LASERS EXCIMER PRINCIPES ET SYSTEMES DE FONCTIONNEMENT

HISTORIQUE DU LASER EXCIMER

• 1975 VELAZCO: capacité de certains gaz rares de former avec les halogènes un composé instable qui en se dissociant émet un photon dans la longueur d’onde des UV (application : industrie des plastiques)

• 1981 TABADOA 1ere étude expérimentale sur cornée de lapin

• 1983 - TROKEL, SRINIVASAN, BRAREN : 1ere évocation de l’application à la chirurgie réfractive cornéenne• 1985 - SEILER : 1ere utilisation en

expérimentation animale et humaine

• 1988 - MUNNERLYN : - démontre que l’ablation superficielle modifie la courbure antérieure sans changer la postérieure - définit les relations entre quantité de tissus enlevé et modification du pouvoir réfractif cornéen

• 1988 - FDA autorise 9 yeux en cécité légale - Mc DONALD : 1ere PRK sur œil voyant

EVOLUTIONS TECHNIQUES

photoablation sphérique ZO 3mmproblèmes centrage et fibroserégressions

ZO plus larges 5 à 6 mm

pour réduire profondeur d’ablation et incidence des régressions

traitements multizones; zones transitions > 9mm

ablations customisées selon aberrations

BASES PHYSIQUES DU LASER EXCIMER

• Emission spontanée

Un électron passe spontanément à un

niveau d’énergie inférieur

• Emission stimulée

Un photon incident provoque le passage

de l électron sur niveau inférieur

PRINCIPES DES LASERS EXCIMER

Gaz rare + halogène composé excitable donc instable = dimere. Une stimulation à haute tension (30 kv toutes les 18 nsec)

le transforme en composé excité = excited dimer qui se dissocie pour revenir à son état initial en émettant un photon fortement énergétique de longueur d’onde UV (190 à 390 nm)

argon - fluor : 193 nm krypton - chlore : 222 nm krypton – fluor : 248 nm xénon – chlore : 308 nm xénon – fluor : 351 nm-

Propriétés communes à tout rayonnements laser

- unidirectionnel - intensité élevée - monochromatique

Pourquoi le choix de Argon - fluor pour la cornée?

- Production de photons très énergétiques : 6.4 eV

- pénétration réduite dans tissus adjacents- faible effet thermique- régularité de la surface des impacts- absence de mutagénicité- forte absorption hydrique

Energie de liaison des chaînes organiques du tissu cornéen = approximativement 3,5 eV

• Création du rayonnement excimer• Homogénéisation du faisceau• Système de délivrance cornéen

CONSTITUTION D’ UN LASER EXCIMER POUR CHIRURGIE CORNEENNE

- Milieu actif : cavité laser remplie de 3 types de gaz 0.5% à 12 % de gaz rare ( argon) 0.5 % halogène ( fluorine) 88 à 99% gaz tampon

- Stimulateur électrique : excitation discontinue du milieu actif émission pulsée :

Ar + F ArF (excitable) ArF + décharge électrique ArF excité ArF excité (instable) Ar + F + photons Le mode pulsé augmente puissance / continu

CREATION DU RAYON EXCIMER

La cavité de résonance augmente la densité des photonspermettant une émission stimulée plus importante

Oscillation des photons collision avec d’autres molécules gazeuses du milieu actif qui excités à leur tour photons

- Cet effet est amplifié car il est produit dans une cavité susceptible de résonance

Le système d’homogénéisation va permettre de sélectionner la partie centrale du faisceau de type Gaussien

HOMOGENEISATION DU FAISCEAU par intégrateurs spatiaux prismatiques et masques

3 grandes familles de lasers

PLEIN FAISCEAU

BALAYAGE

par fente

par point (scanning / flying spot)

FAISCEAUX PLEINS - simple ( à profil Gaussien = profil ablation myopique)

- à modelage optique par système lentille

- à modelage physique par diaphragmes, fentes ou masques érodibles

l

Balayage par fente

Balayage par points (scanning / flying spot)

SYSTÈME À BALAYAGE

Seul le centre du faisceau du spot est utilisé ; les impactssont adjacents permettant une ablation régulièreRépartition « fractale »

Flying spots : délivrance gérées par des miroirs

miroirs

• L’utilisation de spots de petite taille - impose un traitement plus long pour une

même ablation - implique l’utilisation d’ un système

d’asservissement aux mouvements oculaires

- l’augmentation de fréquence est difficile avec un excimer car la production de photons prend du temps (lasers solides?)

• Zone optique > 5 mm pour réduire régression et altération qualité vision• Zone de transition (parfois imposée) toujours > diamètre pupillaire scotopique• Profondeur d’ablation < 130 µ pour réduire phénomènes

cicatriciels et modification excessive de l’asphéricité

LA ZONE D’ABLATION

• Le remodelage cornéen par photoablation est régi par une équation (Munnerlyn 1988) reliant amétropie sphérique , profondeur et diamètre de la zone d’ablation

Choix diamètre de photoablation : Formule Munnerlyn

Prof abl (µm) = D (Dioptries à corriger) x ZO2

3

Plus on est large plus on est profond…

Ablation customisée

• 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

• Seuls les systèmes de délivrance par spots autorisent

un couplage aux topographes

et analyseurs de front d’onde

Buts

• Améliorer la qualité de vision en optimisant le profil d’ablation

• Personnaliser l’ablation

/ aberrations/ topographie

Basé sur l’aberrométrie

Eblouissementset halos ont disparu

Profil d’ablation

Eblouissementset halos nocturnes,Lettres « bavent »

Basées sur la topographie

Les algorithmes actuels de correction permettent

• D’optimiser le profil de transition pour réduire la profondeur d’ablation (tissue saving)

• De personnaliser l’ablation (custom ablation)• D’ajouter une addition « presby » centrée ou

décalée ( eventuellement basée sur une modification de l’asphéricité)

Centrage asservissement du faisceau par l’eye tracker

Système de détection des mouvements oculaires passif ou actif ,essentiel notamment en traitement customisé

Principe d’un système d’asservissement aux mouvements oculaires

• Repérage statique préopératoire par caméra CCD infrarouge repères de référence

• Détection peropératoire des mouvements oculaires: caméra CCD IR contrôle position des repères à

fréquence variable 40 à 4000 Hz• Mouvement détecté transmis au logiciel d’analyse de

l’ordinateur réponse - active : suivi des mouvements par jeu de miroirs

d’orientation du faisceau émergent - passive : suspension de la délivrance

Performances variables

Cyclotorsion lors du décubitus++ pour astigmatisme et customisé

repérer par rapport au limbe des structures de l ’iris pour repositionner l ’axe

Marquer 3 H et 9 H .

EFFETS DU LASER EXCIMER

• 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

EFFETS DU LASER EXCIMER

Effets physiques

- photoablation

- effet thermique

- effet mutagène ?

Effets tissulaire

Energie de liaison deschaînes organiques dutissu cornéen = 3,5 eV

Photon d'énergie6,4 eV

Explosion sans transfert de chaleur au tissu adjacent

Tissu cornéen

Processus d'ablation « à froid »

Ablation 0,25 µm par tir

La photodécomposition ablative : se produit au niveau moléculaire

Photon

Effets physiques

• 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.

Les fragments moléculaires sont éjectés à vitesse supersonique sous forme de « plumes »- ceci « purge »l’énergie en excès préserve les tissus contigus- provoque une onde de choc ( clac sonore)- peut expliquer les îlots centraux

Effets physiques: effet thermique du laser

le mélange gazeux est à 1000° mais instantanémentdissipé ; - élévation de T° < 45° dans zone traitée, < 10° sur les bords . - diminuée par le refroidissement de la cornée et l’utilisation de laser flying-spot

Des lésions cornéennes ne se produisent que pour T° >40°

Néanmoins formation pseudomembrane d’épaisseur 0.005 µ à 0.2 µ , dense aux électrons serait la conséquence de la dénaturation du collagène sous l’effet de la température

Pose le problème de l’effet mutagène éventuel des rayonnements secondaires- nul pour 193 ( bien qu’aient été rapportées des dommages des altérations du métabolisme de protéines de l’HA)- La lumière UV entre 248 et 358 nm est absorbée par l’ADN- la 310 nm sans danger pour le patient (faible pénétration ) peut être potentiellementdangereuse pour le chirurgien par la répétition des expositions

Il existe une émission secondaire après exposition deaux UV 193 nm et un faisceau re émis de 310 nm

Effets physiques: effet mutagène ?

Variables du laser influençant l’interaction sur cornée

• durée du pulse : + brefs , - d’effet thermique

• fréquence des pulses :Elle doit être + élevée avec les spots de petite taille pour diminuer la durée du traitement.Or l’effet thermique augmente avec la fréquence : - pour faisceaux pleins on ne pouvait dépasser 10 à 50 Hz maximum - on peut aller jusqu’à 200 Hz si balayage (les impacts successifs ne touchent pas la même zone : l’effet thermique a le temps de se dissiper)

• fluence : densité d’énergie par unité de surface (mJ/cm2) correspond à la quantité du tissus « ablaté »

par pulse - moyenne : 50mJ/cm2 (0.25 µ /pulse) - varie avec - la couche : épithélium > stroma > Bowman - l’hydratation - les tissus humides ou oedémateux sont moins « ablatés » que les tissus déshydratés ou en état

de déturgescence - une humidification pendant le traitement peut

faire varier l’efficacité

Effets tissulaires cornéens du laser excimer

Différent suivant que delivré en surface ou intrastromal

Avec le 193 nm, le faisceau incident

- n’est pas transmis par la cornée aux structures oculaires sous-jacentes- disperse très peu l’énergie au tissu contigu- n’est que faiblement réfléchi par les interfaces antérieures et postérieures de la cornée- Est très fortement absorbé par la cornée

4 interactions à considérer entre laser et cornée :

• Transmission• Dispersion• Réflexion• Absorption

Nouveau laser solide : les possibilités d’un laser excimer sans les inconvénients ?

laser pulsé solide émettant à la longueur d’onde 210 nm, plus proche du pic d’absorption du collagène de la cornée,- ne nécessitant pas l’utilisation de gaz toxique,- de bonne stabilité car ne dépendant pas d’un mélange de

gaz,- 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,

- 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),

- guidé par un système d’asservissement du faisceau. L’attente est longue …

PROGRES A ATTENDRE DES LASERS EXCIMER

sauf si un laser Femtoseconde devient vraiment apte à réaliser aussi la découpe réfractive ..