L'essor du laser à fibre de thulium en urologie

Introduction

Les lasers à fibre présentent de nombreux avantages qui favorisent leur adoption dans un nombre croissant d'applications qui, jusqu'à récemment, dépendaient d'autres technologies laser (lasers à cristaux solides, lasers à gaz, semi-conducteurs, etc.) Les applications thérapeutiques des lasers existent depuis leur introduction dans les années 1960, et n'ont cessé de se multiplier et de se perfectionner depuis lors. Le laser à fibre thérapeutique représente un perfectionnement important car il ouvre de nouvelles possibilités pour améliorer la précision et le contrôle lors des interventions chirurgicales. C'est particulièrement le cas en urologie, où un nouveau venu, le laser à fibre de thulium (TFL), a tous les attributs pour détrôner le laser Ho:YAG, qui a été l'étalon-or pendant plus de 20 ans pour la lithotritie et d'autres traitements laser utilisés dans cette branche de la médecine.

Lithotripsie

La lithotritie est un traitement au laser dont le but est d'éliminer les calculs qui peuvent obstruer les voies urinaires (la vessie, les reins, les uretères et l'urètre). Le laser est acheminé par voie endoscopique dans les voies naturelles du patient, puis dirigé pour irradier les calculs avec l'énergie nécessaire à leur désintégration. Nous cherchons à obtenir des fragments de la plus petite taille possible, idéalement pour réduire le calcul en poussière.

Cela permet d'éviter de devoir retirer les fragments à l'aide d'un panier spécial ou d'autres instruments chirurgicaux, et de réduire la durée des procédures et les risques de complications. La taille des fragments dépend généralement des conditions d'irradiation, notamment de la longueur d'onde et de la durée des impulsions.

Lasers Ho:YAG

Le laser urologique Ho:YAG est un laser à l'état solide qui utilise un barreau cristallin pompé par une lampe flash comme support de gain. Le laser émet des impulsions à une longueur d'onde d'environ 2100 nm. À cette longueur d'onde, la majeure partie de l'énergie du laser est absorbée par l'eau dans les premiers 400 µm près de l'extrémité de la fibre optique utilisée pour acheminer le laser vers le site de traitement, ce qui rend son utilisation sûre dans un contexte endo-urologique. La technologie Ho:YAG a été progressivement perfectionnée au fil des ans pour améliorer les traitements et contrer certains problèmes tels que la rétropulsion. En effet, la désintégration d'un calcul produit une contre-réaction qui finit par repousser les calculs et oblige le chirurgien à les rechercher dans les uretères, et parfois dans les reins. Cela allonge la durée de l'intervention et, dans certains cas, peut empêcher l'accès aux calculs. Pour contrer cet effet, les fabricants utilisent une astuce qui consiste à créer d'abord un "tunnel de vapeur" avec une courte impulsion de faible énergie, suivie de l'impulsion elle-même qui, en utilisant ce tunnel, va ablater les calculs. Autre amélioration, la fréquence maximale de répétition des impulsions, initialement limitée à environ 15 Hz, peut désormais atteindre 100 Hz, une évolution motivée par la volonté de réduire rapidement et efficacement les pierres en poussière. Cela permet de réduire le temps d'opération compliqué et coûteux consacré à la manipulation des fragments.

Lasers à fibres de thulium

Le TFL utilise une fibre optique en silice dopée au thulium, le plus souvent pompée par des diodes laser à fibre émettant autour de 793 nm. En plus de son cœur dopé, la fibre active possède une gaine qui guide les photons de la pompe qui sont progressivement absorbés par les ions Tm à partir du point d'entrée. Grâce à cette fibre à double gaine, tant l'émission laser que la pompe sont guidées, contrairement à la propagation libre utilisée dans le laser Ho:YAG. Cette architecture est naturellement avantageuse pour la chirurgie laser endoscopique, car l'émission laser peut être couplée presque directement de la fibre de sortie du laser à la fibre de l'endoscope. Dans le cas du laser Ho:YAG, un système de lentilles calibrées est nécessaire et, en pratique, il est impossible de coupler la lumière dans une fibre dont le diamètre du cœur est inférieur à 200 µm. En comparaison, la TFL permet d'utiliser une fibre dont le diamètre du cœur est de 50 µm.

La longueur d'onde centrale du laser, située dans le spectre d'émission du thulium, est déterminée par celle des réseaux de Bragg qui servent de miroirs de la cavité (figure 1). Ces réseaux sont fabriqués dans une fibre passive à double enveloppe compatible avec une fibre active dopée au Tm. La TFL urologique est généralement conçue pour émettre à 1940 nm. Cette longueur d'onde étant plus proche du pic d'absorption de l'eau que celle du laser Ho:YAG, l'énergie laser est absorbée sur une distance plus courte - quatre fois plus courte en fait. Compte tenu du caractère exponentiel de l'absorption (loi de Beer-Lambert), le rayonnement de la TFL est absorbé environ 16 000 fois plus que celui du laser Ho:YAG sur une distance de 1 mm. Il en résulte une interaction laser-tissu ou laser-pierre beaucoup plus confinée et une réduction marquée de l'énergie minimale requise pour initier la formation de microbulles de vapeur.

Avantages du laser à fibre de thulium par rapport au laser Ho:YAG

Comparé au laser Ho:YAG, le confinement accru fourni par le TFL se traduit par un seuil d'ablation quatre fois plus bas. La conséquence est que pour une énergie donnée, le TFL permet de désintégrer un volume de pierres nettement plus important. En corollaire, l'énergie nécessaire à l'ablation d'un volume donné est réduite. La TFL est donc moins sujette à l'effet de rétropulsion. Un confinement accru signifie également un traitement plus sûr, avec moins de risques d'infliger des dommages collatéraux aux tissus environnants.

Dans le cas du TFL, les impulsions générées par la modulation directe du courant de la diode de pompage offrent une plus grande flexibilité et un meilleur contrôle des conditions d'irradiation sur des plages généralement plus larges. Alors que les impulsions produites par le laser Ho:YAG ont une forme irrégulière, comprenant typiquement plusieurs pics, celles du TFL présentent un profil presque rectangulaire avec une puissance de pointe qui varie très peu sur la durée de l'impulsion. Cette durée peut être réglée entre 100 et 12.000 µs, contre 50-1.300 µs pour le laser Ho:YAG. Le taux de répétition des impulsions peut être compris entre 5 et 2200 Hz, alors que pour le Ho:YAG le maximum n'est que d'environ 100 Hz (principalement limité par les effets de lentille thermique dans le cristal). Quant à l'énergie des impulsions, les deux technologies permettent d'atteindre un maximum d'environ 6 J, en revanche la TFL offre un contrôle plus fin dans le bas de la plage de réglage, avec une énergie minimale plus faible (25 mJ contre 200 mJ pour le Ho:YAG). C'est un atout précieux pour générer les plus petits fragments possibles (poussières) tout en limitant au maximum la rétropulsion.

Plusieurs études ont démontré la supériorité de la TFL en termes d'efficacité dans les traitements urologiques. Plusieurs facteurs expliquent cette supériorité. L'absorption très localisée du rayonnement provoque une vaporisation explosive de l'eau emprisonnée dans les interstices, les microfissures et les pores situés à la surface du calcul, ce qui génère des pics de pression accompagnés d'ondes de stress mécanique se propageant dans l'ensemble du calcul. Ces contraintes fragilisent la pierre tout en éliminant les débris du site d'irradiation. Dans le cas du laser Ho:YAG, il n'a pas été démontré que ce mécanisme intervient directement dans l'ablation. La taille moyenne des fragments est également réduite - en plus de produire plus de particules inférieures à 0,5 mm que le Ho:YAG, le TFL peut produire des particules extrêmement petites, inférieures à 0,1 mm. Il s'agit de véritables poussières. Les taux de répétition élevés produisent cette poussière à un taux plus élevé qu'avec le laser Ho:YAG. La réduction importante de la rétropulsion est un autre facteur déterminant de la durée des traitements TFL, car le chirurgien ne doit pas constamment réajuster la position de la fibre vers le calcul.

Autre avantage, l'utilisation de fibres de plus petit diamètre permet une plus grande flexibilité des endoscopes et la possibilité de traiter des sites autrement inaccessibles. L'espace libéré permet également d'augmenter l'irrigation et d'améliorer la visibilité.

Le TFL présente de nombreux autres avantages par rapport au laser Ho:YAG, notamment une consommation d'énergie près de 10 fois inférieure, l'absence de circuit à haute tension, un encombrement sept fois inférieur et un poids huit fois inférieur. Dans une salle d'opération, ces contraintes réduites favorisent grandement l'utilisation du TFL. Si l'on ajoute à cela des coûts de maintenance nettement inférieurs, cette nouvelle technologie devient presque irrésistible.

Les miroirs de cavité du TFL

Le succès du TFL en urologie dépend de la disponibilité de composants fiables dans le contexte d'utilisation propre à ce type de laser, dont font partie les miroirs de cavité. Ces réflecteurs à réseau de Bragg doivent répondre aux exigences de base suivantes :

• Longueur d'onde centrale de 1940 nm.
• Puissance de crête d'au moins 600 W à 1940 nm (signal laser), pour des impulsions d'une milliseconde
• Puissance de crête d'au moins 1300 W à 793 nm (pompe laser), pour des impulsions de l'ordre de la milliseconde.
• Disponibilité des fibres passives à double gaine au format 25/400 (noyau de signal de 25 µm de diamètre, gaine de pompe de 400 µm de diamètre).

Les lasers à fibre de haute puissance sont largement utilisés dans la bande de l'ytterbium (longueur d'onde typique de 1080 nm) pour les applications industrielles de découpe et de soudage, avec des puissances de fonctionnement de 3 kW ou plus par cavité. Les miroirs de cavité qui peuvent fonctionner à ce niveau de puissance sont disponibles auprès de plusieurs fournisseurs et sont fiables car la technologie est éprouvée à cette longueur d'onde. En outre, les miroirs à cavité doivent relever des défis spécifiques pour fonctionner dans la bande du thulium. Le principal défi consiste à empêcher l'échauffement des réseaux, et les procédés de fabrication utilisés pour les réseaux de 1 µm ne permettent pas d'obtenir la fiabilité attendue à 2 µm. Au lieu de cela, une température excessive du réseau entraîne généralement des dommages de type fusible de fibre (figure 2).

indie a lancé les miroirs de cavité de la série HPR Med-2, qui sont des réflecteurs à réseaux de Bragg spécifiquement conçus pour répondre aux exigences des TFL médicales. Des procédés uniques permettent de limiter considérablement (facteur 10) l'échauffement des réseaux par rapport aux procédés conventionnels, comme l'illustre la figure 3. Cette réduction de l'échauffement se traduit également par une réduction mesurable (jusqu'à un facteur 3) du décalage de la longueur d'onde du laser en fonction de la puissance de sortie, comme le montre la figure 4.

Avec de faibles pertes d'insertion, les réflecteurs de la série Med-2 permettent de produire des cavités laser moins susceptibles d'initier le phénomène d'auto-pulsation, où des impulsions de haute énergie peuvent causer des dommages significatifs aux composants de la chaîne optique. Le produit peut être configuré pour différentes conceptions de cavités, que ce soit en termes de réflectivité, de largeur de bande ou de type de fibre. Les performances de ces miroirs de cavité sont hautement reproductibles d'une unité à l'autre, ce qui permet d'obtenir des performances laser également reproductibles.

Conclusion

Avec tous leurs avantages, les TFL sont appelés à remplacer progressivement les lasers Ho:YAG utilisés en urologie. La transition a déjà commencé et indie est fière d'y participer en proposant des produits innovants, efficaces et fiables, spécifiquement conçus pour ce type de laser.

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