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Les pathologies oculaires traitées au laser
De nombreuses pathologies oculaires peuvent être traitées par une grande variété de lasers. Cette section donne une vue d’ensemble des différents effets physiques exploités et des pathologies concernées. Les principaux paramètres étant la longueur d’onde, la durée de l’interaction laser-tissu et le taux de répétition. Nous verrons ensuite comment ces paramètres peuvent être exploités pour optimiser la chirurgie du segment antérieur de l’œil.
• Le premier laser ayant servi cliniquement est le laser rubis dès 1961 pour ses propriétés de photo-ablation. Il n’est cependant plus utilisé aujourd’hui.
• Le laser argon entraîne une dénaturation des protéines par effet thermique à l’origine d’une nécrose de coagulation.
• Le laser krypton est également utilisé pour son effet coagulant induit par la chaleur.
• Émettant dans l’UV, le laser excimer offre la possibilité de rompre les jonctions intermoléculaires. Il est exclusivement utilisé pour la chirurgie réfractive, opération au cours de laquelle le rayon de courbure de la cornée est corrigé par ablation du tissu
• Le laser à CO2 a pour effet de carboniser ou vaporiser les tissus.
• Les lasers à néodyme:YAG (Yttrium Aluminium Garnet) permettent de générer, en mode continu, une photo-coagulation thermique et en mode pulsé, des effets photomécaniques.
Aujourd’hui, ce dernier type de laser est remplacé par les lasers à diode, plus compacts et économiques, et permettant d’obtenir les mêmes effets thermiques. Pour la chirurgie de la cornée, les effets mécaniques sont obtenus grâce aux lasers femtosecondes à ytterbium ou à néodyme: verre.
Les pathologies de la tunique externe pouvant être traitées au laser
La greffe de cornée
La kératoplastie, ou greffe de cornée, est une procédure chirurgicale impliquant le remplacement d’une partie ou de la totalité d’une cornée pathologique par la cornée saine d’un donneur récemment décédé [14,15] (figure 6). Il s’agit de la plus ancienne, de la plus fréquente et d’une des plus efficaces greffe de tissu. Environ 100.000 procédures sont effectuées chaque année dans le monde [16,17,18]. En plus du fait que la cornée ne soit pas vascularisée, l’œil est pourvu d’un privilège immunologique. Cette propriété a été rapportée en 1948 par Medawar qui a observé la tolérance de tissus greffés dans différents sites anatomiques privilégiés : le cerveau, les organes sexuels et la chambre antérieure de l’œil. De ce fait, lors des greffes de cornée, peu de complications sont liées à une incompatibilité immunologique, et le taux de rejet est très faible [19,20].
Les troubles optiques induits par une opacification de la cornée constituent la principale raison pour préconiser une greffe. Ce type d’opération est également indiqué pour des raisons mécaniques, par exemple, afin de préserver l’intégrité de l’œil lorsque la cornée est trop fine voire perforée ou pour le traitement de certaines pathologies oculaires telles que les inflammations (uvéites), infectieuses ou non infectieuses.
Le glaucome (intervention dans la sclérotique)
Le glaucome est une maladie multifactorielle qui se caractérise par la dégénérescence progressive des cellules ganglionnaires de la rétine, ce qui entraîne une forte atrophie du nerf optique et engendre une baisse progressive de la vision pouvant aller jusqu’à la cécité [26,27]. Le glaucome étant la seconde cause de cécité dans le monde après la cataracte, le nombre de personnes atteintes de cette pathologie est estimé entre 80 et 105 millions, dont environ 5 millions avec une perte totale de la vue [30,31]. Différents facteurs de risques ont été identifiés : une pression intraoculaire élevée, les antécédents familiaux, l’origine africaine, l’âge (à partir de 50 ans) et la myopie [28]. A ce jour, la pression intraoculaire élevée est le facteur le plus étudié car c’est le seul qui puisse être traité cliniquement.
La pression intraoculaire peut être régulée par un équilibrage entre la production d’humeur aqueuse par le corps ciliaire et son drainage par le trabéculum. L’humeur aqueuse est évacuée de la chambre postérieure vers la chambre antérieure par l’angle irido-cornéen qui correspond à la zone de transition entre la cornée, la sclère, l’iris et le corps ciliaire. Elle est alors absorbée par le trabéculum, une bande prismatique triangulaire, disposée en anneaux parallèles et située au niveau du limbe (zone de jonction entre la cornée et la sclère) pour finalement rejoindre la circulation générale des veines.
La majorité des glaucomes est due à une résistance accrue du drainage de l’humeur aqueuse par le trabéculum du fait d’un rétrécissement de l’espacement intercellulaire. Les études cliniques antérieures ont démontré que le pourcentage de patients développant un glaucome augmente rapidement dès que la pression intraoculaire dépasse 21 mm de mercure (3.103 Pa), ce qui est encore plus flagrant pour des pressions entre 26 et 30 mm de mercure [28,29]. L’un des buts du traitement est donc de réduire la pression intraoculaire avant la perte de vision. Le traitement recommandé est progressif et commence par l’administration de médicaments. Puis lorsque le seuil d’indication thérapeutique est atteint, une intervention chirurgicale aujourd’hui majoritairement manuelle est préconisée [32,33]. L’échec des traitements médicamenteux est fréquent, par conséquent la chirurgie est souvent nécessaire. Ainsi, en France, 25% des patients sont opérés deux ans après leur première apparition d’un glaucome [34] et en 2005 plus de 1600 interventions ont été effectuées [35] pour presque 400 000 aux USA chaque année [36,37].
État de l’art de la greffe de cornée
Protocoles chirurgicaux
La greffe de pleine épaisseur (kératoplastie transfixiante) est la plus commune des interventions de greffe. Le remplacement de la totalité de la cornée donne d’excellents résultats visuels pour le patient souffrant de différents degrés d’œdèmes [38,39]. Cependant, la kératoplastie transfixiante peut engendrer de nombreuses complications. L’exposition complète du globe oculaire peut provoquer des hémorragies intraoculaires et augmenter les risques d’infections postopératoires [40,41,42]. L’ouverture large peut causer de l’astigmatisme retardant la récupération visuelle et affaiblir le globe oculaire [42,43,45]. De plus, le remplacement de l’endothélium, parfois inutile, augmente les risques immunologiques de rejet et diminue la survie à long-terme du greffon du fait de la perte continue des cellules endothéliales.
La greffe lamellaire est devenue de plus en plus répandue ces 10 dernières années [46,47,48,49]. Seule la partie pathologique de la cornée est alors remplacée par du tissu cornéen sain d’un donneur. Plusieurs formes de kératoplasties lamellaires ont été développées car ce type de chirurgie présente plusieurs avantages (figure 7). Il s’agit d’une opération moins invasive qui diminue les risques d’infections. L’intégrité, la robustesse et la qualité de l’œil sont préservées. Dans le cas des greffes lamellaires antérieures, c’est-à-dire sans remplacement de l’endothélium, les risques de rejets immunologiques sont fortement atténués et l’efficacité à long-terme est grandement améliorée.
La plupart des greffes transfixiantes ou lamellaires sont aujourd’hui effectuées manuellement ou à l’aide d’un microkératome. En kératoplastie transfixiante, un trépan est généralement utilisé pour couper la cornée du patient et celle du donneur. Le greffon est ensuite positionné sur l’œil receveur et suturé avec un fil très fin en nylon. Le principal facteur de recouvrement visuel après une greffe transfixiante est le niveau d’astigmatisme induit par la découpe ou la suture. Pour la greffe lamellaire manuelle, un scalpel « lamellaire » est le plus souvent utilisé. Dans le cas des greffes lamellaires antérieures, l’usage d’un microkératome chirurgical semi-automatique est également possible. Le pronostic de succès est alors lié à la qualité et à la régularité des surfaces des lamelles. Cependant, cette procédure demeure encore limitée du fait des difficultés à obtenir des surfaces très régulières – ce qui limite la récupération visuelle et à cause des risques de perforation de la membrane de Descemet pour les greffes lamellaires profondes. Dans ce dernier cas, le chirurgien est contraint de réaliser une greffe de pleine épaisseur [50].
Au cours de cette dernière décennie, les lasers femtosecondes sont apparus comme des outils très performants pour la réalisation de greffes lamellaires ou transfixiantes. Leur première application clinique en ophtalmologie a concerné la préparation du capot lors des interventions Laser In Situ Keratomileusis (LASIK), dans le cadre de la chirurgie réfractive. Ils peuvent ainsi remplacer le microkératome [50,51,52].
Leur application s’est plus récemment étendue à la greffe de cornée [53,54,55,56]. Il a pour avantage d’améliorer la cohésion entre la découpe de la cornée du patient et celle du greffon grâce à de meilleures flexibilité, précision et reproductibilité [57,58,59,60]. Ce type de laser donne accès à une grande diversité de géométries des greffons. Ainsi, la surface de contact peut être étendue et l’intrication peut être optimisée : la tenue du greffon et son adéquation avec le lit receveur sont améliorées, diminuant du même fait la durée de récupération et les risques d’astigmatisme. Les avantages sont similaires pour les greffes lamellaires puisque la profondeur, l’épaisseur et les surfaces de découpes sont mieux contrôlées.
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Table des matières
Introduction
Objectifs
Plan
Chapitre 1 Contexte médical
1.1. L’œil humain
1.2. Anatomie de la cornée
1.3. Les pathologies oculaires traitées au laser
1.3.1. Les pathologies de la tunique externe pouvant être traitées au laser
1.3.1.1. La greffe de cornée
1.3.1.2. Le glaucome (intervention dans la sclérotique)
1.4. État de l’art de la greffe de cornée
1.4.1. Protocoles chirurgicaux
1.4.2. Les systèmes cliniques
Chapitre 2 Propriétés optiques de la cornée
2.1. Indice de réfraction et biréfringence
2.1.1. Indice de réfraction
2.1.2. Biréfringence
2.2. Caractérisation des propriétés de transmission de la cornée
2.2.1. Protocole de déturgescence
2.2.2. Transparence de la cornée
2.2.2.1. Considérations théoriques
2.2.2.2. Résultats expérimentaux
Chapitre 3 Les lasers à impulsions ultra-brèves à usage chirurgical et leur interaction avec le tissu
3.1. Les lasers ultracourts
3.1.1. Les impulsions laser ultra-brèves : considérations mathématiques
3.1.2. Les lasers femtosecondes : état de l’art
3.1.2.1. L’amplification d’impulsion par dérive de fréquence (CPA)
3.1.2.2. Les oscillateurs à cavité étendue
3.1.2.3. Les lasers fibrés
3.2. L’interaction laser tissu
3.2.1. La photodisruption ou claquage optique
3.2.1.1. Ionisation non-linéaire
3.2.1.2. Propagation non-linéaire des impulsions
3.2.1.3. Application au tissu biologique
Chapitre 4 Développement de sources optimisées
4.1. Principe de la conversion paramétrique
4.2. Source accordable par accord de phase biréfringent
4.2.1. État de l’art des sources par accord de phase biréfringent
4.2.2. Le laser de pompe titane:saphir
4.2.3. L’amplificateur paramétrique optique
4.2.3.1. L’injection par supercontinuum
4.2.3.2. Propriété optique des cristaux non-linéaires de BBO et de BiBO
4.2.4. Résultats
4.2.4.1. Énergies délivrées par l’OPA
4.2.4.2. Durée et phase spectrale des impulsions
4.2.5. Accordabilité de l’OPA
4.3. Source accordable par quasi-accord de phase
4.3.1. État de l’art des sources par quasi-accord de phase
4.3.2. Le laser de pompe Yb :KYW
4.3.3. Le générateur paramétrique optique
4.3.3.1. Caractéristiques du cristal de PPMLN
4.3.3.2. Dispositif expérimental
4.3.4. Résultats
4.3.4.1. Énergies délivrées par l’OPG
4.3.4.2. Accordabilité et largeur spectrale des impulsions du signal
4.3.4.3. Durée des impulsions
4.3.4.4. Discussion
4.4. Le laser fibré dopé erbium
Chapitre 5 Chirurgie cornéenne par laser optimisé
5.1. Dispositif expérimental
5.1.1. Le dispositif d’expériences chirurgicales
5.1.2. Préparation des échantillons
5.2. Dissection par laser femtoseconde
5.2.1. Introduction
5.2.2. Méthode
5.2.3. Seuil de claquage optique
5.2.4. Résultats
5.2.4.1. Étude de l’influence de la longueur d’onde sur les découpes
5.2.4.1.1. Résultats avec la source OPA
5.2.4.1.2. Résultats avec la source OPG
5.2.4.2. Dissection avec le laser fibré dopé erbium
5.2.4.3. Comparaison des incisions à 1030 nm vs. à 1650 nm
5.3. Conclusion
Chapitre 6 Le dispositif démonstrateur de greffe de cornée
6.1. Introduction
6.2. Étude des dispositifs de balayage et de focalisation
6.3. Le système de correction du front d’onde
6.4. Le dispositif démonstrateur
6.5. Discussion sur les performances et les évolutions
Conclusion
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