Pulvérisation LASER des calculs urinaires : différentes technologies et leurs résultats

Introduction LASER est l'acronyme de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ». Les lasers produisent ou amplifient un rayonnement lumineux pour des longueurs d'onde situées dans le domaine de l'infrarouge, le visible et l'ultraviolet. Un laser est défini par trois éléments principaux. Les applications laser dans le domaine médical sont extrêmement nombreuses et variées, touchant aussi bien la dermatologie comme la chirurgie. Après la publication difficile des résultats de Maiman en 1960, il ne fut que peu de temps pour que ce laser Rubis soit utilisé dans le domaine médical 1. Le 22 novembre 1961, le Dr Charles J. Campbell, utilisait le laser Rubis pour traiter une tumeur de la rétine chez un patient de l'Institut ophtalmologique Harkness 2. La première application laser urologique est décrite en 1966 par RL Parsons 3. Appliquant des énergies de 30 à 60 J sur la muqueuse vésicale de chiens sous anesthésie générale, il rapportait une première expérience in vivo cystoscopique avec possibilité de cicatrisation muqueuse. Toutefois, le modèle laser n'est pas décrit ni la méthode d'application (taille de la fibre optique par exemple).

Concernant l'application lithiasique, W.P. Mulvaney et C.W. Beck ont publié en 1968 la première étude in vitro sur calculs humains, utilisant un laser Rubis émettant à de haut niveaux d'énergie impulsionnelle (de 50 à 300 J) 4. En raison de la grande quantité de chaleur produite par les impulsions du laser Rubis, son utilisation clinique est rapidement abandonnée. En 1978, H.D. Fair fut le premier à exploiter la possibilité de transmettre le rayonnement laser par une fibre optique (« Fibre Laser ») 5.

Si les années 1980 furent celle du laser cristallin grenat d'yttrium-aluminium dopé au Neodymium (Nd:YAG), la révolution liée au laser solide cristallin Holmium:YAG (Ho:YAG) eu lieu en 1992, avec la publication des résultatsde Johnson et al 6. Référence pendant plus de trente ans, l'Ho:YAG est désormais mis en concurrence avec le laser Thulium Fibré (TFL) pour la lithotritie laser au cours d'une urétéroscopie ou d'une néphrolithotomie percutanée. Enfin, le laser Thulium:YAG (p-Tm :YAG) pulsé est actuellement évalué comme une alternative à ces deux technologies pour la pulvérisation des calculs urinaires.

Cet article vise à présenter les différentes technologies laser actuellement disponibles (Ho : YAG, TFL, et p-Tm :YAG) et leurs résultats pour la pulvérisation lithiasique.

Technologies

Les lasers Ho :YAG, TFL et p-Tm:YAG sont donc les trois technologies actuellement disponibles pour la LLE. Comme expliqué précédemment, ce sont tous des lasers solides (cristallin ou fibré).

Ils fonctionnent sur un mode pulsé, seul mode d'émission laser adapté au traitement des calculs urinaires, l'émission continue n'étant adaptée que pour les applications tissulaires. Les caractéristiques d'une impulsion laser sont les suivantes 7 :

► L'énergie (Joule) d'une impulsion laser mesureson intensité au cours d'une Période.

► La fréquence (Hz) d'émission est le nombre d'impulsionslaser émises au cours d'une seconde.

► La durée de l'impulsion (μs).

► La Puissance crête (Peak Power, W) : niveau puissance maximal au cours d'une impulsion, qui est corrélée à la durée d'impulsion selon la formule suivante : Puissance Crête (Peak Power) = Puissance Moyenne (W) / Fréquence (Hz) x Durée d'impulsion(s)

► La Puissance moyenne : puissance (W) annoncée d'usage par le générateur, elle est associée à l'Energie (J) et la Fréquence (Hz) par la formule suivante :

Puissance Moyenne (Watts) = Energie (J) x Fréqquence (Hz)

Le tableau présente les différentes caractéristiques technologiques et architecturales des lasers Ho:YAG, TFL et p-Tm:YAG, annoncées par l'industrie. 8

Ho:YAG

L'Ho:YAG est un laser solide à matrice cristalline, grenat d'yttrium et d'aluminium dopé à l'holmium, pompé par une lampe à flash, fonctionnant en mode pulsé, et émet à une longueur d'onde λ = 2120 nm, lui conférant un coefficient d'absorption dans l'eau relativement élevé. Cet aspect est primordial pour éviter la diffusion du faisceau laser aux tissus environnant (dommages collatéraux).

Malgré sa large diffusion, la technologie Ho:YAG connait certaines limites 9.

La longueur d'onde λ = 2120 nm n'est pas parfaitement corrélée au pic d'absorption de l'eau dans les tissus qui est de 1940 nm. L'utilisation d'une lampe à flash diminue le rendement de la cavité laser à 1-2- %, limitant la puissance de la cavité à 30 W 9.

En effet les lasers Ho:YAG de hautes puissances, utilisent quatre cavités de 30 W pour atteindre 120 W de puissance moyenne. Le cristal YAG est un milieu relativement volumineux, qui génère un faisceau large, de l'ordre de 300 μm, nécessitant une collimation pour pénétrer les fibres optiques de plus petit calibre, limitées à une taille minimale de 200 μm en coeur. Par ailleurs, Haddad et al. ont montré que le rayonnement laser se dégradait au cours du temps, notamment du fait de la dégradation de la fibre optique chargée de le conduire vers sa cible 10.

En conséquence, l'efficacité de l'Ho:YAG tend à diminuer dès les premières impulsions, limitée par une recoupe régulière de son extrémité distale. Enfin, le profil oscilloscopique de l'impulsion laser est dit « en pic », présentant un « overshoot » initial, suivi d'une décroissance rapide, responsable notamment d'une rétropulsion du calcul gênant son traitement et limitant sa capacité de pulvérisation fine (figure 1). 11

Le principe de la cavité laser YAG utilisant des miroirsse faisant face, une perte de l'alignement est responsable d'une panne. Aussi, sa résistance aux chocs externes est faible. De plus, son poids est conséquent, surtout pour les Ho:YAG de haute puissance, ayant également un système de refroidissement bruyant.

TFL

Le TFL est un laser solide à fibre, initialement développé en mode continu puis modifié pour permettre une émission impulsionnelle 9. Sa matrice est faite d'une fibre de silice de 10-20 μm de diamètre et d'une longueur de 10-30 m, dopée chimiquement au thulium, pompée par des diodes laser dont le meilleur rendement réduit l'élévation de température. Il émet à une longueur d'onde variable λ comprise entre 1908 et 1940 nm, également transmise par des fibres optiques en silice faiblement hydroxylées, et qui correspond plus étroitement au pic d'absorption de l'eau, tant à basse qu'à haute température. À cette longueur d'onde, le coefficient d'absorption du rayonnement par l'eau est d'environ 120 cm-1, contre 25 cm-1 pour la longueur d'onde du laser Ho:YAG : l'absorption du rayonnement est donc quatre à cinq fois plus importante pour le rayonnement TFL que pour le rayonnement Ho:YAG.

Cela constitue donc un élément de sécurité en urétéroscopie souple concernant le risque de dommages collatéraux et oriente déjà sur la distance entre l'extrémité de la fibre et le calcul pour optimiser l'ablation. Le rendement de la cavité est estimé à 12 %, grâce à l'utilisation des diodes laser comme source d'excitation du milieu amplificateur. Fonctionnant sur prise électrique murale classique et ayant un système de refroidissement à air, son encombrement spatial est réduit, sa résistance au choc externe importante. Le faisceau émis présente une largeur de 70 μm, permettant de connecter des fibres laser jusqu'à un diamètre théorique de 50 μm, bien inférieur aux 200 μm de l'Ho:YAG. Le TFL présente également un éventail très large de paramètre d'énergie et fréquences, allant jusqu'à 25 mJ (minimum) et 2000 Hz (maximum). Enfin, l'analyse de son profil oscilloscopique retrouve une impulsion stable et uniforme, pouvant expliquer la plus faiblerétropulsion lithiasique du TFL par rapport à l'Ho:YAG et sa meilleure efficacité (figure 2).11

Tm :YAG

Le p-Tm:YAG est un laser solide un laser solide à matrice cristalline, grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au Thulium, pompé par des diodes laser, fonctionnant en mode continu ou pulsé, et émettant à une longueur d'onde λ = 2013 nm. Initialement développé pour des applications tissulaires, il a été récemment proposé pour traiter les calculsurinaires. Sa longueur d'onde est associée à uncoefficient d'absorption dans l'eau intermédiaire entre l'Ho:YAG et le TFL, autour de 75 cm-1 (figure 3). 8

Il présente également plusieurs modes impulsionnelsincluant des combinaisons variables (énergie-fréquence), de manière similaire au TFL. L'utilisation dediodes laser pour pomper la cavité YAG permet d'obtenirune puissance moyenne de 100W en une seulecavité, mais sa technologie présente les mêmes limites que l'Ho :YAG concernant le diamètre minimal des fibres optiques utilisables (200 μm), la fragilité du générateur, son poids et son encombrement 8. Le profil oscilloscopique retrouve une impulsion stableet uniforme, avec une puissance crête plus élevée que le TFL, mais plus faible que l'Ho:YAG (figure 4).

Efficacité et sureté d'utilisation pour la pulvérisation lithiasique

Le premier élément de sécurité d'utilisation est la diffusiondu rayonnement laser. Comme dit précédemment, il est élevé pour les trois technologies mais 4 à 5 fois plus élevé pour le TFL par rapport à l'Ho:YAG.

Aussi, ces trois lasers sont sûrs d'utilisation sur cet aspect, mais la variabilité du coefficient d'absorption se traduit également par une différence de technique de traitement sur la distance entre le calcul et l'extrémité de la fibre laser : on traitera le calcul en quasicontact avec le TFL mais plus à distance pour le p-Tm:YAG et l'Ho:YAG.

Ensuite, le rayonnement laser étant fait de lumière, il est responsable d'un effet thermique direct (sur la cible) et indirect (dans le milieu aqueux environnant). Il n'existe pas de différence quant aux profils de températures entre TFL et Ho:YAG (in vitro et in vivo) avec un risque de lésion thermique indirect faible pour une puissance moyenne de 20 W 12, 13. De même, Ho :YAG et p-Tm :YAG présentent des profils de température similaire. 14

Concernant l'efficacité pour la pulvérisation d'un calcul urinaire, plusieurs études ont démontré en conditions in vitro et in vivo que le TFL produit plus de poussière de calcul, de manière plus fine et plus rapidement que l'Ho:YAG, et ce pour tout type de calculs 15-18. Toutefois, le TFL, présentant une puissance crête de 500 W limitant la rétropulsion du calcul, à la limite nécessaire pour fragmenter un calcul, est décrié par certaines équipes devant son absence d'efficacité en chirurgie percutanée et contre certains types de calculshumains, bien que cela ne soit pas démontré dans la littérature.

De plus, le TFL permettant de régler des fréquences de répétition jusqu'à 2000 Hz, des accidents furent rapportés par traumatismes thermiques directs et indirects 19. Enfin, peu de données sont disponibles pour le p-Tm :YAG à ce jour. Si sa capacité de fragmentation serait similaire à celle de l'Ho:YAG, sa capacité à pulvériser finement les calculs serait similaire à celle du TFL, et ce pour tout type de calculs (in vitro) 20-23. Une seule étude clinique prospective est actuellement disponible, retrouvant des résultats encourageants en urétéroscopie souple comme en chirurgie percutanée 24-25. Cependant des études comparatives incluant p-Tm:YAG, TFL et Ho:YAG sont nécessaires pour apprécier son efficacité clinique.

Recommandations actuelles

Les recommandations françaises ont été les premières à traiter spécifiquement du laser pour le traitement des calculs urinaires en 2022 26.

Auparavant, l'European Association of Urology (EAU) et l'American Urological Association (AUA) ne recommandaient que le laser Ho:YAG pour la traitement des calculs urinaires.

Des suites de la publication de plusieurs études comparatives (dont un essai contrôlé randomisé en 2022), les recommandations françaises proposent désormais aussi bien l'Ho:YAG que le TFL pour réaliser le traitement laser endoscopique d'un calcul (Grade B) 26,27.

La récente mise à jour des recommandations de l'EAU (mars 2024) suit désormais la recommandation française, les recommandations de l'AUA étant en cours de révision 28. Il n'existe pas à ce jour d'autre source laser recommandée pour la LLE, notamment concernant le p-Tm:YAG, dont les données cliniques sont encore trop limitées.

Conclusion

Le traitement endoscopique des calculs urinaires est désormais principalement réalisé par laser. L'Ho:YAG et le TFL sont actuellement recommandés dans cette indication avec une meilleure capacité à pulvériser finement les calculs et de manière plus efficace pour le TFL. Cependant, ce domaine est sujet à de nombreusesinnovations technologiques, nécessitant unemise à jour constante.