 à 6 mm<br /> pour réduire profondeur d’ablation<br /> et incidence des régressions<br /> traitements multizones; zones transitions &gt; 9mm<br /> ablations customisées selon aberrations <br />
  6. 6. BASES PHYSIQUES DU LASER EXCIMER<br />Emission spontanée<br />Un électron passe spontanément à un <br /> niveau d’énergie inférieur<br />Emission stimulée<br />Un photon incident provoque le passage <br /> de l électron sur niveau inférieur<br />
  7. 7. PRINCIPES DES LASERS EXCIMER<br /> Gaz rare + halogène composé excitable donc<br /> instable = dimere. <br />Une stimulation à haute tension (30 kv toutes les 18 nsec)<br /> le transforme en composé excité = excited dimer <br /> qui se dissocie pour revenir à son état initial en<br /> émettant un photon fortement énergétique de <br /> longueur d’onde UV (190 à 390 nm)<br /> argon - fluor : 193 nm<br /> krypton - chlore : 222 nm <br /> krypton – fluor : 248 nm<br /> xénon – chlore : 308 nm<br /> xénon – fluor : 351 nm<br />
  8. 8. Propriétés communes à tout rayonnements laser<br /> - unidirectionnel<br /> - intensité élevée<br /> - monochromatique<br />
  9. 9. Pourquoi le choix de Argon - fluor pour la cornée?<br /><ul><li> Production de photons très énergétiques : 6.4 eV
  10. 10. pénétration réduite dans tissus adjacents
  11. 11. faible effet thermique
  12. 12. régularité de la surface des impacts
  13. 13. absence de mutagénicité
  14. 14. forte absorption hydrique</li></ul>Energie de liaison des chaînes organiques <br />du tissu cornéen = approximativement 3,5 eV<br />
  15. 15. CONSTITUTION D’ UN LASER EXCIMER POUR <br /> CHIRURGIE CORNEENNE<br />Création du rayonnement excimer<br />Homogénéisation du faisceau<br />Système de délivrance cornéen<br />
  16. 16. CREATION DU RAYON EXCIMER<br /><ul><li> Milieu actif : cavité laser remplie de 3 types de gaz</li></ul> 0.5% à 12 % de gaz rare ( argon)<br /> 0.5 % halogène ( fluorine)<br /> 88 à 99% gaz tampon<br /><ul><li> Stimulateur électrique : excitation discontinue du </li></ul> milieu actif émission pulsée :<br /> Ar + F  ArF (excitable)<br /> ArF + décharge électrique  ArF excité<br /> ArF excité (instable)  Ar + F + photons<br /> Le mode pulsé augmente puissance / continu<br />
  17. 17. <ul><li> Cet effet est amplifié car il est produit dans une </li></ul> cavité susceptible de résonance<br />La cavité de résonanceaugmente la densité des photons<br />permettant une émission stimulée plus importante <br />Oscillation des photons collision avec d’autres molécules<br /> gazeuses du milieu actif qui excités à leur tour photons<br />
  18. 18. HOMOGENEISATION DU FAISCEAU par intégrateurs spatiaux <br />prismatiques et masques<br />Le système d’homogénéisation va permettre de <br />sélectionner la partie centrale du faisceau de type Gaussien<br />
  19. 19. 3 grandes familles de lasers<br />PLEIN FAISCEAU <br />BALAYAGE <br /> par fente<br /> par point (scanning / flying spot)<br />
  20. 20. FAISCEAUX PLEINS <br /> - simple( à profil Gaussien = profil ablation myopique)<br /> - à modelage optique par système lentille<br /> - à modelage physique par diaphragmes,<br /> fentes ou masques érodibles<br />l<br />
  21. 21. Balayage par fente<br />Balayage par points (scanning / flying spot)<br />SYSTÈME À BALAYAGE<br />
  22. 22. Flying spots : délivrance gérées par des miroirs<br />miroirs<br />Seul le centre du faisceau du spot est utilisé ; les impacts<br />sont adjacents permettant une ablation régulière<br />Répartition « fractale »<br />
  23. 23. L’utilisation de spots de petite taille<br /> - impose un traitement plus long pour une même ablation<br /> - implique l’utilisation d’ un système d’asservissement aux mouvements oculaires<br /> - l’augmentation de fréquence est difficile avec un excimer car la production de photons prend du temps (lasers solides?)<br />
  24. 24. LA ZONE D’ABLATION<br /><ul><li> Zone optique > 5 mm pour réduire</li></ul> régression et altération qualité vision<br /><ul><li> Zone de transition (parfois imposée) toujours</li></ul> &gt; diamètre pupillaire scotopique<br /><ul><li> Profondeur d’ablation < 130 µ pour réduire phénomènes cicatriciels et modification excessive de l’asphéricité</li></li></ul><li>Le remodelage cornéen par photoablation est régi par une équation (Munnerlyn 1988) reliant amétropie sphérique , profondeur et diamètre de la zone d’ablation<br />
  25. 25. Choix diamètre de photoablation : <br /> Formule Munnerlyn<br />D (Dioptries à corriger) x ZO2<br />Prof abl (µm) = <br />3<br />Plus on est large plus on est profond…<br />
  26. 26. Ablation customisée<br /> Lasers dernière génération : transfert, analyse et traduction des informations collectées par topographes cornéens et analyseurs de front d’onde afin de guider la distribution des impacts sur la cornée<br />Seuls les systèmes de délivrance par spots autorisent <br /> un couplage aux topographes <br /> et analyseurs de front d’onde <br />
  27. 27. Buts<br />Améliorer la qualité de vision en optimisant le profild’ablation<br />Personnaliserl’ablation<br />/ aberrations<br />/ topographie<br />
  28. 28. Basé sur l’aberrométrie<br />
  29. 29. Basées sur la topographie<br />Eblouissements<br />et halos nocturnes,<br />Lettres « bavent » <br />Profil d’ablation<br />Eblouissements<br />et halos ont disparu<br />
  30. 30. Les algorithmes actuels de correction permettent<br />D’optimiser le profil de transition pour réduire la profondeur d’ablation (tissue saving)<br />De personnaliser l’ablation (custom ablation)<br />D’ajouter une addition « presby » centrée ou décalée ( eventuellement basée sur une modification de l’asphéricité) <br />
  31. 31. Centrage<br /> asservissement du faisceau par l’eye tracker<br />Système de détection des mouvements oculaires passif <br />ou actif ,essentiel notamment en traitement customisé<br />
  32. 32. Principe d’un système d’asservissement aux mouvements oculaires<br />Repérage statique préopératoire par caméra CCD infrarouge  repères de référence<br />Détection peropératoire des mouvements oculaires:<br /> caméra CCD IR contrôle position des repères à fréquence variable 40 à 4000 Hz<br /> Mouvement détecté transmis au logiciel d’analyse de l’ordinateur  réponse<br /> - active : suivi des mouvements par jeu de miroirs d’orientation du faisceau émergent<br /> - passive : suspension de la délivrance<br />Performances variables<br />
  33. 33. Marquer 3 H et 9 H .<br />Cyclotorsion lors du décubitus++ pour astigmatisme et customisérepérer par rapport au limbe des structures de l ’iris pour repositionner l ’axe<br />
  34. 34. EFFETS DU LASER EXCIMER<br />Sa courte longueur d’onde (193 nm) en fait un laser très énergétique ayant une action très superficielle car les photons à haute énergie sont absorbés par les tissus<br />
  35. 35. EFFETS DU LASER EXCIMER<br /><ul><li>Effets physiques</li></ul> - photoablation<br /> - effet thermique<br /> - effet mutagène ?<br /><ul><li>Effets tissulaire</li></li></ul><li>Effets physiques<br />Explosion sans transfert de <br />chaleur au tissu adjacent<br /> La photodécomposition ablative :<br /> se produit au niveau moléculaire<br />Processus d&apos;ablation« à froid »<br />Photon d&apos;énergie<br />6,4 eV<br />Energie de liaison des<br />chaînes organiques du<br />tissu cornéen = 3,5 eV<br />Tissu cornéen<br />Ablation0,25 µm par tir<br />Photon<br />
  36. 36. À puissance correcte, la radiation excimer produit une « décomposition ablative » des polypeptides organiques par rupture des liaisons moléculaires avec production de fragments plus petits, volatiles sans échauffement du tissus voisin.<br />Les fragments moléculaires sont éjectés à <br />vitesse supersonique sous forme de « plumes »<br /><ul><li> ceci « purge »l’énergie en excès </li></ul> préserve les tissus contigus<br /><ul><li> provoque une onde de choc ( clac sonore)
  37. 37. peut expliquer les îlots centraux</li></li></ul><li>Effets physiques: effet thermique du laser<br />le mélange gazeux est à 1000° mais instantanément<br />dissipé ; <br /> - élévation de T° &lt; 45° dans zone traitée, &lt; 10° sur <br /> les bords . <br />- diminuée par le refroidissement de la cornée<br /> et l’utilisation de laser flying-spot<br /> Des lésions cornéennes ne se produisent que <br /> pour T° &gt;40°<br />Néanmoins formation pseudomembrane d’épaisseur<br /> 0.005 µ à 0.2 µ , dense aux électrons serait la <br />conséquence de la dénaturation du collagène sous<br /> l’effet de la température<br />
  38. 38. Effets physiques:effet mutagène ?<br />Il existe une émission secondaire après exposition de<br />aux UV 193 nm et un faisceau re émis de 310 nm<br />Pose le problème de l’effet mutagène éventuel <br />des rayonnements secondaires<br /><ul><li>nul pour 193 ( bien qu’aient été rapportées des</li></ul>dommages des altérations du métabolisme de <br /> protéines de l’HA)<br />- La lumière UV entre 248 et 358 nm est<br /> absorbée par l’ADN<br />- la 310 nm sans danger pour le patient (faible <br />pénétration ) peut être potentiellement<br />dangereuse pour le chirurgien par la répétition <br />des expositions<br />
  39. 39. Variables du laser influençant l’interaction sur cornée<br /><ul><li> durée du pulse :</li></ul> + brefs , - d’effet thermique<br /><ul><li>fréquence des pulses :</li></ul>Elle doit être + élevée avec les spots de petite taille<br /> pour diminuer la durée du traitement.<br />Or l’effet thermique augmente avec la fréquence :<br /> - pour faisceaux pleins on ne pouvait dépasser<br /> 10 à 50 Hz maximum<br /> - on peut aller jusqu’à 200 Hz si balayage <br /> (les impacts successifs ne touchent pas la même zone :<br /> l’effet thermique a le temps de se dissiper)<br />
  40. 40. fluence : <br /> densité d’énergie par unité de surface (mJ/cm2) <br /> correspond à la quantité du tissus « ablaté » par pulse<br /> - moyenne : 50mJ/cm2 (0.25 µ /pulse)<br /> - varie avec <br /> - la couche : épithélium &gt; stroma &gt; Bowman<br /> - l’hydratation<br /> - les tissus humides ou oedémateux sont moins <br /> « ablatés » que les tissus déshydratés ou en état de déturgescence <br />- une humidification pendant le traitement peut faire varier l’efficacité<br />
  41. 41. Effets tissulaires cornéens du laser excimer<br />Différent suivant que delivré en surface ou intrastromal<br />
  42. 42. 4 interactions à considérer entre laser et cornée :<br /><ul><li> Transmission
  43. 43. Dispersion
  44. 44. Réflexion
  45. 45. Absorption</li></ul>Avec le 193 nm, le faisceau incident<br /><ul><li> n’est pas transmis par la cornée aux structures </li></ul> oculaires sous-jacentes<br /><ul><li>disperse très peu l’énergie au tissu contigu
  46. 46. n’est que faiblement réfléchi par les interfaces</li></ul> antérieures et postérieures de la cornée<br />- Est très fortement absorbé par la cornée <br />
  47. 47. PROGRES A ATTENDRE DES LASERS EXCIMER<br /><ul><li>Nouveau laser solide : les possibilités d’un laser excimer sans les inconvénients ? </li></ul> laser pulsé solide émettant à la longueur d’onde 210 nm, plus proche du pic d’absorption du collagène de la cornée,<br />- ne nécessitant pas l’utilisation de gaz toxique,<br />- de bonne stabilité car ne dépendant pas d’un mélange de gaz,<br />- non absorbé par l’air et l’eau, donc moins sensible aux conditions d’environnement, et aux conditions d’hydratation du stroma cornéen pendant l’intervention,<br />- relié à un système de délivrance du faisceau qui permet de reproduire tous les profils d’ablation, avec un mini spot à balayage (0.20 mm pour le LaserSoftKatana),<br /><ul><li> - guidé par un système d’asservissement du faisceau. </li></ul>L’attente est longue …<br />
  48. 48. <ul><li> sauf si un laser Femtosecondedevient vraiment </li></ul> apte à réaliser aussi la découpe réfractive ..<br />

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