Objectifs : Pour illustrer l échographie, nous allons ici étudier la production et la détection des ultrasons

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1 Document élève 1/9 Nom : Prénom : Classe : Date : Objectifs : Physique Chimie Thème : La Santé LE PRINCIPE DE L ECHOGRAPHIE - Comprendre que la nature des matériaux a une influence sur les phénomènes d absorption et de réflexion des ondes ultrasonores. - Comprendre le principe de l échographie. L échographie permet d explorer toutes sortes d organes tels que muscles, articulations, foie, rein, vessie et même un fœtus dans le ventre de sa mère. L examen dure 15 à 30 minutes et permet d établir un diagnostic rapide. L appareil utilisé pour réaliser les échographies s appelle un échographe. On place une sonde sur la région à examiner après avoir appliqué un gel sur la sonde. Dans cette sonde sont placés un émetteur et un récepteur d ultrasons inoffensifs pour le patient. Quand l émetteur émet un ultrason, celui-ci pénètre les tissus jusqu à ce qu il rencontre une structure entraînant sa réflexion : l ultrason est en partie absorbé par les éléments qui compose la dite structure et en partie réfléchi. Sa réflexion le renvoie en direction de la sonde comme le serait un faisceau de lumière arrivant perpendiculairement sur un miroir. Plus la structure provoquant la réflexion est éloignée de la sonde, plus le signal réfléchi mettra du temps à revenir. L écho qui en résulte est enregistré et donne des informations sur la position et la densité des tissus rencontrés. Deux grandeurs sont mesurées puis interprétées informatiquement : - l amplitude du signal reçu qui dépend du changement de milieu Par exemple, entre deux tissus mous, il y a peu de réflexion mais entre un tissu mou et un os, la réflexion est importante. Sur une échographie, les tissus qui ne renvoient pas d échos paraissent noirs alors que ceux qui réfléchissent totalement les ultrasons paraissent blancs. Les nuances de gris correspondent à des réflexions partielles, plus ou moins importantes. - la mesure de la durée qui sépare l émission de la réception de chaque écho permet, connaissant la célérité des ondes ultrasonores dans le milieu observé, de déterminer les dimensions de l organe observé. Un examen échographique Vue d un fœtus dans le ventre maternel Pour illustrer l échographie, nous allons ici étudier la production et la détection des ultrasons PIERRON 2011 Principe de l échographie (Page 1)

2 ACTIVITE 1 : REGLAGE DE LA FREQUENCE DE TRAVAIL Document élève 2/9 - Placer sur la table, l émetteur et le récepteur face à face à une vingtaine de cm l un de l autre. - Brancher l émetteur aux bornes d un générateur basse fréquence (GBF), délivrant une tension sinusoïdale de fréquence d environ 40 khz. - Le récepteur est relié à l entrée d un oscilloscope réglé comme suit : sensibilité horizontale 10 s, sensibilité verticale 0,5 V. - Régler la fréquence du GBF pour avoir la plus grande amplitude possible du signal reçu sur l oscilloscope. Une fois ce réglage effectué, appeler le professeur pour vérification et ne plus toucher au bouton de fréquence du GBF pendant le TP. - Donner les caractéristiques du signal observé sur l oscilloscope, à savoir la période T et la tension maximale U max. Appeler le professeur pour validation de vos résultats. T =. U max =.. Reproduire l oscillogramme observé. Base de temps :.. / div Calibre voie 1 :. / div - Calculer alors la valeur de la fréquence f de l émetteur. f =.. ACTIVITE 2 : ETUDE DE LA TRANSMISSION ET DE LA REFLEXION DES ULTRASONS 1. Les montages - À l aide d obstacles constitués de différents matériaux, on réalise différentes expériences de transmission et de réflexion. Les expériences de transmission seront notées : expériences 1 Les expériences de réflexion seront notées : expériences 2 E veut dire «émetteur» R veut dire «récepteur» PIERRON 2011 Principe de l échographie (Page 2)

3 Document élève 3/9 Les montages pour ces expériences sont schématisés ci-dessous : 2. Les observations Divers milieux seront utilisés : mousse sur support, plaque métallique, laine de roche, mouchoir en papier seul, deux mouchoirs en papier, trois mouchoirs en papier, gaze. Remplir alors le tableau suivant en entourant le nombre de croix «+» correspondant à vos observations : +++ : phénomène très marqué ; ++ : phénomène partiellement présent ; + : phénomène très peu présent. Matériau Transmission Réflexion Absorption Mousse Laine de roche Plaque métallique Mouchoir (1 épaisseur) Mouchoir (2 épaisseurs) Mouchoir (3 épaisseurs) Toile en gaze PIERRON 2011 Principe de l échographie (Page 3)

4 Document élève 4/9 PIERRON 2011 Principe de l échographie (Page 4)

5 Document élève 5/9 Compléter la conclusion ci-dessous avec les termes: «absorption, transmission, réflexion» Conclusion Chaque fois qu une onde ultrasonore rencontre un obstacle, dans le cas général, une partie de l onde est., une autre est... Ces phénomènes dépendent de la nature du matériau rencontré et de son épaisseur. Pour certains matériaux, il y a présence d un seul phénomène : ainsi, dans le cas de la plaque métallique, il n y a pas de phénomène de.. En revanche, pour la gaze, il n y a pas de. Lorsqu aucun des deux phénomènes n est présent, il y a un phénomène.. des ondes ultrasonores. ACTIVITÉ 3 : APPLICATION A L ÉCHOGRAPHIE : DÉTERMINATION DE LA FORME D UN OBJET : Une boîte contient une lettre F en carton épais posée sur de la laine de roche. Cette boite est recouverte d une toile de gaze ou de jute tendue et quadrillée. Le même quadrillage a été reproduit sur la laine de roche. Répondre aux questions suivantes : 1) Quel matériau joue le rôle de la peau?. 2) Quel matériau joue le rôle d un tissu mou?. 3) Quel matériau joue le rôle d un os?.. Mettre en place un protocole afin de déterminer la forme de la lettre en carton. PIERRON 2011 Principe de l échographie (Page 5)

6 Décrire ci-dessous le protocole de la manipulation que vous comptez réaliser. Document élève 6/9 Appeler le professeur pour validation. Reproduire le quadrillage sur cahier : noircir les cases où la réflexion est faible et laisser blanches les autres cases. Qu observez-vous?. PIERRON 2011 Principe de l échographie (Page 6)

7 Document élève 7/9 ACTIVITÉ 4 : APPLICATION A L ÉCHOGRAPHIE : DÉTERMINATION DES DIMENSIONS D UN OBJET Une boite contient une pièce en bois de forme parallélépipédique. Cette boite est recouverte de toile de jute ou de gaze tendue. l? Toile de jute ou gaze tendue L? Écho si la «sonde» n est pas au-dessus de la pièce en bois Écho si la «sonde» est au-dessus de la pièce en bois Imaginer un protocole afin de déterminer les dimensions de cette pièce de bois. Décrire ci-dessous le protocole de la manipulation que vous comptez réaliser. Indiquer les dimensions trouvées pour cette pièce de bois Prolongement possible : Activité 5 ci-dessous L = l = cm cm PIERRON 2011 Principe de l échographie (Page 7)

8 Document élève 8/9 ACTIVITÉ 5 : DÉTERMINATION DE LA DISTANCE «d» ÉMETTEUR - OBJET : On garde le même dispositif qu à l activité 4. L émetteur est branché aux bornes du générateur de salves et on relève simultanément, à l oscilloscope, le signal de l émetteur et celui du récepteur. On veut déterminer la distance séparant l émetteur (qui est collé à la toile de jute) de l obstacle. Récepteur Base de temps de l oscilloscope : 0,5 ms/div. Déterminer le retard t entre l émission et la réception du signal :. Emetteur Ecran de l oscilloscope Signal émis et reçu. La vitesse des ultrasons dans l air est v = 340 m.s -1, déterminer la distance D correspondant au retard mesuré : En déduire la distance «d» entre l émetteur et la pièce de bois : PIERRON 2011 Principe de l échographie (Page 8)

9 EXERCICE D APPLICATION : Document élève 9/9 Lors d une échographie, la sonde émet des salves ultrasonores de très courte durée. La même sonde enregistre les échos renvoyés par les surfaces de séparation des différents milieux. Sur l enregistrement ci-dessous, 1 division (div) correspond à une durée de 10 s. 1) Pourquoi applique-t-on un gel entre la sonde et la peau?. 2) Déterminer la durée qui s écoule entre la réception des échos issus de B et de C. 3) Quelle relation lie la vitesse de propagation v, la distance parcourue d et la durée de parcours t? 4) A la durée séparant les échos B et C correspond une distance qui est : d 2d d/2 5) Calculer la dimension d de la structure explorée dans les tissus mous, sachant que la vitesse de propagation des ultrasons dans ces tissus est de l ordre de 1,5 x 10 3 m.s PIERRON 2011 Principe de l échographie (Page 9)