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LASERS EXCIMER PRINCIPES ET SYSTEMES DE FONCTIONNEMENT
HISTORIQUE DU LASER EXCIMER 1975VELAZCO: 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 fibrose				régressions                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 EXCIMEREmission spontanéeUn électron passe spontanément à un        niveau d’énergie inférieurEmission stimuléeUn 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 hydriqueEnergie de liaison des chaînes organiques du tissu cornéen = approximativement  3,5 eV
CONSTITUTION D’ UN LASER EXCIMER POUR             CHIRURGIE CORNEENNECréation du rayonnement excimerHomogénéisation du faisceauSystème de délivrance cornéen
CREATION DU RAYON EXCIMER 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
 Cet effet est amplifié car il est produit dans une   cavité susceptible de résonanceLa cavité de résonanceaugmente 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
HOMOGENEISATION DU FAISCEAU par intégrateurs spatiaux prismatiques et masquesLe système d’homogénéisation va permettre de sélectionner la partie centrale du faisceau de type Gaussien
3 grandes familles de lasersPLEIN 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 érodiblesl
Balayage par fenteBalayage par points (scanning / flying spot)SYSTÈME À BALAYAGE
Flying spots : délivrance gérées par des miroirsmiroirsSeul le centre du faisceau du spot est utilisé ; les impactssont adjacents permettant une ablation régulièreRépartition « fractale »
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?)
LA ZONE D’ABLATION Zone  optique > 5 mm pour réduire                    régression et altération qualité vision Zone de transition (parfois imposée) toujours                    > diamètre pupillaire scotopique Profondeur 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 MunnerlynD (Dioptries à corriger) x ZO2Prof abl (µm) =   3Plus 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 cornéeSeuls les systèmes de délivrance par spots autorisent       un couplage aux topographes       et analyseurs de front d’onde
ButsAméliorer la qualité de vision en optimisant le profild’ablationPersonnaliserl’ablation/ aberrations/ topographie
Basé sur l’aberrométrie
Basées sur la topographieEblouissementset halos nocturnes,Lettres « bavent » Profil d’ablationEblouissementset halos ont  disparu
Les algorithmes actuels de correction permettentD’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 trackerSystème de détection des mouvements oculaires passif ou actif ,essentiel notamment en traitement customisé
Principe d’un système d’asservissement aux mouvements oculairesRepérage statique préopératoire par caméra CCD infrarouge  repères de référenceDétection 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 délivrancePerformances variables
Marquer 3 H et 9 H .Cyclotorsion  lors du décubitus++ pour astigmatisme et customisérepérer par rapport au limbe des structures de l ’iris pour repositionner l ’axe
EFFETS DU LASER EXCIMERSa 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 EXCIMEREffets physiques       - photoablation       - effet thermique       - effet mutagène ?Effets tissulaireEffets physiquesExplosion sans transfert de chaleur au tissu adjacent                 La photodécomposition ablative :        se produit au niveau moléculaireProcessus d'ablation« à froid »Photon d'énergie6,4 eVEnergie de liaison deschaînes organiques dutissu cornéen = 3,5 eVTissu cornéenAblation0,25 µm par tirPhoton
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 centrauxEffets physiques: effet thermique du laserle 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
Effets physiques:effet mutagène ?Il existe une émission secondaire après exposition deaux UV 193 nm et un faisceau re émis de 310 nmPose le problème de l’effet mutagène éventuel des rayonnements secondairesnul pour 193 ( bien qu’aient été rapportées desdommages 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
Variables du laser influençant l’interaction sur cornée durée du pulse :             + brefs , -  d’effet thermiquefréquence 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 excimerDifférent suivant que delivré en surface ou intrastromal

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Laser Excimer : principe et systèmes de fonctionnement

  • 1. LASERS EXCIMER PRINCIPES ET SYSTEMES DE FONCTIONNEMENT
  • 2. HISTORIQUE DU LASER EXCIMER 1975VELAZCO: 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
  • 3. 1983 - TROKEL, SRINIVASAN, BRAREN : 1ere évocation de l’application à la chirurgie réfractive cornéenne 1985 - SEILER : 1ere utilisation en expérimentation animale et humaine
  • 4. 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
  • 5. EVOLUTIONS TECHNIQUES photoablation sphérique ZO 3mmproblèmes centrage et fibrose régressions 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
  • 6. BASES PHYSIQUES DU LASER EXCIMEREmission spontanéeUn électron passe spontanément à un niveau d’énergie inférieurEmission stimuléeUn photon incident provoque le passage de l électron sur niveau inférieur
  • 7. 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
  • 8. Propriétés communes à tout rayonnements laser - unidirectionnel - intensité élevée - monochromatique
  • 9. Pourquoi le choix de Argon - fluor pour la cornée? Production de photons très énergétiques : 6.4 eV
  • 10. pénétration réduite dans tissus adjacents
  • 11. faible effet thermique
  • 12. régularité de la surface des impacts
  • 13. absence de mutagénicité
  • 14. forte absorption hydriqueEnergie de liaison des chaînes organiques du tissu cornéen = approximativement 3,5 eV
  • 15. CONSTITUTION D’ UN LASER EXCIMER POUR CHIRURGIE CORNEENNECréation du rayonnement excimerHomogénéisation du faisceauSystème de délivrance cornéen
  • 16. CREATION DU RAYON EXCIMER 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
  • 17. Cet effet est amplifié car il est produit dans une cavité susceptible de résonanceLa cavité de résonanceaugmente 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
  • 18. HOMOGENEISATION DU FAISCEAU par intégrateurs spatiaux prismatiques et masquesLe système d’homogénéisation va permettre de sélectionner la partie centrale du faisceau de type Gaussien
  • 19. 3 grandes familles de lasersPLEIN FAISCEAU BALAYAGE par fente par point (scanning / flying spot)
  • 20. FAISCEAUX PLEINS - simple( à profil Gaussien = profil ablation myopique) - à modelage optique par système lentille - à modelage physique par diaphragmes, fentes ou masques érodiblesl
  • 21. Balayage par fenteBalayage par points (scanning / flying spot)SYSTÈME À BALAYAGE
  • 22. Flying spots : délivrance gérées par des miroirsmiroirsSeul le centre du faisceau du spot est utilisé ; les impactssont adjacents permettant une ablation régulièreRépartition « fractale »
  • 23. 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?)
  • 24. LA ZONE D’ABLATION Zone optique > 5 mm pour réduire régression et altération qualité vision Zone de transition (parfois imposée) toujours > diamètre pupillaire scotopique Profondeur 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
  • 25. Choix diamètre de photoablation : Formule MunnerlynD (Dioptries à corriger) x ZO2Prof abl (µm) = 3Plus on est large plus on est profond…
  • 26. 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 cornéeSeuls les systèmes de délivrance par spots autorisent un couplage aux topographes et analyseurs de front d’onde
  • 27. ButsAméliorer la qualité de vision en optimisant le profild’ablationPersonnaliserl’ablation/ aberrations/ topographie
  • 29. Basées sur la topographieEblouissementset halos nocturnes,Lettres « bavent » Profil d’ablationEblouissementset halos ont disparu
  • 30. Les algorithmes actuels de correction permettentD’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)
  • 31. Centrage asservissement du faisceau par l’eye trackerSystème de détection des mouvements oculaires passif ou actif ,essentiel notamment en traitement customisé
  • 32. Principe d’un système d’asservissement aux mouvements oculairesRepérage statique préopératoire par caméra CCD infrarouge  repères de référenceDétection 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 délivrancePerformances variables
  • 33. Marquer 3 H et 9 H .Cyclotorsion lors du décubitus++ pour astigmatisme et customisérepérer par rapport au limbe des structures de l ’iris pour repositionner l ’axe
  • 34. EFFETS DU LASER EXCIMERSa 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
  • 35. EFFETS DU LASER EXCIMEREffets physiques - photoablation - effet thermique - effet mutagène ?Effets tissulaireEffets physiquesExplosion sans transfert de chaleur au tissu adjacent La photodécomposition ablative : se produit au niveau moléculaireProcessus d'ablation« à froid »Photon d'énergie6,4 eVEnergie de liaison deschaînes organiques dutissu cornéen = 3,5 eVTissu cornéenAblation0,25 µm par tirPhoton
  • 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.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)
  • 37. peut expliquer les îlots centrauxEffets physiques: effet thermique du laserle 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
  • 38. Effets physiques:effet mutagène ?Il existe une émission secondaire après exposition deaux UV 193 nm et un faisceau re émis de 310 nmPose le problème de l’effet mutagène éventuel des rayonnements secondairesnul pour 193 ( bien qu’aient été rapportées desdommages 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
  • 39. Variables du laser influençant l’interaction sur cornée durée du pulse : + brefs , - d’effet thermiquefréquence 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)
  • 40. 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
  • 41. Effets tissulaires cornéens du laser excimerDifférent suivant que delivré en surface ou intrastromal
  • 42. 4 interactions à considérer entre laser et cornée : Transmission
  • 45. AbsorptionAvec le 193 nm, le faisceau incident n’est pas transmis par la cornée aux structures oculaires sous-jacentesdisperse très peu l’énergie au tissu contigu
  • 46. n’est que faiblement réfléchi par les interfaces antérieures et postérieures de la cornée- Est très fortement absorbé par la cornée
  • 47. PROGRES A ATTENDRE DES LASERS EXCIMERNouveau 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 …
  • 48. sauf si un laser Femtosecondedevient vraiment apte à réaliser aussi la découpe réfractive ..