Modulation impulsionnelle et lithotritie laser endocorporelle : impact des lasers dopes au thulium

Pulse modulation and endocorporeal laser lithotripsy : impact of thulium-doped lasers

• Auteur / Autrice : Frédéric Panthier
• Direction : Laurent Berthe, Olivier Traxer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialité Biomécanique
• Date : Soutenance le 07/11/2024
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Francisco Chinesta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Berthe, Olivier Traxer, Francisco Chinesta, Grégoire Robert, Laurent Videau, Emmanuel Chartier-Kastler, Pierre Bigot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Grégoire Robert, Laurent Videau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chirurgie endoscopique

Chirurgie laser

Thèses et écrits académiques

Calculs urinaires

Mots clés libres

Lithiase

Impulsion

Laser

Thulium

Urolithiasis

Pulse

Laser

Thulium

Résumé

Ce travail visait à comparer le laser Ho:YAG, référence pour la lithotritie laser endocorporelle(LLE), avec les lasers dopés au thulium (laser thulium fibré (TFL) et thulium :YAG pulsé(p-Tm:YAG), par une comparaison des paramètres en sortie de fibre, des mécanismes de l’interaction laser-calcul urinaire et de l’efficacité in vitro et in vivo. Contrairement à l’Ho:YAG, les TFL et p-Tm :YAG présentent des profils impulsionnels uniformes. Le p-Tm :YAG présente des puissances crêtes variant de 564 à 2199W alors que la puissance crête maximale du TFL est de 500W. De manière similaire au TFL, le p-Tm :YAG ne présente pas de risque de fracture de fibre lorsque celle-ci est incurvée. Lors de l’interaction laser-calcul urinaire, le phénomène photo-thermique semble prédominant, notamment avec le TFL. A fibres lasers de diamètres équivalents (270µm), le p-Tm:YAG présentait des débits d’ablation (mm3/min) supérieurs aux TFL et Ho :YAG contre calculs synthétiques durs en réglages Fragmentation et Dusting, sauf en Dusting versus TFL (Dusting: 57,56mm3/min vs 57,29mm3/min vs 16,7mm3/min, Fragmentation: 95,09mm3/min vs 66,93mm3/min vs 32,73mm3/min respectivement). Contre calculs synthétiques tendres, les p-Tm:YAG et TFL présentaient des débits d’ablation similaires, mais supérieurs à l’Ho:YAG en Dusting et Fragmentation (Dusting: 57,56mm3/min vs 58,78mm3/min vs 22,70mm3/min, Fragmentation: 75,01mm3/min vs 67,40mm3/min vs 37,99mm3/min respectivement). Toutes énergies confondues, le TFL présentait des volumes d’ablation par impulsion supérieurs aux autres sources lasers contre calcul d’Oxalate de Calcium Monohydraté (p=0,01), alors que l’Ho:YAG présentait les meilleurs volumes d’ablation par impulsion contre calculs d’Acide Urique (p=0,0005) Cystine (p=0,09). In vivo, les taux de sans fragment résiduel (SFR) des groupes Ho :YAG, TFL et p-Tm :YAG étaient similaires (69,8-75%), alors que le TFL présentait un taux de zéro fragment résiduel deux fois plus élevé que le p-Tm :YAG. « Kidney Stone Calculator » prédit de manière sure et reproductible la durée de LLE, mais de manière supérieure avec le TFL par rapport aux deux autres sources lasers (r= 0,94, p<0,0001). La différence entre durée estimée et effective de LLE (moyenne 18,8%) était significativement influencée par la source laser (p=0,01), le TFL présentant la plus faible différence (14%). Parmi les modèles de Machine Learning évalués pour améliorer cette prédiction, le modèle « Automatic Relevance Determination » permettait de diminuer cette différence à 3,9%. Les lasers dopés au Thulium, utilisant des puissances crêtes plus faibles que l’Ho:YAG et ayant des profils impulsionnels uniformes, sont plus efficaces que l’Ho:YAG, notamment in vitro. In vivo, les débits d’ablation des TFL et p-Tm :YAG sont supérieurs à ceux de l’Ho:YAG mais leur SFR reste similaire. Il est désormais possible de prédire précisément la durée de LLE au cours d’une urétéroscopie souple.

This work aimed to compare the Ho:YAG laser, the reference for endocorporeal laser lithotripsy (ELL), with thulium-doped lasers (thulium fiber laser (TFL) and pulsed thulium:YAG (p-Tm:YAG)), by comparing fiber output parameters, mechanisms of laser to stone interaction, and both in vitro and in vivo efficiency. Unlike Ho:YAG, TFL and p-Tm:YAG have uniform pulse profiles. The p-Tm:YAG shows peak powers ranging from 564 to 2199W, while the maximum peak power of TFL is 500W. Similar to TFL, p-Tm:YAG does not present a risk of fiber fracture while bending the. During the laser-stone interaction, the photothermal phenomenon seems predominant, especially with TFL. With laser fibers of equivalent diameters (270µm), p-Tm:YAG showed higher ablation rates (mm3/min) than TFL and Ho:YAG against hard synthetic stones in Fragmentation and Dusting settings, except in Dusting versus TFL (Dusting: 57.56mm3/min vs 57.29mm3/min vs 16.7mm3/min, Fragmentation: 95.09mm3/min vs 66.93mm3/min vs 32.73mm3/min respectively). Against soft synthetic stones, p-Tm:YAG and TFL had similar ablation rates but higher than Ho:YAG in Dusting and Fragmentation (Dusting: 57.56mm3/min vs 58.78mm3/min vs 22.70mm3/min, Fragmentation: 75.01mm3/min vs 67.40mm3/min vs 37.99mm3/min respectively). Across all pulse energies, TFL had higher ablation volumes per pulse than other laser sources against Calcium Oxalate Monohydrate stones (p=0.01), whereas Ho:YAG had the best ablation volumes per pulse against Uric Acid (p=0.0005) and Cystine (p=0.09) stones. In vivo, the stone-free rates (SFR) of Ho:YAG, TFL, and p-Tm:YAG groups were similar (69.8-75%), while TFL had a zero-residual fragment rate twice as high as p-Tm:YAG. ''Kidney Stone Calculator'' reliably and reproducibly predicts ELL duration, but more accurately with TFL compared to the other two laser sources (r=0.94, p<0.0001). The difference between estimated and effective ELL duration (mean 18.8%) was significantly influenced by the laser source (p=0.01), with TFL showing the smallest difference (14%). Among the evaluated Machine Learning models to improve this prediction, the « Automatic Relevance Determination » model reduced this difference to 3,9%. Thulium-doped lasers, using lower peak powers than Ho:YAG and having uniform pulse profiles, are more effective than Ho:YAG, especially in vitro. In vivo, TFL and p-Tm:YAG ablation rates are higher than Ho:YAG, but their SFR remains similar. It is now possible to accurately predict the duration of endocorporeal laser lithotripsy during flexible ureteroscopy.