Le laser femtoseconde en chirurgie ophtalmologique

Nous remercions beaucoup le Dr Dan Lebuisson (Clinique de la Vision, Paris France), pour son aide précieuse lors de la réalisation de ce chapitre.

Introduction

L'utilisation d'un laser femtoseconde en chirurgie ophtalmolgique et en particulier en chirurgie réfractive va sans doute permettre une augmentation de la sécurité des techniques et une amélioration des résultats post-opératoires.

Le laser femtoseconde est un nouvel outil chirurgical destinée aux coupes et découpes de la cornée. Ce laser ne produit pratiquement aucun effet délétère persistant connu une fois les réglages effectués. Il apporte une simplicité d'utilisation alliée à une grande précision et sécurité. Il offre de nouvelle perspectives pour nombre de chirurgies réfractives cornéennes ainsi que pour certaines actions thérapeutiques. Le système est éprouvé aux USA (120.000 procédures déjà réalisées semble-t-il) et est arrivé dans notre pays.

Son seul inconvénient est son prix (400.000 euros). Il ne s'oppose pas aux microkératomes mécaniques qui conservent des indications limitées à la constitution du volet cornéen et dont, pour les plus modernes, le maniement est connu et encore susceptible d'amélioration.

Ce laser est un dispositif de classe IIb avec un interface de classe IIa. Le principal bénéfice est de procurer un volet lisse, homogène, régulier et très prédictible. C'est un instrument privilégié au moment où la tendance se profile nettement en faveur de volet mince.

Il semble que d'autres domaines de l'ophtalmologie puissent bénéficier de l'apport de ce laser, dans les années à venir, que ce soit les greffes de cornée ou la chirurgie des glaucomes.

Physique

Le laser femtoseconde a été inventé au début des années 80 et put être commercialisé dès 1990. La caractéristique principale de cet appareil est de travailler avec des impulsions extrêmement brèves, de l'ordre de la femtoseconde, soit 10^-15 seconde (0,000000000000001 seconde). Cette faible durée d'impulsion permet d'éviter les effets thermiques. En effet le rayon laser est tellement bref qu'il ne peut pas faire bouger les atomes, il a en revanche comme effet d'arracher les électrons des atomes (ionisation) et donc de former des ions qui vont créer un plasma froid (mélange gazeux d'ions et d'électrons). L'énergie transférée aux électrons ne leur permet pas d'aller très loin, et on assiste à une recombinaisons des ions dans un espace proche de l'ionisation. Il y a vaporisation de la matière, en la sublimant (passage de l'état solide à l'état gazeux). Cela va aboutir à la création de plus de 600.000 petites bulles de gaz contiguës.

Ce femto laser est un laser solide qui fonctionne dans l'infrarouge (1053nm) , et qui permet une découpe améliorée du capot cornéen pratiquée dans la technique du lasik. Il offre même la possibilité d'une chirurgie sans instrument. On arrive en effet à créer une cavité intra-stromale sans utilisation de microkératome. Le lecteur pourra parcourir la page du lasik pour comprendre les notions de base.

Ce laser agit dans un milieu d'amplification solide et créant en unité femtoseconde des mini spots espacés de 5 à 12 µm se rejoignant avec cavitation au sein du stroma cornéen (création de microcavitations contiguës). Les différents points de photodissection sont contrôlés par le repositionnement répété du foyer du laser. L'impulsion est courte: moins de 500 femtoseconde pour une puissance de 10⁹ W.

La progression du tir s’effectue à partir de la charnière et va vers la profondeur avec une précision telle que la déviation standard théorique n’est que de +/-4 µm pour une déviation clinique de 12 µm ce qui est actuellement le système le plus précis. Une fois focalisé au plan choisi il se produit une rupture optique à basse énergie sans effet thermique ni de souffle dans le plan lamellaire prédéterminé. Il n’ y a pas d’ablation de tissu mais micro dissection intra lamellaire par création de bulles mixant de l'eau et du carbone dioxyde. L'obtention de cet effet nécessite une grande vitesse photonique et des impulsions très denses pour permettre un claquage optique par activation du champ électro-magnétique en conservant des volumes plasmatiques et ioniques voisins. A partir du point focalisé de l'impulsion il se produit une onde provoquant la libération d'un gaz qui écarte les tissus, diffuse et se dilue en laissant à la fin de sa disparition une zone de mini ablation tissulaire. Le retentissement sur les couches tissulaires supérieures et inférieures est nul.

Il y une forte puissance de crête au niveau de l'impact, grâce à la faible durée de l'impulsion. On observe une absorption multiphotonique importante dans le matériau: le milieu transparent devient localement absorbant.

Pour avoir une idée de la puissance locale, on peut dire que l'impact est d'une puissance de 1mw, avec un taux de répétition de 10 KHz, une surface irradiée de 1µm², une durée d'impulsion de 500 femtosecondes. On observe une énergie par impulsion de 0,1µJ, un fluence de 10J/cm², et une puissance de crête de 2.10¹³ w/cm², soit 20 terawatts/cm² (10¹²) ou 0,02 petawatts/cm² (10¹⁵), ce qui est extrêmement élevé.

Ces techniques évoluent beaucoup actuellement dans différents domaines, ainsi la femtochimie a été récompensée par le Prix Nobel de chimie en 1999.

On a déjà travaillé sur des lasers qui délivrent des impulsions de durée encore plus brève, de l'ordre de l'attoseconde, soit 10^-18 seconde (0,000000000000000001 seconde). En dehors des difficultés importantes pour mettre au point ce type d'attolaser, les électrons recevant une très grande énergie vont être très accélérés et traverser des distances importantes. Ils seraient responsables de lésions organiques majeures (altérations de l'ADN, création d'ions oxydants), donc on peut penser qu'on ne s'en servira pas encore en médecine.

Utilisation en ophtalmologie

C'est la société IntraLase Corp., Irvine, CA. qui a mis au point le laser ophtalmologique, d'une longueur d'onde de 1 µm, délivrant des impulsions d'une durée de 500 femtosecondes, après avoir mis une lentille contre la cornée pour aplanir celle-ci.

L'appareil IntraLase FS2

En été 2004, il n'existe qu'une seule machine laser femtoseconde commercialisée et elle est marquée CE. La firme IntraLase le construit aux Etats Unis et a déjà vendu près de 150 laser FS 1 6 essentiellement et FS 2 depuis mai 2004 dont la majorité la première année aux USA. L'expérience est donc fondée sur les données américaines cliniques. Les premières machines sont arrivées en France en juillet 2004. Le FS 2 offre 3 modes de balayage pour la création de volets lamellaires. Le plus utilisé est en trame par déplacement à partir de la charnière. L'option poche est seulement utilisable avec ce mode et permet d'éliminer les bulles de cavitation en réalisant une résection au niveau de la charnière mais en dehors du périmètre de coupe.

Le coût de la machine est élevé: 400 000 € catalogue en France (Smart Optic). Chaque kit d'interface patient est à usage unique et offre un anneau comportant une lentille plane et est vendu à 150 € catalogue. C'est dire que la procédure est chère et demande des débits significatifs pour simplement couvrir le retour sur investissement. Seuls des établissements privilégiés ou des chirurgiens économisant sur leurs derniers deniers seront en mesure de s'équiper, rappelant un peu ce qui s'est déroulé avec les premiers lasers excimers. L'économie entraînée par l'absence de lames, de stérilisation de temps infirmier…ne couvre que partiellement la dépense.

La société 20/10 Perfect Vision propose aussi un laser femtoseconde qui ne demande pas d'aplanation, car une lentille courbe focalise le rayonnement dans la cornée, c'est le laser Femtek.

Le Laser Femtek

Ce dispositif est construit en Allemagne mais n'est pas distribué en France. Il n'est pas encore vendu et son homologation en marquage CE n 'est pas terminée en juin 2004. Son principe et ses mécanismes sont proches de L'intraLase. La fréquence de tir du Femtek est très inférieure à celle de L'lntraLase FS2. Il en diffère surtout par l'anneau d'immobilisation qui ne demande pas d'aplanation puisque le tir assure son propre alignement par perpendicularité.

Des études sont en cours dans tous les pays pour construire des machines. En France, Bordeaux possède un pôle de spécialisation technologique s'intéressant industriellement à cette question.

Buts de la technique

La première utilisation a été la création d'un volet cornéen pour lasik, sans utiliser de microkératome. Ces appareils mécaniques sont en effet délicats à manipuler et il peuvent entraîner des problèmes per-opératoires (blocage en cours de coupe, mauvais contrôle de l'épaisseur du capot, débris métallique dans l'interface...).

Le laser va permettre une découpe très régulière du capot cornéen, en créant une ligne nette de coupe à la profondeur désirée dans le stroma. C'est la vaporisation qui va être à l'origine des minuscules bulles. L'ophtalmologiste hongroise Imola Ratkay fut la première à utiliser ce laser sur des yeux humains. Elle a nommé la procédure femto-lasik.

Le laser fut développé par le physicien hongrois Tibor Juhasz, qui est professeur à l'Université du Michigan et cofondateur de la société IntraLase. Dès 1999 la FDA américaine permit l'utilisation de ce laser en remplacement des microkératomes habituels.

Le laser est utilisé dans différents centres aux USA et en Europe, et doit être diffusé plus largement.

D'après le Dr Ratkay, cette technique permet une meilleure prédictibilité opératoire et un confort meilleur pour le patient. Comme il n'y a pas d'utilisation de lame coupante, il y a moins de risque de contamination et d'infection de l'interface, ou d'envahissement épithélial (voir la page sur les complications du lasik).

On obtient un meilleur contrôle de l'épaisseur du capot et de son diamètre. On peut aussi placer la charnière là où on le désire. Le dernier laser qu'elle utilise provoque la formation de bulles de 2 à 3 microns.

Pour la réalisation, l'ophtalmologiste place un anneau de succion pour maintenir l'oeil puis place un verre de contact spécial qui va aplatir la cornée. Le laser pourra alors agir, après vérification du centrage. A la différence du lasik habituel, la pression intra-oculaire ne monte que jusqu'à 30 mmHg durant le fonctionnement du laser. Le laser, jusqu'à présent était réalisé à partir du centre de la cornée, en colimaçon vers la périphérie, avec des impacts de 3 microns environ.

Début du laser femtoseconde

Fin du laser femtoseconde

Images dues à l'obligeance de emedicine.com

Photographie en fin de laser
la zone (temporairement) blanchâtre correspond à la zone d'ablation

Les récents lasers ont un fonctionnement différent, avec un balayage progressif frontal.

Réalisation

L'immobilisation du globe est obtenue par la pose d'un anneau de succion et d'aplanation simple ne demandant aucun contrôle et dont le vide est créé par une simple seringue à usage unique. Ce n'est plus 65 mm Hg comme avec les pompes conventionnelles mais simplement 30 à 40 mmHg, ce qui réduit les potentiels inconvénients maculaires.

Les avantages du femtolaser parlent d'eux mêmes: aucun risque infectieux n'existe en raison du caractère à usage unique du blépharostat et de l'anneau. L'absence de lames écarte tout risque industriel ou de manipulation. Aucune humidification n'est demandée. Surtout l'appareil, comme en informatique avancée, procure un WYSYWIG ( what you see is what you get). C'est à dire que les paramètres affichées sont ceux qui sont réalisés et ceci est quelque chose d'inconnu en dispositif mécanique où existe toujours un danger de décalage, d'altération ou de dimension inadéquate.

Mais il existe un revers: les bulles de gaz procédant d'ionisation ne peuvent s'évacuer rapidement que si la cornée est soulevée sinon elles persistent plusieurs dizaines de minutes. C'est la raison pour laquelle le tempo de l'opération demande une réflexion d'organisation. La gestion des flux de patients va être modifié selon le modèle de l'allocation préalable de plages avec processus d'ajustement. Si le traitement laser excimer est immédiat, ce qui est possible, le patient doit être opéré sur le lit de ce laser avec pivotement vers le laser femtoseconde pour le premier temps. Il peut aussi être opéré dans une autre salle et être guidé durant quelques mètres vers la seconde salle. Sinon le patient attend la dissolution gazeuse et peut être opéré 20 minutes à des heures plus tard. Heureusement cet inconvénient est largement contre balancé par d'autres avantages.

Le laser Femtoseconde est précis: il arrive, dans les séries publiées, à la déviation standard la plus faible et une nette diminution des valeurs extrêmes. Cette propriété autorise donc à effectuer des volets de valeur définie et tout particulièrement des volets fins. Ces derniers sont recommandés en cas de cornée mince ou d'ablation importante et cherchant à conserver une grande zone optique. En effet, comme la zone de découpe périphérique est très peu large la zone d'ablation n'empiète plus sur elle et peut être grande.

L'association traitement aberrométrique et découpe IntraLaser n'a jamais fait l'objet d'une publication mais on ne discerne pas pour quelle raison elle ne pourrait pas se faire compte tenu de la qualité des résultats visuels et anatomiques connus.

La qualité du volet est surprenante: les plis et stries importantes sont exceptionnels. Le volet n'est pas toujours aussi translucide à 24 heures qu'avec une découpe mécanique mais elle se rétablit le jour suivant. Les ennuis épithéliaux ne sont plus décrits

Une contrainte existe: chaque appareil justifie une courbe d'apprentissage de la machine par le chirurgien car la sophistication optique est si grande que les réglages d'énergie ne sont pas les mêmes pour chaque machine. Le chirurgien se repose, au départ, sur des préconisations fabricants mais il doit adapter les facteurs selon les résultats obtenus. D'une manière générale les opérateurs réduisent l'énergie avec leur expérience ( en moyenne autour de 1,6 à 3,5 mj ) afin d'écarter les réactions inflammatoires observées avec les tous premiers cas trop surexposés. La console permet de faire varier l'espacement entre les spots et donc de jouer sur le temps de découpe pour faciliter ou non le soulèvement.

La découpe est planar c'est-à-dire que la périphérie n’est plus ménisquée mais ici parallèle avec un bord droit ou angulé au mieux à 70°. La position de la charnière est au choix du chirurgien ( souvent 45°). Le volet se remet donc en place non seulement très facilement mais avec une importante cohérence car les bords abrupts ne laissent plus de place à des variations de positionnement où à des plis. En cas de perte de succion il n’ y a aucun risque de lacération, de trous…l’épithélium demeure intact. La reprise peut être immédiate en prenant soin d'alors ôter 0,1 à 0,2 mm au diamètre affiché et de désamorcer la poche.

Les lames de collagène du stroma cornéen se prêtent bien à un clivage gazeux dilacérant les appositions. La découpe d'un volet épais de 110 µ pour un diamètre de 9,3 mm demande environ 35 à 45 secondes y compris le temps de fente frontale. Le guidage sagittal s'effectue par scannérisation, le trajet de la berge est lui hélicoïdale. Cette dernière n'est jamais totale ouverte car il persiste des ponts peu résistants mais suffisamment encore adhésifs pour qu' il soit toujours nécessaire de recourir à une petite spatule pour soulever le volet.

En ce sens le volet laser est un peu plus long à réaliser ( 30 à 45 secondes de plus ) et moins facile à lever qu'avec un microkératome. Mais une fois décollé sur une partie le reste vient à la manière d'un resoulèvement traditionnel. L'écran de l'appareil permet de contrôler le déroulement.

L'avenir ?

Le Dr. Slade, (The Laser Center, Houston) conclut : "However, rather than thinking of it as a laser keratome, I regard it more as a very versatile laser knife that has the potential ultimately to replace the diamond and metal instruments used throughout ophthalmic surgery."

("Cependant, plutôt que de le considérer comme un microkératome laser, je le vois plutôt comme un bistouri laser polyvalent qui a le potentiel de remplacer le bistouri diamant et les instruments métalliques utilisés actuellement pour la chirurgie ophtalmologique").

Les avantages de cette technique dans les réalisations de capots sont

• la diminution des incidents liés à l'utilisation des microkératomes,
• l'absence d'hyperpression intraoculaire dans le maintien de l'oeil,
• une découpe de grande qualité,
• l'interruption possible de la procédure sans dégât,
• une amélioration de la géométrie du capot,
• des risques d'invasion épithéliale et de sécheresse oculaire diminués
• la diminution du risque infectieux,

Les inconvénients sont :

• un prix élevé de l'appareillage, et donc de la procédure
• la nécessité de l'utilisation successive de deux lasers au cours de la procédure (femtolaser puis laser excimer), avec un allongement du temps de l'intervention
• une jeunesse de la technique, avec une pression marketing non négligeable,
• des conséquences iatrogènes qu'on ne connaît pas bien encore,
• un doute sur la géométrie exacte des bulles créées dans la cornée, la régularité de la surface et l'aspect rééel de la superposition des bulles et des cavités résiduelles.

Les tunnels cornéeens

La pose des implants cornéens pour le traitement des petites myopies ou des kératocônes frustes va bénéficier largement de ce laser Femtoseconde. En effet le tunnel demande une durée de 15 secondes pour être réalisé sans aucun risque de fausse route et en conservant le situation et profondeur adéquate. Cette facilitation ouvre la porte au procédé additif qui était jusqu'ici contraint par la difficulté de réalisation mécanique.

Les lenticules intracornéens

Le traitement actuel des hypermétropies repose dans certains cas sur la pose d'un inlay* c'est à dire d'une petite lentille correctrice glissée dans le stroma cornéen. Au delà des considérations sur la tolérance et le bien fondé de la technique, la création de la poche par laser femtoseconde rend l'opération très simple et facilement réversible.

Les premiers résultats sont très prometteurs. La lentille bi ménisquée est épaisse de 25 à 60 µ en son centre et de 10 µ en périphérie. C'est un matériel acrylique hydrophile Nutrapore * de PermaVision* à 78 % dont l'optique mesure 5 mm et possède un indice de réfraction de 1,375 avec micropores > 1000 MW. La méthode ne s'adresse qu'aux hypermétropes < 6 dioptries. Marquage CE effectif et début des cas cliniques débuté en France en mai 2004.

Un laser réfractif direct ?

Ce n'est pas impossible et l'une des pistes est, par exemple, de réaliser un tunnel large, circulaire, en milieu de périphérie cornéenne, pour traiter par simple effet de photodisruption-ablation une compensation hypermétropique. Les réglages de l'appareil sont cruciaux car il y des relations étroites entre l'énergie et les effets créés et il est possible de jouer entre eux. Pour les petites myopies il sera peut-être possible de procéder ainsi en cas de retouche pour sous correction.

Greffes de cornée

La kératoplastie lamellaire profonde

Elle constitue une bonne indication car il n'y a pas de limite à la profondeur de la découpe. Les premiers cas commencent à être décrits. La congruence sera si bonne que la question de l'astigmatisme sera résolue de façon très significative. La durée de l'intervention est aussi très raccourcie. La greffe endothéliale cornéenne est aussi l'une des voies d'approche.

On peut imaginer une utilisation nouvelle de ce laser, par la création d'un tenon et d'une mortaise au niveau du donneur et du receveur. Il serait ainsi peut-être possible de ne pas mettre de fils, à l'origine de l'astigmatisme parfois important qui altère la vision du patient.

Glaucome

Des essais ont déjà été réalisés pour utiliser le femto-laser dans la création de trappes ou de tunnels intra-scléraux.

Conclusion

Dr Dan Lebuisson: "Désormais le Lasik avec IntraLaser Femtoseconde est certainement le premier standard de l'opération. Ce procédé ne s'oppose pas à la technologie du microkératome mécanique qui conserve sa place et sa légitimité en dépit du progrès sécuritaire apporté par le tout laser. Dans une époque où les chirurgies vont répondre à un mode de gestion para-industriel, le coût élevé restera le principal obstacle au développement du femtoseconde. La chirurgie aberrométrique et/ou assistée est, en parallèle, un progrès associé et souvent nécessaire haussant la qualité globale du lasik 2004".

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