INTERET D UN LASER CHIRURGICAL EN CLIENTELE CANINE

ÉCOLE NATIONALE VETERINAIRE D ALFORT Année 2010 INTERET D UN LASER CHIRURGICAL EN CLIENTELE CANINE THESE Pour le DOCTORAT VETERINAIRE Présentée et soutenue publiquement devant LA FACULTE DE MEDECINE DE CRETEIL le par François, Charles, Guy, Victor REYNIER Né le 30 Octobre 1983 à Nancy (Meurthe-et-Moselle) JURY Président : M. Professeur à la Faculté de Médecine de CRETEIL Membres Directeur : Mme. VIATEAU-DUVAL Maître de conférences à l Ecole Nationale Vétérinaire d Alfort Assesseur : Mme. CHAHORY Maître de conférences à l Ecole Nationale Vétérinaire d Alfort

REMERCIEMENTS A NOTRE PRESIDENT DE THESE Au Professeur à la faculté de Médecine de Créteil, Qui nous fait l honneur d accepter la présidence de notre jury de thèse. Hommages respectueux A NOTRE JURY DE THESE A Madame Viateau-Duval, Notre directrice de thèse, Pour m avoir soutenu dans ce projet Pour son soutien et ses nombreux conseils. A Madame Chahory, Qui a aimablement accepté de participer à notre jury de thèse Et pour sa relecture attentive. Sincères remerciements.

A Mamie Odette, Partie trop tôt. Pour ton Amour et ta gentillesse. Je ne t oublierai jamais. A Maman, Pour ton Amour infini et ton soutien indéfectible. Merci de me donner autant. A Papi, Pour ta patience et les heures passées à me faire réviser mes cours, C est grâce à toi que je suis arrivé là. A Soline, Pour tout le bonheur et l Amour que tu m apportes depuis un an. A ma famille et mes amis, Soeurette, Gérard, Mamie, Alvaric, Vince, Jule, Max, Dips, Jack s, Despe, Kart, Charly et tant d autres. Merci d avoir toujours été là quand j en avais besoin. Pour votre Amour et votre aide en toutes circonstances. A tous ceux qui m ont transmis leur savoir et leur amour du métier. Pour avoir contribué à mon épanouissement personnel et professionnel.

INTERET D UN LASER CHIRURGICAL EN CLIENTELE CANINE REYNIER François Résumé : L acronyme LASER évoque un procédé d amplification de la lumière par le phénomène d émission stimulée décrit par Einstein en 1917. Les caractéristiques bien particulières de ce type de rayonnement ainsi que ses interactions avec les tissus en ont fait un outil précieux en médecine et en chirurgie. Il existe une grande diversité de lasers, avec des effets variés et donc des indications différentes. Aussi, leur utilisation requiert une connaissance pointue des principes physiques et optiques régissant leur fonctionnement, d être conscient de leur dangerosité potentielle et de respecter les règles de sécurité nécessaires. Désormais accessibles aux vétérinaires, les lasers chirurgicaux offrent de nouvelles perspectives dans de nombreuses spécialités : Chirurgie des tissus mous, ophtalmologie, chirurgies mini-invasives et endoscopiques, oncologie Comme en médecine humaine il y a quelques années, les lasers cherchent aujourd hui à trouver une place dans l arsenal thérapeutique dédié à nos animaux de compagnie. Mots clés : LASER, CO2, DIODE, CHIRURGIE, TISSU MOU, OPHTALMOLOGIE, ENDOSCOPIE, CANCEROLOGIE, PALATOPLASTIE, CARNIVORE, CHIEN, CHAT Jury : Président : Pr. Directeur : Mme V. Viateau-Duval Assesseur : Mme S. Chahory Adresse de l auteur : REYNIER François 19, Rue de la Croix-St-Claude 54520 LAXOU

INTEREST OF A SURGICAL LASER IN CANINE PRACTICE REYNIER François Summary: The acronym LASER refers to a procedure of Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. This phenomenon was first described by Einstein in 1917. The characteristics of laser light and its interactions with living tissues make it a useful tool in medicine and surgery. There is a wide array of laser beams, which differ in their biological effects and therefore in their indications. A thorough knowledge of the physical and optical principles involved in laser light emission is required to obtain good results. Users of laser devices must also follow specific safety rules because laser light may be damaging to the patient and to the surgeon himself. Over the past decades, laser devices have become smaller and cheaper, so that they are now available to veterinary clinics. Laser therapy has found indications in a number of medical and surgical specialties: such as oncology, ophthalmology, soft tissue surgery, mini-invasive and endoscopic surgery New applications of laser therapy in veterinary medicine are being actively investigated. Keywords: LASER, CO2, DIODE, SURGERY, SOFT TISSUE, OPHALMOLOGY, ENDOSCOPY, PALATOPLASTY, CARNIVORE, DOG, CAT Jury : President : Pr. Director : Ms V. Viateau-Duval Assessor : Ms S. Chahory Author s address: REYNIER François 19, Rue de la Croix-St-Claude 54520 LAXOU

SOMMAIRE Introduction 5 Première partie : Le laser : théorie 7 I. Historique 7 A. Historique des lasers 7 B. Les lasers médicaux 7 1. En médecine humaine 7 2. En médecine et chirurgie vétérinaire 8 II. Rappels physiques et énergie laser 8 A. La lumière 8 1. Définitions 8 a. La lumière 8 b. Les photons 9 2. Interactions Lumière-Matière 10 a. Emission spontanée 10 b. Absorption 10 c. Emission stimulée 11 B. La lumière laser 12 1. Caractéristiques de la lumière laser 12 a. Monochromaticité 12 b. Quasi-parallélisme 12 c. Cohérence 12 d. Durée d impulsion ultracourte 12 2. Genèse de la lumière laser 13 a. Qu est-ce qu un laser? 13 b. Le milieu actif 14 c. Le pompage : processus d inversion de population 15 C. Caractéristiques du faisceau laser 16 1. Paramètres d un rayon laser 16 a. Puissance émise 16 b. Irradiance et densité d énergie 16 2. Modes de distribution du faisceau 16 a. Mode continu 16 b. Mode pulsé et superpulsé 17 c. Mode «Scanner» 17 III. Interactions Laser-Tissus 18 A. Caractéristiques du comportement de la lumière dans les tissus 18 1. La réflexion 18 2. La transmission 18 3. La diffusion 19 4. L absorption 19 B. Effets de la lumière laser sur les tissus 20 1. Effet photochimique 21 2. Effet photothermique 22 3. Effet photomécanique 24 Deuxième partie : Le laser : aspects pratiques 25 I. Les différents lasers 25 A. Les lasers à CO2 25 B. Les lasers diode semi-conducteurs 25 C. Les lasers Nd : YAG 26-1 -

D. Les lasers Nd :YAG doublés en fréquence 26 E. Les lasers Argon 26 F. Les lasers à rayonnement visible 26 G. Les lasers à rubis 27 H. Les lasers Holmium 27 I. Les lasers Excimères 27 II. Le matériel 27 A. Moyens de transmission du faisceau laser 27 1. Le bras articulé avec miroirs 27 2. La fibre optique 29 3. Le guide-ondes creux 30 4. Le tir direct 31 B. Pièces à main 31 C. Interface informatique et réglages 32 III. Le laser et la sécurité 33 A. Considérations générales 33 B. Les dangers liés au laser 33 1. Les risques optiques 33 a. Les risques pour les yeux 34 b. Les risques pour la peau 35 2. Les risques non optiques 35 a. Le risque d incendie 36 b. Le risque électrique 36 c. Le risque chimique 36 d. Le risque biologique 37 C. Les mesures de sécurité 37 1. La classification des lasers 37 2. La DNRO : distance nominale de risque oculaire 38 3. La protection du patient 38 4. Prévention des incidents 39 a. La protection intégrée 39 b. La protection collective 39 c. La protection individuelle 40 D. Les textes de référence 41 IV. Aspects économiques 41 A. Prix des lasers 41 B. Rentabiliser son laser 42 Troisième partie : Applications cliniques des lasers 43 I. Résumé des indications des lasers en médecine humaine 43 A. Dermatologie 43 1. Les lasers épilatoires 43 a. Appareils utilisés 43 b. Indications esthétiques 43 c. Indications médicales 43 2. Les lasers vasculaires 43 a. Appareils utilisés 43 b. Indications médicales 44 c. Indications esthétiques 44 3. Les lasers en esthétique 44 4. Les lasers abrasifs 44 5. Les lasers pigmentaires 45 6. Thérapie photodynamique 45 B. Les lasers pour le diagnostic par fluorescence 45 C. Les lasers en ophtalmologie 46 1. Actions électro-mécaniques 46 2. Actions photoablatives 46 3. Actions thermiques 46-2 -

4. Effets photodynamiques 47 D. Les lasers en bronchologie 47 E. Les lasers en neurochirurgie 47 F. Les lasers en cancérologie : la photochimiothérapie 48 G. Les lasers en chirurgie ORL 48 H. Indications en chirurgie de la cavité buccale et dentisterie 49 II. Le laser à CO2 50 A. Les avantages du laser à CO2 50 1. Sélectivité d action 50 2. Technique «No Touch» 51 3. Section et destruction tissulaire sans hémorragie 51 4. Absence d œdème post-opératoire 51 5. Diminution de la douleur post-opératoire 51 6. Diminution des réactions fibro-cicatricielles 52 7. Finesse de coupe, précision, rapidité du geste et puissance modulable 52 8. Vaporisation sélective 52 B. Choix du laser à CO2 en chirurgie des tissus mous 53 C. Technique chirurgicale avec un laser C02 53 D. Les indications du laser CO2 55 1. Incisions cutanées et musculaires 55 a. Réalisation des voies d abord 56 b. Lambeaux cutanés 56 c. Granulomes de léchage 57 d. Chirurgie plastique 57 e. Les biopsies 57 2. Le laser en dermatologie 57 a. Papillomes viraux 57 b. Epithelioma spinocellulaires 58 c. Angiomatose cutanée 58 3. Chirurgie uro-génitale 58 a. Cystotomie 58 b. Urétrostomie 59 4. Oncochirurgie 60 a. Avantages du laser CO2 en oncochirurgie 60 b. Fibrosarcome 61 c. Tumeurs mammaires 61 d. Adénomes sébacés 61 5. Chirurgie des paupières et des annexes oculaires 61 a. Chirurgie d enfouissement de la glande nictitante 62 b. Chirurgie de correction des entropions 62 c. Traitement des chalazions et adénomes du bord palpébral 62 d. Distichiasis et cils ectopiques 62 e. Enucléation 62 6. Chirurgie des oreilles 63 a. Ablation du pavillon 63 b. Traitement chirurgical des othématomes 63 c. TECALBO 63 7. Chirurgie de l oropharynx et du nasopharynx 64 a. Nosectomie 64 b. Correction de narines sténotiques 64 c. Palatoplastie 64 d. Dévocalisation 66 8. Chirurgie des extrémités 67 a. Amputations 67 b. Onychectomie féline 67 9. Chirurgie péri-anale et rectale 68 a. Considérations pour la chirurgie laser en région péri-anale 68 b. Chirurgie d exérèse des circumanalomes 68 c. Sacculectomie 68 d. Chirurgie d exérèse des masses rectales 69-3 -

e. Traitement chirurgical des fistules anales 69 10. Dentisterie et chirurgie de la cavité buccale 70 a. Principaux lasers utilisés 70 b. Indications des lasers en dentisterie 70 c. Indications des lasers en chirurgie de la cavité buccale 70 11. Chirurgie gastro-intestinale 71 12. Chirurgie endocrine 71 III. Les indications des lasers diode et Nd :YAG 72 A. Les avantages du laser diode 72 B. Les indications du laser diode 73 1. Ophtalmologie 73 a. Glaucome 73 b. Capsulotomie 74 c. Kystes iriens et tumeurs de l uvée 74 d. Rétinopexie 75 2. Chirurgie mini-invasive et endoscopique 75 a. Mode d utilisation 75 b. Indications et résultats 76 IV. Autres indications des lasers et résultats 77 A. Indications du laser Nd : YAG 77 1. Prostatectomie partielle sur carcinomes prostatiques 77 2. Neurochirurgie 77 B. Ablation percutanée préventive des disques intervertébraux 78 C. Thérapie photodynamique 78 D. Lithotritie 79 E. Traitement des plaies chroniques 80 F. Pathologie de la cornée 80 Conclusion 83 Bibliographie 85-4 -

INTRODUCTION Albert Einstein fut, en 1917, le premier à décrire le concept de «Laser» comme acronyme de «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» soit, en français, amplification de la lumière par émission stimulée de radiations. Il a fallu ensuite 40 ans pour que Théodore Maiman créé le premier laser médical. Depuis les années 60, les lasers se sont largement répandus et ont permis de nombreuses avancées en médecine et en chirurgie, humaine comme vétérinaire. Malgré l incroyable développement des lasers en thérapeutique humaine, ils ont longtemps été considérés comme des «jouets» par les vétérinaires en raison de leur taille et de leurs prix exorbitants, qui les rendaient inutilisables en pratique courante. Cependant, dans la dernière décennie, les avancées technologiques ont permis la naissance de lasers, plus pratiques, portables et compacts, qui devinrent économiquement abordables pour les hôpitaux vétérinaires privés ou publics. Le laser, jusqu alors réservé aux soins humains, est devenu un outil à part entière de l arsenal vétérinaire. L utilisation des lasers en pratique vétérinaire permet une amélioration des soins et d envisager de nouvelles options thérapeutiques pour les pathologies de nos animaux. Mais cette nouvelle technologie comporte aussi des risques et des dangers pour la santé et la sécurité des patients, du vétérinaire et de son équipe. Une compréhension, chez les praticiens, de la lumière laser et de son interaction avec les tissus, permettra d obtenir des résultats optimaux en limitant au maximum le facteur risque. Dans une première partie, nous détaillerons les notions théoriques que les praticiens devront acquérir pour utiliser un laser. Après des rappels physiques sur la lumière et ses caractéristiques, nous décrirons ce qu est la lumière laser et comment celle-ci va agir sur les tissus vivants. Nous verrons dans une deuxième partie les aspects pratiques qui intéresseront les praticiens qui hésitent à faire l acquisition de cet outil. Nous verrons ce qu implique l achat et l utilisation au quotidien d un laser dans une structure vétérinaire, ainsi que les normes de sécurité inhérente à cette énergie. Nous nous attacherons, dans une dernière partie, à décrire l utilisation clinique des 2 principaux lasers accessibles aux praticiens vétérinaires : le laser diode et le laser CO2. Nous tenterons d aborder de manière exhaustive les différentes utilisations possibles de ces lasers et de souligner leurs avantages par rapport aux outils chirurgicaux conventionnels. - 5 -

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I. Historique PREMIERE PARTIE : LE LASER : THEORIE A. Historique des lasers Le principe de l'émission stimulée (ou émission induite) est décrit dès 1917 par Albert Einstein. En 1950, le physicien français Alfred Kastler (Prix Nobel de Physique en 1966) propose un procédé de pompage optique, qui est validé expérimentalement par Brossel, Kastler et Winter deux ans plus tard. Mais ce n'est qu'en 1953 que le premier MASER pour «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (Maser au gaz ammoniac) est conçu par Gordon, Zeiger et Townes. Au cours des six années suivantes, de nombreux scientifiques tels Bassov, Prokhorov, Schawlow et Townes contribuent à adapter ces théories aux longueurs d'ondes du visible. Townes, Bassov, et Prokhorov partagent le Prix Nobel de Physique en 1964 pour leurs travaux fondamentaux dans le domaine de l'électronique quantique, qui mènent à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs basés sur le principe du Maser-Laser. En 1960, le physicien américain Théodore Maiman obtient pour la première fois une émission laser au moyen d'un cristal de rubis. Un an plus tard, Ali Javan met au point un laser au gaz (Hélium et Néon) puis en 1966, Peter Sorokin construit le premier laser à liquide. Le laser connaît sa première utilisation en médecine vétérinaire en 1964, lors d une nodulectomie sur une corde vocale (Berger et Eeg, 2006). B. Les lasers médicaux D après Delacretaz G., 2008-2009 1. En médecine humaine Dès 1962, les ophtalmologistes se lancèrent dans la photocoagulation de la rétine par laser à rubis pulsé, remplaçant ainsi la lampe à Xénon utilisée auparavant. De même, les dermatologues et les dentistes vont tenter l expérience, au début sans trop de succès. Il fallut attendre, en 1972, l apparition du laser continu à Argon, puis du laser CO2, pour assister à un réel développement de l utilisation du laser en médecine. En ophtalmologie, le laser à Argon remplaça rapidement le laser à rubis. De même, le laser CO2, utilisé par Jako et Strong, pour le traitement des papillomatoses laryngées, fut ensuite adapté en chirurgie générale et en gynécologie par Kaplan. En 1975, un autre grand pas fut accompli, avec l apparition du laser Néodyme : YAG (Nd : YAG), celui-ci permettant la transmission du faisceau laser à distance par l intermédiaire de fibres optiques. Il pouvait ainsi déplacer le rayon jusqu à l intérieur de l organisme et de traiter des lésions in situ, à l aide d endoscopes, notamment digestifs et bronchiques. - 7 -

Durant ces 30 dernières années, toutes sortes d autres types de laser sont apparus avec des succès variables : on citera les lasers Nd :YAG doublés par cristaux de KTP (Potassium Titanyl Phosphate), Erbium : YAG, Hélium-Néon, à colorants, ou plus récemment, les lasers à semi-conducteurs (diode) très prometteurs. Il n en reste pas moins que les plus utilisés encore actuellement en médecine restent les lasers à l argon, les lasers Nd :YAG doublés, les lasers CO2 et les lasers Nd : YAG. 2. En médecine et chirurgie vétérinaire Malgré l incroyable développement et les avancées en humaine, le laser en pratique vétérinaire a longtemps été considéré comme un «jouet chirurgical», à cause de son encombrement et de son prix exorbitant, qui rendaient irréalisable son utilisation en pratique courante. Dans la dernière décennie cependant, les avancées technologiques ont permis l apparition de lasers compacts, pratiques et portables dont l acquisition est devenue économiquement envisageable pour les hôpitaux privés et publics. Le laser a révolutionné la chirurgie des voies respiratoires supérieures des chevaux dès 1985. Il permet des améliorations dans le confort des patients et du praticien et aussi d étendre les possibilités thérapeutiques proposées aux propriétaires d animaux. Les lasers ont permis d accroître la précision chirurgicale et de diminuer la morbidité en chirurgie vétérinaire. Ils diminuent les temps chirurgicaux et les coûts par rapport aux techniques sanglantes classiques. Pour autant, les lasers peuvent-ils enfin trouver une légitimité et des applications en chirurgie des petits animaux? II. Rappels physiques et énergie laser A. La lumière 1. Définitions a. La lumière La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380 nm (violet) à 780 nm (rouge) (Figure 1); Newton présente un cercle des couleurs chromatiques basé sur la décomposition de la lumière blanche par un prisme. Outre la lumière visible, on s intéressera aux longueurs d onde situées dans les domaines infrarouge (> 800 nm) et ultraviolet (< 400 nm). - 8 -

Fig. 1 : Spectre électromagnétique (d après Berger et Eeg, 2006) La lumière est une forme d'énergie issue de deux composantes : - une onde électromagnétique ondulatoire - un aspect corpusculaire (les photons) b. Les photons En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d un point de vue quantique comme un échange de photons. Dans la conception actuelle de la lumière, les ondes électromagnétiques, des ondes radio aux rayons gamma en passant par la lumière visible, sont toutes constituées de photons. Le concept de photon a été développé par Albert Einstein pour expliquer des observations expérimentales qui ne pouvaient être comprises dans le cadre d un modèle ondulatoire classique de la lumière. Il a ainsi montré que parallèlement à ses propriétés ondulatoires interférences et diffraction, la propagation du champ électromagnétique présente simultanément des propriétés corpusculaires. Les photons sont des «paquets» d énergie élémentaires ou quanta de rayonnement électromagnétique qui sont échangés lors de l absorption ou de l émission de lumière par la matière. - 9 -

2. Interactions Lumière-Matière D après Delacretaz G., 2008-2009 et Bourg-Heckly G., 2008-2009 a. Emission spontanée L émission spontanée (Figure 2) correspond à un changement d état d un atome qui passe d un niveau N2 d énergie E2 à un niveau inférieur N1 d énergie E1 ; et d après le principe de conservation de l énergie, la différence ΔE entre les deux niveaux permet l émission d un photon d énergie propre égale à ΔE. Ainsi on a : hc/λ = ΔE = hν avec h : constante de Planck = 6,62.10-34 J.s, c la célérité en m/s, ν la fréquence en Hertz ou s -1 et λ la longueur d onde correspondante en mètres. Le photon hν émis se définit donc par une longueur d onde, une fréquence et une couleur. On note que les photons ont d autant plus d énergie que leur longueur d onde λ est courte. Fig. 2 : Modélisation de l émission spontanée E2 N2 Photon = hν E1 N1 b. Absorption L absorption (Figure 3) existe lorsqu on soumet les atomes à un photon d énergie correspondant à la différence entre deux niveaux d énergie, c est-à-dire lorsque hν = ΔE > ou = E2-E1. Dans ce cas, il existe une possibilité que l énergie soit absorbée par l atome et que les électrons puissent passer d un niveau N1 d énergie E1 à un niveau N2 d énergie E2, telle que E2 > E1. - 10 -

Fig. 3 : Modélisation de l absorption E2 N2 Photon = hν E1 N1 c. Emission stimulée Il s agit d un effet inverse à celui de l absorption. C est un phénomène naturel mais exceptionnel qui fut décrit la première fois par Albert Einstein en 1917. Un atome dans l'état E2 peut se "désexciter" vers le niveau N1 sous l'effet d'une onde électromagnétique, qui sera alors amplifiée. Comme pour l'absorption, ce processus n'est important que si l énergie hν est proche de ΔE. On peut l'interpréter comme l'émission d'un photon d'énergie hν qui vient s'«ajouter» au rayonnement déjà présent. En physique atomique, il est possible de favoriser la désexcitation d'un électron en illuminant l'atome d'une lumière ayant une longueur d'onde correspondant à l'énergie de transition entre les deux états électroniques. On appelle ce phénomène l'émission stimulée (Figure 4). Ce processus, qui est la base du fonctionnement des lasers ne peut être compris que dans le cadre de la théorie quantique des champs qui considère d'un point de vue quantique à la fois l'électron en orbite autour de l'atome ainsi que le champ électromagnétique qui interagit avec l'atome. Fig. 4 : Modélisation de l émission stimulée E2 Photon = hν N2 Photon = hν Photon = hν E1 N1-11 -

A l état stable, le nombre d électrons est toujours inférieur sur N2 par rapport à N1. Pour amplifier le phénomène d émission stimulée, on va chercher à obtenir une «Inversion de population», c est-à-dire, obtenir un plus grand nombre d électrons sur N2 que sur N1. Sans cela le phénomène d absorption serait toujours prédominant par rapport à celui d émission stimulée. Cette amplification est une condition essentielle au fonctionnement du laser, nous la décrirons dans la suite. B. La lumière laser Les sources lumineuses classiques comme une ampoule électrique ou un rayon de soleil sont composées de multiples longueurs d onde, étendues sur les spectres de lumière visible et invisible. Les photons n ont ni la même direction, ni la même phase, ni la même polarisation (Figure 5). 1. Caractéristiques de la lumière laser a. Monochromaticité Le laser n émet que dans une seule longueur d onde, ou raie d émission. On parle de pureté spectrale. En fait, certains lasers peuvent émettre dans plusieurs couleurs séparées les unes des autres (lasers à colorant par exemple). b. Quasi-parallélisme Du fait de la conception technique des lasers, le faisceau est très peu divergent. Ceci permet de le focaliser de façon très précise pour apporter une grande énergie par unité de surface. c. Cohérence Elle est à la fois temporelle et spatiale, c'est-à-dire qu elle est organisée et très directive. La cohérence temporelle est liée au milieu et à la cavité laser. Ceci correspond au fait que les photons ont même longueur d onde, même direction, même amplitude et même phase. d. Durée d impulsion ultracourte Par exemple pour un laser Nd : YAG ophtalmologique, la durée d impulsion est de 5 nanosecondes, c'est-à-dire que pour une durée de vie de 5 ans d un tel laser, il délivrera au total 2 s de lumière. Sa puissance moyenne est de 0,15 Watts mais sa puissance instantanée est de 3000 Watts!!! C est parce qu elle est pulsée que la lumière laser peut être si puissante. La lumière laser est donc : - monochromatique : une longueur d onde - cohérente : photons en phase, dans le temps et l espace - monodirectionnelle : faible angle de divergence des photons - puissante : énergie cumulée énorme grâce à des photons synchronisés et une énergie pulsée. - 12 -

Fig. 5 : Différences lumière laser / lumière blanche (d après Berger et Eeg, 2006) Lumirelaser Lumirelaser Lumière Lumireblanche Lumière Cohérente Cohrente Non Non cohrente cohérente Monochromatique Spectre color coloré Collimatée Collimat Intense Non Collimate collimatée Non intense 2. Genèse de la lumière laser a. Qu est-ce qu un laser? Un laser est fondamentalement un amplificateur de lumière (fonctionnant grâce à l'émission stimulée). 1) L'amplificateur est un ensemble d'atomes que l'on «pompe» dans un état excité E2, au moyen d'une source d'énergie extérieure (autre laser, énergie électrique, téléphérique...). C est l «inversion de population». 2) Un élément stimulant ou déclenchant 3) Le rayonnement émis dans cet amplificateur est rebouclé sur son entrée au moyen de deux miroirs, qui constituent une «cavité» dont la longueur est un multiple de la longueur d onde λ du rayonnement. Un des miroirs est totalement réfléchissant pour la longueur d onde λ donnée et le second laisse passer une infime partie du rayonnement : le rayon laser de sortie (Figure 6). - 13 -

Fig. 6 : Schéma simplifié du fonctionnement d un laser. Pompage Milieu amplificateur Rayon laser de sortie Miroir 100% réfléchissant R = 100 % Miroir semi réfléchissant R = 90 % Les trois éléments sont donc : un milieu actif, un système de pompage et une cavité de résonance. b. Le milieu actif Les lasers sont souvent appelés du nom de leur milieu actif, ce dernier pouvant être solide, liquide ou gazeux. C est le milieu actif qui impose la longueur d onde, donc la couleur du faisceau laser. Gaz : Ar+, Kr+, HeNe, CO2, Excimère Liquide : Colorants Solide : Nd : YAG, Er : YAG, Rubis, Saphir, Alexandrite, Semi-conducteur - 14 -

Tableau 1. Différents types de laser en fonction de leur longueur d onde. D après Delacretaz G, 2008-2009 Nom Couleur Longueur d onde (nm) Excimère Ultraviolet 200-400 Argon Bleu Vert 488 514 Vapeur de cuivre Vert Jaune 511 578 KTP (YAG double fréquence) Vert 532 Krypton Vert Jaune 531 568 Laser à colorant Variable Jaune-vert Rouge 400-1000 577 632 Vapeur d or Rouge 627 Hélium-Néon Rouge 632 Rubis Rouge sombre 694 Diode Proche infrarouge 670-1550 Alexandrite Proche infrarouge 760 Nd : YAG Proche infrarouge 1064 1320 Holmium : YAG Proche infrarouge 2100 Erbium : YAG Proche infrarouge 2900 CO2 Infrarouge lointain 10600 c. Le pompage : processus d inversion de population Afin que N2>N1, il faut exciter les électrons pour que la couche de niveau électrique la plus élevée comporte plus d électrons que la couche énergétique inférieure, ce qui est contraire à l équilibre naturel de l atome mais permet ainsi de posséder une «réserve» d énergie qui va permettre l amplification, c est-à-dire l émission d un nombre de photons supérieur au nombre d arrivée. Plusieurs moyens sont à notre disposition pour inverser ces populations : l amplification par pompage optique, thermique ou chimique, par décharge électrique sélective ou par téléphérique par exemple. - 15 -

C. Caractéristiques du faisceau laser D après Delacretaz G., 2008-2009 et Bourg-Heckly G., 2008-2009 1. Paramètres d un rayon laser a. Puissance émise La puissance indique la quantité d énergie délivrée par unité de temps au point d impact et s exprime en Watts. L énergie est mesurée en Joule. P (t) = de/dt 1 Watt = 1 Joule/1 seconde Ainsi si on utilise un faisceau laser de 30W pendant 1 seconde, on délivre 30 Joules d énergie. On peut doubler la quantité totale d énergie reçue soit en doublant la puissance émise, donc en passant à 60W, soit en doublant le temps d exposition, donc en maintenant le faisceau en activité pendant 2 secondes. b. Irradiance et densité d énergie L irradiance ou densité de puissance est définie par le degré de puissance rapportée à la surface ; elle s exprime en Watts/cm2. Plus la surface au point d impact est petite, plus la densité de puissance est élevée. Irradiance = P (Watts) / Surface d impact (cm2) laser. La fluence est l énergie totale reçue par unité de surface, elle intègre la durée du tir P (Watts) x t (secondes) Fluence = ------------------------------ Surface d impact (cm2) La fluence sera d autant plus élevée que le tir est long et que la surface du point d impact est petite. 2. Modes de distribution du faisceau Différents modes de distribution du faisceau laser sont proposés par les lasers actuels. Ces modes peuvent permettre d obtenir un effet sur les tissus plus efficace avec une meilleure vaporisation tout en limitant les effets néfastes sur les tissus. a. Mode continu Quand un laser est utilisé en mode continu, l énergie laser est délivrée sans interruption. Le mode peut être haché, c est un mode continu interrompu. - 16 -

b. Mode pulsé et superpulsé Le faisceau laser est alors émis en une série d impulsions. Les pics des impulsions peuvent atteindre des puissances de 10 9 Watts. Les durées des impulsions peuvent être extrêmement courtes (picosecondes). Le laser Nd : YAG peut-être pulsé avec des impulsions de l ordre de la Nanoseconde ou de la Picoseconde, en ophtalmologie. C est le mode «Q-Switched» ou mode pulsé déclenché. L effet obtenu est alors un effet d onde de choc mécanique. Fig. 7 : Modes de distribution du faisceau (d après Berger et Eeg, 2006) Mode continu Mode haché Mode pulsé ou superpulsé Mode Q-Switched ou pulsé déclenché c. Mode «Scanner» Le mode «Scan» ou «Scanner» est un ancillaire disponible sur certains lasers CO2. C est un système de balayage qui permet, lors de traitement de moyennes ou grandes surfaces, de répartir de manière homogène l énergie laser sur le tissu cible. L usage le plus répandu est le traitement des angiomes. - 17 -

III. Interactions Laser-Tissus A. Caractéristiques du comportement de la lumière dans les tissus Le laser est utilisé pour réaliser un transfert d énergie entre le rayonnement et le tissu cible. L effet est fonction de la densité d énergie, du temps d application du rayon sur les tissus, de la longueur d onde et de son mode, continu ou pulsé. Après irradiation laser, quatre types de d interactions peuvent survenir (Figure 8) : - la réflexion, - la transmission, - la diffusion, - l absorption. Fig. 8 : Les quatre interactions de la lumière à la surface d un tissu (d après Berger et Eeg, 2006) Rayons incidents Rflexion Réflexion Diffusion Absorption Transmission 1. La réflexion Le laser peut-être réfléchi sur la surface de la cible comme s il s agissait d un miroir. La réflexion peut être spéculaire ou diffuse (ex : pointeur sur tableau blanc). 2. La transmission Le rayon peut-être transmis au travers de la matière comme de la lumière à travers le verre. Cela peut permettre de traiter un tissu situé en profondeur, derrière le tissu traversé. Ainsi, le laser à Argon est transmis à travers la chambre antérieure de l œil pour coaguler un vaisseau situé plus loin, au niveau de la rétine. De même, le laser Nd :YAG au niveau de la vessie, passant au sein du liquide urinaire pour vaporiser une tumeur de la paroi vésicale lors d une cystoscopie. - 18 -