LES APPLICATIONS MÉDICALES DU LASER

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L ENSEGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MENTOURI 1 CONSTANTINE FACULTE DES SCIENCES DE L INGENIEUR DEPARTEMENT D ELECTRONIQUE MASTER BIOMEDICAL 2013 LES APPLICATIONS MÉDICALES DU LASER Élaboré par : KIBECHE Mohammed Email :kabichemohammed@yahoo.fr Enseignante : Me.REBIAI Le 21/05/2013

Les applications médicales du laser LASER : Light,Amplification by,stimulated,emission of,radiations En français lumière amplifiée par émission stimulée de radiations Table des matières : 1. Introduction historique (3) 2. Découvrir le phénomène de LASER...(4) 3. Principes de fonctionnement de laser.(5) a. Pompage optique.(5) b. Inversion de population...(5) c. Emission stimulée....(5) 4. Condition d amplification de laser...(6) 5. Les différents types de lasers.(7) i. lasers solides (7) ii. Lasers à liquides (7) iii. Lasers à semi-conducteurs...(7) iv. Lasers à gaz..(8) 6. Effets biologiques..(9) 1. L effet absorption et diffusion..(9) 2. L effet thermique..(9) 3. L'effet photochimique.(10) 4. L'effet électromécanique..(10) 7. Applications biomédicales de lasers..(11) 1. Chirurgie de l œil..(11) 2. Épilation laser (11) 3. Effacement des tatouages..(12) 4. Dermatologie..(13) 5. Laser pigmentaire...(13) 6. Laser vasculaire (13) 8. Conclusions (14) 9. Webographie 2012/2013 Page 2

1. Introduction historique : En 1917 : Description théorique du mécanisme d émission stimulée par Einstein. Plusieurs croyait qu il était techniquement impossible de produire un dispositif qui tirerait profit de cet effet. En 1950, Alfred KASTLER (prix Nobel de physique en 1962) propose le principe du pompage optique, validé expérimentalement par BROSSEL, KASTLER et WINTER deux ans plus tard. Le premier MASER (micro-wave amplification by stimulated emission of radiations) (au gaz ammoniac) est conçu en 1953. Référence : http://fr.wikipedia.org/wiki/maser 1960: Theodore Maiman (du lab Hughes en Californie) fut le premier à réaliser un dispositif laser fonctionnel: le laser à rubis. Un an plus tard, Ali Javan met au point un laser au gaz hélium et néon. Suivent de nombreux travaux et essais sur différents types de lasers et en 1965 c est la première application industrielle du laser : perçage en 15 minutes dans du diamant de 4,7mm de diamètre dans 2mm de profondeur ce qui nécessitait 24 heures par application classique. 1974 : Laser utilisé comme moyen de lecture des codes barres 1978 : apparition des laser-discs Bien que les premières applications aient concerné les micro-ondes (MASER) les lasers ont été développés dans le domaine de l IR, du visible, puis des UV. Actuellement, on commence même à l appliquer aux RX. On considère que le laser est une source potentielle pour tout rayonnement électromagnétique 2012/2013 Page 3

2. Découvrir le phénomène de LASER : *Les faisceaux lumineux de laser se produisent par excitation des atomes de la cavité située entre deux miroirs, chaque miroir est caractérisé par un indic de réfraction n (où n1>n2). *Le rôle de la différence entre les indices est de permettre de diriger les faisceaux lumineux dans un seul sens, après l amplification des rayonnements. En excitation des atomes, on obtient des photons actifs dans la cavité Figure 1 * Le rayonnement sortant de cet amplificateur (figure 1) est rebouclé sur son entrée au moyen de miroirs, qui constituent une «cavité» (où la lumière est piégée). L'un des deux est partiellement transparent pour permettre à une partie de l'énergie du faisceau de sortir. Ainsi un rayonnement initialement présent dans le système va être amplifié une première fois, puis rebouclé, puis ré amplifié, etc. *Pour obtenir un faisceau laser, il faut traverser par les trois étapes suivantes : Pompage optique, Inversion de population et Emission stimulée. 2012/2013 Page 4

3. Principes de fonctionnement de laser Pour mieux comprendre ces principes, on utilise le système à 3 niveaux d énergie : N1 atomes occupent le niveau fondamental d énergie E1 N2 atomes occupent le niveau excité d énergie E2 N3 atomes occupent le niveau excité d énergie E3 a. Pompage optique : *Les atomes éclairés par un «flash» sont excités en grand nombre par absorption et les électrons passent au niveau E3. *Donc le nombre N3 supérieur le nombre N1 (La transition E1 E3 doit être très absorbante). b. Inversion de population : *Les atomes se désexcitent rapidement du niveau E 3 au niveau E2 qui est métastable (durée de séjour sur E2 relativement longue). Le niveau E2 se peuple donc au détriment du niveau E 1 qui se dépeuple (les atomes ont été «pompés» d E1 sur E3). * Inversion de population est une transition non radiative. c. Emission stimulée : *Des photons d énergie h 1,2 produits par désexcitation spontanée d E2 à E1 interagissent avec des atomes excités au niveau E2 : Il en résulte une émission stimulée (induite) de photons d énergie h 1,2 qui vont à leur tour produire une émission stimulée de photons. Remarque : Le système à 3 niveaux exige que plus de la moitié des atomes du niveau fondamental soit pompée. 2012/2013 Page 5

4. Condition d amplification de laser : -Nombre de photons absorbés proportionnel à N1 soit K1.N1 (K1 constante d absorption) -Énergie absorbée par les atomes = K1.N1. h 1,2 -Nombre de photons émis (stimulation et désexcitation) proportionnel à N 2 soit K 2.N 2 (K2 constante d émission) -Énergie émise par les atomes = K 2.N 2. h 1,2 (K2 constante d émission) -Énergie échangée entre rayonnement et atomes : E =K2.N2. h 1,2 - K1.N1. h 1,2 K 1 K 2 = K donc E =K*h 1,2*(N 2 N 1) où : C -Température ambiante N2 0 et N1 maximal donc E < 0 : Le rayonnement s affaiblit.la quasi totalité des atomes occupant le niveau fondamental, Un photon incident a plus de chance d'être absorbé que de provoquer une émission stimulée. -Température élevée N2 N1 donc E = 0 : Rayonnement constant.le niveau excité devient aussi peuplé que le niveau fondamental. L émission stimulée compense l absorption mais cela n est pas suffisant. Si N2 > N1 alors E > 0 : Le rayonnement gagne de l énergie. Il y a plus d atomes sur le niveau excité que sur le niveau fondamental, l émission stimulée dépasse alors l absorption. Conclusion : Pour amplifier le rayonnement il faut créer une inversion de population (nombre d électrons à l état excité N 2 >N 1 nombre d électrons à l état fondamental) qui obtenue par «pompage» optique. 2012/2013 Page 6

5. Les différents types de lasers i. lasers solides : *Le milieu actif est constitué d une faible proportion d ions métalliques (centres actifs) remplaçant des atomes (ou ions) du cristal (voir ensuite le cas du laser à rubis). *La puissance des lasers solides peut être considérable mais leur faisceau n est pas rigoureusement monochromatique (cohérence médiocre) et leur rendement faible. Exemple du Laser à rubis : *La cavité est constituée du cristal cylindrique (longueur qqs cm, diamètre qqs mm) constitué d oxyde d aluminium Al2O3 (alumine ou corindon) dopé avec 0,05% d ions chrome Cr 3+ constituant le milieu actif et prenant la place d ions aluminium Al 3+ : *L'excitation est produite par un tube au néon, alimenté par une haute tension, qui s'enroule en hélice autour du cristal. *Elle fait passer les ions Cr3+ du niveau fondamental E au niveau excité E" (absorption dans le vert). Le retour spontané du niveau E" au niveau E n a pas lieu. *Les ions passent rapidement du niveau E" à un niveau E' sans émission de rayonnement (échange d'énergie par chocs entre les atomes). Le niveau E' a une durée de vie assez longue (1 ms au lieu de 10 ns). Un grand nombre d'ions Cr3+ se retrouvent dans ce niveau : il y a une inversion de population. ii. Lasers à liquides : *L utilisation de colorants organiques (xanthène, coumarine...) permet d obtenir une émission de fréquence variable en utilisant un réseau de diffraction. iii. Lasers à semi-conducteurs : *Les diodes lasers permettent d obtenir des sources peu intenses, mais miniaturisées. Le rôle des miroirs semi-réfléchissants est dévolu à l air ambiant. 2012/2013 Page 7

iv. Lasers à gaz : Les applications médicales du laser *Le mélange gazeux est à basse pression (environ 1/1000 ème pression atmosphérique) Le pompage (excitation) est produit par une décharge électrique qui porte les atomes He dans l un ou l autre de ses deux premiers niveaux excités qui sont métastables (La désexcitation radiative des atomes He excités vers le niveau fondamental n a pas lieu). *Les collisions entre l'hélium métastable et le néon dans son état fondamental apportent de l énergie aux atomes de Néon peuplant ainsi le niveau excité 5s à longue durée de vie. Il en résulte une inversion de population pour les atomes de néon. *L'émission stimulée se fait entre le niveau 5s et le niveau 3p du néon. Finalement les atomes Ne reviennent au niveau fondamental par désexcitation non radiative (collisions avec la paroi). Exempel du Laser Hélium-Néon : Milieu actif constitué d atomes de néon (centres actifs) mélangés à de l hélium (15% de néon) 2012/2013 Page 8

6. Effets biologiques *Bien que la gamme des puissances possibles soit très étendue allant de 10-6 watts à 10 9 watts, les lasers utilisés dans le milieu médical ont des énergies de quelques dizaines de watts. *Les effets du faisceau laser différent suivant la longueur d'onde, l'intensité, la durée d'exposition, le tissu irradié. On distingue quatre effets principaux : 1. L effet absorption et diffusion : *À partir de cette figure, il apparaît deux phénomènes sont l absorption et diffusion, elles résultent par descente les faisceaux laser sur les tissues, elles se provoquent par le milieu composant les tissues et/ou par les paramètres optiques d un tissu biologique (libre parcourir moyen, facteur d anisotropie, ), on remarque que le faisceau laser (a) est totalement absorbé par le tissue (TAGET) mais (b) n est pas absorbé. *Dans la plupart des cas, les photons énergétiques du laser light sont transférés aux sangs, tissues et les os sous forme de chaleur. D autre cas le laser peut également transférer un photon énergétique à une liaison chimique énergétique des molécules dans le corps humain, comme l ADN. Ceci peut entraîner une modification dans l information génétique. Généralement, il y a trois interactions de mécanisme compliqués. 2. L effet thermique : *C'est essentiellement l'effet thermique du rayonnement qui est le plus utilisé et conduit à deux applications essentielles. Le faisceau laser focalisé sur un tissu vaporise l'eau de celui-ci. Il en résulte une découpe aseptique limitant les saignements. a) Hémostase des petits vaisseaux : *Pour une action superficielle, on utilise le laser à argon ( = 500 nm). Pour une action plus profonde, un laser à grenat d'yttrium-aluminium.yag) qui délivre environ 50 watts sur quelques millimètres carrés en 1 à 2 secondes. Un laser He-Ne visible sera couplé au laser YAG invisible ( = 1 060 nm) pour matérialiser le faisceau. *En ophtalmologie, le laser à argon permettra de traiter les décollements de rétine en réalisant de véritables points de soudure autour de la zone atteinte. 2012/2013 Page 9

*Dans le cas des rétinopathies diabétiques, on réalisera l'hémostase des vaisseaux de la rétine péri-fovéale afin d'accroître la vascularisation de la fovéa et d'améliorer la vue du patient. b) Coupe des tissus : *On utilise des lasers à C02 dont le faisceau infrarouge à 10 000 nm est fortement absorbé par les tissus ; une puissance de quelques dizaines de watts sur une surface infime permet d'obtenir une coupe rapide et précise dans des conditions d'asepsie parfaite et avec une bonne cicatrisation. Les fibres optiques introduites dans un endoscope permettent d'éviter des interventions chirurgicales lourdes pour détruire des petites tumeurs du système digestif par exemple. c) Remarque : - Avec des énergies importantes de quelques dizaines de milliwatts réparties dans des faisceaux larges de plusieurs centimètres carrés, on utilise depuis peu des appareils dits «soft-laser». Ce type de matériel permet de favoriser les cicatrisations et de combattre les inflammations profondes dues à l'action des rayons au cours de traitements de radiothérapie. - L'utilisation d'un laser nécessite de prendre des précautions d'autant plus strictes que l'on manipule un laser n'émettant pas dans le visible : le port de lunettes protectrices est conseillé, et il faut éviter toutes les surfaces réfléchissantes dans la salle d'utilisation. 3. L'effet photochimique : *Il permet de traiter les tumeurs. On fait ingérer au patient un photosensibilisateur qui a la propriété de se fixer préférentiellement sur les cellules cancéreuses. Celles-ci absorbent la lumière laser et passent dans un état excité en émettant des radicaux chimiques destructeurs des cellules malignes. 4. L'effet électromécanique : *Il permet entre autre de détruire les calculs rénaux. La focalisation d'un faisceau laser intense sur une surface de quelques micromètres carrés induit des surpressions accompagnées d'ondes de choc susceptibles de briser les granules solide. Intensité requièrent : faible (<10 W/cm2) General chauffage Moyenne (10 100 W/cm2) Photo-coagulation Elevée (>100 W/cm2) Photo-vaporisation1 2012/2013 Page 10

7. Applications biomédicales 1. Chirurgie de l œil : *L interaction des impulsions laser avec la cornée induit un réseau de bulles interconnectées, formées par évaporation de l eau présente au point focal de la lentille. On peut ensuite soulever cette fine pellicule de la cornée pour ensuite corriger le rayon de courbure de celui-ci par ablation de son tissu biologique. 2. Épilation laser : *L'épilation laser est, avec l'épilation électrique, et l'épilation à la lumière pulsée une méthode d'épilation permanente. Elle a été réalisée à titre expérimental dans les années 1970 environ 20 ans avant les premiers actes commerciaux. *Les méthodes à base de laser ou de lumière sont parfois appelés «photo-épilation». En parallèle du laser, certaines machines utilisent une lampe au xénon (dite «lampe flash») qui émet un spectre de lumière intense (intense pulsed light ou IPL). Les traitements à la lampe. Principe : *Le principe est basé sur la production de lumière à l'aide d'un cristal. La lumière est calibrée pour une longueur d'onde bien précise de 755 nanomètres (rouge profond) Exemple *Cette longueur d'onde, qui correspond à une couleur dans le rouge, est fortement absorbée par la mélanine de la peau et notamment celle du poil. C'est cette propriété qui est utilisée pour chauffer le poil pour le détruire. *L énergie du laser est surtout réservée à l'épilation des peaux claires. La plupart du temps, le tir laser est couplé à un système de refroidissement par jet de gaz réfrigérant ou par soufflerie d'air froid. 2012/2013 Page 11

*Il existe des catégories de lasers produisant des temps d'exposition très brefs de l'ordre de la nanoseconde. On parle de laser Q switch. Ces lasers particuliers sont indiqués dans le traitement des taches pigmentaires et les ablations de tatouages. 3. Effacement des tatouages : *Le détatouage est le processus d'élimination d'un tatouage. *Depuis que les premiers tatouages ont été créés il y a 5000 ans, il existe également la volonté et donc les méthodes pour les retirer. Par exemple, l utilisation du sel pour retirer un tatouage remonte à 543 avant J.-C. Aujourd hui, il existe un certain nombre de méthodes, plus ou moins efficaces, dont certaines peuvent paraître plus ou moins farfelues. *Quelle que soit leur qualité esthétique, les tatouages sont les témoins d un phénomène de mode, de la manifestation d un désir d originalité ou le reflet d une forme de marginalité. Cependant, leur caractère définitif peut lasser ou occasionner une gêne pour la vie sociale surtout lorsqu ils sont situés sur les parties découvertes notamment les mains, les avant-bras ou encore le visage. D où cette envie de s en séparer Exemple D autres traitements sont également possibles: épilation au laser Chirurgie esthétique (effacement des rides) 2012/2013 Page 12

4. Dermatologie : *La dermatologie est la branche de la médecine qui s'occupe de la peau, des muqueuses et des phanères (ongles, cheveux, poils). Elle est associée traditionnellement à la vénérologie, c est-à-dire l'étude des maladies vénériennes ou infections sexuellement transmissibles (IST). Le médecin spécialisé pratiquant la dermatologie s'appelle le dermatologue. *La peau se compose de plusieurs couches superposées (de la plus profonde à la plus en surface) incluant hypoderme, derme (dermes réticulaire, profond et papillaire, membrane basale et épiderme (Stratum germinativum, granulosum, spinosum, lucidum et corneum). 5. Laser pigmentaire : *Il existe plusieurs types de lasers à orientation pigmentaire. Leur rôle vise à pulvériser les taches de pigments de la peau. Pour parvenir à cette réaction, on cherche à obtenir du laser une puissance importante pendant un temps très court. Ainsi, les lasers les plus adaptés au traitement des lésions cutanées pigmentaires sont les lasers Q-Switch ou les lasers à temps de tir très court (pulse court) comme les Yag ou KTP. *D'autres lasers pigmentaires ont la possibilité d'agir sur certaines lésions par phénomène d'abrasion: Co2, Erbium 6. Laser vasculaire : *Les lasers vasculaires regroupent différences technologies. On compte bien sûr parmi eux les lasers nd:yag ou KTP, mais aussi les lasers à colorant pulsé. Ces lasers peuvent être utilisés manuellement par le praticien. Dans d'autres cas, ils peuvent être couplés à des systèmes d'impacts automatisés (scanner) qui répartissent automatiquement la lumière et évitent un nouveau passage. Les dispositifs de scanners sont particulièrement confortables pour les zones étendues. Ils permettent également de limiter les sensations douloureuses. 2012/2013 Page 13

8. Conclusions Les applications médicales du laser Les technologies sont devenues de plus en plus matures grâce aux développements des 20 dernières années. On est maintenant en mesure d appliquer ces technologies à des problèmes fondamentaux en physique, en chimie, ainsi qu en biologie. D autres applications biomédicales et industrielles restent encore à développer. 9. Webographie : [1] Dr Paul Musarella: La Médecine Au Laser, Médecines Nouvelles, 1980, Vol. 5, pp. 34-41. http://fr.wikipedia.org/wiki/maser http://informationenergymedicine.com/la-m-decine-au-laser 2012/2013 Page 14