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Les lasers médicaux : histoire et applications médicales

Historique

Einstein
L’histoire du laser a débuté avec Albert Einstein il y a plus d’un siècle en 1905 lorsqu’il posa l’hypothèse que la lumière est constituée de quanta d’énergie, de photons et lorsqu’il postula que l’énergie associée aux photons était directement proportionnelle à la fréquence de la lumière selon la relation : E=hv.
Les bases théoriques du fonctionnement du laser étaient jetées mais de nombreux chercheurs pensèrent qu’il était impossible de construire un dispositif produisant de la lumière par émission stimulée et il fallut attendre 35 ans pour que des scientifiques s’y intéressent à nouveau.

Le Maser
Au cours de la deuxième guerre mondiale les États Unis ont voulu développer de nouveaux systèmes de radar plus précis par des émetteurs de micro ondes à plus haute fréquence que ceux utilisés à l’époque.
C’est ainsi que Charles Townes fabriqua en 1953 le premier maser ( Microwave Amplification by Stimulated Émission of Radiation). Ce masse utilisait de l’ammoniac et produisait un rayonnement monochromatique à une longueur d’onde de 1,25cm. Ensuite furent fabriqués de nombreux autres masers qui fonctionnaient tous dans le domaine des micro ondes, le pas vers le domaine de la lumière visible et de courtes longueurs d’onde semblant infranchissable.

Le Laser
En 1957 Townes commença la fabrication d’un dispositif émettant du rayonnement infra rouge ou de la lumière visible et en collaboration avec Arthur Schawlow fut fabriquée la première cavité résonnante pour amplifier la lumière. Son brevet fut déposé en 1958.
Le premier laser fonctionnel fut fabriqué par Thédore Maimann en 1960. Il découvrit que les ions de chrome d’un rubis artificiel émettait de la lumière rouge lorsqu’ils étaient irradiés par une lumière verte d’une lampe au xénon. En déposant une couche d’aluminium à chaque extrémité de la tige de rubis, Maimann réussit à produire le premier laser optique. L’année suivante le laser à hélium néon, un des lasers le plus couramment utilisé, fut inventé. Notons que le terme de laser ne fut pas utilisé avant 1965 : Light Amplification by Stimulated Émission of Radiation.

Depuis l’invention du laser les modes de production de rayonnement laser se sont multipliés. On compte maintenant autant de lasers différents qu’il y a d’applications pour ceux-ci.

L’Emission stimulée

Absorption et émission de la lumière
Rappelons qu’il n’est pas possible de produire de lumière sans matière ; quelque soit son mode de production, la lumière provient des électrons, des atomes ou des molécules qui forment la matière.

Selon le modèle de Bohr, les électrons en orbite autour du noyau atomique ne peuvent se trouver que sur certaines orbites ou niveaux d’énergie. Il leur est cependant possible de passer d’un niveau à un autre en absorbant ou en libérant de l’énergie le plus souvent sous forme de lumière. Ainsi un atome pourra être excité en absorbant un photon et l’un de ses électrons passera à un niveau d’énergie supérieure et inversement un atome pourra être désexcité lorsque l’un de ses électrons retournera à un niveau inférieur en émettant de la lumière par libération de photon.

Comme pour les atomes, les molécules peuvent émettre de la lumière et l’énergie est quantifiable avec un spectre énergétique qui est propre à chaque atome ou molécule.

Ainsi chaque particule émet ou absorbe de la lumière à des longueur d’onde qui lui sont propres ; il est donc possible de produire une très grande variété de lasers à partir de différentes substances.

Émission stimulée

L’émission de lumière dite stimulée est provoquée par un phénomène extérieur à l’atome. Un photon émis par émission spontanée en rencontrant une molécule excitée va provoquer la désexcitation par émission d’un photon en tout point similaire au premier photon : même énergie, même direction, même fréquence. La lumière ainsi induite est dite cohérente.

Fonctionnement du laser

Les trois composantes principales d’un laser sont un milieu actif, un mécanisme de pompage et un résonateur optique. L’émission stimulée est au cœur du fonctionnement de la grande majorité des lasers. Elle se produit dans un milieu actif quand il y a inversion de population par mécanisme de pompage entraînant une majorité d’atomes à un niveau énergétique supérieur.

Le milieu actif est placé dans un résonateur optique constitué de deux miroirs, l’un le réflecteur qui est totalement réfléchissant et l’autre le coupleur qui est demi transparent pour laisser passer la lumière laser.

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Caractéristique de la lumière laser

Un faisceau laser est unidirectionnel, intense, monochromatique et cohérent.

Unidirectionnel

Le faisceau se dirige dans une direction unique. Cependant il peut y avoir une divergence de 1 degré d’arc provoquée par la diffraction du faisceau se propageant dans le milieu ce qui peut augmenter le diamètre du faisceau d’1 mm par mètre parcouru.

Intense

Les lasers émettent une lumière très intense et bien que certains semblent peu puissants leur lumière est concentrée sur une très faible surface ; il est donc important de ne jamais recevoir un faisceau laser directement dans les yeux faute de quoi des lésions rétiniennes peuvent provoquer une cécité.

Monochromatique

Contrairement à la lumière émise par le soleil ou par une ampoule à incandescence qui elle est polychromatique, la lumière laser ne contient que très peu de longueurs d’onde.

Cohérent

La lumière laser est ordonnée dans le temps et l’espace. Ainsi chaque photon qui la composé oscille en même temps et de la même manière.

Les différents lasers

Les Lasers à gaz

Le milieu actif de ses lasers est un gaz pur ou en mélange. Leur efficacité moyenne, leur puissance variable mais leur faisceau d’une directivité exceptionnelle.

Soit par atomes neutres où le milieu actif est exclusivement constitué d’atomes neutres à l’état gazeux.

Le meilleur exemple est le laser hélium-néon réputé pour la pureté de sa longueur d’onde et la directivité de son faisceau. Sa puissance de sortie est faible,il est peu coûteux et il est donc souvent utilisé pour le positionnement des malades en radiologie.

Soit moléculaire

L’exemple le plus connu est certainement le laser à dioxyde de carbone. Il est reconnu pour sa forte puissance ce qui lui permet de sectionner in tissu organique et d’empêcher le saignement pendant la coupe.

Le laser Excimer a un milieu actif un gaz formé de molécules diatomisées excitées comme le Xe2, le Kr et le Ar2. Ce type de laser est développé pour sa grande puissance dans l’ultraviolet et produit de petites impulsions qui permettent de faire l’ablation en surface de tissus ou des incisions ; son application première en médecine est la chirurgie réfractive de la cornée.

Les Lasers à solides

Leur milieu actif sont des verres ou des cristaux en forme de tige parfaitement parallèles et recouvertes de matériau réfléchissant. Ces lasers sont les plus puissants mais fonctionnent généralement dans un mode à impulsions car leur milieu actif solide peut être endommagé dès que la température devient trop élevée.

Laser YAG (Yttrium Aluminium Garnet)

Son milieu actif solide est le Y3AL5O12

Ils peuvent avoir été dopé de Néodyme (Nd3) et seront alors utilisés dans l’épilation des peaux de phototype élevé ou dans le traitement de varicosités, d’angiome stellaire ou de tâches rubis.

Ils peuvent avoir été dopé de Erbium et seront alors utilisés en chirurgie plastique pour l’effacement de ridules ou de cicatrices.

Laser Alexandrite :

Son milieu actif est solide, la pierre Alexandrite.

Ce laser est très utilisé dans l’épilation laser des peaux de phototype clair. C’est le leader des laser épilatoires pour peaux claires.

Les Lasers à semi-conducteurs

Ces lasers peuvent être particulièrement compacts mais peu puissants et peu directionnels. Ils sont utilisés en médecine esthétique dans la photorejuvénation avec les lampes LED et plus généralement dans beaucoup de machines lasers comme faisceau guide.

Les Lasers à colorant pulsé

Leur milieu actif est un colorant organique liquide ce qui les rend peu pratique mais chaque laser de ce type peut émettre un rayonnement puissant dans une longueur d’onde voulue et variable en raison d’un large spectre d’émission par fluorescence des colorants.

Les applications médicales des lasers

L’interaction du rayonnement laser avec les tissus est très complexe et dépend de la durée d’exposition, de la puissance, de la longueur d’onde, du diamètre du faisceau, de l’incidence du faisceau, de la nature du tissu... Pour arriver au but, la directivité, la monochromaticité et la cohérence du faisceau sont essentielles.

La destruction de cellules cibles

On va alors choisir un laser dont la longueur d’onde d’émission est proche du tissu cible, lequel va absorber l’énergie lumineuse provoquant sa destruction qui sera donc très localisée.

C’est par un effet photo thermique que l’on obtiendra ce résultat dans la plupart des cas. Sera alors possible la destruction de tumeur bénigne, la correction des problèmes de la vision (chirurgie de la cornée, de la cataracte, de la rétine), la destruction du follicule pileux pour l’épilation de longue durée, la stimulation de la synthèse des fibres de collagène et d’élastine par absorption de l’énergie laser CO2 par les milieux aqueux cellulaires...

Dans le traitement des lésions vasculaires, la cible sera l’hémoglobine et la diffusion de la chaleur aux tissus voisins va permettre l’effacement d’angiomes ou autres lésions telles que l’érythrose, la couperose, les varicosités, les tâches rubis...

Plus rarement on utilise l’effet photomécanique qui explose la cible en concentrant un maximum d’énergie en un minimum de temps. Ces lasers seront utilisés dans le traitement des lithiases rénales ou biliaires, dans le détatouage, dans le traitement des tâches pigmentaires...

En cancérologie mais à un stade encore expérimental, l’effet photochimique est utilisé afin d’obtenir une destruction encore plus sélective des cellules cancéreuses. Un composé chimique inoffensif est injecté au patient qui se fixera électivement sur les cellules cancéreuses. En éclairant cette substance avec une longueur d’onde et une intensité bien précises, on obtiendra des réactions chimiques puissantes capable de détruire les cellules cibles.

Actuellement cette application est bien utilisée en cancérologie cutanée avec la Photo Thérapie Dynamique ou PDT où le produit chimique est appliqué sur la zone à traiter.

La grande directibilité du faisceau laser est outil précieux pour un positionnement précis du malade lors d’un traitement en radiothérapie ainsi que pour un diagnostic de haute précision comme par exemple la mesure de la vitesse d’écoulement sanguin par un Vélocimètre Dopler au Laser ou pour le diagnostic précoce d’un cancer du sein en détectant une anomalie tissulaire grâce à la Mammographie Laser.