Chirurgie du segment antérieur de l’œil et traitement du glaucome assistés par laser femtoseconde et imagerie de tomographie par cohérence optique

Abstract

Préparée au Laboratoire d’Optique AppliquéeENSTA ParisTech – École polytechnique – CNRS UMR 7639Palaiseau, FranceMy PhD project is closely related to the ANR project named “NOUGAT” which consists of developing a new tool for glaucoma surgery assisted by femtosecond laser and optical coherence tomography (OCT) [ANR-08-TECS-012]. This project is coordinated by the “Optics –Photonics – Health” group of the Laboratory of Applied Optics (LOA) and our partners are the Hôtel-Dieu hospital, the Charles Fabry Laboratory of the Institut d'Optique Graduate School and the company Amplitude Systèmes. Glaucoma is an ocular disease associated with an increase of the intraocular pressure. Surgical treatments consist in creating filtrating canals in deep sclera in order to lower the pressure; however benefits are often only temporary. Corneal grafting is indicated when reduced corneal transparency (visual acuity) is observed. This is the most common transplant but some limits of the laser procedure exist, especially when the incision has to be made in the depth of a pathological tissue. First, my PhD work consists in the characterization of the three main elements of the ocular anterior segment: the cornea, the sclera and the crystalline lens. The light scattering occurring into the cornea is now well understood and it can be quantified. Studies of the scleral tissue have also shown an optical transparency window around 1650 nm, and some preliminary experiments have been performed on the crystalline lens. Thanks to the optimization of laser sources already developed in the group, especially the optical parametric generator, new series of incisions on human corneas from the French eye bank (Paris), have been performed with wavelengths in the 1500 – 1800 nm spectral range. Analysis by histology and by transmission and scanning electronic microscopy of these new incisions confirm that the use of a longer wavelength in the 1600 – 1700 nm range greatly reduces the light scattering in the tissue compared to the one obtained with commercial systems (at 1000 nm). In addition, a new imaging system based on OCT has been developed in close collaboration with our colleagues from the Institut d'Optique Graduate School. Using a wavelength of 1315 nm, the system has a spatial resolution of 5 µm that is compatible with our medical application even if the acquisition rate stills quite low. Corneal structures have been imaged with three different available systems which makes the comparison of the specifications possible. Eventually, my PhD project leads to an optimization of laboratory surgical systems for the anterior segment of the eye and to the consolidation of knowledge on tissue optics, completing anterior studies conducted by my working group and opening new ways for future applications.Mon projet de thèse est étroitement lié au projet ANR NOUGAT, « Nouvel OUtil pour la chirurgie du Glaucome Assistée par laser femtoseconde et Tomographie par cohérence optique » (ANR-08-TECS-012), coordonné par le groupe « Optique, Photonique, Santé » (OPS) du Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA), et dont les partenaires sont : l'hôpital Hôtel-Dieu de Paris, le laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique Graduate School, la société Amplitude Systèmes. Le glaucome est une maladie oculaire associée à une pression intraoculaire élevée. Les traitements chirurgicaux classiques visent à créer des canaux filtrants dans la sclère pour baisser la pression, mais les bénéfices ne sont souvent que temporaires. La greffe de cornée est indiquée lors d'opacités du tissu ou pathologies affectant la transparence cornéenne. Elle est largement pratiquée mais certaines limites existent, notamment lorsque la découpe doit se faire en profondeur d'un tissu pathologique. Mes travaux ont d'abord consisté à caractériser les trois principaux éléments constitutifs du segment antérieur de l'œil : la cornée, la sclère et le cristallin. Suite aux recherches précédentes menées par notre équipe, la diffusion de la cornée est maintenant un phénomène compris et quantifiable. L'étude du tissu scléral a permis de mettre en évidence une fenêtre de relative transparence optique centrée à la longueur d'onde de 1650 nm ; des expériences préliminaires ont été menées sur le cristallin. Grâce à l'optimisation de sources laser existantes au sein de l'équipe, en particulier du générateur paramétrique optique, de nouvelles séries d'incisions ont ensuite été réalisées dans des cornées humaines (obtenues auprès de la Banque Française des Yeux), avec des longueurs d'onde situées entre 1500 et 1800 nm. Les analyses histologiques et par microscopie électronique en transmission et à balayage de ces découpes confirment que l'utilisation d'une longueur d'onde entre 1600 et 1700 nm réduit le phénomène de diffusion dans le tissu par rapport à la longueur d'onde appliquée dans les systèmes commerciaux (1000 nm). Par ailleurs, un dispositif d'imagerie par tomographie par cohérence optique (OCT) a été développé en étroite collaboration avec l'Institut d'Optique Graduate School. Utilisant une longueur d'onde de 1315 nm, ce dispositif a une résolution de l'ordre de 5 µm, ce qui est compatible avec notre application ; cependant, il présente encore une rapidité d'acquisition moyenne. Les structures cornéennes ont été imagées avec trois dispositifs OCT disponibles, ce qui a permis de comparer leurs avantages et leurs inconvénients en vue de la combinaison de ce système d'imagerie à la source laser et d'une éventuelle application clinique. Mes travaux de recherche ont finalement permis d'optimiser le développement de systèmes chirurgicaux pour les tissus du segment antérieur de l'œil et d'approfondir nos connaissances sur l'optique de ces tissus, ce qui vient compléter les études antérieures réalisées au sein de mon équipe de travail et ouvre la voie à des applications futures