Brevet FR2713835A1 — publié le 19950616

LASER PULSE A DEUX MODES D'FACTION BUT: La présente invention concerne un appareil à laser qui peut être utilisé dans le domaine industriel et plus particulièrement dans le domaine médical. Sur différents matériaux et notamment sur les tissus biologiques, il s'agit d'obtenir deux modes d'action : I'un thermique, I'autre mécanique, pour des traitements médicaux et chirurgicaux tels que par exemple: - coupe, coagulation, cautérisation, vaporisation de tissus mous (muqueuse, pulpe, parenchyme, muscle, tumeur, ...), ou fusion de tissus durs, avec le mode thermique, - perçage, fracture, gravure de tissus durs (émail, dentine, calculs, os, cartilage, plaques d'athérome, ...), ou vaporisation superficielle de tissus mous, avec le mode mécanique. Ces deux types d'effet, thermique et mécanique, doivent pouvoir être obtenus à l'extrémité d'une fibre optique souple qui facilite l'accès à l'intérieur d'organes creux, par exemple. ART ANTERIEUR: Les solutions connues consistent à utiliser au minimum deux lasers différents, chacun d'eux étant adapté à l'un des effets désirés. Citons par exemple le brevet de VASSILIADIS (WO 90/12548), qui utilise deux lasers différents, à l'intérieur du même appareil, avec des moyens permettant de transmettre l'un ou l'autre des faisceaux issus de ces deux lasers, à travers une seule fibre optique. Ceci se traduit par un appareil complexe, encombrant et coûteux. On connait aussi le COMBO- LASER de LASERMATIC qui utilise deux lasers, I'un à YAG, I'autre à C02, à l'intérieur du même appareil. Dans ce cas, le faisceau du laser à C02 n'étant pas transmissible par fibre optique, le constructeur a utilisé un bras articulé qui limite considérablement le champ d'application de l'appareil. SOLUTIONS PROPOSEES: Deux solutions sont proposées pour obtenir les deux modes d'action désirés, sans remettre en cause la transmission par fibre optique. Ces dispositifs sont simples et peu onéreux. SOLUTION N" 1: On utilise un laser à excitation pulsée, avec une durée de pompage classique (de 100 microsecondes à 10 millisecondes). Le matériau actif est généralement un cristal de YAG dopé au Néodyme, à 1'Holmium ou à l'Erbium. n peut être avantageusement un cristal de KGW (Tungstate de Potassium et de Gadolinium) dopé au Néodyme. Le pompage est assuré par une lampe à décharge au Xénon ou au Krypton, ou par des diodes laser. La cavité laser est constituée de deux miroirs disposés perpendiculairement au faisceau laser, de part et d'autre du matériau actif Un élément déclencheur peut être placé sur le trajet du faisceau, à l'intérieur de la cavité. Le faisceau laser est transmis par fibre optique. Effet thermique L'effet thermique est obtenu en utilisant le laser en mode relaxé, I'élément déclencheur étant placé hors du trajet du faisceau laser. L'énergie par impulsion (de 10 mJ à 10 Joules), la durée des impulsions (10 lls à 10 ms) ainsi que la fréquence des impulsions (1 Hz à 100 Hz) sont adaptées à l'effet désiré, sur le tissu concerné. EXEMPLE 1 Joule, 1 milliseconde, 10 Hz, soit une puissance moyenne de 10 Watts et une puissance crête de 1 Kilowatt. Effet mécanique L'effet mécanique est obtenu avec le même laser, dans la cavité duquel on a introduit un déclencheur optimisé pour l'émission d'un train d'impulsions échelonnées sur la durée de l'impulsion de pompage. Ce déclencheur est de préfërence un élément à absorption saturable tel que par exemple - liquide en circulation dans une cuve à faces parallèles, - feuille de BDN, - lame en FLUORURE de LITHIUM ou en YAG dopé au CHROME. Ainsi, suivant les caractéristiques d'absorption de cet élément et le niveau de pompage du laser, on obtient une ou plusieurs impulsions laser dont la puissance crête est nettement plus élevée qu'en mode relaxé. En choisissant le nombre d'impulsions (1 à 50) et l'énergie par impulsion (1 à 100 mJ), il est possible d'optimiser l'effet de choc désiré, tout en évitant la destruction des fibres optiques. Le nombre d'impulsions d'une rafale peut être augmenté en augmentant l'énergie de pompage. EXEMPLE : Rafale de 10 impulsions de 20 mJ en 20 ns chacune, étalées sur une milliseconde, répétée 10 fois par seconde, soit une puissance moyenne de 2 Watts et une puissance crête de 1 Mégawatt. Le passage d'un mode à l'autre s'effectue par déplacement de l'élément optique du déclencheur: - pour obtenir le mode mécanique, I'élément optique du déclencheur est placé dans la cavité optique, de façon à ce qu'il soit traversé par le faisceau laser, - pour obtenir le mode thermique, il est placé en dehors du trajet optique. Le déplacement de l'élément optique du déclencheur peut être effectué de façon manuelle ou mieux au moyen d'un dispositif motorisé commandé par une touche du clavier. SOLUTION N" 2 : On utilise un laser à excitation pulsée classique (de 10 microsecondes à 10 millisecondes).Ce laser comporte un matériau actif(l), pompé par une lampe à décharge(2), au Xénon ou au Krypton, et deux cavités optiques différentes pouvant être utilisées alternativement, au moyen d'un système de commutation. Chacune de ces cavités résonantes comporte deux miroirs, soient (3), (4) et (3'), (4'). Les miroirs (3) et (3') sont à réflexion totale. Les miroirs (4) et (4') ont des facteurs de réflexion différents, optimisés suivant l'effet désiré. Effet thermique L'effet thermique est obtenu en utilisant une cavité optique optimisée pour une émission laser relaxée à faible contraste, en agissant sur les pertes et sur le gain. Par exemple: - miroir de sortie à réflexion élevée ( 40 à 90 % ), - pompage faible. Effet mécanique L'effet mécanique est obtenu avec une cavité différente optimisée pour une émission laser relaxée à fort contraste, en agissant sur les pertes et sur le gain. Par exemple - miroir de sortie à faible réflexion (10 à 60 % ), - pompage fort. Le rapport des puissances crête obtenues entre les deux modes est moins élevé que dans la solution 1, toutefois, la solution 2 représente un compromis intéressant. En effet, les puissances crête obtenues sont dans la plage de quelques centaines deWatts à quelques dizaines de KiloWatts. On évite ainsi les problèmes de détérioration des fibres optiques. Le passage d'un mode à l'autre s'effectue par substitution d'une cavité à l'autre. La principale difficulté consiste à commuter un ou plusieurs éléments de la cavité optique sans dérégler optiquement cette cavité. Cette opération est facilitée si l'on groupe, sur un même support rigide, les éléments dont l'alignement relatif est critique, tels que les deux miroirs de cavité résonante. Il suffit alors de déplacer l'ensemble support / miroirs, par rapport à la tête laser, pour passer d'un mode à l'autre. APPLICATIONS: L'appareil suivant l'invention permet au praticien d'obtenir des effets de coupe, perçage, gravure, fracture, fusion sur les tissus durs et des effets de coupe, coagulation, cautérisation, vaporisation, sur les tissus mous. Il utilisera pour celà les deux modes d'action mécanique et thermique de l'appareil. Un avantage important de l'invention réside en le fait que les deux modes d'action sont obtenus avec un seul appareil et à travers une seule fibre optique. Parmi les principales applications de l'appareil, citons: - 1'Art dentaire avec le traitement des caries, la pénétration des canaux, la frénectomie, - 1'Arthroscopie avec l'ablation de cartilage, de synoviale, - l'Urologie avec la fragmentation des calculs et la coagulation des tumeurs de la vessie et de la prostate, - l'Oto-Rhino-Laryngologie avec la découpe et la perforation de parois osseuses ainsi que la vaporisation de polypes. Toutes ces applications mettent en oeuvre les deux modes d'action mécanique et thermique de l'appareil sur des tissus durs et des tissus mous respectivement. On peut aussi utiliser le mode d'action dit mécanique sur certains tissus mous pour obtenir un effet thermique superficiel, sans aucune nécrose en profondeur, ou le mode d'action thermique pour obtenir un effet de fùsion sur certains tissus durs. REVENDICATIONS: 1 - Appareil à laser, du type comportant une cavité résonante qui comprend un ensemble de deux réflecteurs différents, et dans laquelle est disposé un milieu actif susceptible d'engendrer un rayonnement sous l'action de moyens d'excitation reliés au dit milieu actif, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément déclencheur et en ce qu'il est prévu des moyens pour le déplacement de cet élément, permettant de le positionner soit sur le trajet du faisceau, à l'intérieur de la cavité laser, soit en dehors de ce trajet. 2 - Appareil à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément déclencheur est du type à absorption saturable et que ses caractéristiques optiques sont optimisées en vue de l'émission d'un train d'impulsions laser. 3 - Appareil à laser, du type comportant une cavité résonante qui comprend un ensemble de deux réflecteurs différents, et dans laquelle est disposé un milieu actif susceptible d'engendrer un rayonnement sous l'action de moyens d'excitation reliés au dit milieu actif caractérisé en ce qu'il comporte au moins une deuxième cavité résonante et en ce qu'il est prévu des moyens pour le déplacement des cavités résonantes, permettant de positionnerl'une ou l'autre de ces cavités résonantes dans l'axe de l'élément actif. 4 - Appareil à laser selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité résonante optimisée pour l'émission d'impulsions laser relaxées à fort contraste, c'est à dire à forte puissance crête. 5 - Appareil à laser selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité résonante optimisée pour l'émission d'impulsions laser relaxée à faible contraste, c'est à dire à faible puissance crête. 6 - Appareil à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans le domaine dentaire, sur les tissus mous et sur les tissus durs. 7 - Appareil à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu actif est un cristal de YAG dopé au Néodyme, 8 - Appareil à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu actif est un cristal de KGW (Tungstate de Potassium et de Gadolinium dopé au Néodyme, 9 - Appareil à laser selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément déclencheur est un cristal de YAG dopé au Chrome.