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Theses Year : 2010

Corneal grafting assisted by wavelength-optimised ultrashort pulse laser

Greffe de cornée automatisée assistée par laser femtoseconde optimisé en longueur d'onde

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Florent Deloison
  • Function : Author
  • PersonId : 895682

Abstract

My PhD project was conducted within the framework of the “GRECO” project (ANR-06-TecSan-025) which is coordinated by our group and funded by the French National Research Agency. Following the success of femtosecond laser technology in refractive surgery, the project aims to extend the application of these lasers to corneal grafting. Most of the indications for corneal grafting are associated to an insufficient optical quality of the patient's cornea, which also compromises the intervention by laser. Our findings suggest that the strong optical scattering of the pathological corneas at the laser wavelengths presently used can be compensated by an increase of the wavelength of lasers towards the window of relative tissular transparency centred at 1,65 µm. Our project partners are the Hôtel-Dieu hospital at Paris, the Imagine Eyes company and the Institut d'Optique Graduate School. Objectives of the thesis The principal objectives of my thesis were the following: - The development of laser sources optimised for corneal grafting based on nonlinear wavelength conversion; - The study of the laser-tissue interaction process in view of optimising the laser parameters; - The conception and realisation of a demonstrator device for laser surgery. Results Laser source based on Optical Parametric Amplification The work plan of the GRECO project comprised the assembly of a flexible and parametric laser source based on a laser titanium:sapphire pump source in order to perform laboratory experiments covering a broad wavelength range. We chose an architecture based on the OPA principle which consists of two amplification stages (based on two crystals of different characteristics) preceded by the injection of a supercontinuum. The first stage provides good wavelength selectivity and the second a strong gain, particularly at twice the pump wavelength. The conversion efficiencies on the system are of about 20 % over the entire wavelength range of accordability. The system supplies pulses of 300 µJ tuneable between 1.2 µm and 1.75 µm for the signal. This source served for all the exploratory surgical experiments of the first half of the GRECO project. Laser source based on Optical Parametric Generation (OPG) In parallel to the surgical experiments on the laser-tissue interaction, I developed a second source taking into account the requirements for clinical use. This second source is pumped by a compact and stable commercial solid state laser emitting at 1.03 µm. This wavelength is converted by optical parametric generation in a single nonlinear periodically poled crystal without injection; the system remains thus simple, compact and stable. The wavelength tuneability of the amplified signal is obtained by a change in the temperature of the crystal. Thus, no realignment is needed, which contributes to the robustness of the system. A single passage provides a conversion efficiency of about 20 % and maximum pulse energy of 20 µJ, which corresponds to a performance a 100 times greater than the state of art. The use of several periodically poled structures in the same crystal leads to an overall tuneability of the signal between 1450 nm and 1900 nm and thus covers the entire spectral range of corneal transparency and opacity in the short wavelength infrared. Surgical results on the cornea and on the sclera Our surgical experiments have been performed on corneas obtained under permission from the French Eye Bank. We have conducted a systematic study of the penetration depth and the quality of the surgical result as a function of wavelength and the pathological state of the cornea. In parallel, systematic measurements of the corneal transparency depending on the presence and degree of oedema have been made. The transparency measurements and the surgical experiments using the OPA or OPG have shown a strong dependence of the penetration depth on wavelength. - The use of wavelengths around 1 µm corresponding to present clinical systems is compromised by a very limited penetration depth in oedematous cornea. This conclusion agrees with the experience of our medical partners who estimate that the performances of clinical systems are limited when used for corneal grafting. - Using longer wavelengths limits the contribution of light scattering. However, the absorption band of water centred at 1.45 µm increases the contribution of thermal effects; the use of wavelengths close to this band therefore is not possible - A window of relative transparency centred at 1.65 µm exists, within which absorption is weak and the contribution of light scattering is almost negligible. We have observed an overall improvement of a factor of about 3 compared to lasers working at wavelengths around 1 µm. The quality of the incisions is excellent and the validity of the work hypothesis of the GRECO project has thus been demonstrated. The demonstrator device for an automated corneal graft with complex geometries The work plan of the GRECO project also comprised the assembly of a demonstrator device, combining the elements for an optimised system permitting corneal grafting. The demonstrator consists of three modules. The first unit contains the laser is alternatively the aforementioned OPG device or a compact fibre laser emitting at 1.6 µm developed at the Institut d'Optique Graduate School. The second unit contains a module of adaptive optics. The third unit allows the delivery of the beam to the cornea and its positioning in three dimensions. The system is controlled by a computer interface based on LabView software. Conclusion and perspectives During my thesis work I have developed two innovative and powerful nonlinear laser sources respectively based on the principle of optical parametric amplification and generation. The performances notably of the second system are largely superior to the state of art and have permitted us to anticipate a milestone of another project funded by the National Agency of Research. The source corresponds to the criteria of reliability and compactness necessary for a clinical device. This source is at the basis of ongoing discussions of a technology transfer project. These sources have permitted to identify and to demonstrate the advantages of corneal surgery at 1.65 µm. We have mounted a demonstrator system based on this wavelength which incorporates a wavefront correction module and a beam delivery system. The OPS group is now in a position to extend its activities in femtosecond laser surgery to other applications as glaucoma surgery in the sclera and new projects in cataract surgery or gene transfection.
Mon projet de thèse se déroule dans le cadre du projet ANR TecSan 2006 GRECO (GREffe de COrnée automatisée par laser femtoseconde avec optimisation de la longueur d'onde et correction du front d'onde, ANR-06-TecSan-025) piloté par notre groupe. Ce projet de 3 ans a été proposé suite au succès de l'utilisation des lasers à impulsions ultra-rapides dans la chirurgie réfractive et à la volonté d'étendre cette technologie à la greffe. La plupart des indications de greffe sont associées à une qualité optique de la cornée du patient insuffisante, ce qui rend difficile l'intervention par laser. Comme nos recherches l'ont démontré, la forte diffusion optique des cornées pathologiques aux longueurs d'onde actuellement utilisées peut être compensée par une augmentation de la longueur d'onde des lasers vers 1,65 µm. Nos partenaires sont l'hôpital Hôtel-Dieu de Paris, la société Imagine Eyes et l'Institut d'Optique Graduate School. *** Objectifs de la thèse *** Les principaux objectifs de mon projet étaient les suivants : - Le développement de sources lasers optimisées pour la greffe de cornée basées sur la conversion de longueurs d'onde par optique non-linéaire ; - L'étude de l'interaction laser-tissu en vue d'une optimisation des paramètres laser ; - La conception et la mise en place d'un système démonstrateur pour la chirurgie laser. *** Présentation des principaux résultats obtenus *** (1) Source accordable par Amplification Paramétrique Optique (OPA) Dans un premier temps, le plan de travail du projet GRECO prévoyait le montage d'une source flexible et accordable basée sur un laser titane:saphire disponible au laboratoire. Nous avons choisi une architecture originale de type OPA, composée de deux étages d'amplification (basés sur deux cristaux de caractéristiques différentes) avec injection d'un supercontinuum de lumière blanche. Le premier étage assure une bonne sélectivité en longueur d'onde et le deuxième étage fournit un fort gain notamment au double de la longueur d'onde de pompe. Les efficacités de conversion sur l'ensemble du système atteignent 20 % quelque soit la longueur d'onde amplifiée. Le système fournit des impulsions de 300 µJ accordables entre 1,2 µm et 1,75 µm pour le signal. Cette source a servi pour toutes les expériences chirurgicales exploratoires de la première moitié du projet GRECO. (2) Source accordable par Génération Paramétrique Optique (OPG) En parallèle des expériences chirurgicales sur l'interaction laser-tissu, une deuxième source, plus compacte et potentiellement adaptée à un contexte clinique, a été développée. Cette deuxième source est pompée par un laser industriel également compact et stable, et émettant à 1,03 µm. Cette longueur d'onde est convertie par génération paramétrique optique dans un seul cristal nonlinéaire périodiquement polarisé ne nécessitant aucune injection. Dans un premier temps, l'ajustement de la longueur d'onde du signal amplifié se fait par simple changement de la température du cristal sans nécessiter d'alignement, ce qui contribue à la robustesse du système. Un seul passage permet une efficacité de conversion d'environ 20 %, et un maximum d'énergie de 20 µJ ce qui correspond à une amélioration d'un facteur 100 par rapport à l'état de l'art. L'utilisation de plusieurs structures périodiques juxtaposées permet d'obtenir une accordabilitée totale entre 1450 nm et 1900 nm qui couvre donc les bandes d'absorption et notamment de transparence des tissus du segment antérieur. (3) Résultats chirurgicaux sur la cornée et la sclère Nos expériences chirurgicales ont été effectuées sur des cornées obtenues auprès de la Banque Française des Yeux. Nous avons réalisé une étude systématique de la profondeur de pénétration et de la qualité du résultat chirurgical en fonction de la longueur d'onde et de l'état pathologique de la cornée. En parallèle, des mesures systématiques de transparence cornéenne en fonction de la présence et du degré d'œdème ont été menées. Les mesures de transparence puis les expériences chirurgicales utilisant l'OPA ou l'OPG ont mis en évidence une forte dépendance entre profondeur de pénétration et longueur d'onde. - L'utilisation des longueurs d'onde autour de 1 µm correspondant aux systèmes cliniques actuels se heurte à une profondeur de pénétration très limitée dans des cornées œdémateuses. Ce constat est en accord avec l'expérience de nos partenaires cliniques qui estiment également que les performances des systèmes actuels sont limitées pour une application à la greffe de cornée. - L'augmentation de la longueur d'onde limite la contribution des processus de diffusion de la lumière. Néanmoins, la bande d'absorption de l'eau centrée à 1,45 µm augmente la contribution des effets thermiques. L'utilisation de longueurs d'onde proches de cette bande n'est donc pas réaliste. - Il existe une fenêtre de relative transparence optique centrée à 1,65 µm au sein de laquelle l'absorption est faible et la contribution de la diffusion de la lumière est quasi négligeable. Dans l'absolu, nous avons pu constater une amélioration d'environ un facteur 3 par rapport aux lasers cliniques travaillant aux longueurs d'onde autour de 1 µm. La qualité des incisions est excellente et la validité des hypothèses de travail du projet GRECO a pu être vérifiée. (4) Le dispositif démonstrateur pour la greffe de cornée automatisée et de géométrie complexe. Le programme de travail du projet GRECO prévoyait le montage d'un système démonstrateur regroupant les éléments d'un système de greffe de cornée. Le démonstrateur est composé de trois parties modulables. La première unité contient le laser qui peut être soit un laser fibré centré à 1590 nm développé par l'Institut d'Optique Graduate School soit le système laser accordable par OPG qui a été développée au cours de la présente thèse. La deuxième unité contient un module d'optique adaptative qui corrige la qualité du front d'onde du faisceau laser. La troisième unité permet la délivrance du faisceau en 3 dimensions dans le volume de la cornée. Le tout est piloté automatiquement à travers une interface ordinateur basée sur le logiciel LabView développé au cours de la présente thèse. *** Conclusion *** Durant mon doctorat, j'ai développé deux sources nonlinéaires performantes et innovantes basées respectivement sur le principe de l'amplification et de la génération paramétrique optique. Les performances notamment de la deuxième source sont largement supérieures à l'état d'art et nous ont permis d'anticiper un jalon d'un deuxième projet ANR. Elle respecte les contraintes de fiabilité et de compacité nécessaires à un appareil clinique. Cette source est à la base de discussions actuelles sur un projet de valorisation. Ces sources ont permis d'identifier puis de démontrer les avantages d'une chirurgie de la cornée à 1,65 µm. Nous avons mis en place un système démonstrateur basé sur cette longueur d'onde qui incorpore un module de correction du front d'onde et un dispositif d'administration du faisceau. Le groupe OPS est désormais en mesure d'étendre les champs d'investigations en chirurgie femtoseconde, tout d'abord dans la sclère puis plus généralement dans l'ensemble des tissus notamment au travers de nouveaux projets aujourd'hui en préparation tel que la chirurgie de la cataracte ou encore le transfert de gènes.
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Dates and versions

pastel-00577221 , version 1 (16-03-2011)

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  • HAL Id : pastel-00577221 , version 1

Cite

Florent Deloison. Greffe de cornée automatisée assistée par laser femtoseconde optimisé en longueur d'onde. Optique [physics.optics]. Ecole Polytechnique X, 2010. Français. ⟨NNT : 2501924230J⟩. ⟨pastel-00577221⟩
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