Applications Médicales à Base de Fibres Optiques
PD Dr. Ronald Sroka est le Directeur du Laboratoire de recherche laser à l’Hôpital Großhadern de l’Université de Munich.
Depuis l’introduction du laser en médecine et le développement des technologies à base de fibres optiques, de nouveaux champs d’application en médecine se sont ouverts à la fois au diagnostic et au traitement. Cette gamme varie des traitements invasifs et non-invasifs jusqu’à la chirurgie endoscopique ou l’imagerie médicale de la technologie mini-invasive. Tandis qu’une faible puissance optique alimente souvent les fibres optiques à des fins de diagnostic, les procédures chirurgicales exigent généralement la transmission à haute puissance jusqu’à 200 W en mode continu. La certification médicale des fibres optiques représente un défi majeur pour les applications médicales.
Les applications laser en chirurgie incluent généralement la vaporisation endoscopique, l’énucléation de la prostate bénigne et la fragmentation des calculs rénaux en urologie ; la destruction endoscopique et l’élimination du tissu tumoral dans les ramifications bronchiques en pneumologie ; la sclérose endoluminale des veines variqueuses et l’ablation du tissu au niveau du nez et de la gorge.
Les endoscopes munis de fibres optiques sont utilisés pour ce genre d’opérations : d’une part, pour transmettre la lumière dans un tube et voir à l’intérieur de l’organe, et d’autre part pour transmettre des images vidéo via le un faisceau de fibres optiques à l’oculaire et donc, au visionneur.
EXIGENCES RELATIVES AUX FIBRES OPTIQUES
DANS LE DOMAINE DE LA TECHNOLOGIE MÉDICALE
Dans les procédures médicales, les fibres optiques sont utilisées pour optimiser la transmission de fortes puissances optiques dans les longueurs d’onde variant entre 500 nm et 2 500 nm. Le rayonnement pulsé ou continu (cw) est ainsi transmis. La fibre optique est alimentée via le tube fonctionnel d’un endoscope directement à l’organe afin de transmettre la puissance laser au tissu sous contrôle visuel. Dans les endoscopes flexibles, il est nécessaire de s’assurer que la fibre optique ne freine pas trop la flexibilité et la capacité de pliage de l’endoscope. C’est pourquoi les fibres optiques avec un diamètre de coeur réduit (200 – 400 µm) sont préférées aux fibres plus rigides (600 – 800 µm). Le diamètre externe ne doit pas dépasser 1 000 µm. Ceci permet d’effectuer en plus l’extraction et le rinçage à travers le câble opérationnel. Selon les connaissances qui découlent de l’interaction entre lumière et tissus, les effets sur les tissus dépendent de la densité de puissance appliquée pouvant ainsi entraîner les effets thérapeutiques.
DESTRUCTION DE PIERRE AVANCÉE AVEC LASER DE 2µm
Beyond Borders
Rayonnement laser à 2 µm en chirurgie de pointe
Les procédures chirurgicales les plus récentes utilisent la lumière laser à une longueur d’onde d’environ 2 µm. L’élimination des calculs rénaux (la lithotripsie) en urologie est le champ d’application du rayonnement laser Ho:YAG. Le rayonnement en mode continu et pulsé des lasers thulium est utilisé pour détruire le tissu mou et débloquer les voies respiratoires dans les ramifications bronchiques.
Élimination des calculs rénaux par la lumière laser
L’introduction de la technologie laser Ho:YAG a révolutionné les options de traitements concernant l’élimination des calculs rénaux en urologie. Une technologie bien établie à présent [1, 2]. En association avec les avancées en matière d’instruments endoscopiques urologiques, cette méthode mini-invasive a remplacée la chirurgie invasive pour ce type de traitement.
Premier choix : les systèmes laser Ho:YAG à base de fibres optiques
Les systèmes laser Ho:YAG à base de fibres optiques de 356 µm à 600 µm sont utilisés dans les endoscopes semi-rigides tandis que dans les endoscopes flexibles, les fibres optiques avec un diamètre de cœur de 220 µm sont utilisées pour assurer la flexibilité et le rinçage pendant le traitement. Le taux de complications dans l’élimination des calculs par le laser Ho:YAG est faible. Sachant que le rayonnement laser Ho:YAG permet la fragmentation de tous les types de calculs, la lithotripsie par laser Ho:YAG est devenue le premier choix de traitement même s’il existe d’autres méthodes telles que les ultrasons, la destruction pneumatique et d’autres types de lasers pulsés [3].
Cette avancée technique permet à présent d’effectuer le traitement endoscopique des calculs via le rayonnement du laser Ho:YAG dans le groupe rénal calicéal [2, 4, 5, 6, 7] (voir Fig. 1: Fibres optiques et calculs).
Mécanisme d’élimination des calculs
Le mécanisme d’élimination des calculs est fondé notamment sur le taux d’absorption élevé de cette longueur d’onde dans l’eau. En premier lieu, une bulle de cavitation est créée directement devant la fibre optique : ceci permet de dégager le chemin du rayonnement laser pour atteindre le calcul. De plus, lorsque la bulle s’effondre, elle exerce une onde de pression qui peut entraîner la dislocation du calcul.
Le rayonnement du laser Ho:YAG est absorbé par l’eau du calcul, la dilatation entraîne la fragmentation thermique.
Tel qu’indiqué dans la Figure 2, ces mécanismes accompagnent la production de petits fragments qui sont éliminés de l’appareil urogénital par le liquide de rinçage ou même par l’urine [8, 9, 10].
Technologie laser en pneumologie
En pneumologie, les lasers Nd:YAG (1 064 nm) sont principalement utilisés en chirurgie endoscopique invasive [11, 12, 13, 14].
Ablation du tissu
La longueur d’onde du Nd:YAG pénètre le tissu assez profondément, mais elle est en grande partie absorbée par les structures sombres (ex. le sang et la carbonisation). Souvent, ceci entraîne immédiatement des poches de vapeurs qui se dilatent dans le tissu qui peut se déchirer de manière incontrôlée et compromettre la vue au site de l’intervention. Par contre, le rayonnement à 2 µm des lasers thulium dans les tissus mous est absorbé en général peu importe la couleur optique ayant ainsi une faible profondeur de pénétration. Ceci facilite l’ablation superficielle, précise et prévisible du tissu sous le contrôle de l’utilisateur [15,16,17,18].
RÉSULTATS DE L'ÉTUDE SUR LES PROCÉDURES INVASIVES
DANS LES POUMONS AVEC UNE LUMIÈRE LASER DE 2 ΜM
Les premiers résultats et les rapports sur l’expérience directe de l’étude en pneumologie interventionnelle par le laser thulium sont disponibles.
Le rayonnement laser de longueur d’onde 1 940 nm a été transmis via le tube opérationnel du bronchoscope flexible jusqu’au site de traitement via une fibre optique flexible de diamètre de cœur de 365 µm. Le fort degré d’absorption de l’eau a permis l’obtention d’effets définis et précis du laser en termes de coagulation et d’ablation du tissu. La profondeur de coagulation était de 1 – 2 mm et, en général, ne dépendait pas de la puissance du rayonnement tandis que les traitements par Nd:YAG entraînaient des zones de coagulation incontrôlées et profondes.
L’expérience clinique a montré qu’on peut éliminer complètement les petites lésions superficielles. La coagulation profonde était entraînée par la pénétration dans la lumière (désigne l’espace intérieur circonscrit par les parois d’un organe creux) du tissu à traiter avec l’extrémité de la fibre optique et elle était seulement localisée dans la proximité immédiate de l’extrémité de la fibre optique. Il était possible d’éliminer de manière mécanique le tissu coagulé (obstrué) de cette manière simplement et sans aucun caillot ultérieur.
En cas de rétrécissement, il était possible d’effectuer les incisions par laser dans le tissu de manière ciblée et sans verser de sang ; ceci était effectué en déplaçant la fibre optique plusieurs fois d’un côté à l’autre de l’incision pendant le tir au laser. Comme indiqué dans la Figure 3, il a même été possible d’enlever le tissu qui s’est développé dans la lumière à travers le maillage des stents implantés sans affecter trop la matière du stent. Ainsi, il est possible de récupérer les stents incarnés sans endommager le tissu.
Ces nouvelles techniques d’intervention sont effectuées sous anesthésie générale pour permettre en plus la ventilation artificielle et l’extraction optimale. L’utilisation des bronchoscopes flexibles permet de guider avec précision les fibres optiques dans la zone d’intervention [19].
Enfin, il faut souligner que les traitements par laser effectués par un personnel médical spécialisé et compétent peuvent déboucher sur des bons résultats seulement si le savoir-faire et l’expérience de
l’utilisateur, incluant tout ce qui concerne la manipulation du laser en sécurité et avec prudence, sont combinés [20, 21, 22].
Les traitements chirurgicaux par laser 2 µm s’avèrent plus prometteurs et plus avantageux que les technologies conventionnelles. Ce type de stratégie de traitement mini-invasif est rendu possible uniquement par la recherche technologique actuelle sur l’optimisation de la technologie par fibre optique en termes de biocompatibilité, flexibilité et fiabilité.
La collaboration multidisciplinaire étroite entre les instituts de recherche, les partenaires industriels et les utilisateurs du secteur médical rend possible les applications du rayonnement laser de haute précision dans le domaine chirurgical pour améliorer les soins et l’état général du patient.
RÉFÉRENCE
Beyond Borders
1. Breda A, Ogunyemi O, Leppert JT, Schulam PG: Flexible ureteroscopy and laser lithotripsy for multiple unilateral intrarenal stones. Eur Urol 2009, 55:1190–1196.
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3. Bader MJ, Eisner B, Porpiglia F, Preminger GM, Tiselius HG: Contemporary management of ureteral stones. Eur Urol 2012, 61:764–672.
4. Kijvikai K, Haleblian GE, Preminger GM, de la Rosette J: Shock wave lithotripsy or ureteroscopy for the management of proximal ureteral calculi: an old discussion revisited. J Urol 2007, 178:1157–1163.
5. Pierre S, Preminger GM: Holmium laser for stone management. World J Urol 2007, 25:235–239.
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9. Ronald S, Nicolas H, Thomas P, Volkmar H, Derya T, Stief CG, Markus Jürgen B: In vitro investigations of repulsion during laser lithotripsy using a pendulum set-up. Lasers Med Sci 2012, 27:637–643.
10. Khoder W, Bader M, Sroka R, Stief C, Waidelich R. Efficacy and safety of Ho:YAG Laser Lithotripsy for ureteroscopic removal of proximal and distal ureteral calculi. BMC Urology 2014, 14:62
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12. Gesierich W. Diagnostic and therapeutic laser applications in pulmonary medicine—a review. Med Laser Appl. 2010;25:5-13.
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15. Hale GM, Querry MR. Optical constants of water in the 200-nm to 200-microm wavelength region. Appl Opt. 1973;12:555-63.
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19. Gesierich W, Reichenberger F, Fertl A, Haeussinger K, Sroka R. Endobronchial therapy with a thulium fiber laser (1940 nm). J Thorac Cardiovasc Surg 2014;147:1827-32
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21. Penny J, Smalley RN, CMLSO: Laser safety: risks, hazards, and control measures. Laser Ther 2011, 20(2):95–106.
22. DIN EN 60825–1: 2008–05: Sicherheit von Lasereinrichtungen – Teil 1: Klassifizierung von Anlagen und Anforderungen (IEC 60825–1:2007).
Berlin: Beuth Verlag: Deutsche Fassung EN; 2007:60825–1. in German.
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