1. Energie électrique et spectre optique





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LAMPES POLYCHROMATIQUES PULSEES

Dr A. Le Pillouer-Prost, dermatologue, Marseille doclepillouer@free.fr

Dr H. Cartier, dermatologue, Arras hcartier@hotmail.com

Dr C Raimbault, dermatologue, Metz secretariat.dr.raimbault@wanadoo.fr
Introduction

Plusieurs termes sont employés pour désigner cette « famille » de sources lumineuses qui a longtemps était considérée comme le parent pauvre du laser : « IPL » surtout par les anglosaxons pour « Intense Pulsed Light » ou «  Flash Lamp » et pour les francophones « lampes flash » ou mieux lumières polychromatiques pulsées (LPP) que nous utiliserons dans ce chapitre. En 1976, Muhlbauer et collaborateurs décrivent l’effet thermo-coagulant de la lumière polychromatique sur des angiomes plans. Dans les années 80, de nombreux articles apparaissent sur les malformations vasculaires et les tatouages. Ce n’est qu’en 1990 que Goldman et Eckhouse développent une nouvelle lampe pulsée à haute intensité et seulement véritablement en 1994, que des appareils médicaux sont mis au point par la société Lumenis : Epilight® et Photoderm VL®. Puis de multiples appareils et « générations » d’appareil ont vu le jour. Leurs indications se sont rapidement étendues à de mutiples domaines, vasculaires, pigmentaires, de « réjuvénation » puis à l’acné, aux cicatrices pathologiques, aux vergetures et à la photothérapie dynamique (PDT), en faisant des appareils multiapplicatifs très précieux pour les cabinets de dermatologie.


  1. BASES TECHNIQUES 

A. Electriques et optiques

1. Energie électrique et spectre optique

La différence essentielle entre un laser et une LPP est physique : le premier émet une lumière monochromatique (une seule longueur d’onde qui s’exprime en nanomètre : nm) tandis que le second émet une bande de lumière polychromatique non cohérente couvrant tout le spectre qui est ensuite filtrée par un premier filtre pour les plus courtes longueurs d’onde délétères (jusqu’à 480 nm environ, 500 nm pour la plupart des appareils) et par un deuxième filtre qui coupent le spectre dans les infra-rouges (en général à 1200 ou 950 nm) (Fig 1)

Les LPP sont donc des lampes à décharge de haute intensité remplies d’un gaz noble, généralement du xénon, plus rarement du krypton. Ces sources lumineuses produisent une radiation optique, lorsqu’un courant électrique est conduit à travers le gaz. Les LPP. Elles ont un très bon rendement et convertissent plus de 70 % de l’énergie électrique en lumière. A titre indicatif, le meilleur rendement laser est obtenu avec le laser C0² mais avec seulement 17%. L’intense énergie rayonnante de ces lampes a été mise au service de diverses applications médicales et non médicales: pompage optique de lasers (Nd-YAG, laser à colorant pulsé, lasers déclenchés dits « Q-Switchés », lasers 532 nm…) , simulation solaire, mesures d’absorption ou de fluorescence, photocopieurs, balises, stroboscopes…et LPP elles-mêmes qui sont donc également particulières dans leur conception par rapport aux lasers puisque la source lumineuse se trouve dans la pièce à main, très près donc du contact cutané (Fig 2). Le gaz est enfermé dans un tube à quartz linéaire ou parfois hélicoïdal (Fig 3).

Le verre ou le quartz de la lampe doit être dopé au dixoyde de cerium voire aussi au dioxyde de titanium pour le rendre plus solide et assurer une meilleure photosensibilité. Les deux électrodes stimulantes sont scellées dans une enveloppe et sont polarisées. Ces lampes fonctionnent sur un mode pulsé et convertissent l’énergie électrique stockée dans un réservoir de condensateur en énergie optique intense. Des appareils de mesure permettent de déterminer le spectre émis de façon qualitative et quantitative (Fig 4). En dehors de l’usage de filtres, on peut jouer sur la variation de la composition spectrale en fonction de la densité de courant appliquée à la lampe (cette densité du courant dépend directement de la charge en Volts et de la capacitance en Farads du système de formation des impulsions). Globalement, à faible densité, on observe des pics (forte prédominance) dans les infra-rouges. A plus forte intensité, les courbes se déplacent vers les plus courtes longueurs d’ondes et l’analyse des figures 5 et 6 montre l’importance des différences dans la composition du rayonnement émis en fonction de la densité de courant que l’on applique à la lampe (Fig 5 et 6). L’usure du dispositif peut faire varier également cet état, d’où l’intérêt d’avoir une maintenance régulière.

Pour travailler dans un domaine de longueur d’ondes, plus ou moins étroit selon les appareils et les indications, on utilise les différents filtres qui vont bloquer une partie du spectre et permettre de traiter dans l’un ou l’autre des domaines d’application des lampes. (Fig 7) Les filtres les plus courts sont généralement utilisés en vasculaire ou pour les poils fins et clairs, les lésions pigmentaires peu foncées…les filtres plus élevés pour l’épilation et d’autant plus que le phototype est mat. Si le mode de fonctionnement des LPP est univoque, les appareils commercialisés pour les applications médicales sont très divers avec des différences multiples les rendant totalement incomparables. En fonction, de la longueur de l’arc, de la pression du gaz, de la qualité et la forme des électrodes, du matériel de l’enveloppe, de l’épaisseur du quartz, de la puissance, de la nature des joints (scellés ou non) et du système de refroidissement (à air ou mieux liquide, l’eau déminéralisée bloquera des infra-rouges), du type des filtres …le spectre optique émis et donc l’effet tissulaire seront totalement différents. En aucun cas les paramètres ne pourront être « échangés » entre différentes LPP ! La courbe d’apprentissage est spécifique à chaque appareil. Avec une LPP on illumine sur de très grandes surfaces (surface de 3 mm² à 22 cm² mais en moyenne 5 cm²) mais avec une grande dispersion de la lumière et donc une puissance proportionnellement moins importante qu’un laser. La durée de pulse et son séquençage éventuel (multipulses, train de pulses…) sont des paramètres très importants, à fluence identique les effets tissulaires, qui résultent de la combinaison élévation de température et durée de l’élévation de température, changeront radicalement. En pratique même si les photons sont non cohérents, ce qui complique encore les possibilités de modélisation mathématique par rapport aux différents phénomènes de réflexion, absorption et diffusion, les chromophores sont les mêmes : essentiellement l’hémoglobine, la mélanine et l’eau et des études sur la modélisation mathématique des faisceaux ont été réalisées notamment dans le complexe domaine vasculaire (1). Les LPP travaillent avec des durées de pulse comprises entre 1.5 ms au minimum et 100 ms. Les effets tissulaires ne sont donc que de 2 ordres : photothermiques ou photochimiques à faible irradiance. Les interactions tissulaires sont basées sur le principe de la photothermolyse sélective qui ne requiert pas une irradiation monochromatique mais seulement un faisceau incident capable d’être absorbé sélectivement par un chromophore cible. Pour « jongler » utilement avec les durées de pulse, leur séquençage et les délais interpulses il faut avoir des bases et bien comprendre, pour utiliser ces principes de photothermolyse spécifique, la notion de temps de relaxation thermique (TRT) des cibles biologiques et des tissus avoisinants (voire chapitre bases théoriques des interactions laser et tissus Pr Mordon). Les principes de réglage pour les paramètres sont alors les mêmes que pour les lasers : adaptation du temps de pulse et des délais interpulses aux TRT respectifs des chromophores cibles et des tissus avoisinants pour une action sélective avec épargne des tissus avoisinants. Le but du séquençage des impulsions est d’améliorer cette sélectivité : ainsi au lieu d’émettre une radiation lumineuse en une seule impulsion, on cherche à élever progressivement mais suffisamment, par paliers, la température du tissu cible, tout en protégeant le tissu adjacent qui ne présente pas le même TRT et se refroidit donc plus vite entre 2 pulses ...(Fig 8) Ceci est d’autant plus important que le phototype est mat.

B. Avancées récentes

    1. Electriques : Pulse électrique pseudo « rectangulaire » - décharges partielles

Les plus modernes des systèmes LPP utilisent des décharges partielles (ce qui n’est possible qu’avec des condensateurs de haute valeur/capacitance et un haut voltage) pour assurer un flux d’énergie électrique régulier et éviter les variations de spectre optique lors de brusques montées en tension de l’appareil. En stabilisant le pulse électrique on stabilise également le spectre optique émis dont on a vu précédemment qu’il pouvait varier selon le voltage (Fig 9). En fait, la courbe rectangulaire de la décharge électrique ne doit pas être confondue avec celle de l’émission photonique qui est de plus en plus homogène mais non « rectangulaire ». Par ailleurs si ces améliorations de stabilisation du spectre optique sont globalement intéressantes pour limiter les effets secondaires, dans certaines applications difficiles (vaisseaux, poils clairs) il est intéressant de préserver, pour l’efficacité, le décalage vers les plus courtes longueurs d’onde qui existe au début de la montée en tension de l’appareil et donc au tout début de l’émission du spectre. Certains constructeurs préfèrent donc préserver ces propriétés et ne pas « stabiliser » le pulse électrique

    1. Optiques

        1. Filtres

La qualité du filtre est importante, les filtres dichroïques peuvent avec le temps se consteller de « trous » avec des zones non filtrées qui exposent à une condensation des radiations optiques et donc des points d’épidermolyse. Les filtres à verre plein peuvent se casser ou devenir opalescent. Il faut systématiquement regarder le filtre à chaque utilisation ou faire un test sur un papier photosensible. La bande spectrale est choisie selon toute une série de filtrage s’étend des UV aux infrarouges. En fonction de la cible cutanée (profondeur, pic d’absorption), le dispositif lumineux va être optimisé par le choix d’un filtre, du séquençage des pulses, de la durée des pulses et bien sûr de la fluence.

Habituellement, on considère que la couleur du premier filtre conditionne l’indication, par exemple :

  • bleu (420-470 nm): acné

  • vert 495-515 nm) : vasculaire ou pigmentaire (ce filtre sera le plus sélectif sur des cibles peu contrastées et superficielles tels que des lentigos clairs ou des vaisseaux très fin mais c’est aussi celui qui aura le plus de risque de brûlures, donc le plus difficile à manier…)

  • jaune (515-550 nm) : vasculaire ou pigmentaire (peut-être un peu moins efficace mais plus sécuritaire surtout pour les débutants)

  • orange (550-570 nm) : vasculaire ou pigmentaire (photorajeunissement) et épilation phototype clair

  • rouge (590 nm) et IR (> 600 nm) : épilation tout phototype, « remodelage »

A part : les filtres « fluorescents »

L’utilisation de polymères fluorescents permet de reconvertir les longueurs d’ondes les plus courtes et les plus délétères en lumière visible plus utile. On peut ainsi diminuer le voltage appliqué à la lampe tout en ayant une émission plus intense dans la part désirée du spectre et donc augmenter ainsi la durée de vie de la lampe et son efficacité (30 à 50 % des longueurs d’onde inutiles les plus courtes pourraient ainsi être « reconverties » par l’utilisation de ce type de filtres.

        1. Double bande spectrale

Le spectre d’émission de certaines lampes est maintenant conçu pour favoriser l’absorption par un chromophore spécifique. Grâce à l’utilisation conjointe de filtres absorbants et dichroïques, on obtient par exemple pour des applications vasculaires ou pigmentaires, une double bande spectrale, éliminant la partie du spectre comprise entre 650 et 870 nm qui est inutile et ne fait que chauffer les tissus.

      1. Utilisation des variations en fonction de l’ampérage

On sait que le spectre d’émission des lampes à décharge varie en fonction de l’ampérage qu’on leur applique. Certains constructeurs ont utilisé ce phénomène pour éviter de perdre du temps à changer les pièces à main et/ou les filtres en fonction de l’indication ou du phototype.

      1. Calibration

La plupart des nouvelles LPP sont équipées de système de calibration (Fig 10). Ceci est particulièrement important car on a longtemps reproché aux lampes leur manque de reproductibilité dans le temps. Mais certains praticiens, préfèrent utiliser des systèmes de calibrations indépendants de la LPP plus fiable et qui couvrent toute la surface du quartz.

      1. Pièces à main

        1. Plus larges

La plupart des pièces à main (PAM) des LPP mesurent environ 4 à 5 cm² ce qui correspond à un spot homogène dépendant de la présence d’une lampe dans la PAM. Certaines LPP utilisent maintenant des lampes de grandes tailles, habituellement destinées à stimuler les lasers à colorant pulsé ou Nd –YAG, autorisant, par spot, des surfaces de traitement de plus de 20 cm² en intégrant plusieurs lampes dans la tête de la PAM (Excel Photonix).

        1. Plus petites

Les PAM de petites surfaces sont surtout destinées au mode vasculaire. La trop grande dispersion des photons pour de grandes PAM rend indéniablement plus difficile l’obtention de résultats avec les LPP par rapport aux lasers dans ce domaine. La réduction de la surface du spot avec des PAM dites « triangulaire ou focalisante » optimisent les effets photoniques tout en utilisant des irradiances plus faibles. De plus, la chaleur dégagée rapportée à la surface traités par de petites PAM est réduite et donc la séance est mieux supportée par les patients (Fig 11).

    1. Pulse, train de pulse, durée d’inter- pulse.

A ce jour, il est difficile déterminer une certaine cohérence dans les temps on/off entre les différentes machines disponibles. En mode épilatoire, il est admis que le multipulse est indispensable pour détruire le poil tout en respectant les structures cutanées adjacentes (temps de relaxation thermique respectif du poil et de l’épiderme). On préconise de 3 à 7 pulses mais certains disposent de « trains » de plus de 10 pulses sans que nous sachions réellement pour quel bénéfice (simple compensation de trop faibles décharges électriques des condensateurs ?). En mode pigmentaire, les trains de 2 à 3 pulses semblent la règle. En mode vasculaire, on privilégie aussi les trains de 2-3 pulses mais le pulse unique nous semble aussi très intéressant (exemples : pour une télangiectasie de 0.3 mm du visage : filtre 515 nm, 20 J /cm²- 1 pulse de 20 ms ; pour des télangiectasies rouges des jambes même filtre et même fluence mais 1 pulse de 30 ms pour les appareils MedOne - Nidek, Pulsar).

Bien sûr, la qualité du filtre, la bande spectrale, l’énergie de conversion et la durée des pulses et inter- pulses sont à prendre en compte de façon globale. Certains machines privilégient la diversité des filtres pour « coller » au mieux à la cible visée tandis que d’autres se concentrent sur le paramétrage du nombre et de la durée des pulses. Bien sûr, certaines LPP font les 2, au détriment d’un temps d’apprentissage plus important pour le praticien pour qu’il « maîtrise » complètement la LPP et assure des traitements reproductibles d’une indication et d’un patient à l’autre. Certaines machines utilisent un système d’analyse « spectrométrique » par une mini-caméra centrée sur la cible afin que tout soit automatiquement réglé. Ce type de LPP est actuellement proposé aux esthéticiennes et autres personnels para-médicaux…

    1. Systèmes de refroidissement

Avant l’apparition de systèmes de refroidissement performants il fallait utiliser du gel refroidi en couche épaisse. L’épaisseur du gel et la force d’application de la tête sur la zone de traitement par l’opérateur pouvaient entraîner de grandes variations dans l’énergie lumineuse réellement transmise à la surface cutanée. En mode épilatoire une pression est en général exercée sur la surface cutanée mais en mode vasculaire, pigmentaire ou de rajeunissement, on pose la PAM sans appuyer tout en restant bien à plat (« flotting »). Le gel peut être utile pour se guider au fur et à mesure qu’on déplace la PAM afin de ne pas superposer les impacts.

L’analyse des températures produites au contact de la peau fait l’objet de publications régulières permettant ainsi de déterminer le seuil de tolérance et de réduire les risques en les corrélant aux phototypes des patients. (2)

1.4.1 Saphir / quartz

L’apparition de système de refroidissement par saphir est l’une des améliorations majeures des LPP. Les « Quartzs » sont meilleurs marchés et plus résistants mais les « Saphirs » ont de meilleures conductivité et diffusitivités thermiques. Pour une même température de 10°C de quartz ou de saphir et une température cutanée de départ de 32°C le quartz va préserver une température de 18°C et le saphir de 12°C (3). L’utilisation de saphir permet donc une amélioration de la protection de l’épiderme et la possibilité d’utiliser des doses plus élevées de lumière pour l’épilation ou les traitements vasculaires. Néanmoins, le « saphir » filtre moins et il est possible avec certains « quartz » de moduler le spectre d’émission (BK7) ce qui peut aussi être un avantage. Les plus récentes des LPP ont intégré des systèmes de mesure complexe de la température et de gestion du refroidissement par calcul de l’effet Peltier (Candela-Deka). La PAM refroidie apporte aussi un confort au patient en réduisant la sensation de chaleur.

1.4.2 Air froid pulsé

Une lampe peut être équipée de refroidissement par air pulsé intégré. On privilégie plutôt les systèmes de refroidissement additionnel d’air froid externe type qui permet encore plus efficacement d’anticiper et de refroidir la zone à tariter avant et après le tir.

1.4.3 Cryospray

Le cryospray intégré type DCD de Candela a été intégré à leur LPP
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