Effets du Rayonnement Laser sur les Tissus
Dr. Karl Stock de l’ILM, Université d’Ulm. Si vous voulez décrire les effets biologiques et physiques de la lumière sur les tissus, il faut d’abord comprendre la diffusion de la lumière dans les tissus afin de saisir les différentes interactions entre lumière et tissus.
Diffusion de la lumière dans les tissus
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La majorité de la lumière qui rencontre les tissus est refléchie, transmise, dispersée ou absorbée. Si la lumière est absorbée, l’énergie de la lumière absorbée est transmise sous forme thermique, fluorescente ou phosphorescente. Selon la longueur d’onde de la lumière incidente et du type de tissu, les effets susmentionnés se manifestent dans des proportions différentes.
La proportion réfléchie dépend en grande partie de la différence de réfraction entre air et tissu ainsi que l’angle d’incidence. La lumière qui pénètre le tissu est soit absorbée ou dispersée par des structures microscopiques telles que les composants cellulaires.
Cet effet de dispersion est responsable, par exemple, du fait que le faisceau du laser ne peut pas être focalisé vers le tissu autant que nécessaire, mais plutôt la taille du diamètre du spot laser est augmentée.
L’absorption est un mécanisme essentiel qui permet d’utiliser l’énergie du laser en applications thérapeutiques. La probabilité d’absorption de la lumière rayonnée est décrite par le coefficient d’absorption µa. La valeur réciproque de µa est en moyenne la trajectoire libre de déplacement du photon dans le tissu avant d’être absorbé. [1].
Les principaux absorbants des tissus incluent :
- Gamme UV: les liaisons peptidiques et les acides nucléiques
- Gamme Vis: la bilirubine, la carotine, la mélanine et l’hémoglobine
- Gamme IR : l’eau et l’hydroxyapatite.
Comme indiqué par la courbe bleue dans la Figure 2, l’absorption de l’eau dans la gamme spectrale de l’infrarouge est particulièrement élevée (un taux de pénétration de seulement 1 µm à une longueur d’onde de 3 µm). C’est la raison pour laquelle le laser Er:YAG à 2.94 µm et le laser CO2 à 10.6 µm sont particulièrement adaptés pour découper et enlever les tissus mous : qui sont essentiellement constitués d’eau.
Interaction lumière - tissus
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Les caractéristiques des tissus et des paramètres de rayonnement (longueur d’onde, intensité, energie d’impulsion, durée du rayonnement) entraînent des effets différents :
Laser de faible puissance
La fluorescence est une des applications du laser de faible puissance qu’on peut utiliser pour diagnostiquer les tumeurs de la vessie, par exemple. Une autre application, on peut citer les processus photochimiques qui sont utilisés dans la thérapie laser de faible puissance (LLT) et la thérapie photodynamique (ex. en association avec le bleu de méthylène pour éliminer les bactéries).
Lasers de haute puissance
Dans le cas des lasers de haute puissance, les effets thermiques jouent un rôle de plus en plus important. En thermothérapie, le tissu ne résiste pas aux dommages thermiques. A environ 60°C, le tissu est coagulé (ex. lors de l’ablation des vaisseaux sanguins) et à environ 300°C, le tissu est vaporisé (aussi connue comme la vaporisation du tissu). Celle-ci est l’effet utilisé, par exemple, en chirurgie pour couper le tissu mou moyennant un laser CO2 ou des diodes lasers.
Les lasers et leurs mécanismes
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Lasers pulsés de haute puissance
Un moyen particulièrement efficace pour l’ablation des tissus est l’ablation thermomécanique qui est utilisée en relation avec les lasers pulsés et un haut degré d’absorption de l’eau. Le haut degré d’absorption et la haute puissance de l’impulsion du laser font que le tissu s’échauffe soudainement. A environ 100°C, l’eau s’évapore et la pression du tissu augmente rapidement ce qui entraîne l’ablation du tissu comme par explosion. En raison d’une ablation rapide et efficace, les dommages thermiques du tissu sont considérablement réduits par rapport à la vaporisation.
Dans le cas des tissus durs, des os, des dents, des calculs biliaires ou rénaux, on peut aussi obtenir une ablation efficace et précise notamment avec les lasers Er:YAG (see Fig. 3).
Lasers à excimère
Les lasers à excimère sont utilisés dans la gamme UV avec des impulsions ultra-courtes et à haute intensité. Ainsi, non seulement l’absorption par le tissu, mais aussi la puissance d’un photon unique est tellement grande que l’ablation a lieu au niveau atomique. Cette photoablation est notamment utilisée en ophtalmologie pour corriger les courbures de la cornée.
Lasers pulsés à impulsions ultra-courtes
Dans la photodisruption, les atomes visés sont ionisés par des lasers pulsés à impulsions ultra-courtes dans la gamme nano, pico ou même femtosecondes. Ceci produit le microplasma qui peut s’étendre très rapidement et entraîner une onde de choc accoustique. L’onde de choc engendre, par exemple dans la chirurgie LASIK, une ablation de haute précision qui est aussi utilisée pour corriger l’amétropie. Par exemple, dans les tissus plus profonds, le plasma permet aussi éliminer les pigments des tatouages.
SOURCES
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[1] Lasertherapie der Haut, S. 26, R. Steiner, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013
Karl Stock, docteur en biologie humaine posséde également une formation d’ingénieur, est le Directeur associé de l’Institut spécialisé dans la technologie laser en médecine et en métrologie (ILM) de l’Université d’Ulm et Responsable du groupe de travail sur le développement de l’équipement. Ce groupe de travail développe principalement des unités et des applicateurs pour les applications médicales et dentaires – souvent pour les partenaires industriels, tels que, par exemple, des méthodes laser pour les applications chirurgicales et d’analyse incluant celles destinées aux branches spécialisées comme l’otorhinolaryngologie (ORL), l’urologie, la chirurgie générale et l’ophtalmologie.
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