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Laser femtoseconde

Le laser femtoseconde pour la chirurgie de la cornée

Le laser femtoseconde est un laser qui délivre des impulsions ultra-brèves, de l’ordre de quelques centaines de femtosecondes pour les applications médicales.  En chirurgie ophtalmique, il est principalement utilisé pour réaliser des découpes précises de la cornée, sans effets thermiques. Le LASIK bénéficie de la technologie femtoseconde qui permet de créer des capots dont l’épaisseur et les dimensions sont ajustées avec précision. La chirurgie de la cataracte est un champ d’application plus récent, où l’intérêt de la technologie femtoseconde pour fragmenter le noyau cristallinien est en cours d’évaluation.

 

Définition de la femtoseconde

Une femtoseconde correspond à 0.000000000000001 soit 10-15 secondes, c’est-à-dire un millionième de milliardième de seconde !

Quelques données permettent de se faire une idée de la brièveté d’une femtoseconde :

–          Si en une seconde, la lumière parcours une distance équivalente à 7 fois le tour de la Terre, en une femtoseconde elle n’a pas le temps de traverser l’épaisseur d’un cheveu, …à peine celle d’un virus !

–          Il y a plus de femtoseconde dans une seconde, que d’heures écoulées depuis le big-bang, il y a environ 14 milliards d’années

–          Les impulsions délivrées par les lasers à excimère son brèves, de l’ordre de quelque nanosecondes (10-9 secondes). Leur durée est toutefois… un million de fois plus élevée qu’une impulsion ultra-brève de quelques femtosecondes.

 

Intérêt des impulsions laser femtosecondes

C’est au cours des années 90 que le développement de lasers ultrabrefs compacts à milieu solide a permis d’envisager leur utilisation en chirurgie ophtalmique. La possibilité d’effectuer des découpes ultra précises de la cornée était particulièrement intéressante pour la chirurgie LASIK, alors en plein essor. Actuellement, 5 lasers femtosecondes sont disponibles en ophtalmologie pour la chirurgie cornnéenne:

– la plateforme IntraLase FS (Abbott Medical Optics, USA), première compagnie à proposer un laser femtoseconde à la fin des années 90

– la plateforme Femtec (Perfect Vision, Allemagne), rachetée par la société Technolas, puis Bausch and Lomb plus récemment

– la plateforme Femto LDV (Ziemer, Suisse)

-la plateforme Visumax (Zeiss, Allemagne)

-la plateforme FS 200 (Wavelight/Alcon, Allemagne – Etats Unis)

La brièveté des impulsions laser délivrées permet d’atteindre des puissances très élevées, malgré une énergie délivrée modeste. La puissance est définie comme la quantité d’énergie délivrée par unité de temps. (l’énergie est égale à l’intensité correspondant aux variations d’amplitude ultra-brèves du champ électromagnétique). Pour une même énergie, plus le temps est bref, plus la puissance délivrée est élevée. En chirurgie oculaire, l’énergie des pulses délivrés est de l’ordre du micro-Joule, pour une irradiance de l’ordre d’un joule/cm2. Les longueurs d’ondes utilisées pour générer un rayonnement à même d’interagir avec le tissu cornéen sain sont dans le proche infra rouge (800 nm à 1 micromètre).

La puissance délivrée par les impulsions ultra courtes permettent d’induire des effets spectaculaires dans les matériaux : de plus, les effets produits par ces impulsions sont déterministes et localisés. Les pulses laser provoquent une « ionisation »,  c’est-à-dire la rupture des liaisons entre électrons et noyau atomique. Quand une impulsion femtoseconde est focalisée au sein du tissu cornéen (stroma), elle y provoque cette ionisation, qui est suivie de l’apparition d’une bulle de cavitation liée à l’expansion de ce plasma constitué d’ions. Ce plasma diffuse ensuite dans le stroma adjacent, et un collapsus survient autour d’un « défaut de continuité » ou « disruption »,  c’est à dire une rupture localisée du tissu. Si on juxtapose judicieusement ces impulsions femtoseconde, de manière contiguë et régulière, on peut réaliser un tracé de découpe dont la géométrie est ajustable et précise.

découpe laser femtoseconde

Principe de focalisation du laser femtoseconde dans le stroma cornéen pour la réalisation d’une découpe de capot de LASIK dont l’épaisseur est 120 microns. La surface cornéenne est aplanie sous faible aspiration, au contact d’une vitre d’aplanation. Les pulses émis par le laser femtoseconde peuvent être focalisés de manière contiguë à la profondeur souhaitée pour obtenir un capot d’épaisseur quasi-constante.

 

Ceci s’accomplit sans effet thermique, donc sans brûlure, en raison de la durée extrêmement brève des impulsions femtosecondes.

effet laser sur tissu biologiques en fonction du temps d'exposition

Effets photochimiques sur les tissus biologiques en fonction du temps d’exposition au rayonnement laser. Plus le temps est bref, plus la puissance délivrée est élevée. La photoablation (laser excimer) et la « plasma-disruption » (laser femtoseconde) sont athermiques.

 

Ainsi, pour créer un capot de LASIK avec un laser femtoseconde nécessite de délivrer une succession d’impacts dont l’espacement, la profondeur, dont la répartition dans l’espace tridimensionnel du tissu cornéen doit être parfaitement contrôlée.

découpe laser femtoseconde capot LASIK

Les dimensions du capot, l’emplacement et la largeur de la charnière peuvent être ajustées avec précision grâce à la technologie femtoseconde. En cas de découpe en mode « raster » (ligne par ligne) le capot est prédécoupé grâce à une série d’impacts focalisés à une profondeur identique. Les tirs sont effectués ligne après ligne, en balayant la cornée solidarisée au système de délivrance du laser de la charnière (en supérieur) vers le bas. Chaque ligne est une succession d’impacts, espacés d’environ 7 à 9 microns. L’espacement entre les lignes est également paramétrable, et généralement identique à celui situé entre les impacts. La taille des impacts dépend de la longueur d’onde utilisée, et celle de la bulle de cavitation de l’énergie programmée (en pratique, les bulles de cavitations peuvent atteindre un diamètre de quelques microns).

La vidéo suivante montre une découpe de capot de LASIK réalisé par un laser femtoseconde de dernière génération, cadencé à 200 000 impacts par seconde (200 K Hz). La caméra est située de l’autre côté de la vitre d’aplanation qui vient au contact du globe oculaire et permet d’obtenir une surface cornéenne plane, pour y délivrer les impacts à profondeur prédéfinie et constante.

Cette vidéo montre également des séquences de découpe au laser femtoseconde, vues depuis la caméra d’un iPhone placé dans l’axe des tirs.

 

Cette page est consacrée aux aspects plus fondamentaux de la technologie femtoseconde utilisée pour la chirurgie ophtalmologiques. Des pages spécifiques sont dédiées aux applications cliniques comme le LASIK 100% laser, la chirurgie de la cataracte au laser.

 

Particularités techniques des lasers femtosecondes

Pour générer un rayonnement laser continu ou produisant des impulsions « longues »,  il faut parvenir à obtenir un rayonnement émis par émission stimulée (qui  est monochromatique et « cohérent »),  puis l’amplifier. Le caractère monochromatique de la lumière recueillie est « relatif », car la cavité laser amplifie en réalité un « peigne » de fréquences (voir …), que l’on peut purifier par diverses techniques.

L’obtention de pulse ultra brefs repose au contraire sur l’utilisation d’un large éventail de fréquences, mais qui doivent être parfaitement synchronisées à la sortie de l’instrument laser. La puissance transportée par des pulses ultra court est très importante : de fait, l’amplification classique, liée au gain obtenu à chaque « allers retours » dans la cavité peut rapidement aboutir à la détérioration de celle-ci. Pour résoudre ce problème, la synchronisation d’un large éventail de fréquences et son amplification sont « séparées » ; elles dévolues à des groupes d’éléments distincts.

Relation entre temps et fréquence

La nécessité d’utiliser un large spectre de fréquences de rayonnement s’explique par la relation entre la durée d’un pulse (T) et la gamme de fréquence nécessaire pour produire ce pulse (dF) :

dF x T ≈ 1

Ainsi, durée et gamme de fréquences nécessaires sont proportionnellement inverses :  plus T est faible, plus dF est grand. Si l’on veut produire des pulses d’une durée proche de la femtoseconde (10 -15  secondes), il faut utiliser une large gamme de rayonnement de l’ordre de… 10 15 Hz ! La brièveté des impulsions femtoseconde a pour corollaire inévitable une grande largeur spectrale.

Pour obtenir cette gamme de fréquence, le laser femtoseconde utilise une des propriétés des cavités laser : celles-ci, pour de multiples raisons, n’amplifient pas une seule fréquence de lumière, mais toute une gamme de rayonnements centrés sur une ou quelques fréquences particulières. La cavité possède une longueur physique finie, et plusieurs fréquences dites longitudinales peuvent y être amplifiées – une condition simple est par exemple qu’un nombre fini de demi-longueur d’onde soit égal à la longueur de la cavité (voir : amplification laser). Quand on souhaite émettre un rayonnement laser le plus « pur » sur le plan spectral, on cherche à « éteindre » les fréquences résonnantes autour de la fréquence souhaitée, en utilisant divers artifices comme l’insertion de prismes où d’éléments diffractants au sein de la cavité. Dans le cas du laser femtoseconde, on cherche au contraire à amplifier un nombre très élevé de fréquences, qu’il faudra également synchroniser.

Pour obtenir un pulse d’une durée de 100 femtoseconde, il faut utiliser une gamme de longueur d’onde dont l’écart entre la plus courte et la plus longue doit atteindre 15 nm. En ophtalmologie, la longueur d’onde centrale des lasers femtosecondes actuellement proposés sur le marché est située dans l’infrarouge.

 

Obtention des fréquences résonnantes

Les techniques utilisées pour générer les premiers impacts femtosecondes ont été conçues dans les années 80 ; en particulier, la découverte d’un nouveau matériau constitué d’oxyde d’aluminium (saphir) dopé aux ions titane (Ti 3+:Al2O3). La dénomination commune de ce matériau est Ti :saphir : les transitions sont obtenues grâce à l’ion Ti 3+, qui est situé dans la matrice Al2O3.  La conductivité thermique du Ti :saphir est bonne et permet une dissipation de la chaleur. Son spectre d’émission est vaste et situé dans l’infrarouge (680 à 1100 nm).

Nous avons vu que plus le spectre était large, et plus les impulsions pouvaient être brèves : elles peuvent être aussi brèves que 5 femtosecondes en conditions expérimentales avec le Ti:saphir. En pratique, les lasers femtosecondes utilisés en chirurgie oculaire délivrent des pulses d’une durée de quelque centaines de femtosecondes.

Le Ti : saphir possède un spectre d’absorption situé dans le vert : ce milieu doit donc être « excité » par une diode dont la fréquence est doublée (la longueur d’onde divisée par 2). Le développement des lasers femtoseconde utilisés dans des applications ophtalmologiques tient surtout à l’utilisation d’autres cristaux dopés à l’Ytterbium, qui permettent d’augmenter la compacité des équipements (utilisation de fibres optiques), et d’en réduire le cout. Ces cristaux peuvent être excités par des diodes qui émettent également dans l’infrarouge. La longueur d’onde « centrale » utilisée par les lasers femtoseconde disponibles actuellement est proche de 1.05 micromètre.

 

Verrouillage de phase

La relation implicite entre la gamme de fréquence du rayonnement et durée des impulsions est à la base du régime impulsionnel. Mais il existe une condition primordiale : pour obtenir un rayonnement pulsé d’une durée ultracourte, il faut synchroniser un nombre élevé de modes de résonance longitudinaux du champ électro-magnétique. Ceci est obtenu par ce qu’on appelle un « verrouillage en phase » des modes longitudinaux.

Ce verrouillage est nécessaire pour obtenir des impulsions ultra-courtes, et il faut ainsi pouvoir synchroniser dans le temps un nombre élevé de modes longitudinaux; un jeu subtil d’interférences localement très constructives, et destructrices partout ailleurs permet d’amplifier le signal en regard de la zone où les modes sont centrés, et l’atténuer ailleurs.

verouillage des modes

Représentation schématique d’un groupe de fréquences résonnantes synchronisées (pointillé central). Il existe un décalage d’une demi période d’oscillation du champ électrique entre le mode de plus haute fréquence et le mode de plus basse fréquence, au niveau du bord du pulse produit. Les couleurs ne correspondent pas à des « couleurs » du spectre visible: les fréquences utilisées pour générer des impulsions ultracourtes sont situées dans l’infra rouge

La plupart des lasers femtosecondes utilisés en laboratoire possèdent un oscillateur couplé à un cristal de Titane-Saphir où divers effets optiques dits « non linéaires » combinés à l’utilisation de miroirs particuliers contribuent à cette synchronisation. Il faut en effet utiliser des miroirs dispersifs, qui allongent de manière différente les trains d’ondes réfléchis en fonction des fréquences. Ceci permet de compenser les décalages qui surviennent dans le milieu (cristal Titane Saphir, qui est lui-même « pompé » avec un laser de longueur d’onde dans le vert).

 

Étirement et compression des impulsions

Du fait de la puissance transportée par les pulses femtoseconde, il n’est pas possible de les amplifier « tels quels » dans la cavité, sous peine d’endommager celle-ci. Le milieu oscillateur, où sont produites et pré-synchronisées les fréquences du rayonnement est séparé du milieu amplificateur. On utilise généralement une méthode d’amplification à « dérive de fréquence ». On peut diminuer la puissance crête des impulsions en les « étirant » dans le temps. Avant de subir l’amplification, la durée des pulses est allongées par un « étireur » : ce qui est équivalent à décaler les rayonnements (c’est-à-dire moduler la phase relative) de diverses fréquences. Une fois l’amplification obtenue, une  resynchronisation est effectuée en sortie. Ainsi, étiré puis amplifié par émission simulée, le pulse est finalement  « recomprimé » et est alors émis sous la forme d’un pulse utra-bref.

Etirement compression des pulses femtosecondes pour amplification

Il n’est pas possible d’amplifier sans dommage les pulses femtoseconde générés par l’oscillateur du fait de la puissance crête obtenue sur ces durées extrêmement brèves. Un « étireur » permet de décaler la phase des fréquences résonnantes, avant leur amplification. Une re-synchronisation permet d’obtenir un pulse ultra bref de haute énergie.

 

L’étireur et le compresseur sont constitués de miroirs qui diffractent la lumière, en séparant ainsi les diverses fréquences dont le trajet est modifié: l’allongement ou le raccourcissement du trajet en fonction de la longueur d’onde (de même que certains effets optiques non linéaire comme l’effet Kerr) participent à l’obtention de pulses amplifiés.

Etierur et compresseur laser femtoseconde

Représentation d’un étireur (en haut) et d’un compresseur (en bas) d’impulsion qui utilisent des paires de réseaux de diffraction. L’étireur est un système afocal où les photons « bleus » (plus courte longueur d’onde, plus grande fréquence) suivent un chemin plus long que les « photons rouges ». A l’entrée, les fréquences sont synchrones, à la sortie, le bleu est en « retard ». Dans un compresseur, où les miroirs diffractant son parallèles, c’est l’inverse. En ajustant la distance entre les miroirs, on peut compenser de manière parfaite l’étirement et « re comprimer » le pulse dont les fréquences constitutives ont été préalablement amplifiées.

 

 

Caractéristiques et utilisation des impulsions femtosecondes

La durée des pulses délivrés est comprise entre 200 et 800 femtosecondes selon les modèles de laser utilisés en chirurgie ophtalmique. L’énergie des pulses est proche de la microJoule pour les applications cornéennes (LASIK, découpes de tunnels pour les anneaux intra cornéens, greffes, dissections de poches, etc.), mais 10 à 20 fois plus élevée pour la chirurgie de la cataracte assistée par le laser femtoseconde, où les pulses sont délivrés pour réaliser la découpe circulaire de la capsule (capsulo rhexis) et la fragmentation du noyau cristallinien.

Pour la création d’un capot de LASIK, il faut délivrer un nombre d’impacts de l’ordre du million : ceci impose des cadences de tir élevées, de l’ordre du kilo Herz (100 000 impacts par seconde !). L’intervalle de temps qui sépare deux pulses ( de l’ordre de 10 – 5 secondes) est extraordinairement long par rapport à la durée d’un pulse (quelques centaines de femtoseconde soit 10-13 secondes). Si un pulse durait l’équivalent d’une journée (24 heures), le temps séparant un pulse du pulse suivant serait de… 30 millions d’années ! L’espacement entre les pulses et les lignes de pulses est choisi par le chirurgien, de même que l’énergie délivrée par pulse.

En chirurgie de la cataracte, les cadences de tir sont un peu plus réduites, de l’odre de 30 à 50 Hz.

Voici deux machines parmi les plus récentes, utilisées en chirurgie oculaire réfractive et cornéenne

– Laser Alcon Wavelight FS200

Laser femtoseconde Alcon/Wavelight FS150 avant et après retrait des coques d’habillage. La cavité laser est située à la partie supérieure de la partie principale.

Laser femtoseconde Alcon/Wavelight FS150 avant et après retrait des coques d’habillage. La cavité laser est située à la partie supérieure de la partie principale.

-Laser Intralase IFS 150

laser intralase IFS 150

Laser femtoseconde IFS 150 habillé et partiellement « dénudé ». La partie supérieure comporte l’oscillateur, l’amplificateur, et le système d’étirement/ compression des pulses.

Voici un détail du banc optique utilisé par le laser IFS 150, où l’on retrouve les principaux éléments décrits plus haut:

Vue « aérienne » d’une partie du chemin optique situé entre l’oscillateur et l’amplificateur (laser Intralaser IFS 150)

Vue « aérienne » d’une partie du chemin optique situé entre l’oscillateur et l’amplificateur (laser Intralaser IFS 150)

Vue de côté de la roue de polarisation, qui permet de moduler l’énergie du faisceau avant la sortie vers le bras du système de délivrance.

La roue de polarisation permet de moduler l’énergie du faisceau laser transmis (l’angle du polarisateur est modulé pour atténuer préférentiellement le rayonnement laser, vis-à-vis de l’angle de polarisation de celui-ci)

La roue de polarisation permet de moduler l’énergie du faisceau laser transmis (l’angle du polarisateur est modulé pour atténuer préférentiellement le rayonnement laser, vis-à-vis de l’angle de polarisation de celui-ci)

 

Vue de profil de l’étireur / compresseur:

 

etireur compresseur laser femtoseconde

Vue horizontale d’une partie de l’étireur compresseur, qui utilise des élément diffractifs pour décaler les fréquences avant amplification, et les resynchroniser avant émission du pulse.

 

Etireur / compresseur qui comporte un réseau de diffraction. En encadré, visualisation avec une caméra infrarouge du même étireur compresseur sur le chemin optique infrarouge.

Etireur / compresseur qui comporte un réseau de diffraction. En encadré, visualisation avec une caméra infrarouge du même étireur compresseur sur le chemin optique (le rayonnement laser possède un éventail de fréquence situé dans l’infrarouge).

Avantages des lasers femtosecondes en chirurgie réfractive cornéenne (LASIK)

L’essor de la technologie laser femtoseconde pour la chiurgie réfractive cornéenne remonte au début des années 2000.  A cette époque, le LASIK est la technique de référence pour la correction des myopies moyennes et forte. La découpe du capot stromal est effectuée par un système mécanique appelé microkératome.

Durant les années 90, des travaux expérimentaux conduits à l’université du Michigan suggèrent que l’utilisation de pulses femtosecondes permet de réaliser des découpes athermiques de tissu biologique : la cornée est un tissu cible particulièrement intéressant du fait de son accessibilité et de sa transparence aux radiations infrarouges. La société Intralase ® a été incorporée en 1997 à Irvine, à partir d’une technologie développée à l’université du Michigan. Les premières découpes de capot sur des yeux humains a été accomplie en 2001, et l’année 2003 a vu un nombre croissant de publication de centres de chirurgie réfractive américains ayant adopté la découpe au laser pour la réalisation des capots de LASIK. Ces études montrent que les résultats visuels sont équivalents à ceux obtenus avec les microkératomes.

A l’époque, les cadences de tir étaient de l’ordre de 15 à 30 KHz (une découpe de capot durait plus d’une minute), et les énergies délivrées plus élevées. Au fil des années, les cadences ont augmenté pour atteindre 150 voire 200 KHz (découpe en une dizaine de secondes), et l’énergie des pulses inférieure au micro Joule.

De nombreuses publications attestent de l’avantage procuré par les lasers femtoseconde, dont voici les principaux :

-Faible dépendance de la découpe vis-à-vis des caractéristiques géométriques (kératométrie) et biomécaniques de la cornée : la découpe est effectuée sous aplanation plane ou légèrement courbée, ce qui permet de réaliser un tracé parallèle à la surface cornéenne. Avec les microkératomes, l’aplanation est réalisée de manière progressive, et la découpe sujette à des contraintes de cisaillement

-Meilleure prédictibilité de la profondeur de découpe : l’épaisseur obtenue est proche de l’épaisseur programmée (ajustable par pas de 5 microns avec les dernières générations de laser comme le FS 200). L’écart type est d’environ 10 microns, contre 20 à 30 avec les microkératomes mécaniques

– Meilleure régularité de la découpe : les études en tomographie à cohérence optique des capots de LASIK montrent des variations parfois significatives de l’épaisseur des capots en différents points avec les microkératomes mécaniques : l’épaisseur des capots découpés au laser est beaucoup plus homogène

-Possibilité de personnalisation du tracé des découpes : le diamètre des capots peut être choisi avec une précision de 0.1 mm. Le périmètre peut être circulaire, ou ovalaire (correction de l’astigmatisme). L’angulation des bords du capot est également ajsutable.

– Possibilité de recentrer le tracé du volet cornéen  sur le centre de la pupille : avant de procéder à la découpe, l’écran de contrôle permet de pré visualiser le tracé de la découpe ; un recentrage est possible si l’aplanation révèle un décalage du centre pupillaire (effet de l’angle kappa ou de l’eccentricité de la pupille). Ce centrage permet d’optimiser les dimensions du lit stromal offert à la sculpture réalisée par le laser excimer, et se traduit par une meilleure qualité optique en post opératoire.

-Absence de projection de débris dans l’interface : certaines études ont montré la présence de matériel étranger dans l’interface des cornées opérées de LASIK avec microkératome (débris de lame, particules d’huile de lubrification des pièces mécaniques). La création de l’interface avec le laser se fait « à globe fermé ».

-Possibilité de reprendre immédiatement une découpe partielle en cas d’interruption (lâchage de la succion avec désolidarisation de l’œil vis-à-vis du système d’aplanation).  Il suffit de resolidariser l’œil au système d’aplanation et recommencer la procédure.

 

Les inconvénients de la technologie femtosecondes sont liés à :

-son cout, le prix d’un laser femtoseconde étant voisin de celui du laser excimer (environ 500 000 euros). Il existe un cout d’utilisation de l’odre de quelques centaines d’euros par procédures. Les procédures de LASIK femtoseconde sont plus chères que les procédures de LASIK mécanique.

– l’apparition de bulle blanches opaques (opaque bubble layer) pendant la découpe : cet incident lié à l’accumulation de produits de dégazage des impacts laser dans le stroma cornéen oblige parfois à attendre quelques minutes avant de procéder à la séquence de correction excimer.

– le rainbow glare : cet effet indésirable le plus souvent transitoire (quelques mois) est très rare et se caractérise par la perception de halos colorés autour des sources de lumière blanche, dont la distribution est généralement verticale et irisée (du rouge à l’intérieur vers le bleu à l’extérieur). Il est lié à un phénomène de diffraction par le réseau régulier créé par les impacts successifs au sein du stroma cornéen au niveau de la face postérieure du capot.

 

La technologie femtoseconde est amenée à évoluer. Des travaux sont actuellement conduits pour réaliser des lasers femtosecondes dont le pic central serait situé dans l’ultraviolet. Leur mise au point requiert l’utilisation de cristaux destinés à doubler ou tripler la fréquence du rayonnement initial. L’utilisation du rayonnement ultraviolet permet de réduire l’énergie des impacts, et produire des découpes encore plus précises, même si la diffusion du rayonnement ultraviolet dans la profondeur du tissu cornéen est moins élevée que pour l’infrarouge. Les sites d’action des corrections à visée réfractive étant superficiels, la technologie femtoseconde combinée à l’utilisation d’un rayonnement ultraviolet promet d’être particulièrement intéressante pour la chirurgie réfractive.

 

 

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