Les lasers dans la chirurgie plastique

Au début du siècle dernier, Einstein a théoriquement expliqué les processus qui doivent se produire lorsqu'un laser émet de l'énergie dans un article intitulé « La théorie quantique du rayonnement ». Maiman a construit le premier laser en 1960. Depuis, la technologie laser a rapidement évolué, produisant une variété de lasers couvrant l'ensemble du spectre électromagnétique. Ils ont ensuite été combinés à d'autres technologies, notamment les systèmes d'imagerie, la robotique et l'informatique, pour améliorer la précision de l'émission laser. Grâce à des collaborations en physique et en bio-ingénierie, les lasers médicaux sont devenus un élément important des outils thérapeutiques des chirurgiens. Au départ, ils étaient encombrants et réservés aux chirurgiens spécialement formés à la physique des lasers. Au cours des 15 dernières années, la conception des lasers médicaux a progressé pour les rendre plus faciles à utiliser, et de nombreux chirurgiens ont appris les bases de la physique des lasers dans le cadre de leur formation universitaire.

Cet article traite de: la biophysique des lasers; l'interaction des tissus avec le rayonnement laser; les dispositifs actuellement utilisés en chirurgie plastique et reconstructive; les exigences générales de sécurité lors du travail avec des lasers; les problèmes liés à l'utilisation ultérieure des lasers dans les interventions cutanées.

Biophysique des lasers

Les lasers émettent une énergie lumineuse qui se propage sous forme d'ondes semblables à la lumière ordinaire. La longueur d'onde est la distance entre deux pics adjacents de l'onde. L'amplitude est la taille du pic, déterminant l'intensité lumineuse. La fréquence, ou période, d'une onde lumineuse est le temps nécessaire à l'onde pour effectuer un cycle complet. Pour comprendre le fonctionnement d'un laser, il est important de comprendre la mécanique quantique. Le terme LASER est l'acronyme de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ». Lorsqu'un photon, une unité d'énergie lumineuse, frappe un atome, il fait passer l'un de ses électrons à un niveau d'énergie supérieur. L'atome devient instable dans cet état excité, libérant un photon lorsque l'électron retombe à son niveau d'énergie initial, plus bas. Ce processus est appelé émission spontanée. Si un atome à haute énergie entre en collision avec un autre photon, il libère, lorsqu'il revient à un état de basse énergie, deux photons de longueur d'onde, de direction et de phase identiques. Ce processus, appelé émission stimulée de rayonnement, est fondamental pour comprendre la physique des lasers.

Quel que soit leur type, tous les lasers comportent quatre éléments de base: un mécanisme d’excitation ou source d’énergie, un milieu laser, une cavité optique ou résonateur, et un système d’éjection. La plupart des lasers médicaux utilisés en chirurgie plastique faciale possèdent un mécanisme d’excitation électrique. Certains lasers (comme les lasers à colorant excités par lampe flash) utilisent la lumière comme mécanisme d’excitation. D’autres utilisent des ondes radiofréquences de haute énergie ou des réactions chimiques pour fournir l’énergie d’excitation. Le mécanisme d’excitation pompe l’énergie dans une chambre de résonance contenant le milieu laser, qui peut être un solide, un liquide, un gaz ou un matériau semi-conducteur. L’énergie libérée dans la cavité du résonateur élève les électrons des atomes du milieu laser à un niveau d’énergie supérieur. Lorsque la moitié des atomes du résonateur sont fortement excités, une inversion de population se produit. L’émission spontanée commence lorsque des photons sont émis dans toutes les directions et que certains entrent en collision avec des atomes déjà excités, provoquant l’émission stimulée de photons appariés. L'émission stimulée est renforcée lorsque les photons se déplaçant le long de l'axe entre les miroirs sont réfléchis préférentiellement dans les deux sens. Il en résulte une stimulation séquentielle lorsque ces photons entrent en collision avec d'autres atomes excités. Un miroir est entièrement réfléchissant, tandis que l'autre transmet partiellement l'énergie émise par la chambre de résonance. Cette énergie est transférée au tissu biologique par un système d'éjection. Pour la plupart des lasers, il s'agit de fibres optiques. Le laser CO₂ constitue une exception notable, car il est équipé d'un système de miroirs sur un bras articulé. Des fibres optiques sont disponibles pour le laser CO₂, mais elles limitent la taille du spot et l'énergie de sortie.

La lumière laser est plus organisée et qualitativement plus intense que la lumière ordinaire. Le milieu laser étant homogène, les photons émis par émission stimulée ont une seule longueur d'onde, ce qui crée une monochromaticité. Normalement, la lumière est fortement diffusée lorsqu'elle s'éloigne de la source. La lumière laser est collimatée: elle est peu diffusée, ce qui lui confère une intensité énergétique constante sur une grande distance. Non seulement les photons de la lumière laser se déplacent dans la même direction, mais ils ont également la même phase temporelle et spatiale. C'est ce qu'on appelle la cohérence. Les propriétés de monochromaticité, de collimation et de cohérence distinguent la lumière laser de l'énergie désordonnée de la lumière ordinaire.

Interaction laser-tissu

Le spectre des effets du laser sur les tissus biologiques s'étend de la modulation des fonctions biologiques à la vaporisation. La plupart des interactions laser-tissus utilisées en clinique concernent les capacités thermiques de coagulation ou de vaporisation. À l'avenir, les lasers pourraient être utilisés non pas comme sources de chaleur, mais comme sondes pour contrôler les fonctions cellulaires sans effets secondaires cytotoxiques.

L'effet d'un laser conventionnel sur les tissus dépend de trois facteurs: l'absorption tissulaire, la longueur d'onde du laser et la densité énergétique du laser. Lorsqu'un faisceau laser atteint un tissu, son énergie peut être absorbée, réfléchie, transmise ou diffusée. Ces quatre processus interviennent à des degrés divers lors de toute interaction tissu-laser, l'absorption étant la plus importante. Le degré d'absorption dépend de la teneur en chromophores du tissu. Les chromophores sont des substances qui absorbent efficacement les ondes d'une certaine longueur. Par exemple, l'énergie du laser CO₂ est absorbée par les tissus mous du corps. En effet, la longueur d'onde correspondant au CO₂ est bien absorbée par les molécules d'eau, qui constituent jusqu'à 80 % des tissus mous. En revanche, l'absorption du laser CO₂ est minimale dans les os, en raison de la faible teneur en eau du tissu osseux. Initialement, lorsque le tissu absorbe l'énergie laser, ses molécules se mettent à vibrer. L'absorption d'énergie supplémentaire provoque la dénaturation, la coagulation et finalement l'évaporation de la protéine (vaporisation).

Lorsque l'énergie laser est réfléchie par les tissus, ceux-ci ne sont pas endommagés, car la direction du rayonnement à la surface est modifiée. De plus, si l'énergie laser traverse les tissus superficiels et pénètre dans la couche profonde, les tissus intermédiaires ne sont pas affectés. Si le faisceau laser est diffusé dans les tissus, l'énergie n'est pas absorbée en surface, mais se répartit aléatoirement dans les couches profondes.

Le troisième facteur concernant l'interaction tissu-laser est la densité énergétique. Dans l'interaction laser-tissus, tous les autres facteurs étant constants, une modification de la taille du spot ou du temps d'exposition peut affecter l'état du tissu. Si la taille du spot du faisceau laser diminue, la puissance agissant sur un certain volume de tissu augmente. Inversement, si la taille du spot augmente, la densité énergétique du faisceau laser diminue. Pour modifier la taille du spot, le système d'éjection sur le tissu peut être focalisé, préfocalisé ou défocalisé. Dans les faisceaux préfocalisés et défocalisés, la taille du spot est plus grande que celle du faisceau focalisé, ce qui entraîne une densité de puissance plus faible.

Une autre façon de varier les effets tissulaires consiste à pulser l'énergie laser. Tous les modes pulsés alternent entre des périodes d'activation et de désactivation. Comme l'énergie n'atteint pas le tissu pendant ces périodes, la chaleur risque de se dissiper. Si les périodes d'activation sont plus longues que le temps de relaxation thermique du tissu cible, le risque de lésion des tissus environnants par conduction est réduit. Le temps de relaxation thermique est le temps nécessaire pour que la moitié de la chaleur de la cible se dissipe. Le rapport cyclique est le rapport entre l'intervalle actif et la somme des intervalles de pulsation actifs et passifs.

Cycle de service = marche/marche + arrêt

Il existe différents modes d'impulsion. L'énergie peut être libérée par impulsions en réglant la durée d'émission du laser (par exemple 10 secondes). L'énergie peut être bloquée, l'onde constante étant bloquée à intervalles réguliers par un obturateur mécanique. En mode superpulsé, l'énergie n'est pas simplement bloquée, mais stockée dans la source d'énergie laser pendant la période d'arrêt, puis libérée pendant la période d'activation. Autrement dit, l'énergie maximale en mode superpulsé est nettement supérieure à celle en mode constant ou bloquant.

Dans un laser à impulsions géantes, l'énergie est également stockée pendant la période d'arrêt, mais dans le milieu laser. Ceci est réalisé par un mécanisme d'obturateur dans la cavité, entre les deux miroirs. Lorsque l'obturateur est fermé, le laser n'émet pas d'énergie laser, mais l'énergie est stockée de chaque côté de l'obturateur. Lorsque l'obturateur est ouvert, les miroirs interagissent pour produire un faisceau laser à haute énergie. L'énergie de crête d'un laser à impulsions géantes est très élevée avec un cycle de service court. Un laser à modes verrouillés est similaire à un laser à impulsions géantes, car il y a un obturateur entre les deux miroirs dans la cavité. Le laser à modes verrouillés ouvre et ferme son obturateur en synchronisation avec le temps de réflexion de la lumière entre les deux miroirs.

Caractéristiques des lasers

• Laser au dioxyde de carbone

Le laser au dioxyde de carbone est le plus couramment utilisé en oto-rhino-laryngologie et en chirurgie cervico-faciale. Sa longueur d'onde est de 10,6 nm, une onde invisible dans l'infrarouge lointain du spectre électromagnétique. Un guidage le long du faisceau laser hélium-néon est nécessaire pour que le chirurgien puisse visualiser la zone d'action. Le laser est utilisé comme fluide laser, le CO₂. Sa longueur d'onde est bien absorbée par les molécules d'eau présentes dans les tissus. Les effets sont superficiels grâce à une absorption élevée et une diffusion minimale. Le rayonnement ne peut être transmis qu'à travers des miroirs et des lentilles spéciales placés sur une tige articulée. La manivelle peut être fixée à un microscope pour un travail de précision sous grossissement. L'énergie peut également être éjectée par une poignée de focalisation fixée à la tige articulée.

• Laser Nd:YAG

La longueur d'onde du laser Nd:YAG (grenat d'yttrium-aluminium-néodyme) est de 1064 nm, soit dans le proche infrarouge. Invisible à l'œil nu, il nécessite un faisceau laser hélium-néon de guidage. Le milieu laser utilisé est un grenat d'yttrium-aluminium-néodyme. La plupart des tissus du corps absorbent mal cette longueur d'onde. Cependant, les tissus pigmentés l'absorbent mieux que les tissus non pigmentés. L'énergie est transmise à travers les couches superficielles de la plupart des tissus et se dissipe dans les couches profondes.

Comparé au laser au dioxyde de carbone, le Nd:YAG diffuse significativement plus. Par conséquent, sa profondeur de pénétration est plus importante et le Nd:YAG est particulièrement adapté à la coagulation des vaisseaux profonds. L'expérience a montré que la profondeur de coagulation maximale était d'environ 3 mm (température de coagulation +60 °C). De bons résultats ont été rapportés dans le traitement des formations capillaires et caverneuses péribuccales profondes avec le laser Nd:YAG. Il existe également un rapport sur la photocoagulation laser réussie d'hémangiomes, de lymphangiomes et de formations artérioveineuses congénitales. Cependant, la profondeur de pénétration plus importante et la destruction non sélective prédisposent à une augmentation des cicatrices postopératoires. Cliniquement, ce phénomène est minimisé par des réglages de puissance sûrs, une approche ponctuelle de la lésion et l'absence de traitement cutané. En pratique, l'utilisation du laser Nd:YAG rouge foncé a été pratiquement remplacée par des lasers dont la longueur d'onde se situe dans la partie jaune du spectre. Cependant, il est utilisé comme laser adjuvant pour les lésions nodulaires de couleur rouge foncé (vin de Porto).

Il a été démontré que le laser Nd:YAG inhibe la production de collagène, tant en culture de fibroblastes qu'in vivo sur peau normale. Ceci suggère une efficacité dans le traitement des cicatrices hypertrophiques et des chéloïdes. Cependant, cliniquement, les taux de récidive après excision des chéloïdes sont élevés, malgré un traitement d'appoint puissant par stéroïdes topiques.

• Laser Nd:YAG de contact

L'utilisation du laser Nd:YAG en mode contact modifie considérablement les propriétés physiques et l'absorption du rayonnement. La pointe de contact est constituée d'un cristal de saphir ou de quartz directement fixé à l'extrémité de la fibre laser. Elle interagit directement avec la peau et agit comme un scalpel thermique, coupant et coagulant simultanément. L'utilisation de la pointe de contact est rapportée dans de nombreuses interventions sur les tissus mous. Ces applications se rapprochent davantage de celles de l'électrocoagulation que le mode Nd:YAG sans contact. En général, les chirurgiens utilisent désormais les longueurs d'onde inhérentes au laser non pas pour couper les tissus, mais pour chauffer la pointe. Par conséquent, les principes d'interaction laser-tissus ne s'appliquent pas ici. Le temps de réponse au laser de contact n'est pas aussi direct qu'avec la fibre libre, ce qui entraîne un temps de latence pour le chauffage et le refroidissement. Cependant, avec l'expérience, ce laser devient pratique pour isoler les lambeaux cutanés et musculaires.

• Laser à argon

Le laser à argon émet des ondes visibles d'une longueur d'onde de 488 à 514 nm. Grâce à la conception de la chambre de résonance et à la structure moléculaire du milieu laser, ce type de laser produit une gamme d'ondes longues. Certains modèles peuvent être équipés d'un filtre limitant le rayonnement à une seule longueur d'onde. L'énergie du laser à argon est bien absorbée par l'hémoglobine et sa diffusion est intermédiaire entre celle d'un laser au dioxyde de carbone et d'un laser Nd:YAG. Le système de rayonnement du laser à argon est un porteur à fibre optique. En raison de la forte absorption par l'hémoglobine, les néoplasmes vasculaires cutanés absorbent également l'énergie laser.

• Laser KTF

Le laser KTP (phosphate de titanyle de potassium) est un laser Nd:YAG dont la fréquence est doublée (longueur d'onde réduite de moitié) en faisant passer l'énergie laser à travers un cristal KTP. Cela produit une lumière verte (longueur d'onde de 532 nm), correspondant au pic d'absorption de l'hémoglobine. Sa pénétration tissulaire et sa diffusion sont similaires à celles d'un laser à argon. L'énergie laser est transmise par une fibre. En mode sans contact, le laser vaporise et coagule. En mode semi-contact, la pointe de la fibre effleure à peine le tissu et devient un instrument de coupe. Plus l'énergie utilisée est élevée, plus le laser agit comme un couteau thermique, similaire à un laser au dioxyde de carbone. Les unités à faible énergie sont principalement utilisées pour la coagulation.

• Laser à colorant excité par lampe flash

Le laser à colorant excité par lampe flash a été le premier laser médical spécifiquement conçu pour le traitement des lésions vasculaires bénignes de la peau. Il s'agit d'un laser à lumière visible d'une longueur d'onde de 585 nm. Cette longueur d'onde coïncide avec le troisième pic d'absorption de l'oxyhémoglobine; l'énergie de ce laser est donc principalement absorbée par l'hémoglobine. Dans la plage de 577 à 585 nm, l'absorption par les chromophores concurrents, comme la mélanine, est également moindre, et la diffusion de l'énergie laser dans le derme et l'épiderme est moindre. Le milieu laser est un colorant à base de rhodamine, excité optiquement par une lampe flash, et le système d'émission est une fibre optique. La pointe du laser à colorant est dotée d'un système de lentilles interchangeables permettant de créer un spot de 3, 5, 7 ou 10 mm. La période d'impulsion du laser est de 450 ms. Cet indice de pulsatilité a été choisi en fonction du temps de relaxation thermique des vaisseaux ectasiques observés dans les lésions vasculaires bénignes de la peau.

• Laser à vapeur de cuivre

Le laser à vapeur de cuivre produit une lumière visible de deux longueurs d'onde distinctes: une onde verte pulsée de 512 nm et une onde jaune pulsée de 578 nm. Le laser est constitué de cuivre, excité (vaporisé) électriquement. Un système de fibres transmet l'énergie à la pointe, dont la taille du spot varie de 150 à 1 000 µm. Le temps d'exposition varie de 0,075 s à constant. L'intervalle entre les impulsions varie également de 0,1 s à 0,8 s. La lumière jaune du laser à vapeur de cuivre est utilisée pour traiter les lésions vasculaires bénignes du visage. L'onde verte peut être utilisée pour traiter les lésions pigmentaires telles que les taches de rousseur, les lentigos, les nævus et les kératoses.

• Laser à colorant jaune résistant à la lumière

Le laser à colorant jaune CW est un laser visible produisant une lumière jaune d'une longueur d'onde de 577 nm. Comme le laser à colorant excité par lampe flash, son réglage s'effectue en changeant le colorant dans la chambre d'activation. Le colorant est excité par un laser à argon. Le système d'éjection de ce laser est également un câble à fibre optique focalisable sur différentes tailles de spot. La lumière laser peut être pulsée à l'aide d'un obturateur mécanique ou d'une pointe Hexascanner fixée à l'extrémité de la fibre optique. L'Hexascanner dirige des impulsions d'énergie laser aléatoires selon un motif hexagonal. Comme le laser à colorant excité par lampe flash et le laser à vapeur de cuivre, le laser à colorant jaune CW est idéal pour le traitement des lésions vasculaires bénignes du visage.

• Laser à l'erbium

Le laser Erbium:UAS utilise la bande d'absorption de l'eau à 3 000 nm. Sa longueur d'onde de 2 940 nm correspond à ce pic et est fortement absorbée par l'eau des tissus (environ 12 fois plus que le laser CO2). Ce laser proche infrarouge est invisible à l'œil nu et doit être utilisé avec un faisceau de visée visible. Le laser est pompé par une lampe flash et émet des macroimpulsions de 200 à 300 μs, composées d'une série de microimpulsions. Ces lasers sont utilisés avec une pièce à main fixée à un bras articulé. Un dispositif de balayage peut également être intégré au système pour une élimination plus rapide et plus uniforme des tissus.

• Laser à rubis

Le laser rubis est un laser pompé par lampe flash qui émet une lumière à une longueur d'onde de 694 nm. Ce laser, situé dans la région rouge du spectre, est visible à l'œil nu. Il peut être équipé d'un obturateur laser pour produire des impulsions courtes et permettre une pénétration tissulaire plus profonde (plus de 1 mm). Le laser rubis à impulsions longues est utilisé pour chauffer préférentiellement les follicules pileux lors de l'épilation laser. Cette lumière laser est transmise par des miroirs et un système de bras articulé. Elle est faiblement absorbée par l'eau, mais fortement par la mélanine. Divers pigments utilisés pour les tatouages absorbent également les rayons de 694 nm.

• Laser Alexandrite

Le laser Alexandrite, un laser à solide pompable par lampe flash, a une longueur d'onde de 755 nm. Cette longueur d'onde, située dans la partie rouge du spectre, est invisible à l'œil nu et nécessite donc un faisceau guide. Elle est absorbée par les pigments bleus et noirs des tatouages, ainsi que par la mélanine, mais pas par l'hémoglobine. C'est un laser relativement compact qui transmet le rayonnement via un guide de lumière flexible. Sa pénétration est relativement profonde, ce qui le rend idéal pour l'épilation et le détatouage. Les tailles de spot sont de 7 et 12 mm.

• Laser à diode

Récemment, des diodes sur matériaux supraconducteurs ont été couplées directement à des dispositifs à fibres optiques, permettant l'émission de lumière laser à différentes longueurs d'onde (selon les caractéristiques des matériaux utilisés). Les lasers à diode se distinguent par leur efficacité. Ils peuvent convertir l'énergie électrique incidente en lumière avec un rendement de 50 %. Ce rendement, associé à une production de chaleur et une puissance d'entrée plus faibles, permet de concevoir des lasers à diode compacts sans grands systèmes de refroidissement. La lumière est transmise par fibre optique.

• Lampe flash filtrée

La lampe pulsée filtrée utilisée pour l'épilation n'est pas un laser. Il s'agit plutôt d'un spectre pulsé intense et non cohérent. Le système utilise des filtres à cristaux pour émettre une lumière d'une longueur d'onde comprise entre 590 et 1 200 nm. La largeur et la densité intégrale de l'impulsion, également variables, répondent aux critères de la photothermolyse sélective, ce qui place cet appareil au même niveau que les lasers d'épilation.

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