Biophysique - Lasers Médicaux - Cours PDF

Biophysique Session d’enseignement : 1 semestre Année universitaire : 2024 / 2025 1ème année de Médecine Pr. Essendoubi Mohammed  Le Rayonnement LASER : Les lasers Médicaux I- Introduction: Définition et Historique II-Caractéristiques physiques d...

Biophysique Session d’enseignement : 1 semestre Année universitaire : 2024 / 2025 1ème année de Médecine Pr. Essendoubi Mohammed  Le Rayonnement LASER : Les lasers Médicaux I- Introduction: Définition et Historique II-Caractéristiques physiques des lasers III- Production d’un faisceau laser IV- Les différents types des lasers V- Classification des lasers médicaux VI-Applications des lasers en médecin et effets biologiques VII- Avantages de la chirurgie laser VIII- Sécurité Laser = Rayonnement électromagnétique  II-Caractéristiques physiques des lasers Sources de lumière très particulières = concentré spatial de la lumière - Directivité: le faisceau Laser à une propagation rectiligne et monodirectionnelle (dans un milieu homogène) - Mono-chromaticité: émission d’une seule longueur d’onde (une seul couleur)= lumière monochromatique - Puissance: tache lumineuse petite et très intense = Grande quantité d’énergie par unité de surface Laser = Rayonnement électromagnétique: - Cohérence temporelle : permet d’obtenir une émission d’un faisceau monochromatique (une seule fréquence = une seule couleur) en même temps - Cohérence spatiale : (les ondes en phase) permet d’obtenir une émission d’un faisceau rectiligne (directivité) monodirectionnel et dont l’énergie peut être transporté sur une longue distance III- Production d’un faisceau laser 1- Les éléments constitutifs des lasers 2- Principe du laser a- Emission stimulée b- Pompage optique c- Amplification des émissions  1- Les éléments constitutifs des lasers Un laser comporte principalement 3 éléments fondamentaux: Un milieu actif ou milieu amplificateur ( solide, gaz, colorant, semi conducteur) Dispositif d’excitation ( système de pompage) des atomes du milieu actif Cavité résonnante (deux miroirs un parfaitement fléchissant et l’autre semi-transparent) 2- Source électrique : excitation 3- Miroir réfléchissant 4- Miroir semi-réfléchissant 5- Faisceau laser 1- Cavité résonnante Milieu actif ou amplificateur est placé dans la cavité résonnante Schéma de principe d’un laser  2- Principe du laser a- Emission stimulée  Les photons émises sont différents Le phénomène d'émission stimulée La désexcitation de l'atome est stimulée par l'arrivée du photon incident. Le photon émis vient s'ajouter au champ incident : il y a amplification Les deux photons émises sont identiques Il faut donc trouver le moyen d'exciter les atomes vers l'état d'énergie supérieure? 2- Pompage Optique Réaliser l’inversion de population : n2 > n1 (Etat « normal » : n2 < n1 si E2 > E1) Obtenue par excitation : flash, décharge électrique… Le système de pompage assuré dans la cavité résonante le maintient de l’inversion de population, pour ramener à l'état excité les atomes qui sont repassés à l'état fondamental après l'émission stimulée. Il est nécessaire de fournir constamment un apport d'énergie extérieure aux atomes. On peut distinguer: - Pompage optique (Photon) - Pompage électrique (décharge électrique) - Pompage chimique c- Amplification des émissions Multiplication artificielle des interactions entre les photons et les atomes excités par l’emplacement du milieu actif entre deux miroirs parallèles dont un semi-transparent (la cavité résonnante). Les photons résultant de l’émission stimulée, réaliseront des aller-retour à l’intérieur de cette cavité et ainsi nous assisterons à une augmentation de l’intensité du rayonnement laser qui arrivera à traverser le miroir semi-transparent après le dépassement d’un certain seuil  émission d’un faisceau Laser  IV- Les différents types des lasers du milieu excité. a- Lasers à solide b- Lasers à liquide c- Lasers à gaz d- Lasers chimiques - Laser excimer e- Laser à semi-conducteur Lasers à solide: La puissance des lasers solides est considérable pouvant dépasser 109W Basés sur des réactions chimiques Les laser à semi conducteur sont utilisés principalement dans les diodes laser  V- Classification des lasers médicaux La classification des lasers médicaux se fait selon trois critères importants:  La longueur d’onde de l’émission  Mode d’émission des lasers  Densité d’énergie et puissance des lasers  La longueur d’onde de l’émission La longueur d'onde de la lumière du laser détermine sa couleur. La couleur du laser est un paramètre important au niveau de la pénétration des tissus: un laser vert à une profondeur de pénétration de 1 mm, alors qu'un laser dans le proche infrarouge pénètrera à 6 mm. Mode d’émission des lasers  Densité d’énergie et puissance des lasers La densité spatiale de puissance représente la puissance disponible par unité de surface. Si l'on focalise une certaine énergie lumineuse sur une toute petite surface, la densité d'énergie sera très grande (comme une loupe placée sous le soleil permet de mettre le feu à du papier). La densité de puissance Dp est définie par Dp [W / cm2] = P [W]. 100 /3,14. r2 [mm] où P est la puissance du laser et r le diamètre du point de focalisation. Exemples: VI-Applications des lasers en médecin et effets biologiques  Effet photochimique Effet thermique Effet photoablatif Effet mécanique  Effet photochimique Exemple : Thérapie Photodynamique 1- On injecte de l’hématoporphyrine qui va s’adsorbée sur les cellules tumorales 2- On éclaire la tumeur par le faisceau laser 3- Libération des radicaux libres et des molécules toxiques qui finissent par détruire la tumeur Effet thermique  Exemple: Traitement des angiomes plans Coagulation très localisée en neurochirurgie  Effet photoablatif  Une forte densité de puissance de lumière ultraviolette (entre 200 et 360 mn) a la capacité de dissocier les molécules chimiques en plusieurs fragments Exemples d’applications :  Ophtalmologie: traitement de la myopie, chirurgie cornéenne  Dermatologie : Excision de mélanome  Chirurgie dentaire : photoablation des carries  Effet mécanique Avec des pulses laser très courts et une focalisation extrême, on obtient des densités de puissance tellement élevées qu'on réalise un véritable claquage optique (semblable à un éclair dans le ciel, mais très ponctuel). Ce claquage crée un microplasma et par suite une onde de choc capable de détruire localement la matière en laissant intacts les tissus adjacents. Exemples d’applications : VII- Avantages de la chirurgie laser  SECURITE – Classification des lasers  Protection des patients et du personnel exposé: Maintenance est contrôle de qualité des appareils