Brevet FR2585558A1 — publié le 19870206

DISPOSITIF DE PHOTOABLATION La présente invention a pour objet un dispositif de photoablation, photodisruption ou photodissociation linéaire ultraviolette de tissus vivants directement accessibles au moyen d'impulsions ultra brèves dont la durée est de 10 à 100 nanosecondes issues d'une source laser de lumière cohérente destiné en particulier, mais non exclusivement, à la chirurgie de la cornée et du vitré. Plus précisément, elle se rapporte à un dispositif émettant, à la sortie, selon un mode spatial ou temporel une radiation dont la longueur d'onde se situe dans l'ultraviolet et notamment comprise dans la plage de 150 à 215 nanomètres. En effet, la radiation émise doit se situer hors de la bande d'absorbtion des protéines humaines et de l'acide desoxyribonucléique ADN. Pour ces raisons, la plage de 230 à 260 nanomètres doit être proscrite. En effet, on a observé qu' un laser KRF de longueur d'onde de 247 nm. correspondait à une fréquence de l'ADN et pouvait avoir un effet cancérigène par rupture de chaînee moléculaires. Dans le bas du spectre UV, au-dessous de 150 nm. les radiations sont totalement absorbées par l'air et l'adjonction d'un canal sous vide d'acheminement des radiations empêcherait un contrôle permanent nécessaire à une chirurgie de précision. ETAT DE LA TECHNIQUE Les lasers sont connus depuis vingt cinq ans et sont maintenant utilisés dans différents domaines de la microchirurgie. On a décrit dans le brevet EP-A-0007256 un dispositif de chirurgie ophtalmologique incluant un laser YAG ( grenat double d'yttrium et d'aluminium émettant des impulsions d'une durée de l'ordre de quelques picosecondes avec une longueur d'onde de 1064 nanomètres permettant de réaliser une microchirurgie endoculaire à globe fermé. L'émission ultrarapide d'une faible #quantité d'énergie émergente et la forte concentration de la lumière sur une micro surface sont à l'origine du claquage optique et de la formation d'un plasma suivis du développement d'ondes de choc responsable de la disruption du tissu visé, quelle que soit sa nature chimique et indépendamment de toute coloration ou pigmentation.Ces laser sont actuellement utilisés dans la chirurgie de la cataracte secondaire, notamment après implantation d'un cristallin artificiel, dans le traitement du glaucome et pour sectionner à l'intérieur de l'oeil tous leS tissus superficiels et notamment les brides du vitré responsables de certains décollements de rétine. La forte pénétration du rayonnement YAG et l'intensité de l'onde produite interdisent toute chirurgie directe sur la cornée. Par ailleurs, huit ans d'expériences avec un laser YAG pulsé, menées par la Demanderesse ont montré son efficacité limitée dans la chirurgie du vitré. On a également utilisé des lasers à argon en émission continue de lumière émettant des radiations de 488 à 514,5 nanomètres en vue de réaliser des photocoagulations et des lasers à krypton de longueur d'onde égale à 647 nm permettant de photocoaguler la chorolde à travers la rétine elle-même. Mais, ces techniques nécessitent la présence d'un milieu constitué par l'oeil lui-même et ne peuvent être mises en oeuvre dans le cas de la chirurgie cornéenne et, jusqu'à présent, aucun laser n'a été utilisé pour sectionner la cornée sans la coaguler. Ce type d'indication doit faire appel à un rayonnement laser fortement absorbé par la cornée et ne pénétrant pas à l'intérieur de l'oeil. Par ailleurs, des développements récents ont été conduits sur la chirurgie de la cornée. Le Professeur José BARAKER a effectué des modifications de convexité de la cornée par coupe de celle-ci, rectification, puis implantation de la partie coupée en tant que greffe. Le Profeseur FIODOROV a posé les principes de la kératotomie radiaire. Dans cette opération, une série de 4 à 32 incisions radiales est réalisée sur la cornée afin d'en modifier la forme. On a ainsi pu corriger des myopies de -1 à -8 dioptries. En effectuant des incisions linéaires perpendiculaires à l'axe d'astigmatisme, il a été possible de corriger certains astigmatismes. La kératotomie radiaire doit, pour conserver un effet définitif être prolongée jusqu'à la membrane de DESMET sans atteindre celle-ci, ni, à fortiori l'endothélium non renouvelable.Actuellement, les incisions sont faites au couteau diamant. Les résultats de cette opération restent grandement aléatoires dans la mesure où, après quelques incisions la cornée se déforme ( dépression cornéenne) de sorte que même avec un couteau munie d'une garde, la profondeur d'incision ne peut pratiquement pas être constante. Un premier objet de la présente invention est un dispositif permettant de réaliser une photoablation de la cornée selon une configuration définie d'incisions, réalisées simultanément, ou quasi simultanément, à l'aide d'un laser pulsé, sans nécrose notable des tissus (épithélium, membrane de BOWMANN , stroma) à une profondeur exactement déterminée permettant d'éviter les problèmes dus à la dépression cornéenne et donnant des résultats prévisibles et répétitifs. Un second objet de la présente invention est un dispositif délivrant un faisceau laser de sortie dont le rayonnement soit totalement absorbé par la cornée et ne puisse en aucun cas diffuser dans les autres tissus : cristallin, rétine, chorolde ou dans l'humeur vitrée. Un troisième objet de la présente invention est un dispositif à usages polyvalents permettant de réaliser différentes opérations de chirurgie ophtalmologique avec un seul et même appareil. Selon la présente invention, le dispositif de photoablaticirl linéaire de tissus vivants comprenant au moins une source laser, est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de concentration et de focalisation du faisceau émis par la source laser, et des moyens de répartition spatiotemporelle du faisceau de sortie dont la longueur d'onde est comprise entre 150 et 220 nanomètres et l'énergie comprise entre 100 et 1000 millijoules par cm2. Il est ainsi possible, avec un dispositif selon l'invention non seulement d'effectuer des kératotomies radiaires en toute sécurité mais également de procéder à un ensemble d'opérations dont chacune nécessitait au préalable une installation différente, le dispositif possédant des possibilités d'adaptation variées permettant d'effectuer toutes les opérations de chirurgie ophtalmologique. Par exemple, ce dispositif peut constituer, à partir d'une seule source : un laser YAG photodisrupteur fonctionnant en mode déclenché ( Q-switched) ou thermique fonctionnant en "free running, un laser à argon photocoagulateur, un laser argon à impulsions notamment pour le traitement des glaucomes et un laser excimer pour la chirurgie cornéenne ou du vitré. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront au cours de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation, donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins qui représentent: - La Fig.1, un dispositif de miseen oeuvre de l'invention,dans un premier mode de réalisation faisant appel à un laser excimer; - La Fig.2, un schéma montrant le dispositif de mise en oeuvre de l'invention avec au moins un laser YAG. - La Fig.3, un schéma de montage faisant appel à au moins un laser à rubis; - La Fig.4, un quatrième montage incluant un laser à phosphate; - La Fig.5, des exemples d'incisions pouvant être pratiquées dans la cornée à l'aide de l'un des montages ci-dessus. Parmi les sources laser actuellement sur le marché, or connatt les lasers "EXCIMER" (EXCited dIMER) argon fluorine (ARF) émettant à 193 nanomètres. Le faisceau laser excimer délivre des impulsions de 10 à 30 nanosecondes sous 6 électrons-volts/photon. Dans le montage représenté sur la Fig.1, le dispositif comprend un laser source 1, excimer argon fluorine enfermé dans un carter 8 reposant au sol par un support non représenté ou monté sur un banc optique. A la sortie du laser 1 est monté un obturateur 2 à commande électrique dont le "rideau" est constitué par une lame de verre "SCHOTT KG3" , par exemple, commandé par une pédale de déclenchement 14 ou encore par un ordinateur à commande vocale. Après traversée de l'obturateur, le faisceau laser 10 est dirigé sur l'entrée d'un bras articulé 7 muni d'un ensemble de miroirs 9 réfléchissants adaptés à la longueur d'onde de l'excimer.Bien entendu, à l'intérieur du carter 8 sont montés des dispositifs de refroidissement (non représentés) permettant au laser et aux différents constituants du système de travailler à une température adequate. Conformément à l'invention, le faisceau 10 n'est pas concentré lors de son transfert sur la tête d'opération. Il parvient, à la sortie du bras 7 sur un dispositif de convergence 13, inclus dans le microscope opératoire 3 (ou dans une lampe à fente) qui focalise le faisceau 10 en un point 12. Le dispositif comprend également à l'intérieur du ccarter 8 une cellule de Pockels (non représentée) destinée à assurer le blocage de modes. Selon une caractéristique de l'invention, les lentilles constituant le système de convergence 13 sont des lentilles de Fluorure de Calcium (CaF2) ou de "SPECTROSIL B" corps qui sont transparents pour la longueur d'ondes de 193 nanomètres émise par le laser 1. Le faisceau 10 présente alors la forme d'une raie de dix à deux cents microns de large sur trois à quatre millimètres de long. Un transducteur ou déviateur de faisceau 4 , disposé au voisinage de la raie 12 est constitué , soit par un modulateur acoustooptique à franges de Brague en cas de réapartition temporelle du faisceau, soit par un ensemble de miroirs en cas de répartition spatiale du faisceau. Dans le cas d'un modulateur électroacoustique, déviant le faisceau dans deux plans respectivement horizontal et vertical la commande est obtenue par un microprocesseur 5 programmé en fonction de la configuration des incisions cornéennes que l'on désire obtenir.O l'intérieur du carter 8 se trouve également unn laser d'alignement 6, par exemple du type à Hélium-néon d'une puissance de 1 milliwatt, par exemple permettant d'opérer avec précision et de disposer convenablement les incisions sur la cornée, puisque, bien évidemment, le faisceau W n'est pas visible. Le laser 6 émet à travers une optique afocale un rayon continu 11 qui se superpose au rayon 10 du laser 1. Le laser excimer 1 délivre des impulsions de 10 à 30 nanosecondes. A partir d'une fente réglable de 4mm de haut sur 0,1 à 0,2 mm de large ou moins par exemple de 10 à 200 microns), chaque trait d'incision est balayé en 30 nanosecondes. L'oeil 01 du chirurgien observe l'oeil 02 du patient à travers le microscope 3, de préférence à travers une plaque de protection (non référencée). Les lasers excimer, permettent de réaliser une photoablation par photodissociation de la matière sans qu'il y ait à la périphérie de la zone vaporisée de détérioration trop marquée par effet thermique. L'énergie incidente diffuse peu et sert principalement à photocouper localement la matière. Malheureusement, le faisceau de ces lasers n'est pas propre, c'est-à dire qu'il est d'une géométrie grandement aléatoire, il n'est pas pur, il est multimodes, et difficile à focaliser. De plus, les lasers à gaz sont difficiles à fabriquer en série, et posent des problèmes de sécurité en cas de fuites surtout lorsque le gaz utilisé est un composé aussi actif que le fluor bien que des précautions soient pri#ses par la regénération automatique des gaz et des mesures de stabilisation évitant des recharges fréquentes malgré un travail répété. Aussi, selon une autre caractéristique de l'invention, la source laser est avantageusement un laser à solide. Mais il n'existe pas de lasers à solide émettant dans une longueur d'onde convenable et avec une puissance convenable pour la chirurgie de la cornée. Conformément à l'invention, les résultats désirés ont pu être obtenus comme indiqué ci-dessous. Les Figs 2 à 4 représentent des modes de montage permettant d'obtenir des rayonnements laser pour la plage de longueurs d'onde définie précédemment (150- 215 nm) à partir d'une source laser à barreau. Sur ces schémas, n'ont été figurés que les éléments principaux et les obturateurs les dispositifs de refroidissement et la cellules de Pockels assurant un Q-switching actif ont été volontairement omis. La Fig.2 représente un second montage dans lequel le faisceau d'origine est émis par un laser YAG dont la longueur d'ondes ( 1064 nm) est bien supérieure à la longueur d'onde du laser ultraviolet utilisé dans le premier mode de réalisation. Le dispositif comprend, dans ce cas un premier laser YAG 1 ( grenat double d'aluminium et d'Yttrium dopé au néodyme) suivi d'un second laser YAG 21 amplificateur monté en série avec le premier. On obtient ainsi, à la sortie du laser 10 une énergie de 5 Joules environ. Le faisceau YAG est pulsé à une fréquence telle que la durée des impulsions soit comprise entre 10 et 100 nanosecondes. Bien entendu, la puissance nécessaire à la sortie doit toujours être comprise entre 0,1 et 1 Joule en vue du résultat biophysique recherché. Mais, il va être nécessaire de procéder à une augmentation de la fréquence d'origine pour tomber dans la plage d'absorbtion de la cornée. A cet effet, le dispositif comprend: un obturateur à commande électrique composé d'une lame de verre Schott KG3, un système optique dit afocal permettant d'ajuster la Dconvergence du faisceau d'alignement et du faisceau principal de manière à ce que les deux faisceaux coïncident dans la zone opératoire et une cellule de Pockels assurant le Q-switching actif. 5Derrière cet ensemble est disposée une première cellule de KDP ( phosphate double de deutérium et de potassium) permettant de réaliser un triplement de la fréquence en sélectionant le 3è harmonique de sorte qu'à la sortie de la cellule 22 la longueur d'onde du faisceau émergeant soit de 266 nanomètres. Bien entendu, ce résultat peut être obtenu, comme représenté sur la Fig.2 en disposant en série deux doubleurs de fréquence dont le premier 22 sélectionne le premier harmonique et le second 23 sélectionne le troisième harmonique. On sait qu'en ajustant des paramètres tels que l'orientation du cristal, la polarisation de l'onde incidente et la température on obtient actuellement avec de telles cellules des rendements pouvant atteindre 80% mais décroissant très rapidement avec le rang de l'harmonique. L'excédent da la lumière du faisceau 10 (1064 nm) est mixé par la liaison 25 avec le troisième harmonique dans une cuve de RAMAN 24 dont la sortie délivre une radiation de longueur d'onde égale à 217 nm. et une énergie maximum de 800 mJ/cm2. Comme dans l'exemple précédent, le dispositif est monté sur un microscope opératoire par l'intermédiaire d'un bras articulé et contient un déviateur de faisceau similaire à celui qui a été décrit dans le mode de réalisation précédent pour le laser excimer à fluorure d'argon. Il est ainsi possible d'obtenir un dispositif produisant des radiations laser ultraviolettes à partir d'un ou deux lasers YAG, le but de ce dispositif étant d'éviter une maintenance lourde, de diminuer le coût du montage et d'éviter les insécurités dues à d'éventuelles fuites de fluor et les instabilités inhérentes aux laser excimer. Il est ainsi possible d'obtenir dans l'ultraviolet court un rayon laser de meilleure qualité que celui de l'excimer. Le dispositif représenté sur la Fig.3 fait appel à un seul laser à rubis 1 pulsé en nanosecondes dont la longueur d'onde est. de 694 nanomètres. On sait que dans les lasers de ce type le milieu actif est constitué par un cristal d'alumine (A1203) dopé avec o,O5% d'ions chrome. Un tel laser permet d'obtenir un gain égal à deux à quatre fois le gain d'un laser YAG ce qui peut éviter l'emploi d'un laser amplificateur. Mais cette longueur d'onde est trop grande pour être utilisée telle quelle en chirurgie ophtalmologique. Comme précédemment, on procède a un premier doublage de fréquence puis à un second doublage. De préférence, les cristaux de KDP sont remplacés par des cristaux d'ADP (phosphate double d'amonium et de deutérium). On obtient ainsi un premier harmonique de longueur d'onde égale à 347 nm. qui ne peut être utilisé car trop pénétrant et un deuxième harmonique dont la longueur d'onde est de 175,5 nm. dont la longueur d'onde s'inscrit dans la plage de rayonnement utile pour la chirurgie de la cornée. Dans le cas où un amplificateur est nécessaire, un montage analogue au précédent est réalisé avec deux lasers à rubis 1, 21 dont l'un sert d'amplificateur de puissance au laser émetteur. Sur la Fig.3 le laser à rubis 1 délivre une puissance de 20 Joules environ à la sortie et est suivi de deux doubleurs 22, 23 en ADP. Comme précédemment, le faisceau de sortie du doubleur 22 est dirigé sur une fente suivie d'un déflecteur de faisceau électroacoustique ou même purement optique. En effet, la puissance à la sortie du deuxième doubleur sélectionnant le troisième harmonique peut varier de 5 à 10 Joules environ. Par un jeu de quatre ou huit miroirs, il est possible de reporter l'image de la fente sur la cornée, selon une configuration appropriée. Tous les dessins de coupe sur la cornée sont ainsi rendus possibles. De plus, le prix de revient du dispositif est très bas. Un quatrième dispositif fait appel à une source laser à phosphate émettant des radiations dont la longueur d'onde est de 1054 nm. De la même manière que précédemment, on traite le faisceau d'origine pour en séparer le troisième harmonique,sur des lames 22,23 en ADP ou en KDP, les longueurs d'onde étant les suivantes : ler harmonique 527 nm. ~ 2è harmonique 263,5 nm et troisième harmonique 131,7 nm. La longueur d'onde du troisième harmonique est trop faible pour que celui-ci soit utilisé directement ( absorbtion par l'air). Aussi, à la sortie du troisième doubleur on dispose une cuve de Raman 24 sur laquelle on applique simultanément le troisième harmonique et une partie déviée 25 du faisceau d'origine de manière à provoquer un battement de fréquences. La première fréquence antistoke rayonnée suivant un cône axé sur le faisceau principal s'établit à 193 nm. soit la longueur d'onde du laser excimer à fluorure d'argon. Les lames d'ADP ou de KDP sont montées articulées sur un support de manière à être amovible et sortir du trajet du faisceau. Ainsi, à partir de l'un des dispositifs décrits précédemment, il est possible de procéder à une multiplicité d'opérations ophtalmologiques faisant appel à des faisceau laser de longueurs d'ondes différentes. Ainsi, avec le montage de la Fig.2, on peut soit ouvrir une capsule postérieure en inhibant l'action des lames 22 et 23 de KDP, soit procéder à des incisions cornéennes. La Fig. Sa représente un premier exemple d'incision radiaire de la cornée C obtenue grâce au procédé selon l'invention. Les lignes de coupe T sont disposées radialement de manière à permettre une rectification de la convexité de la cornée. Sur la Fig.5b est représenté un second mode d'incision par photoablation, les traits d'incision T étant disposés selon un octogone. on a constaté que cette disposition éliminait pratiquement les astigmatismes postopératoires dans les kératoplasties. Ces configurations, ainsi que toutes les autres configurations désirables sont obtenues par une déviation du faisceau 10 qui se répartit en une pluralité de faisceaux secondaires soit grâce à un transducteur acoustooptique, soit grâce à un jeu de miroirs. Bien entendu, dans la chirurgie cornéenne l'appareil est monté sur un pachymètre à ultrasons permettant de mesurer l'épaisseur de la cornée. Un ordinateur permet de connaître la profondeur de l'incision et un dispositif d'arrêt stoppe immédiatement le fonctionnement du laser source en cas de mouvement de l'oeil supérieur à quatre microns. la profondeur d'incision est actuellement de l'ordre de 1 micron par coup, le laser étant pulsé à une cadence de 2 à 100 Hertz. La profondeur des tissus à couper est, selon les opérations, au plus égale à environ 600 microns. Lorsque l'opération est longue, il est possible d'immobiliser l'oeil au moyen d'un verre de contact en matière plastique opaque aux UV, présentant des fentes réparties selon la configuration désirée pour l'opération. Il va de soi que de nombreuses variantes peuvent être introduites notamment par substitution de moyens techniquement équivalents sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10 Dispositif de chirurgie ophtalmologique, notamment pour keratotomie cornéenne, comprenant une source laser émettant un faisceau d'origine et des moyens de focalisation et de blocage de modes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (4) de division du faisceau de sortie et de répartition spatiotemporelle des faisceaux secondaires divisés. 20 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d'onde du faisceau de sortie est comprise entre 150 et 220 nanomètres l'énergie du faisceau étant comprise entre 100 et 1000 millijoules. 30 Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le laser source (1) est constitué par un laser excimer à fluorure d'argon, émettant une radiation de 193 nanomètres, pulsé à une cadence de 5 à 30 nanosecondes, un système de lentille de fluorure de calcium (12) concentrant le faisceau en une raie de 10 à 200 microns de largeur sur une hauteur de 3 à 4mm, la raie étant appliquée sur un modulateur acoustooptique (4) commandé par un microprocesseur (5), déviant le faisceau de sortie selon la configuration désirée. 40 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser source (1) est un laser émettant une radiation de longueur d'onde supérieure à 200 nanomètres, la fréquence de la longueur d'onde émise étant multipliée par un facteur déterminé au moyen d'au moins une cellule à KDP ou ADP (22,23). 50 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en cequ'un battement est effectué entre l'harmonique sélectionné et une partie du faisceau d'origine dans une cuve de RAMAN (24). 60 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le laser source (1) est un laser YAG dopé au néodyme émettant une radiation de longueur d'onde égale à 1064 nanomètre, connecté en série avec un second laser YAG (21) amplificateur, le faisceau de sortie du laser (21) étant appliqué sur un premier étage doubleur constitué par un cristal doubleur (22) de KDP ou ADP, puis sur un second étage doubleur de fréquence (23) délivrant une radiation de longueur d'onde égale à 266 nanomètres, ladite radiation étant mixée avec une partie (25) dérivée du faisceau d'origine dans une cuve de RAMAN (24) de sorte que le faisceau de sortie présente une longueur d'onde de 212 nanomètres et une énergie sensiblement égale à 800 millijoules /cm2. 70 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le laser source (1) est un laser à rubis émettant une radiation de longueur égale à 694 nanomètres, le deuxième harmonique d'une longueur d'onde de 175,5 nanomètres étant sélectionné à l'aide d'au moins une cellule de phosphate double d'amonium et de deutérium (ADP). 80 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le laser source (1) consiste en un laser à phosphate émettant une radiation dont la longueur d'onde est égale 1054 nanomètres, dont on prélève le troisième harmonique que l'on mixe avec une partie (25) du faisceau d'origine dans une cuve de RAMAN (24) pour obtenir une radiation dont la longueur d'onde est égale à 193 nanomètres. 90 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif spatiotemporel de division du faisceau est constitué par un ensemble d'au moins quatre miroirs répartis symétriquement autour de l'axe du faisceau principal (10) 100Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de division du faisceau consistent en un ensemble de huit fentes disposé en position octogonale.