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Rainbow glare

Le rainbow glare (éblouissements en arc en ciel) est un effet optique indésirable rare du LASIK tout laser (laser femtoseconde). Il a pour origine la diffraction lumineuse induite par le motif du réseau créé à la face postérieure du capot par les impacts du laser femtoseconde.  Il a été décrit en 2008 par Krueger et coll qui utilisaient alors le laser femtoseconde Intralase 15 KHz (Intralase corp, USA). Nous avons également rapporté la première observation du Rainbow glare avec le laser Wavelight FS200 ainsi que la première correction chirurgicale d’un cas de rainbow glare.

 

(a page in English is also dedicated to rainbow glare)

Symptômes visuels

Le rainbow glare correspond à la perception de bandes ou traînées lumineuses colorées, réparties selon l’ordre du spectre de la lumière visible, et situées autour mais à distance des sources de lumières blanches (d’où l’utilisation du terme « arc en ciel », bien que le phénomène à l’origine de la perception des arcs en ciel est différent, voir plus loin).

La répartition de ces bandes autour de la source est généralement très symétrique, et possède un caractère géométrique. L’orientation des traînées lumineuses est variable, mais prédomine généralement selon une direction d’étalement horizontale: le bleu est la couleur la plus proche de la source lumineuse centrale, et le rouge le plus lointaine. Ces traînées multicolores s’observent de manière d’autant plus visible que la source de lumière observée est vive, et située sur un arrière-plan sombre. Les dimensions de la source observée peuvent également affecter l’aspect du rainbow glare.

Fait caractéristique, il existe toujours un intervalle libre entre une source ponctuelle et les premières bandes lumineuses multicolores. Si la source lumineuse est monochromatique (une seule couleur), les bandes sont plus étroites, et de couleur identique à la source.

L’image suivante a été obtenue grâce à l’insertion d’un réseau de diffraction similaire à celui créé par un laser femtoseconde dans la cornée. La source observée est vive : c’est celle du flash d’un smartphone (lumière blanche).

Photographie réalisée au travers d'une plaque de plexiglas gravée au laser femtoseconde par un tir correspondant à des impacts de capot de LASIK espacés de 7.5 microns.

Photographie réalisée au travers d’une plaque de plexiglas gravée au laser femtoseconde par un tir correspondant à des impacts de capot de LASIK espacés de 7.5 microns. L’intensité de la source (flash) est responsable de l’importance et du nombre des franges colorées (plusieurs ordres de diffraction sont perceptibles).

Cette image plus « réaliste » est prise au travers du même dispositif « gravé » par les impacts laser, mais la source observée est un tube de lumière néon, dont la luminance est plus faible, et l’extension spatiale plus importante. Le rainbow glare est atténué, et les bandes colorées sont moins définies que dans le cas d’une source vive et plus ponctuelle.

Le phénomène observé s'apparente à des "halos colorés", mais le caractère en "bandes régulières" traduit le mécanisme "diffractif" du phénomène à l'origine de la séparation des couleurs.

Le phénomène observé s’apparente à des « halos colorés », mais le caractère en « bandes régulières » traduit le mécanisme « diffractif » du phénomène à l’origine de la séparation des couleurs.

 

Nous avons réalisé le premier traitement efficace pour le rainbow glare : la délivrance d’impacts au laser excimer sur la face profonde du capot a permis à deux patients de guérir immédiatement des effets de cette complication. L’intensité de ce phénomène décroit généralement avec le temps, et disparaît en quelque mois dans la grande majorité des cas. Quand il persiste, un traitement chirurgical consistant à délivrer une photoablation destinée à détruire le motif de diffraction à la face profonde du capot parait donc efficace.

Mécanisme du rainbow glare

Le mécanisme intime du rainbow glare est lié à la diffraction des ondes lumineuses ; il s’agit d’ailleurs du seul effet indésirable connu principalement provoqué par la diffraction de la lumière au sein d’une structure biologique (les implants diffractifs utilisés en chirurgie de la cataracte utilisent les propriétés de la diffraction à dessein – créer des foyers additionnels – mais ils sont en matériau synthétique).

L’origine du rainbow glare à été attribuée initialement au pattern créé par les impacts de laser femtoseconde au sein du stroma cornéen, pour permettre le clivage du capot cornéen en procédure LASIK tout laser. Le laser femtoseconde délivre des trains très brefs de lumière, focalisés à une profondeur choisie (autour de 110 microns) dans le tissu cornéen, et dont la délivrance se fait en mode « raster » (ligne par ligne) avec la plupart des lasers femtosecondes actuellement utilisés. Il faut environ 1 million de spots pour créer l’interface d’un capot standard.

Cette interface est créée en délivrant les spots laser  de manière contiguë, « ligne par ligne ». L’écartement entre les spots pour chaque ligne est paramétrable, ainsi que l’écartement entre chacune des lignes (la distance entre les spots et les lignes étant généralement proche de 8 microns).

L'écartement des spots délivrés au sein de la cornée est régulier: l'espacement entre les spots et les lignes est de l'ordre de 8 microns.

L’écartement des spots délivrés au sein de la cornée est régulier: l’espacement entre les spots et les lignes est de l’ordre de 8 microns.

Du fait de l’extrême brièveté des impacts laser (de l’ordre de 10 -14 secondes environ), leur puissance crête est élevée, et provoque une ionisation de la matière au sein d’une sphère entourant le point d’impact : le rayon de cette sphère dépend entre autre de l’énergie délivrée. Il peut atteindre 5 à 10 microns. La délivrance des impacts crée ainsi un motif régulier au sein du tissu cornéen, que l’on peut observer en microscopie confocale in vivo, en post opératoire ; il s’agit de lignes de points « hyper réflectifs », des spots situées au niveau de l’interface, probablement situées sur la face postérieure du capot, et non sur le stroma profond (qui a été sculpté par le laser excimer). Nous avons récemment publié une observation clinique où l’écartement entre les spots visualisés au sein du stroma (7.5 cm) correspondait à la direction et l’agencement des bandes colorées (la première bande rouge apparaissant à 16 cm de la source blanche située à une distance de 1 mètre).

L'examen a été effectué 3 mois après LASIK chez un patient signalant la présence de "bandes d'arc en ciel" - rainbow glare. Les spots provoquent l'apparition de zones ponctuelles hyperréflectives.

L’examen par microscopie spéculaire confocale a été effectué 3 mois après LASIK chez un patient signalant la présence de « bandes d’arc en ciel » – rainbow glare. Les spots provoquent l’apparition de zones ponctuelles hyperréflectives au sein du stroma, a priori au niveau de la face postérieure du capot stromal.

En effet, une fois le capot soulevé (c’est le premier temps de la réalisation du LASIK), le stroma sous jacent est sculpté par le laser excimer pour corriger le défaut optique (deuxième temps: photoablation pour myopie, ou hypermétropie, et/ou astigmatisme), ce qui provoque la disparition du motif imprimé par le laser femtoseconde. En revanche, il semble que celui-ci persiste à la face postérieure du capot, qui n’est pas exposée au laser excimer.

Diffraction par les zones d’impact du laser femtoseconde

Chaque impact correspond à une modification des propriétés physiques locales du tissu cornéen, bien que ces modifications demeurent à explorer. Il est possible que l’indice de réfraction y soit différent de celui du stroma cornéen adjacent. Le motif régulier, l’alternance de zones d’indice de réfraction différent est à même de produire un phénomène d’interférence constructrice et destructrice par diffraction de la lumière au delà de ces zones. Celles-ci ont en effet des dimensions proches du micron, du même ordre que la longueur d’onde de la lumière visible. L’expression mathématique permettant le calcul de l’angle de dispersion de chaque radiation colorée est relativement simple. En revanche, le calcul de la répartition de l’énergie emporté dans chaque ordre de diffraction est plus complexe.

Le schéma suivant représente une interférence constructive entre deux trains d’ondes (lumière monochromatique) diffractés chacun par une zone d’impact (ces zones sont contiguës : il s’agit de l’ordre 1 de la diffraction (le chemin optique diffère d’une longueur d’onde entre les deux chemins parallèles). L’ordre zéro de la diffraction (la lumière « poursuit son chemin sans déviation »  n’est pas représenté pour plus de clarté). Plus la longueur d’onde est importante, plus l’angle selon lequel s’effectue l’interférence constructrice est important.

Représentation schématique de la diffraction de deux zones contigues (impacts laser). La première direction (ici vers le "haut") selon laquelle survient une interférence constructive est une direction selon laquelle sera observée un "pic d'intensité" lumineuse pour la longueur d'onde considérée. Cet angle est proportionnel à la longeur d'onde diffractée.

Représentation schématique de la diffraction de deux zones contiguës (impacts laser, schématisés en rectangle gris). En vertu du principe de Huygens  chaque zone peut être assimilée en première approximation à une source ponctuelle, qui émet (diffracte) la lumière dans toutes les directions. La première direction (ici vers le « haut ») selon laquelle survient une interférence constructive est une direction selon laquelle sera observée un « pic d’intensité » lumineuse pour la longueur d’onde considérée. Cet angle est proportionnel à la longueur d’onde diffractée.

Le schéma de diffraction est représenté ici pour une longueur d’onde plus courte que celle du jaune :

diffraction lumière jaune vs lumière bleue rainbow glare

Les courtes longueur d’onde sont diffractées avec un angle plus faible; le bleu est donc moins dévié que le jaune/vert, lui même moins dévié que le rouge.

Les longueurs d’onde plus courtes sont diffractées avec un angle moindre que les longueurs d’onde plus longues, ce qui explique l’apparition des bandes multicolores (arc en ciel) quand la source est polychromatique (ex: lumière blanche).

rainbow glare lumière polychromatique

La lumière d’une source blanche est polychromatique: le réseau de diffraction « sépare » les trains lumineux en fonction de la longueur d’onde (diffraction d’ordre 1 représentée ici). Une proportion de la lumière blanche non incidente n’est pas déviée (elle n’est pas représentée ici; c’est l’ordre 0 de la diffraction).

La lumière blanche est donc en partie scindée en différents ordres de diffractions par les zones d’impacts régulières, qui agissent comme un réseau de diffraction. La direction de ces ordres dépend de la longueur d’onde considérée. Cette lumière est ensuite réfractée par la face postérieure de la cornée, puis le cristallin, pour être focalisée sur la rétine.

diffraction par la cornée puis réfraction, rainbow glare

Représentation schématique de la dispersion chromatique du « rainbow glare ». Les zones d’impacts (plusieurs centaines par lignes pour un capot standard) sont ici réduite à 4, pour plus de clarté. Le bleu est diffracté avec un angle moindre que le rouge.

Les directions où sont observées les « bandes de couleurs » sont liées à l’orientation des lignes de spots. En général, la régularité étant plus importante en horizontal (ceci est lié à l’espacement constant des spots « en ligne », alors qu’il existe un décalage vertical en raison de la juxtaposition de lignes dont l’amorce épouse le pourtour circulaire du capot), les bandes adoptent une direction plutôt horizontale.

 

 

Représentation en "3D" schématique du rainbow glare, avec les ordres de diffractions.

Représentation en « 3D » schématique du rainbow glare, avec les ordres de diffractions. L’ordre zéro est celui où la lumière n’est pas déviée, quelle que soit la longueur d’onde considérée; la lumière est donc perçue comme blanche.

Les arcs en ciel que l’on observe en milieu naturel sont produits par un phénomène de réfraction et non de diffraction (la lumière solaire incidente, émise derrière l’observateur est réfractée plusieurs fois à l’intérieur des gouttelettes de pluie en suspension et renvoyée vers l’observateur ; chaque réfraction « sépare » les différentes longueurs d’onde). Le « rainbow glare » devrait plutôt avoir été baptisé « diffraction glare » ; le phénomène de dispersion des couleurs du rainbow glare est voisin de celui de la surface des disques CD ou DVD : les micro-gravures sont à l’origine de la diffraction de la lumière incidente après réflexion à la surface du disque.

Les techniques de chirurgie réfractive qui ne requièrent que l utilisation du laser femtoseconde (ReLex, Smile) sont a priori exposées a la survenue du rainbow glare. L interface optique associe ici l accolement de deux surfaces créés par la délivrance d’impacts femtoseconde. La distribution circulaire concentrique des impacts devrait engendrer des arcs en ciels radiaires, donnant un aspect de kaléidoscope a ces lumières colorées.  de  A ce jour, la survenue de cet effet après Relex ou Smile n a pas encore  été rapportée.

 

Le rainbow glare est un phénomène rare, qui peut être observé après femto-LASIK. Il s’estompe avec le temps et n’occasionne une gêne visuelle importante que dans un nombre très faible de cas. Si la gêne induite persiste dans le temps et en intensité, une photoablation excimer à la face profonde du capot est possible et est efficace (voir: Correction Rainbow Glare Gatinel JRS 2015)

 
Voir:

Références

 

1) Krueger RR, Thornton IL, Xu M, Bor Z, van den Berg TJ. Rainbowglare as an optical side effect of IntraLASIK. Ophthalmology, 2008;115:1187-1195.

2) Bamba S, Rocha KM, Ramos-Esteban JC, Krueger RR. Incidence of rainbow glare after laser in situ keratomileusis flap creation with a 60 kHz femtosecond laser. J Cataract Refract Surg. 2009;35:1082-1086.

3) Sarayba MA, Ignacio T, Binder PS, Tran DB. Comparative study of stromal bed quality using mechanical microkeratomes or a IntraLase femtosecond laser 15- and 30-kHz microkeratomes. Cornea. 2007;26:446-451.

4) Binder PS, Sarayba MA, Ignacio T, Juhasz T, Kurtz RM. Characterization of submicrojoule femtosecond laser corneal tissue dissection. J Cataract Refract Surg. 2008;34:146-152.

5) Binder PS, Brownell M, Martiz J. Rainbow glare mechanism not confirmed by SEM. Presented as a poster at the American Academy of Ophthalmology

6) Gatinel D, Saad A, Guilbert E, Rouger H. Unilateral rainbow glare after uncomplicated femto-LASIK using the FS-200 femtosecond laser. J Refract Surg, 2013, epub ahead of print

9 réponses à “Rainbow glare”

  1. […] article rapporte le premier cas décrit de « rainbow glare » unilatéral après femto LASIK avec le laser Wavelight FS 200, pour lequel une […]

  2. Ale dit :

    Dr. Gatinel

    I underwent to relex smile at the beginning of September.
    Since then I experience glares and halos around light sources, day and night.
    In particular one distinctive symptom makes me think about diffraction.
    Distant car approaching in daylight, headlight made up of a strip of bright LEDs.
    I see 3 different parallel stripes, 2 ghosts at the side of the real one. When the car is near the 3 stripes collapse in a blurred one. Same for both eyes.
    I don’t see any rainbow. Could this effect be correlated whith the spiral pattern of femto laser on both flap and
    Stroma?

    I don’t have HOAs
    I’m really worried because my symptoms are disabling and no one gave me a diagnosis yet

    Thank you

  3. Dr Damien Gatinel dit :

    If you do not specifically see colored fringes, (blue inside, and red outside), then it is not a rainbow glare related symptom. This does not mean that there is no light diffraction at the level of the SMILE interface. Sometimes, the interface can be scattering light significantly. This is partly due to the extracting maneuvers of the lenticule: it can delaminate (distort the arrangement of the collagen fibers of) the stroma (this occurs when the dissection of the lenticule is a bit more difficult), and this will eventually cause a slight reduction of the corneal transparency, possibly associated with some irregularity. These can explain the perception of ghost images. Their disappearance when the object gets closer is due to an angular/size related phenomenum. The light deviation leading to the ghosting is still there, but its dimension becomes relatively negligible with regards to the angular dimension of the closer light source. Such symptoms usually resolve over time. However, in case of a complication (ex: slight decentration of the lenticule cut), then it may persist to a certain degree over time. Your surgeon would probably provide you with relevant explanations.

  4. Ale dit :

    Dr. Gatinel,

    thank you very much for your prompt reply, it is very helpful and I’m grateful of the time you take answering the questions of a worried patient.
    It’s now 3 months from surgery and the scattering/halo effect doesn’t appear to subside.
    My surgeon can’t explain the situation, I will undergo to a confocal microscopy examination of corneas (not scheduled yet).
    I there something to especially focus on?
    The centering of the lenticule appears good in both eyes.
    In case of persistence of symptoms in time, does an approach like yours possibly be suitable to my case: Circle procedure (flap creation) plus smoothing with excimers laser both bed and flap?

    Thanks Again

  5. Dr Damien Gatinel dit :

    I am not sure that such approach (flap creation on the Smile cap and smoothing with the excimer) would be of help here. It may create some additional irregularity. If the Smile lenticule dissection has been difficult, it may be that the corneal stromal tissue is slightly irregular, but such irregularity may not be accessible to excimer smoothing. The remodeling of the collagen fibers may help over time. The first step is to confirm the origin of your disturbances. Confocal microscopy may give some indication about the cellular activity and inflammation at the interface level.

  6. loic dit :

    Dr Gatinel, bonjour,
    je me permets de vous écrire ce message car j’aimerai avoir un avis concernant le rainbow glare.
    le 18 octobre 2017 je me suis fait opérer des 2 yeux en même temps pour une myopie par lasik femtoseconde de marque alcon wavelight FS 200 . l oeil droit étais myope a -5.25 et l ‘œil gauche étais myope a -4.75. la pupille droite mesure 6.4 mm et la pupille gauche 5.4mm. la zone optique traiter est 6.5 mm pour les 2 yeux.
    immédiatement après la chirurgie qui s’est très bien déroulé , j’aperçois quand je regarde une lumière tel qu’un lampadaire ou les phares d’une voiture des bandes de type arc en ciel de manière plus marqué a l œil gauche qu’a l œil droit. de plus, plus la lumière est de couleur blanche et plus les franges colorés sont importantes.
    a ce jour a presque 7 semaine de la chirurgie mon acuité visuelle a été mesuré , j’ai 16/10eme a l oeil droit et 14/10 eme a l ‘œil gauche mais ces bandes d arc en ciel sont toujours présente et cela me gène surtout a l œil gauche la nuit quand la lumière est la.
    pouvez vous me dire si les symptômes du rainbow glare vont s’atténuer ou pas et si il s’atténue il faut attendre combien de temps en terme de mois ?
    merci pour votre éclairage docteur
    bonne journee

  7. Dr Damien Gatinel dit :

    Le rainbow glare (dont vous faîtes une description très juste) est un phénomène qui diminue avec le temps. Il convient d’attendre environ 6 mois pour se prononcer sur la pérennité de ce symptômes.

  8. loic dit :

    Je vous remercie pour votre éclairage sur ce phénomène d’arc en ciel post lasik .
    Au bout de 6 mois environ je vous recontacterai pour faire le point de ma situation.
    Je tenais à vous félicité pour les descriptions détaillées de votre site internet.

  9. Ale dit :

    Dr. Gatinel,

    thank you for your time. I really feel you dedicate yourself to patients. I hope confocal microscopy will give me some answer

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