1STI2D - Les ondes au service de la santé

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1 1STI2D - Les ondes au service de la santé De nombreuses techniques d imagerie médicale utilisent les ondes : la radiographie utilise les rayons X, la scintigraphie utilise les rayons gamma, l échographie utilise les ultrasons 1. Les rayons X sont- ils de même nature que les ondes utilisées en échographie? Ces ondes sont- elles mécaniques ou électromagnétiques? sont- elles transversales ou longitudinales? 2. Les ondes électromagnétiques peuvent- elles se propager dans le vide? Se propagent- elles plus vite ou moins vite que les ondes sonores? Le spectre des ondes électromagnétiques est très étendu : m < λ < 10 5 m. Il est divisé en 7 domaines. 3. Indiquer le nom de chaque domaine sur le schéma ci- dessous. 4. En vous aidant du schéma ci- dessous et de l animation : citer 3 grandeurs qui caractérisent les ondes électromagnétiques? En proposer une définition. λ (m) ν(hz) E Une onde électromagnétique de fréquence ν peut être décrite par des photons qui transportent chacun une énergie E donnée par la relation : E = h ν = avec ν = et h constante de Planck Les ondes les plus énergétiques sont les plus dangereuses. h = 6, J.s Dans l air et dans le vide, les ondes électromagnétiques se propagent sur de longues distances. Lors d un changement de milieu, une partie de l énergie est absorbée, une partie est réfléchie et une partie est transmise. Les scanners et la radiographie exploitent le phénomène d absorption des rayons X par la matière : leur absorption est fonction du numéro atomique des atomes absorbants. Ainsi plus la matière est dense plus elle absorbe les rayons X et γ. 5. Quelle est l énergie des photons des rayons X utilisés pour une radiographie dont la fréquence est ν = 5,00x10 17 Hz? 6. Rappeler la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide notée c et montrer que la longueur d onde de la radiation précédente est λ = 0,6 nm. 7. Cette radiation est- elle visible? Justifier en donnant les valeurs des longueurs d onde extrêmes des radiations visibles. A quel domaine des OEM appartient cette radiation? 8. Des rayons X de fréquence 1,00 x Hz sont- ils plus ou moins dangereux que ceux étudiés précédemment?

2 Les ondes électromagnétiques sont également utilisées dans le traitement médical. Par exemple, les applications du laser en médecine sont nombreuses. En ophtalmologie ce sont chaque année, près de personnes en France qui ont recours à la chirurgie réfractive au laser pour corriger des problèmes de vue. Le laser est également très utile en dermatologie pour le traitement de l angiome, de la couperose, des taches pigmentaires et des cicatrices. On l emploie en chirurgie esthétique pour gommer la cellulite et les rides superficielles. Il est également efficace pour effacer des tatouages et même pour obtenir une épilation de longue durée. En phlébologie, il permet de brûler les varices. On s en sert en cancérologie pour l ablation de tumeurs, mais aussi en gynécologie, en urologie, en cardiologie et en neurologie... De diamètre et de puissance variables, le rayon laser peut être utilisé en continu ou par impulsions, et ce de manière très précise. Le rayon peut en effet être si fin qu il n atteint qu une seule cellule La lumière du laser est monochromatique, ce qui permet d agir spécifiquement sur certains tissus, sans toucher les autres. En sélectionnant une longueur d onde précise, on peut ainsi cibler la zone à traiter. Les applications du laser en médecine sont d autant plus diverses que ce rayonnement peut avoir un effet thermique, mécanique ou chimique. Le laser excimère peut alors travailler sur une zone interne de la cornée (stroma) sans altérer la membrane de Bowman et de le modifier par photo-ablation. Lorsque l'intervention au laser (qui dure à peu près une minute) est terminée, le volet est remis en place par le chirurgien. Jusqu'au début des années 2000, Le moyen le plus courant de découpe du volet cornéen est l'utilisation d'un microkératome, un appareil mécanique (rabot miniaturisé et très sophistiqué), que le chirurgien applique sur l'œil. Cette première phase très délicate est maintenant réalisée par un laser, le laser femtoseconde qui n est pas un laser de traitement, mais un laser de découpe. Vidéo : dans l œil du laser laser- de- myopie- dr- chemla_tech L'opération se pratique sous anesthésie locale (topique par gouttes). La première étape de Le laser femtoseconde permet à présent une opération 100% laser. La découpe de la lamelle cornéenne, est alors réalisée en l'intervention consiste en la découpe d'un volet cornéen superficiel (90 à 180 μm). Le laser excimère quelques dizaines de secondes, puis l'ablation est réalisée à l'aide d'un laser excimère. Les risques liés au caractère peut "mécanique" alors travailler de la découpe sur sont une donc zone ici réduits, interne et de les la caractéristiques cornée (stroma) de la découpe sans altérer (angle, épaisseur, la membrane homogénéité,...) de Bowman. sont mieux maitrisées. Lorsque l'intervention au laser (qui dure à peu près une minute) est terminée, le volet est remis en place par le chirurgien. Cours François Balembois Jusqu'au début des années 2000, Le moyen le plus courant de découpe du volet cornéen est l'utilisation d'un microkératome, un appareil mécanique (rabot miniaturisé et très sophistiqué), que le La chirurgien puissance applique d un Laser sur l'œil. Cette première phase très délicate est maintenant réalisée par un laser, le laser femtoseconde qui n est pas un laser de traitement, mais un laser de découpe. Dans le cas des lasers continus, l étendue des puissances de sortie va classiquement de 1mW à 50 kw. Le plus gros laser industriel d Europe a été implanté à Yutz-Thionville en Il s agit d un laser CO2 (dioxyde de carbone) dont la puissance de sortie continue est de 45 kw. Il est dédié à des applications de soudage sur une forte épaisseur. 9. En citant des extraits des documents ci- dessus, retrouver les 3 caractéristiques du laser. 10. Quels sont les différents types de soins effectués à l aide des lasers? Dans le cas de lasers impulsionnels, il faut distinguer: 11. La dernière technologie en chirurgie réfractive fait appel au laser femtoseconde. À votre avis quel est le mode de fonctionnement de ce laser? Justifier son nom. la puissance moyenne de sortie, qui tient compte également des intervalles de temps entre chaque impulsion; la puissance de crête, qui est la puissance atteinte lors de l impulsion. Par exemple, un laser d un watt donnant sa lumière de façon continue aura une puissance d un joule/seconde, mais s il concentre une énergie d un joule en une décharge lumineuse d une milliseconde, sa puissance de crête va être multipliée par mille et sera d un kilowatt. Le fait de délivrer leur énergie sur des temps très courts (nanoseconde, picoseconde voire femtoseconde) permet pour certains lasers d étude d atteindre des puissances de crête extrêmement élevées (jusqu à plusieurs térawatts). Plus modeste, un laser industriel dédié au soudage, de puissance moyenne de 1 kw, pourra disposer d une puissance de crête de 25 kw.

3 de 45 kw. Il est dédié à des applications de soudage sur une forte épaisseur. Dans le cas de lasers impulsionnels, il faut distinguer: Un laser à C0 2 à usage médical émet un rayonnement de longueur d'onde λ= 10,6 μm. la puissance de crête, qui est la puissance atteinte lors de l impulsion. En fonctionnement continu sa puissance est Pc = 60 W. En fonctionnement pulsé sa puissance est Pp = 300 W (pendant l'impulsion). Les impulsions ont une durée τ = 1,0 ms et une fréquence de 300 Hz. À sa sortie, le faisceau est concentré sur une tache de diamètre D = 0,10 mm. la puissance moyenne de sortie, qui tient compte également des intervalles de temps entre chaque impulsion; Par exemple, un laser d un watt donnant sa lumière de façon continue aura une puissance d un joule/seconde, mais s il concentre une énergie d un joule en une décharge lumineuse d une milliseconde, sa puissance de crête va être multipliée par mille et sera d un kilowatt. Le fait de délivrer leur énergie sur des temps très courts (nanoseconde, picoseconde voire femtoseconde) permet pour certains lasers d étude d atteindre des puissances de crête extrêmement élevées (jusqu à plusieurs térawatts). Plus modeste, un laser industriel dédié au soudage, de puissance moyenne de 1 kw, pourra disposer d une puissance de crête de 25 kw. 12. A quel domaine des radiations électromagnétiques appartient ce laser? 13. Calculer la puissance surfacique (ou intensité lumineuse) en W/cm 2 au niveau de la tache en fonctionnement continu et en fonctionnement pulsé. 14. Calculer l'énergie transférée pendant une durée de 5 s en fonctionnement continu et en fonctionnement pulsé. 15. Choisir le mode de fonctionnement suivant que l on désire découper un tissu (vaporisation de l'eau et carbonisation) ou cautériser (coagulation des protéines sans vaporisation de l'eau). Dans le document il est dit : «La lumière du laser est monochromatique, ce qui permet d agir spécifiquement sur certains tissus, sans toucher les autres. En sélectionnant une longueur d onde précise, on peut ainsi cibler la zone à traiter». 16. Quelle propriété du laser permet de travailler sur une zone interne de la cornée sans altérer la membrane? Pourquoi? Pour illustrer ce phénomène, les expériences suivantes ont été réalisées à l aide d un laser vert : - le rayon du laser est dirigé sur un ballon de baudruche rouge : le ballon explose - le rayon du laser est dirigé sur un ballon de baudruche vert : le ballon n explose pas - Une tache noire est dessinée sur le ballon vert puis le rayon du laser est dirigé sur cette tache : le ballon explose Pouvez vous expliquer ces expériences? Indices : - Une matière qui apparaît colorée pour notre œil absorbe essentiellement les couleurs complémentaires. Par exemple, un ballon de couleur magenta absorbe très bien la lumière verte. - Si on dirige le rayon de notre laser sur la pointe d une allumette, elle s enflamme Le laser un concentré de lumière CEA Optique moderne de Florence Weil Pour vérifier vos conclusions, un ballon rouge est gonflé à l intérieur d un ballon transparent, le rayon du laser est dirigé sur le ballon transparent, puis sur le ballon rouge Que va- t- il se passer? Pourquoi? Quel intérêt cela peut il présenter en médecine? On utilise le laser pour traiter les angiomes, des taches fortement colorées (provoquées par la présence dans l épiderme de capillaires anormaux en taille). Le traitement de ces taches au laser permet de traiter l angiome sans altérer la peau saine autour de l angiome. Les longueurs d onde de ces lasers sont comprises entre 418 et 532 nm. 19. Au vu des expériences précédentes, expliquer pourquoi ce traitement n abîme pas la peau du patient?

4 Pouruneapplicationthérapeutiquedurayonlaser,ilfauttenircomptededeuxparamètres: L Absorptiondurayonlaserparlacible(angiomes,grainsdebeauté) Laréflexionsurlesdifférentsorganesquiinduituneperted énergieavantd atteindrelazonecible. SujetC:Etudedel occlusiond unvaisseausanguinparlaser Pouruneapplicationthérapeutiquedurayonlaser,ilfauttenircomptededeuxparamètres: Rayonlaser Rayonlaser L Absorptiondurayonlaserparlacible(angiomes,grainsdebeauté) Epiderme Epiderme Laréflexionsurlesdifférentsorganesquiinduituneperted énergieavantd atteindrelazonecible. Cible Cible derme Rayonlaser derme Epiderme Cible L Absorptiondelalumièrepar L Absorptiondelalumièrepar derme l hémoglobine(cible),entraîne l hémoglobine(cible),entraîne pareffetthermiqueune pareffetthermiqueune occlusionduvaisseausanguin. L Absorptiondelalumièrepar occlusionduvaisseausanguin. l hémoglobine(cible),entraîne pareffetthermiqueune '''''''''''Doc'1'Interaction'rayon'laser'et'tissuDoc'2':'occlusion'd un'vaisseau'sanguin' '''''''''''Doc'1'Interaction'rayon'laser'et'tissuDoc'2':'occlusion'd un'vaisseau'sanguin' occlusionduvaisseausanguin. '''''''''''Doc'1'Interaction'rayon'laser'et'tissuDoc'2':'occlusion'd un'vaisseau'sanguin' Doc3:Pourcentagederéflexiondurayonlaserdedifférentsorganesenfonctiondelalongueurd onde Doc3:Pourcentagederéflexiondurayonlaserdedifférentsorganesenfonctiondelalongueurd onde A l aide des Doc3:Pourcentagederéflexiondurayonlaserdedifférentsorganesenfonctiondelalongueurd onde documents de la page précédente et de vos connaissances, répondre aux que Pour une application thérapeutique du Quelle est la propriété du laser explique que les tissus situés autour de la cible ne sont pas endo rayon laser, il faut tenir compte de deux paramètres :./1%%%SFT:%Propriétés%d un%laser. - l Absorption du rayon laser par la cible On admet qu un coefficient d extinction de 10 est convenable pour ce type de traitement. Donn (angiomes, grains de approximativement les 2 intervalles possibles de longueurs d onde pour le rayon laser. beauté) - la réflexion Doc4:'Spectre'd absorption'de'l hémoglobine'en'fonction'de'la'longueur'd onde'du'laser.' sur les Le coefficient d extinction traduit la capacité Doc4:'Spectre'd absorption'de'l hémoglobine'en'fonction'de'la'longueur'd onde'du'laser.' d une matière à absorber un rayonnement, plus il est élevé, différents organes qui Le coefficient d extinction Le traduit plus coefficient le rayon la capacité d extinction sera absorbé d une traduit matière par celle-ci.' la capacité à absorber d une matière rayonnement, à absorber plus un il rayonnement, est élevé, plus il est élevé, induit une perte plus le rayon sera absorbé plus par le rayon celle-ci.' sera absorbé par celle-ci.' d énergie avant./1%%%ct:%démarche%scientifique%:%extraire%l information%utile%fournie%par%un%document.% d atteindre la % zone cible. Quels sont les tissus de la peau que le rayon doit traverser pour atteindre ces vaisseaux? On admet qu un coefficient d extinction de 10 est convenable pour l occlusion d un vaisseau sanguin. 1. Donner approximativement./1%%%ct:%démarche%scientifique%:%extraire%l information%utile%fournie%par%un%document.% les 2 intervalles possibles de longueurs d onde pour le rayon laser. 2. Quels sont les tissus de la peau que le rayon doit traverser pour atteindre ces vaisseaux? 3. Sachant que le rayon incident arrive à la surface du derme avec une énergie Ei=10J.cm - 2, en Sachant que le rayon incident arrive à la surface du derme avec une énergie E i =10J/cm 2, en uti utilisant le principe de conservation de l énergie, calculer l énergie réfléchie Er et transmise Et après principe de conservation de l énergie, calculer l énergie réfléchie Er et transmise E t après la traver la traversé de celui- ci pour les différentes longueurs d onde ci- dessous : celui-ci pour les différentes longueurs d onde ci-dessous :. λ en µm E R en J/cm 2 E T J/cm 2./1%%%SFT:%Associer%les%énergies%transmises%et%réfléchies%à%la%nature%des%milieux.% 4. Choisir un % des intervalles possibles trouvés précédemment à la vue des résultats de ce tableau. 5. Proposer un Choisir protocole un expérimental des intervalles pouvant possibles mettre trouvés en précédemment évidence les différents au vue des phénomènes résultats de ce tableau. Ex physiques du document 1. Un schéma permettant d illustrer l expérience est demandé../1%%%ct:%démarche%scientifique%:%argumenter

5 1STI2D BILAN - Les ondes au service de la santé Beaucoup de phénomènes physiques se transmettent sous la forme d'ondes. Les ondes mécaniques : vibrations mécaniques, ondes sonores, vagues à la surface de l'eau, ondes sismiques. Les ondes électromagnétique : lumière, ondes radio, infrarouge, ultraviolet, rayon X, rayon gamma, Une onde mécanique progressive est un phénomène de propagation d'une perturbation dans un milieu matériel sans transport de matière mais avec transport d'énergie. On qualifie l'onde de «mécanique» car la perturbation est une déformation du milieu matériel lui-même... Et on qualifie l'onde de «progressive» car la propagation de la perturbation s'effectue de proche en proche plus ou moins rapidement. Enfin, la propagation d'une onde s'accompagne toujours d'une propagation d'énergie. Cas des ondes transversales C'est une onde pour laquelle, le phénomène est perpendiculaire à sa direction de propagation, c'est le cas du champ électrique et du champ magnétique de l'onde électromagnétique, du déplacement des points d'une corde. Cas des ondes longitudinales C'est une onde pour laquelle, le phénomène physique se passe dans la même direction que sa direction de propagation, comme des ondes de compression dans un ressort, ou la compression de l'air lors du passage d'une onde sonore. Les grandeurs associées à une onde Amplitude : valeur maximale Période : C'est la durée que met l'onde pour reprendre, en un même point la même valeur maximale ; notée T s'exprime en s. Fréquence : C'est le nombre de périodes par seconde ; notée f, s'exprime en hertz ( Hz ) Célérité : vitesse de propagation notée c s'exprime en m.s -1 Longueur d'onde (période spatiale) : C'est la distance, à un instant donné, entre 2 maxima successifs. Se note λ s'exprime en mètre (m). Elle correspond à la distance parcourue pendant une période : λ = c T Pour l échographie on utilise des ultrasons, pour construire l image du fœtus dans le ventre de la mère. Ce sont les phénomènes de réflexion et de réfraction des ultrasons à travers les tissus humains qui sont utilisés pour construire l image du fœtus. Ondes électromagnétiques L'énergie de ces ondes est proportionnelle à leur fréquence. Elles se déplacent à la vitesse de la lumière ( c = m.s -1 ) dans le vide ou dans l'air. Absorption et transmission des ondes électromagnétiques. Les ondes sont utilisées pour visualiser l intérieur du corps humain. Lorsqu elles se propagent dans un milieu matériel, les ondes interagissent avec celui-ci et sont plus ou moins atténuées. Cette atténuation appelée absorption dépend du milieu de propagation et de la fréquence de l onde. Elle est utilisée pour explorer la matière et permet d obtenir des images du corps humain. La fibroscopie et l endoscopie sont des techniques d exploration médicales qui utilisent des fibres optiques. Le fonctionnement des fibres optiques est basé sur la réflexion totale. Les rayons laser sont utilisés dans le traitement médical :

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