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Institution Sainte Geneviève –Asnières-sur-Seine 2011/2012

Thème : Avancées scientifiques et réalisations techniques

Le Laser : quand évolution des mentalités rime avec nouvelles

applications d’une avancée scientifique en médecine

Compte-rendu de Travaux Personnels Encadrés

Yassine BOUKHARI Aurélien HALLOPEAU Philippe IBOUANGA

Mickaël NGO

1ère S1

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Nous tenons à remercier tout particulièrement : - Madame Noyé et Madame Corvo, nos professeures de Travaux Personnels

Encadrés, pour leurs conseils et leur sympathie ; - Madame Louis, documentaliste du CDI, qui nous a été d’une aide précieuse pour

nos recherches documentaires.

Quelques petites précisions : - Nous avons réalisé un site Internet où vous pourrez retrouver l’intégralité de

notre production, avec de petits bonus, tel qu’une animation. Voici l’adresse de ce site : http://tpe-laser-1eres1.weebly.com/

- Tous les mots écrits en bordeaux, en gras et soulignés sont définis dans le

lexique, à la page 35.

REMERCIEMENTS

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INTRODUCTION ................................................................................................................ 4 I. LE LASER, UNE AVANCÉE SCIENTIFIQUE ............................................................. 7

A. De la lumière au Laser .................................................................................................... 7 B. Le fonctionnement du Laser .......................................................................................... 10

Comparaison de la lumière et du Laser ............................................................................ 12 C. Les différents types de Laser ......................................................................................... 13

II. LE LASER, PLUSIEURS APPLICATIONS EN MÉDECINE ................................... 17

A. Interaction de l’évolution des mentalités et de la médecine .......................................... 17 B. Applications du laser dans le domaine de la médecine ................................................ 20

1. Chirurgie .............................................................................................................. 20 Destruction des métastases cancéreuses cérébrales par laser ................... 20 Le décollement de la rétine .......................................................................... 22 Le traitement de la myopie .......................................................................... 23

2. Médecine de beauté ............................................................................................. 28 L’effacement des rides de la peau par laser ................................................ 28 L’épilation laser ............................................................................................ 30

CONCLUSION ................................................................................................................... 32 Lexique ............................................................................................................................... 35 Bibliographie ...................................................................................................................... 39 Annexe 1. De la lumière au laser : Frise chronologique .................................................. 42 Annexe 2. Bande dessinée : Dur dur d’être un atome ..................................................... 44 L’émission spontanée de Monsieur Atome.................................................... 45 L’émission stimulée de Monsieur Atome ...................................................... 46 Annexe 3. Document illustrant les différents domaines d’ondes électromagnétiques .. 47 Annexe 4. Le fonctionnement du laser en images ........................................................... 48

SOMMAIRE

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INTRODUCTION

Le laser, acronyme de Light Amplificated of Stimulated Emission of Radiation (ou Amplification de la Lumière par Emission Stimulée de Rayonnements, en français), est une découverte récente, datant de 1960 qui n’a été permise que grâce aux nombreux travaux réalisés sur la lumière. Cependant, en Occident, le laser a su rapidement s’imposer et est devenu un outil indispensable dans plusieurs domaines : la médecine, l’industrie, l’informatique (lecteurs de CD, les caisses des supermarchés). La lumière laser n’existe pas dans la nature mais l’homme sait la fabriquer et la maîtriser.

Pour expliquer de manière précise ce qu’est un laser, il est nécessaire de commencer

par définir ce qu’est la lumière. La lumière est l’ensemble des rayonnements électromagnétiques visibles par l’œil humain et dont les longueurs d’onde varient entre 380 nm (violet) et 780 nm (rouge). La superposition de l’ensemble des couleurs des radiations monochromatiques (c'est-à-dire une radiation caractérisée par une seule longueur d’onde et donc une seule couleur) qui la composent forme la lumière blanche visible. La couleur d’un objet dépend de la lumière qu’il diffuse, et donc de la partie de la lumière qu’il absorbe.

La première réflexion scientifique sur la lumière remonte à l’Antiquité. Pythagore introduit, vers 550 av. J.C., le concept visuel de la lumière : elle serait formée de rayons visuels sortant des yeux. Pour Euclide (vers 300 av. J.C.), la lumière sortirait par les yeux et se propagerait en ligne droite. Grâce à cette théorie, il explique le fait qu’un objet éloigné de l’œil paraisse plus petit. Selon Alhazen (965-1039), la lumière ne sort pas des yeux mais y entre. Elle a donc une

existence indépendante de l'œil. Il observe aussi le phénomène de réfraction

de la lumière, c’est-à-dire lorsqu’un rayon lumineux est dévié quand il passe d’un milieu 1 vers un milieu 2 différent (comme l’eau et l’huile par exemple).

Alhazen

Pythagore

Euclide

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En 1676 (1644-1710), l'astronome danois Ole Christensen Romer détermine la vitesse de la lumière, soit environ 300 000 000 m.s-1 (mètres par seconde).

Grimaldi (1618-1663) observe le phénomène de diffractionChristian Huygens (1629-1695) formule alors le premier modèle

ondulatoire de la lumière. Les rayons lumineux peuvent se déplacer dans l’espace (dans les trois dimensions) grâce à un fluide impalpable qui le remplit, appelé l’Ether. Une source lumineuse est composée de particules bougeant et communiquant leurs vibrations à l’Ether. Par analogie, lorsque l'on nourrit un poisson dans son aquarium, la nourriture se déplace grâce aux mouvements de l'eau (comme la lumière avec l'Ether). Huygens rend ainsi compte des lois de réflexion, de réfraction et de diffraction.

: certains rayons lumineux sont déviés.

Isaac Newton (1642-1727) s’oppose à cette théorie car le son peut traverser des objets, mais pas la lumière. Il pense que le rayon lumineux n’est pas une onde, mais une succession de corpuscules

qui se suivent. Il observe aussi que la lumière blanche peut se décomposer à l’aide d’un prisme, en un arc-en-ciel.

Décomposition de la lumière blanche par un prisme

Mais Thomas Young (1788-1827) démontre le mouvement ondulatoire de la lumière : c’est donc une onde. Michael Faraday (1791-1867) prouve le fait que la

lumière est bien une onde électromagnétique

.

En 1900, le physicien Max Planck étudie les échanges d’énergie entre la matière et la lumière. (La matière est la substance qui constitue tous corps de l’Univers. Les atomes sont considérés

Ole Christensen Romer

Christian Huygens

Isaac Newton

Max Planck

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comme les « briques » de la matière : ils sont présents dans tous les objets de l’Univers). Il observe que ces échanges se font par paquets d’énergie. Le plus petit paquet d’énergie indivisible est appelé quantum d’énergie.

Puis en 1905, Albert Einstein remarque qu’un rayonnement lumineux monochromatique est constitué de petits grains de matière appelés photons transportant un quantum d’énergie. La lumière n’est donc pas seulement une onde, Newton avait en partie raison. Einstein montre aussi qu'elle peut se déplacer dans le vide : la théorie de l’Ether est donc fausse, elle n’a pas besoin d’un fluide pour se déplacer.

Il introduit le modèle corpusculaire et ondulatoire de la lumière : la lumière est une onde mais aussi une succession de photons.

En 1913, Niels Bohr, qui travaille sur la stabilité des atomes, constate que ces particules possèdent plusieurs états d'énergie. L’état d’énergie le plus bas de l’atome est dit fondamental. Aux autres niveaux, il se trouve dans un état excité. L’énergie de la matière ne peut prendre que certaines valeurs appelées « niveaux d’énergie ». Elle est dite quantifiée

.

Depuis Einstein, son père théorique jusqu’à nos jours, le laser a

évolué pour mieux s’adapter à ses différentes utilisations. En particulier en médecine, il est utilisé pour des opérations de premières nécessités mais aussi pour la médecine esthétique. En effet, les traitements qui emploient les propriétés uniques du laser se multiplient et les demandes affluent. Il sert, en outre, dans l’industrie, afin de découper du métal, souder, graver. Les lettres des claviers d’ordinateur, par exemple, sont gravées la plupart du temps au laser. L’Homme l’utilise aussi dans la communication, avec les satellites. Grâce à cette invention, il a été possible de mesurer la distance Terre-Lune. En 1969, les astronautes avaient, en effet, déposé des miroirs sur la Lune dirigés vers la Terre. En envoyant un faisceau laser sur ces miroirs, et en connaissant la vitesse de propagation de la lumière, on a pu tout d’abord mesurer le temps mis pour faire un aller et ensuite en déduire la distance séparant les deux astres. En quoi évolution des mentalités et apparition de nouvelles applications du laser, avancée scientifique, en médecine sont-elles allées de pair ? Nous étudierons d’abord l’histoire et les caractéristiques du laser. Puis nous nous intéresserons à son utilisation dans la médecine.

Albert Einstein

Niels Bohr

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I. Le laser, une avancée scientifique

Toutes les recherches aboutissant au développement du laser doivent leur origine à l’introduction du concept d’émission stimulée par Einstein en 1917. Il existe en effet deux modes d’émission de

A. De la lumière au laser

photons (corpuscules constituant la lumière) : l’émission spontanée, la plus courante et l’émission stimulée. Dans la matière, les atomes reçoivent en permanence de l’énergie (ex : énergie thermique, énergie lumineuse…). Ainsi, ils peuvent passer d’un état de repos, à un niveau d’énergie supérieur en absorbant un photon. Ils sont alors dans un état excité. Chaque atome absorbe une quantité d’énergie qui lui est propre. Cet état est temporaire car l'atome n'y est pas stable. Au bout d’un certain temps, les atomes se désexcitent spontanément en émettant un photon de même énergie que celui qui a été absorbé. C’est l’émission spontanée. L’émission stimulée

L’émission spontanée permet donc de « copier » la lumière. Lorsque ce phénomène est réalisé plusieurs fois, il est possible de créer une lumière constituée de photons identiques: c'est

: le photon émis par émission stimulée peut continuer sa route et percuter un atome, situé au même niveau d'énergie que celui dont il est issu. Il va le forcer à se désexciter, c'est à dire à passer à un niveau d'énergie inférieur en émettant un photon. La particularité de ce type d'émission est que les photons sont identiques en tous points (ils ont la même énergie, la même direction, la même longueur d'onde...).

la lumière laser(cf annexe 2 page 44 pour visualiser une bande dessinée explicative de ces deux modes d’émission).

.

Charles Townes (1915-?), un physicien américain, a

joué un rôle majeur dans la création du premier laser. A partir de 1948, il s’intéresse aux ondes électromagnétiques, plus précisément à celles de longueurs d’onde de l’ordre du micromètre

Or, à l’époque, les scientifiques pensaient qu’il était impossible de produire des longueurs d’ondes inférieures à celles d’un

radar, c’est-à-dire des longueurs d’ondes de quelques dizaines de centimètres. Cet appareil est en effet mis au point, après d’intenses recherches, au cours de la Seconde

(un million de fois plus petit que le mètre ou mille fois plus petit que le millimètre). Il cherchait à émettre des ondes électromagnétiques assez puissantes pour pouvoir interagir avec la matière. (Il faut préciser que plus une longueur d'onde est faible plus le rayonnement associé est puissant).

Charles Townes

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Guerre Mondiale. Townes pense néanmoins pouvoir parvenir à émettre des longueurs d’ondes inférieures à celle du radar grâce à un article d’Albert Einstein, publié en 1917, où il explique qu’il existe le mode particulier d’émission stimulée. Ce principe permet une pureté spectrale car les atomes émettent des photons identiques, ayant la même longueur d’ondeMais ce n’est pas encore suffisant pour aboutir à la réalisation de son projet. En effet, ce type d’émission nécessite de nombreux atomes excités, c'est-à-dire qui ne sont pas au repos. Or dans la matière les atomes au repos sont beaucoup plus abondants que les atomes excités. Townes estime que le problème devrait être résolu si l’on sélectionne uniquement les

.

particules

excitées et si on les introduit dans une cavité cylindrique dont les parois seraient réfléchissantes. Mais cela est très difficile à réaliser.

Heureusement, en 1949, le physicien français Alfred Kastler met au point un processus appelé "pompage optique" qui permet de transférer de l'énergie lumineuse à des atomes, à l’aide d’impulsions répétées de lumière intense ou d’une décharge électrique. Cette énergie permet d’augmenter le nombre d’atomes excités. En effet, ceux-ci absorbent les photons constituant l’énergie lumineuse. Ce passage d’un nombre supérieur d’atomes au repos, à un nombre supérieur d’atomes excités porte le nom d’inversion de populationL’addition de la source d’énergie, du « pompage optique » et d’un milieu dans lequel les atomes subissent des émissions stimulées forment un

.

milieu amplificateur

.

Grâce à ce processus, Townes réalise, en 1954, le Maser, acronyme de Microwave Amplication by Stimulated Emission of Radiation (ou Amplification des Micro-ondes par Emissions Stimulée de Radiation, en Français). Le Maser utilise des molécules

En 1958, Townes publie avec Arthur Shawlow, son beau-frère, un article sur sa découverte où il théorise le fonctionnement du Maser à la lumière « visible ». Selon ce document, les principaux éléments composants de ce qui sera le laser sont « un milieu amplificateur, deux miroirs se faisant face et une source d’énergie ».

(ensemble d’atomes) d’ammoniaque plutôt que des atomes. Le rayonnement obtenu présente une longueur d’onde très pure (quasi monochromatique), de l’ordre du micromètre, donc plus faible que celle du radar, mais qui reste invisible. Le domaine visible est en effet compris entre les longueurs d’onde égales à 380 nm et 780 nm. Le domaine inférieur à 380 nm est dit ultraviolet, celui supérieur à 780 nm est dit infrarouge (On rappelle que nm, est le symbole du nanomètre, qui est un milliard de fois plus petit que le mètre).

Alfred Kastler

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Le chercheur souhaite alors continuer les recherches afin d’obtenir des longueurs ondes plus faibles encore que celles du Maser. Townes voudrait émettre un faisceau lumineux de longueur d’onde comprise entre 380 nm et 780 nm. Il se pose la question de savoir s’il est possible d’amplifier la lumière visible.

Mais deux autres chercheurs étaient déjà à l’œuvre. Gordon Gould, étudiant de Townes, réalisa son premier laser en 1958, mais ne déposa le brevet qu’en 1959. Pendant cette courte période Théodore Maiman

Le brevet de Maiman est accordé en 1960. Le premier laser voit donc le jour. Il utilise comme milieu amplificateur des

déposa un brevet pour son propre prototype.

ions

Chrome, de symbole Cr³+, dans un cristal de rubis de forme de cylindre, dont les deux faces parallèles sont polies et recouvertes d’aluminium, un matériau semi-réfléchissant. Ce laser émet des rayonnements de longueur d’onde égale à 694 nm, c’est-à-dire de couleur rouge, sous formes de brèves impulsions. Le rayonnement laser n’est donc pas continu. Les atomes sont excités grâce à une lampe Flash.

Dans le monde entier, se met alors en place une course à qui réalisera un

faisceau laser avec un milieu amplificateur différent du rubis. Les scientifiques ignorent l’utilité de cet appareil, mais le laser fascine.

En 1961, Ali Javan construit le premier laser à émission continue, dont le milieu amplificateur est le gaz néon et le gaz hélium

L’invention va rapidement montrer une utilité en physique grâce à l’apparition des lasers à colorants, en 1966, avec

, et le rayonnement de 633 nm. C’est le premier laser à gaz !

Peter Sorokin. Le milieu amplificateur est constitué de colorants chimiques contenus dans un liquide. Son avantage est qu’il est possible de faire varier la longueur d’onde de la lumière émise par le laser en faisant varier la concentration des colorants

.

Il existe donc différents milieux amplificateurs : ils peuvent être solides, liquides ou gazeux. Suivant le type de milieu amplificateur choisi, la longueur d’onde du faisceau laser peut être visible ou non et la puissance de cette onde est plus ou moins élevée. Selon le besoin, on fait donc appel à un milieu particulier.

Aujourd’hui le laser a conquis de nombreux domaines : on le retrouve dans les logements (lecteur de CD et de DVD), les supermarchés (dans les caisses afin de lire les codes barres), les usines, les laboratoires scientifiques ou la télécommunication grâce aux fibres optiques. Son marché mondial est estimé à six milliards de dollars.

Théodore Maiman

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B. Le fonctionnement du laser Voici comment fonctionne le laser aujourd’hui : 1. Un laser est formé de trois éléments :

- Un milieu amplificateur, qui peut être solide, liquide ou gazeux, dans lequel la lumière est amplifiée grâce au phénomène d’émission stimulée.

- Une source d’énergie qui confère de l’énergie à ce milieu, afin de réaliser le phénomène d’inversion de population. Il s’agit du passage d’un nombre supérieur d’atomes au repos, à un nombre supérieur d’atomes excités.

- Un résonateur optique ou oscillateur qui entoure le milieu amplificateur. 2. Le pompage optique

Pour que l'émission stimulée puisse se produire, il faut que la majorité des atomes se trouvent dans un état excité. En effet, dans la matière, les particules sont davantage dans un état de repos. Il faut donc qu’il y ait une inversion de population, afin d’avoir plus d’atomes excités. Cela nécessite un procédé appelé pompage optique, mis au point par Alfred Kastler. Il s’agit de procurer de l’énergie aux atomes afin qu’ils puissent l’absorber et passer à un niveau d’énergie supérieur. 3. L’émission stimulée L’émission de lumière par un atome excité peut être soit spontanée, le photon partant alors dans n’importe quelle direction, soit stimulée comme l'avait prédit Einstein. Un photon émis spontanément peut percuter un atome, situé au même niveau d'énergie que celui dont il est issu, et le forcer à se désexciter, c'est à dire à passer à un état d'énergie inférieur en émettant un photon en tous points identiques au premier (même longueur d’onde, direction…) sans absorber le premier. Ce second corpuscule peut lui aussi désexciter d’autres atomes, engendrant ainsi d’autres photons, qui entraîneront eux-mêmes l’émission de photons identiques. On se retrouve ainsi avec une multitude de photons tous identiques : c’est la lumière laser.

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4. La production du faisceau Pour créer la lumière laser, il faut un oscillateur et une source d’énergie. L’oscillateur est une boîte cylindrique aux extrémités de laquelle se trouve un miroir, dont un est partiellement réfléchissant (il laisse passer entre 1 et 10% de la lumière reçue), l’autre l’étant totalement. L’oscillateur contient le milieu amplificateur constitué de particules excitables sous forme solide, liquide ou gazeuse. La source d’énergie

L’oscillateur va permettre de produire la lumière. En effet, lorsqu’un photon, émis spontanément dans un milieu laser, rencontre une particule excitée, il stimule l’émission d’un second photon. Les deux photons identiques peuvent à leur tour générer d’autres émissions de photons. Le groupe de photons se dirige dans une trajectoire perpendiculaire aux miroirs. Quand ils rencontrent le miroir totalement réfléchissant, ils sont donc renvoyés en sens inverse. Ils continuent à provoquer d’autres émissions stimulées et le nombre de photons identiques augmente, ainsi, de plus en plus. Lorsqu’ils rencontrent le miroir semi transparent, une partie de ces photons sort de l’oscillateur : c’est le faisceau laser. L’autre partie est renvoyée en sens inverse. La

doit être assez puissante pour pourvoir fournir l’énergie nécessaire aux particules, afin de réaliser l’inversion de population. Elle peut être de différents types : lumineuse, électrique, chimique...

lumière laser

apparaît.

Schéma de Synthèse :

Voir annexe 4, page 48 pour observer le fonctionnement du laser en images

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Comparaison de la lumière et du Laser Pour créer un faisceau laser, la lumière a donc été « domptée » : lumière ordinaire et lumière laser sont donc bien différentes. La lumière ordinaire est…

1. Constituée de plusieurs couleurs : Lorsqu’elle traverse un système dispersif, comme un prisme, cette lumière, que l’on voit blanche, peut être décomposée en un bel arc-en-ciel. Elle est dite polychromatique.

2. Multidirectionnelle :

Les ondes lumineuses constituant le faisceau lumineux se déplacent dans toutes les directions à partir de la source de lumière. Ainsi, la lumière ordinaire est diffusée dans toutes les directions.

3. Désordonnée : Les différentes ondes qui composent la lumière ordinaire ne sont pas émises en même temps et oscillent (se déplacent) indépendamment les unes des autres.

La lumière laser est… 1. D’une seule couleur :

Une lumière constituée d’une seule couleur est dite monochromatique. Elle ne peut pas être décomposée par un système dispersif. Il existe néanmoins plusieurs couleurs de laser (certains sont rouges, d’autres verts…).

2. Unidirectionnelle : Les ondes lumineuses se déplacent toutes dans la même direction, et forment un faisceau étroit et non divergent. Ainsi, le faisceau est très concentré.

3. Cohérente (ou ordonnée) : Toutes les ondes lumineuses qui la composent sont en « phase », elles oscillent en même temps et de la même manière, vers la même direction. On pourrait les comparer à de petits soldats marchant au pas cadencé. Le faisceau donc est rectiligne et condensé.

La seule manière de colorer la lumière ordinaire est de la faire traverser un filtre. La lumière laser, elle, ne nécessite pas de filtre, ce qui fait son originalité.

Source

Onde lumineuse

Cavité laser

Onde lumineuse

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C. Les différents lasers Il existe de plusieurs types de lasers : les lasers à gaz, à solide, à liquide et les semi-conducteurs notamment. Ces différents types de laser utilisent tous le même principe général de fonctionnement comme vu précédemment, seul le milieu amplificateur varie à chaque fois.

Le milieu amplificateur est un solide. Cela peut être une pierre précieuse telle que le rubis ou le saphir, ou encore du verre. Ce n'est pas le solide qui est à l'origine du faisceau. Il permet uniquement de contenir des

a) Laser à solide

ions métalliques (atome ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons

De tous les lasers, ce sont ceux qui fournissent la plus grande puissance. Ils fonctionnent généralement en mode discontinu, c'est à dire que les impulsions lumineuses sont extrêmement brèves (de l’ordre de 10-15 s pour certains lasers).

) insérés à l'intérieur, comme le néodyme ou, pour le laser de Maiman, les ions chrome. Selon la nature du cristal (couleur, densité...), on peut modifier les longueurs d'onde émises.

Ces lasers sont les plus utilisés en médecine pour la chirurgie, la dermatologie.

Le milieu amplificateur est un gaz. Les lasers à gaz peuvent se classer en deux catégories :

b) Laser à gaz

- Des lasers à fonctionnement simple

, tels que les lasers à argon ou à krypton (deux gaz), où les électrons, qui sont à l'origine du courant électrique, excitent les atomes et facilitent l'utilisation et l'inversion de population.

Lasers à rubis

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- Des lasers à fonctionnement plus complexes

En effet, l’Hélium possède un niveau d’énergie excité dit méta-stable, où il a moins tendance à faire des émissions spontanées. Pour revenir à son état fondamental (état d’énergie le plus bas), l'Hélium doit entrer en collision avec un atome (dans ce cas, ce sera le Néon). Cela entraîne l’excitation de cet atome qui, en émettant un photon par émission stimulée, sera à l’origine de la diffusion de la lumière laser. L'excitation de l'Hélium est permise par le courant électrique.

, tel que le laser à Hélium-Néon (He-Ne). Pour celui-ci, les atomes qui interviennent sont les atomes de Néon et d'Hélium, qui se présentent sous forme de gaz. Le Néon a le rôle d'émettre les photons de la lumière laser et c'est à l'Hélium de l'aider à faire ses émissions stimulées en participant à l'inversion de population.

La couleur d'un laser à gaz dépend essentiellement des niveaux d'énergie des atomes mis en jeu, ces niveaux d'énergies variant d'un atome à l'autre. Les lasers à Argon émettent dans le violet et le bleu-vert, tandis que les lasers à Hélium-Néon émettent dans le rouge éclatant. Le laser à CO2, qui utilise plusieurs éléments gaz (le diazote, le dihydrogène, l'hélium et le dioxyde de carbone), émet dans l'infrarouge : il n'est pas visible, mais est un laser puissant, contrairement aux autres lasers à gaz. Les lasers à gaz sont très gourmands en énergie et n'ont pas un très bon rendement, mais sont utilisés pour leur très faible dispersion et pour la pureté de leur couleur. En médecine, seul le laser à CO2 est utilisé.

Laser à gaz Hélium-Néon

Niveaux d'énergie des gaz Hélium et Néon dans un laser

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Pour les lasers à liquide, le milieu amplificateur est composé d’un ou plusieurs colorants chimiques présents dans un liquide. Grâce à ces colorants, il est possible de faire varier la longueur d’onde du faisceau laser en faisant varier leur

c) Laser à liquide

concentration

.

Il existe, de nos jours, des lasers à semi-conducteurs que l'on trouve notamment dans les pointeurs lasers. Ils sont très compacts, ont un bon rendement énergétique, mais souvent une puissance faible. Leur dispersion et leur pureté est nettement inférieure à celle des lasers à gaz.

d) Lasers semi-conducteurs

Les matériaux semi-conducteurs ont la particularité de n'être ni tout à fait isolants (insensibles au courant électrique), ni tout à fait conducteurs (qui laissent passer le courant électrique, comme les métaux...). Cela implique que les niveaux d'énergie qui entrent en jeu lors de l'inversion de population

Ces lasers se démocratisent beaucoup de nos jours, dans le domaine de l'industrie notamment, mais ne sont pas utiles dans le domaine de la médecine.

soient très rapprochés, augmentant donc sensiblement la rentabilité (30% contre 3% pour les autres lasers). Le milieu amplificateur est donc l'empilement de semi-conducteurs. La source permettant le pompage optique est le courant électrique. De plus, dans le cas des diodes lasers, il n’y a pas de miroirs, c’est la forme particulière de la diode qui sert de parois réfléchissantes.

Diode laser, un ensemble de semi-conducteurs

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Le fonctionnement général des lasers chimiques est simple : une e) Laser chimique

réaction chimique

Les lasers chimiques sont utilisés en recherche, pour l'armement, mais pas en médecine.

a lieu dans le milieu amplificateur, c'est-à-dire que des espèces chimiques, appelées réactifs, disparaissent et se transforment en d'autres, appelées produits. Certains produits de cette réaction apparaissent dans un état excité, et entraînent, en se désexcitant, l’apparition de photons, permettant ainsi la création du faisceau laser.

Il existe d’autres types de lasers tels que les lasers à électrons

libres, mais nous ne les détaillerons pas, du fait de leur faible application.

Certains lasers sont donc plus aptes que d’autres à être utilisés en médecine. C’est le cas des lasers à solide et du laser à CO2.

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II. Le laser, plusieurs applications en médecine A. Interaction de l’évolution des mentalités et de la médecine

Augmentation de l’espérance de vie : facteur influant sur les mentalités Depuis le milieu du XXème siècle, en médecine, des progrès ont été réalisés dans

divers domaines tels que la biologie cellulaire, la génétique, la prévention de maladies, la découverte de vaccins et d’antibiotiques. Ces divers progrès ont entrainé une augmentation de l’espérance de vie. En effet, d’après les chiffres de l’INSEE (Institut National de la Statistique et des Etudes Economiques), en France, l’espérance de vie, en 1994, pour un homme était de 73,6 ans et de 81,8 ans pour une femme. Aujourd’hui, elle est de 78,1 ans pour l’homme et de 84,8 ans pour la femme. La population est donc de plus en plus âgée. En outre, si l’on compare la situation des centenaires, en 1900, on en dénombrait seulement 100 en France, pour 16 000 aujourd’hui. Or, cette augmentation de l’espérance de vie est accompagnée d’un changement de mentalité.

Au fils du temps, une société d’apparence, basée sur l’image du corps, s’est

affirmée. En effet, les adeptes de cette nouvelle société ne souhaitent pas seulement vivre plus longtemps, ils espèrent aussi rester et paraître jeune plus longtemps. Ainsi pour eux, rester jeune est devenu un besoin et un devoir moral plus qu’une envie. Poussé par ce phénomène de mode de grande ampleur et par l’attitude des autres, chacun souhaite masquer son apparence réelle par des « artifices » de plus en plus nombreux et efficaces. L’apparence physique ne reflète donc plus « l’âge réel de la personne ». Les nouvelles possibilités de la chirurgie esthétique en médecine de beauté, comme par exemple l’effacement des rides grâce à un laser, tendent à remplacer les anciennes méthodes comme le maquillage et permettent de mieux masquer les conséquences de l’âge.

Petit à petit, on passe d’un âge dit « chronologique » (employé pour l’état civil, les droits à la retraite…), à un âge dit « biologique », qui reflèterait l'état fonctionnel d'un individu. Il devient habituel de rencontrer des personnes paraissant « plus jeunes », même si l’âge biologique peut parfois correspondre à l'âge chronologique de la personne.

Aujourd’hui, de nombreux programmes et jeux vidéo proposent des tests qui aideraient à déterminer l’âge biologique de la personne en se basant sur le mode de vie, l’état de santé de la personne…

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Affiche d’un jeu vidéo qui évaluerait l’âge du cerveau du joueur. Par ailleurs, apparaissent de nombreux cabinets de médecine esthétique proposant des programmes « anti-âge », qui utilisent des méthodes basées sur les propriétés uniques d’un laser (voir partie II/B/2). L’évolution des mentalités a donc permis l’essor d’un nouveau type de commerce, calqué sur les besoins de la société d’apparence.

Lentement, la réticence à aller voir les médecins, héritée du Moyen-âge,

s’estompe. En effet, à cette époque, la population préférait se soigner chez elle car il n’était pas rare d’attraper une autre maladie lors d’un séjour à l’hôpital ou chez des charlatans qui se faisaient passer pour des guérisseurs. En outre, les médecins occidentaux n’avaient pas de réelles connaissances sur le corps humain et utilisaient des remèdes de leur propre invention, ou ne prescrivaient aux malades que des prières à réciter. Les progrès de la médecine tant en matière d’hygiène que de technique, entraînent une plus grande confiance des patients envers les médecins. Il y a donc un plus grand nombre de patients. Ce nombre est aussi dû au vieillissement de la population, les personnes âgées ayant souvent plus de problème de santé. L’accroissement du nombre de patients pousse les chercheurs à trouver des moyens moins coûteux, plus rapides mais aussi plus précis et plus efficaces pour soigner.

Les phénomènes de modes renforcent aussi la société d’apparence. Par exemple,

le souhait de plus en plus répandu d’arrêter de porter des lunettes, a poussé les scientifiques à trouver de nouvelles méthodes permettant plus facilement de corriger la vue. En effet, les anciennes techniques qui utilisaient des lasers, encore peu performants et mal contrôlés, étaient très risquées, peu répandues, éprouvantes et n’attiraient pas les patients. L’apparition des méthodes de soins exploitant des lasers beaucoup plus précis et mieux contrôlés a permis une amélioration des techniques d’opération chirurgicale. Cela a été suivi d’un accroissement des demandes

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d’opérations car elles demandent moins de temps, sont plus faciles d’accès (les centres ophtalmologiques sont de plus en plus nombreux) et ont plus de chance de succès.

Nous avons pu remarquer que les chances de réussite d’une opération influençaient beaucoup le choix des patients potentiels, grâce à un sondage que nous avons réalisé auprès de 50 personnes atteintes de myopie au sein de notre lycée. On constate que 54% d’entre elles voudraient être opérées au laser, mais 58% ne le feraient pas si les chances de succès ne dépassaient pas 90%.

Le coût de cette opération est aussi un facteur influant sur leur décision. Toujours d’après notre enquête, 67% des personnes interrogées ne souhaitent pas faire l’opération pour le prix actuel qui est aux alentours de 1200 euros, non remboursables par la Sécurité Sociale. C’est pourquoi il est important de perfectionner et d’améliorer encore cette technique afin de baisser le tarif de l’opération et d’augmenter les chances de réussite.

Nous allons maintenant étudier certaines applications du laser dans la médecine.

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B. Application du laser dans le domaine de la médecine Symbole de la montée des nouvelles technologies, l’outil laser est de plus en plus utilisé dans la médecine. 1. Chirurgie

• Destruction des métastases cancéreuses cérébrales par laser

Le corps humain est un organisme constitué de cellules, c'est-à-dire de structures microscopiques fonctionnant en cohésion comme le font des ouvriers spécialisés. Selon leur fonction, elles se divisent avec une régularité variable pour former deux nouvelles cellules. Mais une tumeur est le fruit d’une dégénérescence cellulaire : l’information génétique (« le plan de montage des cellules ») est altérée, et les cellules tumorales se reproduisent frénétiquement, sans assurer leur fonction et en gênant le fonctionnement de l’organe dans lequel elles se trouvent.

Une tumeur est dite bénigne si les cellules dégénérées restent concentrées, facilitant leur extraction par chirurgie. Mais le cancer est une tumeur maligne, c'est-à-dire que certaines cellules cancéreuses se fixent mal aux autres cellules. Après division, elles « voyagent » dans l’organisme par le sang ou la lymphe (qui est un réseau parallèle au système sanguin dédié au système immunitaire), avant de se fixer dans un autre organe, formant en se divisant, des « colonies », qui s’appellent des métastases. C’est cette capacité à envahir d’autres organes qui rendent les cancers si dangereux et imprévisibles, car même après avoir retiré la tumeur initialement détectée, il est impossible de savoir si des métastases ne vont pas être découvertes plus tard.

Métastase cérébrale observée par IRM

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Une fois la métastase diagnostiquée, il existe différents traitements pour la détruire comme la chirurgie, la radiothérapie, ou la chimio thérapie. Mais les métastases que nous évoquons sont des métastases cérébrales, apparues chez des individus pour qui ces différentes techniques restent inefficaces, du moins sur les tumeurs traitées. De plus, le cerveau étant un organe assez mal connu et très fragile, il est difficile à opérer.

A l’hôpital de la Pitié Salpêtrière à Paris, a été réalisée une opération à titre expérimental sur des individus portant des métastases résistantes, ce qui a permis de les détruire et donc de sauver ces personnes condamnées autrement. Le principe de l’opération est d’apporter grâce à un laser de longueur d’onde égale à 980 nm et d’une fibre optique (outil qui a la capacité de diriger et de concentrer un faisceau laser dans la zone voulue), la chaleur nécessaire à la destruction des tumeurs, soit 100 degrés, par thermo coagulation (processus par lequel un liquide (sang, lymphe) se solidifie).

Grâce au faible diamètre de la fibre (1,65 mm), un trou de seulement 3 mm de diamètre est nécessaire dans le crâne, là ou la chirurgie classique a besoin d’ouvrir entièrement la boîte crânienne. Mais l’idée originale de l’équipe de la Pitié Salpêtrière est de combiner cette thermo coagulation avec :

- une IRM (imagerie par résonnance magnétique, c'est-à-dire un scanner) qui permet aux chirurgiens de contrôler en permanence la température appliquée et le chemin de la sonde.

- un circuit de refroidissement à eau, qui permet de réguler plus rapidement la température de la sonde et d’empêcher qu’elle ne colle aux tissus. En effet, si cela se produisait, ou si la température du cerveau excédait 105°C, les séquelles pourraient être mortelles pour le patient.

Les résultats sont concluants, avec aucune récidive de métastase pour 90% des opérations. Les 10% de patients restants ne sont plus condamnés mais peuvent simplement subir une nouvelle opération par laser, ou éventuellement un autre type d’opération, s’il s’agit d’une métastase dans un autre organe.

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• Le décollement de la rétine

L’œil est un organe sphérique qui se compose principalement de l’iris qui sert d’obturateur, du cristallin qui fait office de lentille de la même manière qu’un appareil photo, et de la rétine qui convertit la lumière reçue en informations exploitables par le cerveau. L’œil est rempli d’humeurs (fluide corporel) qui assurent sa cohésion, notamment l’humeur vitrée qui lui donne sa forme sphérique et maintient en place la rétine. Celle-ci est constituée de deux membranes qui sont reliées de manière relativement lâche.

Chez le myope ou l’hypermétrope, deux malades de l’œil dont la rondeur est altérée, la membrane la plus à l’intérieur de la rétine présente des risques plus importants de se détacher et de se déchirer, causant à terme des pertes de vision et l’accélération de l’apparition de corps flottants, dues à la condensation du vitré (c'est-à-dire le passage d’un état de gel à un état liquide).

Schéma de l’organisation de l’œil subissant un décollement de la rétine

Pour éviter cela, il existe un traitement préventif. En effet, afin de cicatriser les déchirures de la rétine, le chirurgien a recours à la photocoagulation par laser.

Cette opération se déroule en plusieurs étapes :

- D’abord l’œil du patient est anesthésié avec un collyre (médicament liquide pour les yeux).

- Puis le chirurgien, après avoir observé en détail la rétine, pointe la zone à opérer avec un faisceau laser de visée.

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- La bordure de la déchirure de la membrane est ensuite soumise à un autre laser plus puissant, généralement un laser Nd-YAG, qui coagule les microvaisseaux autour de la plaie, pour provoquer une cicatrisation et empêcher que la lésion ne s’étende et n’entraine des troubles de la vision irréversibles. Cela permet de « recoller » la rétine.

- Enfin on place une lentille sur l’œil pour protéger le tissu cicatriciel.

Cette opération se déroule sans hospitalisation et a très peu d’effets secondaires : à son sortir, une sensation de trouble de la vision et d’un léger étrécissement du champ de vision peuvent se faire ressentir, mais ce sont des effets passagers.

• Le traitement de la myopie

La myopie est une maladie des yeux. Elle est due à un œil anormalement long : les rayons lumineux que diffuse un objet éloigné se rencontrent devant la rétine, alors qu’ils devraient se focaliser sur celle-ci. Ainsi, la vision lointaine est floue. Environ un quart de la population mondiale souffrent de ce trouble de la vision. La myopie est généralement corrigée par le port de lunettes ou de lentilles de contact adaptées. Cela modifie le trajet des rayons lumineux afin qu’ils convergent vers la rétine. Cependant, il est maintenant possible de guérir la myopie grâce à une opération au laser. La plupart du temps, les patients souhaitent se faire opérer car ils ne veulent plus porter de lunettes (pour des raisons esthétiques ou financières), ou car ils ne supportent plus leurs lentilles. La myopie est en partie causée par la cornée, qui est trop bombée. L’opération au laser permet de retrouver la bonne courbure de la cornée (ou courbure cornéenne).

Coupe transversale d’un œil

Epithélium

Strom

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Pour ce faire, on modifie la forme de la cornée à l’aide d’un laser excimer, un laser ultraviolet dont la longueur d’onde des radiations est inférieure à 380 nm. Il existe deux techniques principales :

• soit le laser va agir en profondeur, après avoir découpé un volet superficiel de l’épithélium (couche de tissus de l’œil), d’une partie du tissu cornéen et du stroma de la cornée. On parle dans ce cas de LASIK (ou Laser in-SItu Keratomileusis),

• soit le laser va agir à la surface de la cornée, c’est la technique du laser excimer de surface.

Le LASIK (LAser in-SItu Keratomileusis) Cette technique est employée pour de fortes myopies (entre 5 et 10 dioptries), et ce fait en deux temps : La réalisation du capot ou du volet

On appelle volet la partie superficielle de la cornée constituée, dans cette méthode, de l’épithélium, d’une partie du tissu cornéen et du stroma, que le chirurgien coupe pour pouvoir traiter au laser la cornée. Le capot est un volet qui n’est pas complètement détaché de la cornée. L’épaisseur de la couche à enlever est proportionnelle au degré de myopie : plus elle est élevée, plus l’épaisseur augmente. Elle peut se faire à l’aide d’un rabot à lame oscillante (ou microkératome) : c’est la technique du lasik simple.

Réalisation d’un capot à l’aide d’un microkératome

On peut aussi employer un laser femtoseconde, qui produit des impulsions très courtes dont la durée est de l’ordre de quelques de femtosecondes (10-15 s) : c’est le « lasik tout laser ». Ce laser remplace le microkératome et permet d’accroitre la précision, la sécurité et la qualité du résultat obtenu. Il permet de réaliser un fin capot d’une profondeur de l’ordre de 100 micromètres (10-6m), sans trop fragiliser la cornée.

Microkératome

Volet cornéen de l’œil

Anneau de succion qui immobilise l’œil

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La plupart du temps, le chirurgien réalise un capot pour pouvoir le remettre à sa place plus facilement et de favoriser la cicatrisation de la cornée. La sculpture de la cornée au laser excimer

Dans un deuxième temps, on soulève le capot découpé et on utilise le laser excimer pour sculpter la cornée, et obtenir une nouvelle courbure qui permettra à l’image de se former non plus en avant de la rétine, mais sur celle-ci. Le laser est couplé à un ordinateur. Il est donc possible de le programmer en fonction des caractéristiques de l’œil du patient, recueillies lors d’un examen préparatoire. De gros spots lumineux donnent une forme sommaire à la cornée, tandis que les petits faisceaux du laser s’occupent de la finition et des détails.

Avec le lasik, le laser agit dans l’épaisseur de la cornée et non à sa surface, contrairement à la méthode du laser excimer de surface. Cette opération présente une phase chirurgicale, le découpage du capot cornéen, il y a donc des risques d’infections ou d’œdème liés à la mauvaise cicatrisation du capot. En outre, celui-ci prend beaucoup de temps avant de réellement cicatriser, parfois plus d’un an, ce qui peut être gênant pour la pratique d’un sport de contact violent. De plus, l’intervention est contre-indiquée aux personnes ayant une cornée ultrafine. Cependant elle permet une récupération très rapide de la vision (quelques heures).

Les différentes étapes d’une intervention au Lasik

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Le laser excimer de surface Mis à part le LASIK, il existe trois autres méthodes d’opérations de la myopie, qui utilisent le laser excimer à la surface de la cornée. Elles s’appliquent à des myopies faibles, inférieures à 5 dioptries. La PKR (PhotoKératectomie Réfractive au laser excimer)

C’est la première technique à avoir utilisé un laser pour guérir la myopie. Elle était très répandue dans les années 1990, mais est aujourd’hui souvent remplacée par des méthodes beaucoup plus performantes telles que le LASIK. Sous anesthésie locale, le chirurgien va détruire la couche superficielle de tissus située à la surface de la cornée, appelée épithélium, par pelage chirurgical. Pour cela, il utilise un grattoir pour retirer la couche de tissus. Il a alors accès à une couche plus profonde, le stroma (qui représente 90% de l'épaisseur de la cornée) sur laquelle il va appliquer le laser excimer directement à sa surface. Chaque impact du laser retire une épaisseur de cornée de 0,2 micromètres (10-6 mètres), sur une surface de un à deux millimètres. Le nombre d'impacts de laser excimer est calculé à l’aide d’un ordinateur et varie selon l'importance de l'anomalie à corriger. Pour corriger la myopie, le centre de la cornée sera creusé sur une surface de cinq à sept millimètres et sur une profondeur de 120 micromètres au maximum. On appelle cette zone de traitement par laser la « zone optique ». Le principal inconvénient de cette méthode est le temps de récupération. En effet, l’épithélium va prendre au moins trois jours pour se reformer. Pendant cette période, une lentille pansement spéciale devra être portée par le patient. De plus, l’œil est rouge et pleure pendant environ quarante-huit heures. Cela est souvent accompagné de douleurs, gênantes pour la reprise du travail ou de la conduite. Enfin, la vision prend beaucoup de temps à se stabiliser : au moins trois semaines.

Le LASEK Le LASEK est un dérivé de la PKR. Au lieu de détruire l’épithélium à l’aide d’un grattoir, le chirurgien retire cette couche de tissus, après avoir appliqué une solution d’alcool. L’épithélium sera ensuite remis à sa place en fin d’intervention. Cependant, des études montrent que le LASEK n’apporte pas d’amélioration notable sur le plan de la douleur, de la récupération visuelle, et des résultats par rapport à la PKR. Il nécessite, en outre, une instrumentation particulière et est plus délicat à réaliser. C’est pourquoi cette technique est très peu répandue.

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L’EPI-LASIK On appelle ainsi cette technique car elle ressemble beaucoup au Lasik. L’Epi-Lasik utilise aussi un laser excimer. Cette méthode est récente et est, tout comme le LASEK, dérivée de la PKR. Le chirurgien ne détruit plus l’épithélium mais le retire grâce à un instrument spécial. L’épithélium est « pelé », c’est à dire que le chirurgien le retire sans l’abîmer. A la fin de l’opération, ce volet est remis à sa place. Par rapport à la PKR, l’Epi-Lasik permet une récupération visuelle plus rapide et des suites moins douloureuses. Il est préférable aujourd’hui, de faire une opération au LASIK plutôt qu’au laser excimer de surface car le Lasik permet une meilleure précision et garantit plus de succès. Si cette intervention est contre-indiquée à cause d’une cornée trop fine, il vaut mieux se faire traiter par la méthode de l’Epi-Lasik et éviter les anciennes méthodes telles que la PKR ou le Lasek. Cependant ces opérations au laser ne permettent pas de retrouver une aussi bonne vision qu’avec les lunettes ou les lentilles de contact. En effet, on détruit une partie de la cornée, ce qui altère obligatoirement la qualité de la vision. Pour les fortes myopies, le laser ne permet pas au patient de se passer de lunettes mais il diminue le degré de myopie. De plus, le coût de ces interventions restent encore très élevés, entre 700 et 1500 euros, et n’est pas pris en charge par la Sécurité Sociale, car c’est une « chirurgie de convenance ». Même si leur tarif semble élevé, les opérations au laser pour guérir la myopie reviennent souvent moins chères, à long terme, que l’entretien et le renouvellement des lunettes ou des lentilles.

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2. Médecine de beauté Dans cette partie, nous nous intéresserons à la médecine qui répond à des besoins secondaires, tout en employant les propriétés uniques du laser. Cette médecine est surtout utilisée dans l’optique de paraître plus jeune, en effaçant les rides par exemple, mais peut aussi servir à traiter des patients victimes d’accidents, de maladies de la peau, ou de malformations.

• L’effacement des rides de la peau par laser

La peau est un organe qui constitue le revêtement extérieur du corps de l’être humain. Elle est composée de plusieurs couches de tissus, l’épiderme, le derme et l’hypoderme. Elle représente la première barrière de protection de l'organisme.

Le collagène est une protéine se trouvant principalement dans le derme et qui constitue les fibres entre les cellules des tissus. L’élastine est aussi une protéine présente dans la peau, qui confère à celle-ci une certaine élasticité. Les rides sont des cassures dues à un affaissement des structures dermiques, provoqué par la disparition progressive de ces deux protéines, en partie à cause de l’âge.

Pour effacer les rides, certains centres médicaux proposent aujourd’hui d’utiliser les propriétés d’un laser afin de « resurfacer » la peau, c'est-à-dire refaire la surface de la peau ridée. La plupart du temps, pour ce type d’opération, est utilisé un laser CO2

fractionné, dont la longueur d’onde se situe dans l’infrarouge (10600 nm) : le faisceau laser est divisé en tous petits « spots » ou mini-faisceaux lumineux de diamètre réduit allant de 100 à 400 micromètres (10-6 m). Lorsque ce laser est passé sur la peau, les mini-faisceaux forment sur celle-ci des micro-puits espacés les uns des autres. La surface cutanée non touchée par le laser maintient le rôle de barrière de la peau et favorise la cicatrisation de la surface traitée. Ces mini-spots vont tuer les cellules de la

Poil

Collagène

Schéma de la structure de la peau

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couche supérieure de la peau, l’épiderme, ainsi que la couche superficielle du derme. Le laser va engendrer un « phénomène de remodelage » en stimulant le derme grâce à un effet thermique, et par la même occasion entraîner la synthèse de collagène pour combler les creux de la peau. L’intervention va avoir un effet presque immédiat en homogénéisant le teint et en lissant la peau. Cependant, l’opération doit souvent être répétée pour un résultat optimal (deux ou trois séances).

Le coût de chaque séance est relativement élevé. Il faut compter environ 150

euros pour « resurfacer » la lèvre supérieure et environ 500 euros par séance pour traiter complètement le visage. A cela viennent s’ajouter le prix de soins extérieurs nécessaires, comme l’application de crèmes cicatrisantes sur la peau traitée, ou encore une protection contre le soleil. De plus, le « resurfaçage » peut entraîner une poussée d’herpès, ou encore l’apparition, de façon transitoire, de tâches brunes (appelées tâches pigmentaires), c’est pourquoi une visite de contrôle dans les jours suivants l’opération est souvent recommandée.

Ce traitement n’est donc pas accessible à tous les patients car il est encore trop onéreux et comporte de nombreux effets indésirables. Les demandes qui continuent d’augmenter poussent les chercheurs à perfectionner ces techniques et le matériel employé.

Derme Hypoderme

Effet thermique : stimulation de la synthèse de collagène pour combler les creux de la peau

Cassure due à un affaissement dermique, ou ride

Epiderme

Mini-faisceau laser

Synthèse de collagène

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• L’épilation laser L’épilation laser est devenue une méthode commune depuis 1996 et permet une

épilation durable, contrairement à l’épilation à la cire, car elle utilise la précision, la puissance et la monochromie du laser pour détruire le bulbe du poil.

Les poils sont des productions filamenteuses de la peau, engendrées par un bulbe où se trouvent des mélanocytes, cellules qui synthétisent la mélanine servant à pigmenter les poils.

Schéma d’un poil de la peau

Le principe de l’épilation laser est de détruire de manière sélective le bulbe du

poil sans atteindre les autres cellules de la peau, car c’est à cet endroit que le poil est produit. On parle de photothermolyse sélective. En effet, la cible du laser est le bulbe pileux, qui possède des propriétés spécifiques en fonction de la nature du poil qu’il produit (couleur, résistance...). En adaptant les paramètres du laser (longueur d’onde, diamètre…) à ces caractéristiques, on peut détruire sélectivement le bulbe. Le laser est réglé sur une longueur d’onde spécifiquement absorbée par la mélanine, présente en forte concentration dans le bulbe pileux. Il est ensuite dirigé vers la cible. L’énergie lumineuse est absorbée par la mélanine et est transformée en chaleur (effet thermique). Cela augmente la température des cellules cibles et entraîne la destruction du bulbe. Le laser n’atteint que les cellules concentrées en mélanine, c’est pourquoi cette méthode est précise (ou sélective). La vie de chaque poil est caractérisée par un cycle pilaire, qui est divisé en trois phases : l’anagène, le catagène et la télogène. Le laser est principalement actif sur les poils en phase d’anagène, pendant laquelle le bulbe est très chargé en mélanine. Le traitement nécessite donc plusieurs séances (entre 4 et 7 séances en général). Chaque séance coûte entre 80 et 400 euros selon les zones traitées. Toute partie du corps peut

Hypoderme

Derme

Épiderme

Bulbe pileux

Mélanocytes qui synthétisent la mélanine

Poil

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être traitée, mais pour des raisons de sécurité, les sourcils ne le sont pas car trop proches de l’œil. En effet, le laser utilisé est dangereux pour les yeux à cause de sa concentration. De plus, l’œil est aussi composé de mélanocytes capables d’absorber le faisceau lumineux.

La plupart du temps, l’épilation laser est définitive pour la femme mais seulement durable chez l’homme à cause de leur quantité de testostérones qui stimulent la repousse des poils. Cette méthode présente donc des avantages, qui entraînent une forte augmentation de la demande, stimulant la recherche pour optimiser encore la qualité du résultat.

Cependant, l’épilation laser est souvent inefficace sur les poils blancs, très

blonds ou très roux car leur mélanine est différente de celle pour laquelle le laser a été conçu. De plus, certaines peaux bronzées peuvent entraîner un mauvais résultat, du fait que le bronzage charge la peau en mélanine. Celle-ci absorbera donc une partie des rayons lumineux du laser, engendrant des brûlures cutanées. Il est contre-indiqué de s’exposer au Soleil après une séance d’épilation laser, car il y a un risque de pigmentation de la peau : des tâches marrons risquent d’apparaître de façon transitoire.

Enfin, environ 10% des patients qui ont subi une épilation laser ont eu des résultats peu satisfaisants, sans que l’on sache vraiment pourquoi. Leur mélanine serait « non réceptive », mais le manque de connaissance sur le sujet ne permet pas de réponse certaine.

On peut donc conclure qu’il reste encore beaucoup de point à améliorer pour que cette méthode soit applicable à l’ensemble des patients sans risque et puisse vraiment se démocratiser.

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Le laser est une avancée scientifique récente, qui doit son origine à de multiples scientifiques : Albert Einstein et son principe d’émission stimulée, mais aussi Charles Townes, qui entrepris de longues recherches et mis au point le Maser, ou encore Théodore Maiman, créateur du premier Laser. A cela s’ajoute tous les physiciens, chimistes, etc…, qui firent des recherches sur les différents types de lasers, ou en fabriquèrent un nouveau.

Le fonctionnement du laser repose sur des principes récents énoncés par Townes et Einstein. Les caractéristiques de cette lumière, à la fois monochromatique, unidirectionnelle et cohérente, sont donc des conséquences d’un principe d’émission original : l’émission stimulée.

Il existe plusieurs types de lasers. Ceux-ci suivent à peu près le même principe de fonctionnement. La seule grande dissemblance est le milieu amplificateur, qui donne des caractéristiques différentes au faisceau laser. Ce milieu peut être solide, liquide ou gazeux. De nos jours, apparaissent même les diodes lasers.

Après la 2nde Guerre Mondiale, les progrès en médecine se sont accélérés. Ils ont

entrainé une augmentation de l’espérance de vie et ont contribué à l’affirmation d’une nouvelle société d’apparence basée sur l’image du corps. Alors que de plus en plus de personnes souhaitent paraitre plus jeune, on assiste en même temps à une explosion de méthodes basées sur les nouvelles avancées scientifiques qui permettent de masquer les conséquences du vieillissement.

Dès la fin du XXème siècle, le laser a trouvé différentes applications, notamment en médecine. Les propriétés de cette avancée scientifique lui permettent, en effet, d’être particulièrement adapté à la chirurgie de précision, ou de résoudre de graves problèmes médicaux, difficilement traitables auparavant, comme les métastases cérébrales. Le laser répond aussi aux besoins esthétiques de la nouvelle société d’apparence. Il permet entre autre l’épilation et l’effacement des rides. Néanmoins, ces méthodes doivent encore être améliorées pour pouvoir convenir aux exigences de patients toujours plus nombreux.

CONCLUSION

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Grâce à son principe de fonctionnement original et assez récent, le laser présente des caractéristiques uniques qui font de lui un outil encore peu exploité mais plein de promesses. Il ouvre des portes sur des domaines jusqu’alors inaccessibles tant dans les secteurs de la chirurgie que de la médecine de beauté. Ainsi, en une cinquantaine d’années, le laser a trouvé plusieurs utilisations en médecine qui permettent de répondre aux besoins de notre société en constante évolution. Cette avancée scientifique n’a pas seulement trouvé des applications, elle a su s’adapter à l’évolution des mentalités pour se développer davantage. Cette modification des besoins humains a poussé le laser à se perfectionner dans le secteur de la santé. Les scientifiques ont exploité ses propriétés exclusives pour trouver de nouvelles applications en médecine qui permettent de répondre aux nouvelles demandes. De nouvelles utilisations pour le laser sont fréquemment mises au point, comme par exemple la modification de la couleur de l’iris grâce à ce dernier. On peut donc dire qu’évolution des mentalités et apparition de nouvelles applications du laser en médecine sont allées de pair. Mais laser peut être synonyme de danger.

Tout d’abord, les faisceaux laser présentent des risques plus ou moins importants pour les yeux et la peau. Plus la puissance du laser est élevée, plus les risques sont élevés. De même, ils augmentent en fonction du temps d’exposition, de la taille du faisceau et de la longueur d’onde du laser.

Selon le domaine dans lequel le faisceau laser est émis, les risques sont plus ou moins importants.

Les lasers ultraviolets, de la même manière que les rayons UV du Soleil, dont on connaît les méfaits, peuvent provoquer des brûlures photochimiques

(brûlures dues à des réactions chimiques causées par la lumière), un vieillissement prématuré de la peau, ou même un cancer cutané. Certains lasers d’une grande puissance peuvent même entraîner des coupures de la peau. Une trop longue exposition à un faisceau laser UV est susceptible de provoquer des brûlures aux yeux, qui peuvent causer un trouble de la vision ou même la cécité.

En outre, lorsqu’ils émettent dans le domaine visible, les lasers présentent des risques élevés pour l’œil puisqu’ils sont perçus par celui-ci. Une diminution de la qualité de la vision peut être envisagée, voire même la perte totale de la vision (cécité). Sur la peau, une surexposition peut provoquer des brûlures.

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Enfin, les faisceaux lasers infrarouges n’atteignent pas la rétine, mais entraînent des lésions thermiques de la cornée et des pertes de transparences du cristallin

.

Pour se protéger de ses dommages, les utilisateurs de lasers dans leur travail portent un équipement, des lunettes par exemple. En ce qui concerne la médecine, les lasers sont utilisés avec de grandes précautions, mais il demeure un petit pourcentage de risque. Aujourd’hui, le laser connaît toujours une évolution. Un laser à atomes est entrain d’être mis au point. Il ne s’agit plus de dupliquer les photons, mais de « copier » les atomes, afin d’obtenir un faisceau laser. Cependant, il reste difficile d’utilisation et volumineux. Un tel appareil permettrait de faciliter la détection des ressources du sous-sol, mais aussi de préciser la mesure de la gravitation.

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- Lexique -

NB : Les petites étoiles « *** » indiquent que l’on change de partie de la production.

Rayonnement électromagnétique : Ensemble de radiations de natures similaires mais dont les longueurs d'ondes sont différentes. Longueur d’onde : Chaque onde électromagnétique est définie par sa longueur d'onde lambda λ qui représente la distance entre deux crêtes d’une onde. Elle est inversement proportionnelle à sa fréquence et s'exprime en mètres. Longueur d’onde

Représentation du déplacement d’une onde

Réflexion : changement de direction d’une onde quelconque, provoqué par la présence d’un obstacle. Diffraction : phénomène de déviation des ondes lorsqu’elle passe au voisinage d’un obstacle.

Cette photographie montre que lorsqu’un faisceau lumineux rencontre

un obstacle, ici une boule, il se divise. On dit qu’il se diffracte.

Obstacle Onde

Onde réfléchie

LEXIQUE

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Réfraction : changement de direction que subit une onde lorsqu’elle traverse la surface séparant deux milieux transparents différents. Particule/Corpuscule : constituant élémentaire de la matière. Mouvement ondulatoire : déplacement caractéristique des ondes, c'est-à-dire avec la même intensité dans toutes les directions Onde électromagnétique : il existe deux type d’onde : les ondes mécaniques, (le son, les vagues sur l’eau, les ondes sismiques…) et les ondes électromagnétiques : (la lumière, les rayons X…). Les ondes mécaniques ne se propagent que dans les milieux matériels alors que les ondes électromagnétiques peuvent se propager dans les milieux matériels et dans le vide. Matière : substance qui constitue les corps. Les atomes sont considérés comme les « briques » de la matière : ils sont présents dans tous les objets de l’Univers. Atome : particule composant la matière. Quantum d’énergie : il s’agit du petit paquet d’énergie indivisible qui peut être échangé entre lumière et matière. Photon : grain ou corpuscule présent dans la lumière, portant un paquet d’énergie.

***

Lumière laser : lumière constituée de photons identiques. Micromètre : longueur un million de fois plus petite que le mètre ou mille fois plus petite que le millimètre. Pompage optique : transfert de l'énergie lumineuse à des atomes, à l’aide d’impulsions répétées de lumière intense ou d’une décharge électrique. Cette énergie permet d’augmenter le nombre d’atomes excités.

Milieu 2 (ex : huile)

Milieu 1 (ex : eau) Onde réfractée

Onde

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Inversion de population : passage d’un nombre supérieur d’atomes au repos, à un nombre supérieur d’atomes excités. Milieu amplificateur : addition de la source d’énergie, du « pompage optique » et d’un milieu dans lequel les atomes subissent des émissions stimulées Molécule : ensemble d’atomes liés les uns aux autres par des liaisons dites de covalences. Ion : atome ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, particules situées autour du noyau de l'atome Concentration : quantité de matière en fonction du volume.

***

***

Isolant : insensible au courant électrique. Conducteur : qui laisse passer le courant électrique, comme les métaux… Réaction chimique : des espèces chimiques, appelées réactifs, disparaissent et se transforment en d'autres, appelées produits. Electron : une des particules constituants un atome.

***

*** Information génétique : « plan de montage des cellules ». Lymphe : réseau parallèle au système sanguin dédié au système immunitaire. Coagulation : processus par lequel un liquide (sang, lymphe) se solidifie. Iris : disque coloré de la partie antérieure de l’œil, visible à travers la cornée. Il est percé en son centre d'un orifice, la pupille. Cristallin : partie de l’œil, en forme de lentille biconvexe qui concentre les rayons lumineux sur la rétine. En modifiant son angle de courbure, sous l'action des muscles

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ciliaires, une image nette peut se former sur la rétine : c'est le phénomène d'accommodation. Rétine : Membrane tapissant la face interne de l’oeil et qui contient les cellules permettant aux rayons lumineux d’être captés puis transformés en messages nerveux envoyés au cerveau. Condensation : passage d’un état de gel à un état liquide. Myopie : Trouble de la vision causé par un œil trop long. L’image ne se forme pas comme il le devrait sur la rétine mais devant lorsqu’on regarde au loin. Cornée : partie antérieure transparente de l’œil. Laser excimer : type de laser qui émet une radiation dans l’ultraviolet souvent employé en chirurgie oculaire. Epithélium : Tissu mince formé d’une ou de plusieurs couches de cellules juxtaposées (ou jointives). Dans l’œil, il assure l’irrigation des cellules photo réceptrices (c’est à dire qui reçoivent l’image) constituant la rétine. Dioptrie : unité de mesure de vergence d’un système optique. Elle permet de déterminer la mesure de la réfraction, c'est-à-dire la possibilité que possède un milieu ou un objet de dévier les rayons lumineux. Stroma : tissu qui forme la structure d’un organe ou d’une cellule. Pour l’œil, il représente 90% de l’épaisseur de la cornée. Collagène : protéine se trouvant principalement dans le derme et qui constitue les fibres entre les cellules des tissus. Elastine :

protéine présente dans la peau, qui confère à celle-ci une certaine élasticité

Rides : cassures dues à un affaissement des structures dermiques, provoqué par la disparition progressive de ces deux protéines, en partie à cause de l’âge. Synthèse : Fabrication d'un corps composé. Herpès :

Éruption cutanée, sous forme de petites vésicules.

Mélanocytes, cellules qui synthétisent la mélanine servant à pigmenter les poils.

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Annexe 1

De la lumière au laser : Frise chronologique

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Annexe 2

Dur dur d’être un atome !

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L’émission spontanée de Monsieur Atome L’émission stimulée de Monsieur Atome

***

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Document illustrant les différents domaines d’ondes électromagnétiques

Annexe 3

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Le fonctionnement du laser en images

Annexe 4

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