Chapitre 22 - Rayonnement optique - Applications médicales et laser (PDF)

Chapitre 22 Rayonnement optique – Applications médicales et laser Pr François Bochud FBM – BMed – module B1.1 Cours de physique générale  Objectifs Décrire le principe général de la production d'un rayonnement laser, en prêtant attention aux notions d'émissions spontan...

Chapitre 22 Rayonnement optique – Applications médicales et laser Pr François Bochud FBM – BMed – module B1.1 Cours de physique générale  Objectifs Décrire le principe général de la production d'un rayonnement laser, en prêtant attention aux notions d'émissions spontanée et stimulée ainsi qu'aux miroirs Distinguer les effets biologiques du rayonnement optique Citer quelques applications du rayonnement optique mis à profit en diagnostic et en thérapie  Quel type de rayonnement est utilisé pour stopper le chronomètre lors d'une compétition d'athlétisme ? 1. Onde sonore 2. Onde ultrasonore 3. Rayonnement électromagnétique polychromatique 4. Lumière amplifiée par émission stimulée de la radiation 5. Aucune idée Interactions entre le rayonnement optique et la matière sont de 2 types : diffusion ou absorption. En médecine le rayonnement diffusé peut être utilisé pour le diagnostic également le cas lors d’une absorption faible intensité À forte intensité l’énergie absorbée peut être mis a profit en thérapie ou en chirurgie Le rayonnement optique est souvent utilisé sous forme de laser ( monochromatiques, en phase, unidirectionnel et polarisé). Il est produit dans une cavité délimitée par 2 miroirs Le pompage consiste à déposer de l’énergie dans la cavité afin d’exciter les atomes qui s’y trouvent. Le rayonnement laser est initié par une émission spontanée puis amplifiée par une cascade d’émissions stimulées. La distance entre les miroirs est telle qu’elle génère des interférences constructives dans la cavité. Pour que le rayonnement soit suffisamment intense il est utile d’avoir 2 niveaux excités : 1 permettant le pompage depuis le niveau fondamental et un autre de niveau inférieur au 1er mais de plus longue durée de vie : métastable  Interaction du rayonnement optique avec le tissu biologique Le rayonnement optique interagit avec le tissu biologique par divers processus qui peuvent être grossièrement classés en diffusion et absorption La diffusion peut être élastique (sans perte d'énergie lors de l'interaction), ou inélastique (avec perte d'énergie). Le rayonnement diffusé ou les vibrations moléculaires qui en découlent peuvent être analysés et cartographiés pour le diagnostic et l'imagerie. Lors d'une absorption, l'énergie des photons est convertie en énergie électronique (excitation) ou vibrationnelle dans la molécule absorbante. Une partie de cette énergie peut être réémise par luminescence (fluorescence), ou sous la forme d'une onde acoustique (photoacoustique). Une telle émission contient des informations sur la structure du tissu qui peuvent servir de base au diagnostic et à l'imagerie. D'autre part, l'absorption d'énergie par les tissus peut générer de la chaleur (effets photothermiques), des ondes mécaniques (effet photomécanique), des réactions chimiques (effets photochimiques) et des processus biologiques (effets photobiologiques). La thérapie optique et la chirurgie utilisent ces effets de manière contrôlée.  Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Rayonnement laser ? Comment est-il produit ? Il existe des lasers dans la gamme IR, visible, UV et même rayons X. Le terme "laser" ne se rapporte donc pas à une gamme de fréquences mais à des propriétés du rayonnement, dont les principales sont : Il est monochromatique. Chaque photon émis a la même énergie, qui est déterminée par la différence entre deux orbitales des atomes du milieu laser. Il est en cohérent. Chaque onde associée à un photon est en phase Il est très directionnel. Le faisceau est quasiment parallèle. Il est polarisé. Qu'est-ce qui caractérise un rayonnement laser ? pour les questions qui suivent, choisissez le type de rayonnement qui a la propriété énoncée 1. laser 2. conventionnelle  Les photons émis ont tous la même longueur d'onde 1. laser 2. non- laser 1. laser 2. conventionnelle énergie définie par le matériau laser e- produit un rayonnement monoénergétique ou monochromatique  Les photons émis ont tous la même phase 1. laser 2. non- laser 1. laser 2. conventionnelle   x  sin  2π + 0   λ  x/λ Interférence  phase x π rayonnement e Ondes en opposition sin  2π −  en phase +1/4  λ 2 de phase (modulo 2π) (π)  x  sin  2π − π  +1/2  λ  + +  x  sin  2π − 2π   λ  interférence memefordee n aux plus interférence +1 constructive destructive  Les photons laser sont en phase Le rayonnement est dit cohérent out tous photons la même phase entre eus Dans la lumière classique, il n'y a aucune corrélation entre les phases des différents photons pas de cohérence  L'intensité du rayonnement est inversement proportionnelle au carré de la distance à la source 1. laser 2. non- laser 1. laser 2. conventionnelle  N0 photons passent N0 photons passent par la surface S par la surface S parallèle trajectoirele mime nombre de photons toujours sur la distance lunière par de maniere isotopPoulerections N0 photons passent par distance r21 la surface S=4π r12 Layony augmente la distence N0 photons passent du rayon par la surface S=4π r22  1'000'000 W/m2 à1m 20 W laser CO2 8 W/m2 100 W  Deux types d'émission impliquées dans un laser lumiere election ser faire > - ⑪ mo election excitation (pompage optique) orbital dans une émission spontanée libie dans une direction aléatoire excité fondamental il y a concurrence entre les deux types d'émission electronstimulet en - - pour r moment du du passage procor - To emis photon Se photons deplacent émission stimulée ensembl dans la direction du photon incident dans les minetir en e en phase avec le photon incident Lorsqu'un atome absorbe de l'énergie, cela peut conduire un de ses électrons dans un état excité La désexcitation peut se faire par l'émission spontanée d'un photon dont l'énergie est égale à la différence d'énergie entre les deux orbitales (rayonnement de fluorescence) Elle peut également se faire de manière stimulée par un photon qui aurait la même énergie ; le résultat est alors deux photons de même énergie, se déplaçant dans la même direction, avec la même phase et la même polarisation : faisceau cohérent Excitation d'un électron suite à l'absorption d'un photon ayant exactement l'énergie nécessaire pour passer du niveau fondamental au niveau excité. Emission spontanée d'un photon à la suite de la désexcitation d'un électron. Emission stimulée suite à l'interaction avec un photon dont l'énergie est égale à la différence entre les deux niveaux d'énergie de l'électron. Il en résulte deux photons de même énergie, de même phase et de même polarisation.  Principe de fonctionnement d'un laser Laser au repos miroir miroir cavité laser atome dans l'état fondamental  Principe de fonctionnement d'un laser De l'énergie est pompée dans le milieu laser ; des atomes sont excités 1. pompage optique : amener les dans in electrons tatat font excite : 2. émission spontanée spontanerun emission miroir miroir Photons 3. émission stimulée envoir dans des de directions 4. amplification par les miroirs 5. sortie du rayonnement laser atome dans l'état fondamental 2 atome dans l'état excité  Principe de fonctionnement d'un laser Les photons dont la trajectoire est perpendiculaire aux miroirs sont les seuls qui survivent ; ils produisent des émissions stimulées sur les danenbonnedirecte ne atomes excités. photonsarrivant 1. pompage optique 2. émission spontanée miroir miroir 3. émission stimulée 4. amplification par les miroirs 5. sortie du rayonnement laser élimination des photons qui ne font pas de réflexion perpendiculaire sur les miroirs atome dans l'état fondamental atome dans l'état excité  Principe de fonctionnement d'un laser des photoesite S'il r este 1. pompage optique Damplifi 2. émission spontanée ana miroir miroir 3. émission stimulée 4. amplification par les miroirs 5. sortie du rayonnement laser atome dans l'état fondamental atome dans l'état excité  Principe de fonctionnement d'un laser 1. pompage optique 2. émission spontanée miroir miroir 3. émission stimulée 4. amplification par les miroirs 5. sortie du rayonnement laser émissions stimulées entre les miroirs  Principe de fonctionnement d'un laser 1. pompage optique 2. émission spontanée miroir miroir 3. émission stimulée 4. amplification par les miroirs 5. sortie du rayonnement laser émissions stimulées entre les miroirs  Principe de fonctionnement d'un laser Un faisceau laser étroit sort de la cavité par un miroir semi‐transparent. 1. pompage optique 2. émission spontanée 3. émission stimulée 4. amplification par les miroirs 5. sortie du rayonnement laser les photons sont miroir en phase semi-transparent peuvent sorti miroir Le fonctionnement d'un laser est en partie contenu dans son nom, car il s'agit de l'acronyme anglais : light amplification by stimulated emission of radiation. Les principales étapes de production d'un rayonnement laser sont les suivantes 1. Pompage du milieu laser. Cela consiste à pomper de l'énergie dans le milieu laser, par exemple avec des flashs de lumière ou des décharges électriques. L'énergie est choisie de manière à placer certains électrons sur une orbitale moins liée, où ils vont stationner durant un temps non négligeable. 2. Emission spontanée. Une fois que le milieu laser est pompé, certains atomes se désexcitent en émettant spontanément un photon. 3. Emission stimulée. Un photon produit par émission spontanée est capable de produire d'autres photons d'énergie et de phase identiques en interagissant avec d'autres atomes excités. 4. Amplification sélective. Deux miroirs parallèles placés à chaque extrémité du milieu laser permettent aux photons d'avoir des réflexions multiples. Les photons ayant un angle d'incidence différent de 90° sont rapidement absorbés par les parois, alors que les autres sont réfléchis d'un miroir à l'autre, ce qui leur fait traverser le milieu laser un très grand nombre de fois. Ils peuvent donc induire un grand nombre de photons ayant la même énergie, la même phase et la même direction de propagation. Ces photons peuvent à leur tour produire de nouveaux photons par émission stimulées, s'il reste des atomes excités. 5. Rayonnement laser utile. Les photons ne font pas des allers‐retours infinis dans le milieu laser, car un des deux miroirs est semi‐transparent. Cela permet d'extraire une partie du rayonnement.  Pompage a 3 niveaux et inversion de population Pour que l'amplification sélective puisse avoir lieu en continu, il faut qu'il y ait davantage d'électrons dans l'état excité (Ne) que dans l'état fondamental (Nf). : inversion de population. Si ce n'est pas le cas, les photons laser sont majoritairement utilisés pour exciter les électrons de l'état fondamental et le rayonnement cohérent produit par les émissions stimulées diminue rapidement. On peut obtenir un rayonnement laser avec deux niveaux énergétique mais seulement de manière pulsée. Une fois que le nombre de photons émis décroît, le processus doit être relancé avec une nouvelle opération de pompage. Pour avoir un rayonnement laser continu, il faut avoir au minimum trois niveaux énergétique afin de procéder à l'inversion de population en même temps que les émissions stimulées. cela consiste souvent à utiliser des matériaux qui contiennent un troisième niveau énergétique, légèrement inférieur à l'état excité, dont la période est plus grande (typiquement 1 ms, contre 100 ns pour le niveau excité) : niveau métastable, peut se peupler en 2 étapes Tout d'abord, un pompage d'énergie externe peuple les états excités. Ensuite, comme la période du niveau excité est courte, les électrons peuplent rapidement les états métastables, ce qui produit l'inversion de population : Nm >> Nf. Suite à cela, la longue période de cet état permet aux photons qui en sont issus de stimuler d'autres électrons à l'état métastable. certains de ces photons pourront aussi directement exciter des électrons de l'état fondamental à l'état métastable, mais le pompage permet de garantir que la majorité des électrons de l'état fondamental passe dans l'état métastable, via l'état excité. le pompage à trois niveaux permet d'avoir une inversion de population avec une énergie de pompage externe essentiellement utilisée pour vider le niveau fondamental et remplir le niveau métastable, via le niveau excité. Comme le niveau métastable est légèrement inférieur au niveau excité, les photons de cette énergie sont essentiellement utilisés pour produire une cascade d'émissions stimulées.  Miroirs du laser Pour que les miroirs puissent effectivement jouer le rôle d'amplificateur de photons dans le milieu laser il faut prendre en compte les propriétés ondulatoires du rayonnement : selon la distance L (généralement beaucoup plus grande que λ de sorte que m soit grand) séparant les miroirs, les processus d’interférence peuvent être constructifs ou destructifs Dans le cas du laser les photons sont en phase et on la même longueur d’onde λ201et L doit être telle que les ondes réfléchies interférent avec les ondes incidentes de manière constructives pour produire des ondes stationnaires. Ces ondes stationnaires doivent avoir un noeud a chaque extrémité pour que la sommes des ondes incidentes et réfléchies soient nulles sur les miroirs L= m Les longueurs d'onde qui ne satisfont pas à cette relation sont supprimées par interférence destructive L’espace entre 2 miroir : cavité résonnante, uniquement certaines longueurs d’onde peuvent y résonner  Les miroirs ont deux fonctions 1. Sélectionner les interférences L constructives miroir 1 2. générer une onde l'onde réfléchie a stationnaire une amplitude (résonance) opposée à l'onde incidente interférence onde incidente → ← onde réfléchie somme = 0 sur le miroir  Génération d'une onde stationnaire possible uniquement si L = multiple de λ/2 λ/2 O-Multiple d'une deni d'ondes https://simbucket.com/standingwaves/ longueu ondestation wieend'interferences  Si L ≠ multiple de λ/2 les réflexions aux extrémités de la cavité ne se superposent pas de manière cohérente, et des interférences destructives entre les ondes incidentes et réfléchies produisent une onde complexe qui n'est pas stationnaire https://simbucket.com/standingwaves/  λ/2 https://simbucket.com/standingwaves/  λ https://simbucket.com/standingwaves/  3 λ/2 donde 3 demi longeurs https://simbucket.com/standingwaves/  2λ si sur un multiple pas trop d'interferences https://simbucket.com/standingwaves/  Exemple d'une onde stationnaire dans une cavité de longueur L = 3λ 3λ YouTube Scientized How Lasers Work - A Complete Guide https://youtu.be/_JOchLyNO_w  Exemple d'une onde stationnaire dans une cavité de longueur L = 3λ w ineferences YouTube Scientized How Lasers Work - A Complete Guide https://youtu.be/_JOchLyNO_w Deux niveaux énergétiques : laser pulsé Si uniquement 2 niveaut il my a plus rien niveau excité niveau fondamental tous elections excités se trouve a Après un court instant, l'émission stimulée a une faible probabilité lete mental excité fondamental Il faut redonner un "coup de pompage" pour avoir un nouveau pulse  Trois niveaux énergétiques : laser continu su puisse pour que Coten essaipassage fonctionner en res rapide à wieauf 3 l'état métastable excité beaucoup d'électrons dans l'état métastable métastable pompage (population inversée) optique laser continu émission stimulée grandement favorisée fondamental 9 continue pompage en : envoi d'e- a l'etat fondamental > - excite  Applications médicales du rayonnement non-ionisant (et des lasers en particulier) Les principaux types de lasers utilisés en médecine couvrent une grande partie de la gamme optique des UV‐B aux IR moyens (MIR). Ils peuvent être utilisés en mode continu et en mode pulsé (une série d’illuminations de courtes durées).  Utilisations du rayonnement optique en médecine Effet photo thermique (ablations de tissus et oncologie ) En thérapie et en chirurgie, les effets photothermiques dépendent de la température des tissus. Hyperthermie: T°42.5-43°C. La coagulation et la soudure des tissus se produisent a 60-70°C. Des température plus élevées conduisent a l’ablation des tissus par vaporisation (>100°C), carbonisation (400-450°C) voir ionisation (>1000°C) L’énergie réacquise dépend de la température souhaitée du volume de tissu cible, de la pénétration du rayonnement de la séquence temporelle de l’exposition Photothermie en chirurgie Les lasers sont couramment utilisés en mode pulsé pour éviter la diffusion de chaleur pendant l’irradiation et minimiser les dommages collatéraux des tissus ablation de volumes tissulaires importants : durées d'impulsion de 1 à 100 ms sont adéquates. ablation de haute précision : impulsions plus courtes sont nécessaires (μs et ns). Le pic de température auquel surviennent des lésions tissulaires irréversibles dépend du temps d'exposition. On considère habituellement que la dénaturation des protéines est induite à 60°C pour une exposition de 1 s mais nécessite 90 °C pour un pulse de 10 ns. Hyperthermie en oncologie l'oncologie a recours à l'hyperthermie en complément de la chimiothérapie et de la radiothérapie, pour améliorer la réponse au traitement. Les rayonnements utilisés pour produire de la chaleur ne se limitent pas au rayonnement optique : les ondes radio, les microondes ou les ultrasons sont également utilisés. Récemment, l'utilisation d'agents thermiques tels que les nanoparticules magnétiques pour localiser sélectivement la chaleur sur les cellules tumorales cibles a montré un potentiel intéressant. En effet, contrairement à la radiothérapie, la thérapie photothermique ne nécessite pas la présence d'oxygène. Elle peut donc être efficace pour traiter les tumeurs hypoxiques.  En diagnostic et en imagerie diffusions absorptions élastique inélastique fluorescente spectroscopique photoacoustique photon photon photon photon photon photon photon photon onde incident incident incident incident photon incident diffusé diffusé fluo fluo US diffusions vibration excitation absorption chaleur multiples moléculaire électronique dépendant de λ pulsée briere sortant le rayonnement est dévié le rayonnement dépose un peu d'énergie localement un peu d'énergie peut être dissipée cette énergie réapparaît sous une autre forme (rayonnement de fluorescence, onde ultrasonore) Nature Biomedical Engineering 1, 0008 (2017) - doi: 10.1038/s41551-016-0008  Endoscopies réalisées en routine oreille - coloscopie otoscopie ophtalmoscopie Mesure par diffusion de la lumière sur la Csurface des tissus Grand polype sigmoïde Tympan et l'oreille Fond d'œil et rétine de 3 cm (flèche) moyenne humaine Nature Biomedical Engineering 1, 0008 (2017) - doi: 10.1038/s41551-016-0008  Endoscopie réalisées en routine coloscopie otoscopie ophtalmoscopie OCT rétinienne fovéa Grand polype sigmoïde Tympan et l'oreille Fond d'œil et rétine Coupe microscopique de 3 cm (flèche) moyenne humaine transversale de la rétine la epaisse de ilae Nature Biomedical Engineering 1, 0008 (2017) - doi: 10.1038/s41551-016-0008  OCT Tomographie en cohérence optique Mesure de la diffusion en faible profondeur Utilisation de rayonnement IR ou visible proche (plus pénétrant que le visible) Coupe microscopique deserminer la grite transversale de la rétine de matière qui la lumire reflechi en la profonder image de le retire ↳ Nature Biomedical Engineering 1, 0008 (2017) - doi: 10.1038/s41551-016-0008  Absorption spectrométrique- microscope optique à fluorescence Un microscope optique à fluorescence est un microscope optique qui utilise la fluorescence à la place ou en plus de la diffusion, de la réflexion, de l'atténuation ou de l'absorption de la lumière, pour étudier les propriétés d'un échantillon. Concrètement, l'échantillon est éclairé par un rayonnement d'une longueur d'onde spécifique. Ce rayonnement est absorbé par des fluorophores présents dans l'échantillon, ce qui les amène à émettre un rayonnement d'une autre longueur d'onde La plupart des microscopes à fluorescence utilisés sont des microscopes à épifluorescence, où l'excitation du fluorophore et la détection de la fluorescence se font par le même trajet lumineux, à travers l'objectif. Ces microscopes sont largement utilisés en biologie et constituent la base de microscopes plus avancés. On distingue deux types d'échantillon : Les premiers émettent de la lumière fluorescente par eux‐ mêmes, comme dans la chlorophylle ou l'huile. Les seconds doivent être combinés à un fluorophore. C'est par exemple le cas du DAPI, qui marque l'ADN et devient fluorescent en bleu. Les marqueurs génétiques tels que la protéine fluorescente verte (green fluorescent protein, GFP) sont également largement utilisés en biologie, dans des organismes génétiquement modifiés pour les produire de manière endogène. Dans ce cas, le fluorophore est une protéine produite par la cellule elle‐même. La fluorescence peut alors être visualisée directement dans les cellules vivantes (émission de lumière verte lorsqu'on excite avec du bleu ou du violet).  Microscope optique d'atome à fluorescence excitation voir l'energir puis cette emise du a Principe de fonctionnement du microscope optique à fluorescence. Les fluorophores présents dans excitation l'échantillon absorbent un rayonnement de longueur d'onde donnée, représenté ici en bleu. Ils réémettent ensuite un rayonnement de longueur détecteur d'onde différente, représenté ici en vert. mise en évidence de echantillon fluorophores image excite à Lumiere (p.ex. protéines spécifiques) la bleue filtre ↳ ervise d'excitation filtre d'émission dand toute diection miroir dichroïque source absorption : bleu lumineuse objectif émission : vert lumièr peut etir échantillon emise si exciter labonede Bonne vidéo en français sur : https://toutestquantique.fr/fluorescent-et-confocal/ par https://microbenotes.com/fluorescence-microscope-principle-instrumentation-applications-advantages-limitations/  Microscope optique protéines pouvant être à fluorescence marquées avec des (exemple) colorants fluorescents Tubuline : marqueur du cytosquelette TOMM20 : marqueur de la dynamique mitochondriale fluorescence confocale fluorescence standard Courtesy: Dr. Konstantinos Petrovas, CHUV  Effet photo acoustique - imagerie et lithotrispie présente une image photoacoustique produite avec un laser émettant dans le proche infrarouge (λ Imagerie photoacoustique = 795 nm). de sons Si l'on applique le même principe avec un faisceau de plus haute intensité, les ondes de choc photon mesure peuvent provoquer des perturbations à même de détruire mécaniquement le tissu ou la matière visée. Dans ce cas, on parle plutôt d'effet photomécanique. L'exemple typique est la lithotripsie des calculs rénaux. 1. Emission d'une impulsion IR IR / très courte (ns) visible 2. Absorption du rayonnement 3. Augmentation rapide de la température local 3. 4. Expansion thermique Cobietadilate 5. Propagation d'une onde ultrasonore (US) absorbe 6. Mesure de l'onde US mesure de la MIP : maximal intensity projection profondeur des vaisseaux source us Image photoacoustique des vaisseaux sanguins de la objet partie peu profonde de la paume, obtenue avec un laser émettant dans les IR-A ecoute du son autour de la main Qian Peng et al 2008 Rep. Prog. Phys. 71 056701 http://dx.doi.org/10.1088/0034-4885/71/5/056701 Dans les tissus, l'absorption de l'énergie du rayonnement laser entraîne une augmentation de la température qui, si l'impulsions est courte et suffisamment localisée, cela induit une augmentation locale de la pression (environ 800 kPa/K). Ceci génère une onde de choc acoustique dans le domaine des ultrasons. Typiquement, la durée de l'impulsion est de l'ordre de la nanoseconde ou de la dizaine de nanosecondes. Pour le diagnostic, une faible intensité optique est utilisée, ce qui limite l'élévation de température à moins de 1 °C. Les ondes ultrasonores générées sont alors mesurées par un transducteur ultrasonore. On peut ensuite reconstruire une image qui cartographie la concentration des molécules ayant absorbé le rayonnement laser.  Ensemble des interactions rayonnement optique – matière utilisées en médecine diffusions absorptions élastique inélastique fluorescente spectroscopique photoacoustique photon photon photon photon photon photon photon photon onde incident incident incident incident photon incident diffusé diffusé fluo fluo US diffusions vibration excitation absorption chaleur multiples moléculaire électronique dépendant de λ pulsée le rayonnement est dévié le rayonnement dépose un peu d'énergie localement un peu d'énergie peut être dissipée cette énergie réapparaît sous une autre forme (rayonnement de fluorescence, onde ultrasonore) Diagnostic Nature Biomedical Engineering 1, 0008 (2017) - doi: 10.1038/s41551-016-0008  Ensemble des interactions rayonnement optique – matière utilisées en médecine le rayonnement dépose passablement d'énergie localement cette énergie réapparaît sous une autre forme (chaleur, onde mécanique, radicaux libres, effets biologique) absorptions *T photothermique photomécanique photochimique photobiologique photon photon photon incident incident incident Chirurgie chaleur onde radical libre mécanique électron singlet Thérapie Nature Biomedical Engineering 1, 0008 (2017) - doi: 10.1038/s41551-016-0008 laser qui génère des pulses de très courte durée (de l'ordre de la fs) sur quelques μm^2. début des au début des années 1990, un de leurs collaborateurs n'a pas respecté les règles de sécurité et a reçu une grande quantité de rayonnement dans l'œil. À l'examen clinique, l'ophtalmologue est surpris par la netteté de la frontière entre la zone non‐impactée et impactée par le laser. Suite à cela, les physiciens et l'ophtalmologue ont proposé ce type de laser comme moyen de substitution à la lame mécanique employée à cette époque. Cela a conduit à proposer une chirurgie de correction réfractive de la surface de la cornée entièrement réalisée par laser. Cette technique, baptisée LASIK (laser assisted in situ keratomileusis), est maintenant largement répandue. Dans une première étape, on découpe – à l'aide d'un laser femtoseconde – un volet cornéen superficiel, qui est replié sur le côté. Ensuite, la cornée est sculptée – à l'aide d'un laser à excimère (UV) – de manière à diminuer ou augmenter sa courbure selon que le patient est myope ou hypermétrope. Les lasers à excimère procèdent par rupture des liaisons moléculaires en surface, ce qui conduit à l'ablation de matière, plutôt qu'à la brûlure, la fusion ou l'incision. Ces lasers permettent donc d'enlever de fines couches de matière en surface de façon très contrôlée sans altération excessive du reste du tissu.  Correction de la cornée de l'œil Effet photo thermique volet 1513 cornéen s -change dont la manière va la lunière sur se focalise la retine 1. découpe La cornée est rendue plus du volet plate pour corriger la myopie absorptions photothermique photomécanique photochimique photobiologique photon photon photon incident incident incident chaleur onde radical libre mécanique électron singlet YouTube https://youtu.be/Ge1-Xm8IVEQ Nature Biomedical Engineering 1, 0008 (2017) - doi: 10.1038/s41551-016-0008 Herman, Physics of the Human Body, Second Edition, Springer (2016); Figure 11.44  Correction de la cornée de l'œil capot cornéen myopie laser à excimère hypermétropie 1. découpe 2. ablation du volet de la surface absorptions photothermique photomécanique photochimique photobiologique photon incident chaleur YouTube https://youtu.be/Ge1-Xm8IVEQ Nature Biomedical Engineering 1, 0008 (2017) - doi: 10.1038/s41551-016-0008 Herman, Physics of the Human Body, Second Edition, Springer (2016); Figure 11.44  Correction de la cornée de l'œil capot cornéen myopie laser à excimère hypermétropie 1. découpe 2. ablation 3. fermeture du volet de la surface du volet La cornée est rendue plus courbée pour corriger l’hypermétropie absorptions photothermique photomécanique photochimique photobiologique photon incident chaleur YouTube https://youtu.be/Ge1-Xm8IVEQ Nature Biomedical Engineering 1, 0008 (2017) - doi: 10.1038/s41551-016-0008 Herman, Physics of the Human Body, Second Edition, Springer (2016); Figure 11.44  absorptions photothermique photomécanique photochimique photobiologique photon photon incident incident chaleur onde mécanique YouTube Smarter Every Day https://youtu.be/D0B7F5UbTOQ Nature Biomedical Engineering 1, 0008 (2017) - doi: 10.1038/s41551-016-0008  Elimination de tatouages detruisent lespigments Le laser fragmente les gros pigments en afin qu'ils être générant une onde de choc puissent evacués b Systema Har himunitaire La rupture mécanique est obtenue en chauffant une partie du pigment pendant un temps très court (ps) avec un laser de couleur adéquate (en général proche IR) absorptions photothermique photomécanique photochimique photobiologique photon incident onde mécanique YouTube Smarter Every Day https://youtu.be/D0B7F5UbTOQ Nature Biomedical Engineering 1, 0008 (2017) - doi: 10.1038/s41551-016-0008  Epilation Le laser est absorbé par la mélanine présente dans le poil (marche mieux si la peau est claire) La rupture mécanique est obtenue en vaporisant l'eau qui se trouve à proximité du pigment avec un laser de couleur adéquate (en général proche IR ou rouge) absorptions photothermique photomécanique photochimique photobiologique photon incident onde mécanique YouTube - Veritasium - https://youtu.be/S20-1_XqVPM  Résumé Interaction rayonnement optique / Propriétés du rayonnement laser matière en médecine – monochromatique – imagerie et diagnostic – en phase (rayonnement cohérent) diffusion – directionnel (i.e. grande intensité) – élastique / inélastique – polarisé absorption d'un peu d'énergie – génération d'un photon de fluorescence – génération d'une onde ultrasonore Principes de fonctionnement du laser – pompage optique – thérapie et chirurgie – émission spontanée et stimulée absorption de passablement d'énergie – sélection et amplification – photothermique (dépôt de chaleur) des "bons photons" – photomécanique (cassure mécanique) – photochimique (radicaux libres) par réflexion sur les miroirs – photobiologique (stimulation de cellules) par interférence grâce à la distance entre les miroir Exemple de question d'examen  Type A – Quel rôle jouent les miroirs dans un laser ? 1. Ils absorbent les photons produits par l'émission stimulée 2. Ils amplifient la lumière en la faisant rebondir plusieurs fois dans le milieu actif 3. Ils augmentent la fréquence des photons 4. Ils transforment la lumière incohérente en lumière cohérente  Objectifs correspondants Décrire le principe général de la production d'un rayonnement laser, en prêtant attention aux notions d'émissions spontanée et stimulée ainsi qu'aux miroirs