Biométrie & interférométrie à cohérence partielle
La mesure de la longueur axiale de l’oeil, et de la distance entre certains éléments anatomiques est la première étape du calcul biométrique, qui vise à déterminer la puissance optimale de l’implant qui remplace le cristallin lors de la chirurgie de la cataracte.
La méthode de référence utilise aujourd’hui une source de lumière infrarouge partiellement cohérente, qui est émise en direction de l’œil où elle subit diverses réflexions, pour former un signal émergent qui est capté par un analyseur. Les interférences formées par l’addition de certains signaux permet de calculer la distance optique (puis physique) qui sépare les différentes structures oculaires ayant donné lieu à une réflexion lumineuse. On utilise une lumière infrarouge, car celle-ci pénètre les milieux oculaire, mais ne donne pas (ou très peu) lieu à une sensation visuelle : le patient n’étant pas ébloui, la mesure est confortable.
Pourquoi l’interférométrie?
L’interférométrie est une technologie relativement complexe, et souvent comprise de manière superficielle. Elle est plus difficile à appréhender que les techniques ulstra-sonores, basées sur le recueil d’un signal acoustique (ultrasons) ayant effectué un aller-retour au travers de l’œil. La technique de biométrie avec mesure de la longueur axiale aux ultrasons (échobiométrie de type A) devrait être abandonnée au profit des méthodes optiques. Les méthodes « acoustiques » utilisent un calcul où la longueur axiale est fonction du temps de parcours : en connaissant la vitesse de propagation des ondes ultrasonores), il est possible de détecter les différents « échos » des structures oculaires externes (cornée) ou internes : principe du sonar ! Ce type de biométrie nécessite un contact avec la cornée, et est moins précis que les techniques optiques: le faisceau d’ultrasons qui est réfléchi par la rétine l’est parfois selon une direction qui peut être différente de celle de l’axe optique (distance cornée/fovéa).
Avec un signal lumineux, en raison de la vitesse de propagation de la lumière, il n’est pas possible d’effectuer une approche similaire à celle des ondes sonores. C’est pour cela qu’une approche plus subtile, reposant sur les propriétés qu’ont les ondes lumineuses à interférer (dans certaines conditions), doit être utilisée en biométrie optique. Le jeu en vaut la chandelle, car le gain de précision entre biométrie acoustique et optique est environ d’un facteur 20 (200 microns vs 10 microns). Une erreur de 200 microns peut résulter en une myopie (ou hypermétropie) de l’ordre de 0.75 D voire 1 D, et compromettre la possibilité pour le patient d’accomplir des taches de précision sans correction optique (conduite, etc.)
Cette page est consacrée à une description simplifiée de la biométrie oculaire optique, par « interférométrie à cohérence partielle et double faisceau ». C’est la technologie utilisée par les biomètres optiques courants disponibles actuellement : IOL Master (Zeiss) – le plus ancien de sa catégorie, dont il existe plusieurs générations, Lenstar (Haag Streit), AL Scan (Nidek).
Les premiers brevets de cette technologie étant récemment devenus publics, d’autres instruments pourraient voir le jour.
Quelques rappels et définitions sont nécessaires pour appréhender les principes de la biométrie par interférométrie.
Lumière cohérente, incohérente, partiellement cohérente.
La cohérence de la lumière dépend de la relation qu’entretiennent les différents trains d’ondes émis par la source lumineuse. Les lasers sont des sources de lumière très cohérente, alors que les sources naturelles sont incohérentes.
Cohérence temporelle
Il existe différents types de cohérences (spatiale, temporelle). Pour les sources infrarouges utilisées en biométrie, c’est la cohérence temporelle qui compte. La cohérence temporelle correspond à la durée pendant laquelle l’onde lumineuse émise depuis un point source conserve ses caractéristiques (longueur d’onde, phase). Un laser est une source de lumière cohérente : cette lumière est monochromatique, et les ondes sont en phase. Une diode est une source de lumière monochromatique non (ou peu) cohérente.
La longueur d’onde de la source diode laser utilisée pour les mesures biométriques optiques est située dans l’infrarouge (855 nm pour l’IOL master, 820 nm pour le Lenstar – ce qui est plus proche de la lumière visible), et sa longueur de cohérence de l’ordre d’une dizaine de microns. Cette faible longueur de cohérence autorise une précision du même ordre de grandeur pour la mesure de la longueur de l’œil.
Interférométrie : principes
L’interférométrie est une méthode de mesure de grande précision : celle-ci est de l’ordre de la longueur d’onde de la lumière (micron). Elle est utilisée pour déterminer la position des différentes structures oculaires.
L’interférométrie utilise les propriétés liées aux interférences de faisceaux lumineux cohérents. Schématiquement, un faisceau lumineux cohérent issu d’une source adéquate est divisé en deux faisceaux distincts. Chaque faisceau est dirigé selon des trajectoires différentes, puis dévié ou réfléchi par des miroirs. Les faisceaux sont ensuite réunis et superposés. La superposition de ces ondes lumineuses recombinées créée une image d’interférence. En faisant varier le chemin optique d’un des faisceaux, on peut moduler le déphasage avec le second faisceau, et observer les modifications de l’image d’interférence. En connaissant la géométrie du système, on peut calculer la longueur du chemin optique entre les différentes tuniques qui réfléchissent une partie du signal.
En fonction de la position des miroirs et du trajet des faisceaux, on peut distinguer plusieurs types d’interféromètres. En ophtalmologie, les interféromètres destinés à mesurer des distances voire imager des structures sont de type Michelson.
Interférences, intensité et mesures des distances
La méthode de mesure par interférométrie à cohérence partielle repose sur l’utilisation d’une source partiellement cohérente, qui est émise et réfléchie par deux bras de l’interféromètre, dont l’un est mobile : de fait, il est possible, en reculant le miroir mobile d’une distance d, d’allonger le trajet d’une partie du faisceau d’une longueur physique égale à 2xd (aller/retour).
Il est impossible de mesurer le décalage temporel que représente cet écart de distance, en raison de la vélocité des ondes lumineuses vis-à-vis de l’échelle des écarts mis en jeu (c’est en revanche le principe utilisé pour l’échobiométrie ultrasonore : la vitesse des ondes sonores étant bien plus faible que celle de la lumière dans les tissus oculaires, il est possible de mesurer les différences de temps de parcours : ceci autorise toutefois des erreurs de mesure de l’ordre d’une centaine de microns). En revanche, si l’on fait interférer les faisceaux lumineux décalés et recueillis après avoir été réfléchis et/ou transmis par les tissus oculaires (surfaces de la cornée, du cristallin, rétine), il est possible d’enregistrer des interférences constructives, quand les différences de chemin optique engendrées par les l’œil « correspondent » à celles engendrées par le miroir mobile.
Rappelons que le chemin optique est égal au produit de la distance physique par l’indice de réfraction du milieu de propagation. Les indices utilisés pour le calcul de la distance physique sont (IOL master) : 1.3440 (vitré), 1.3454 (humeur aqueuse), 1.3851 (cornée), et 1.4065 (cristallin). Il est intéressant de noter que l’indice de réfraction du cristallin est susceptible de fluctuer entre les yeux en fonction du stade de cataracte (densification du noyau cristallinien). De plus, en présence d’une cataracte particulièrement « dense », les signaux transmis par le cristallin peuvent être diffusés, ne permettant pas le recueil d’un signal de bonne qualité. Dans ce cas, il est préférable d’opter pour une mesure par biométrie ultrasonore (mode A ou B).
Les figures représentant ces principes sont volontairement simplifiées, car il faut tenir compte de divers autres paramètres, comme l’inversion de phase subie par les trains d’onde à chaque réflexion, certains effets de type « doppler », etc.
Voici un exemple de signal biométrique permettant le calcul des distances oculaires utiles:
Conclusion
La mesure par interférométrie à cohérence partielle est une technique permettant une précision inégalée pour la mesure des distances séparant les différentes tuniques oculaires (ex : longueur axiale). L’imprécision relative du calcul biométrique n’est aujourd’hui plus liée à la mesure de la longueur axiale (sauf erreurs ou cas particuliers), mais à la prédiction de la position effective de l’implant, la mesure kératométrique (puissance cornéenne), voire les variations de puissances liées à la qualité de fabrication des implants eux-mêmes
This a deliberate choice of the manufacturers a priori.
Sir,
Please can you explain why Lenstar 900 cant give us Barrett formula in pseudophakic mode scans? while Iol master 700 gives Barrett formula calculation in pseudophakic mode too