Sujet ECE 1 : Physique L'échographie

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1 Sujet ECE 1 : Physique L'échographie Contexte du sujet : Outil de base de la surveillance prénatale, l'échographie médicale sert en fait à tout visualiser: reins, cœur, foie, tumeurs, trajet d'une sonde, etc. Son gros atout: elle est sans danger pour l'organisme. Les ultrasons ne sont en effet rien d'autre que des ondes sonores, des ondes élastiques capables de se propager dans tout milieu matériel gaz, liquide, solide. Leur fréquence se situe au-delà de ce que l'oreille peut percevoir de plus aigu. Les fréquences utilisées s'échelonnent de 1 à 20 MHz en fonction de l'organe observé. Tout comme les ondes lumineuses, les ultrasons sont réfléchis c'est l'écho, réfractés, absorbés ou diffractés. Le corps est pour l'essentiel un milieu souple et fluide où domine l'eau; les ultrasons s'y propagent à la vitesse de 1460 mètres par seconde. Tissus et graisses constituent un milieu différent de l'eau et la vitesse du son y varie de 1480 à 1600 mètres par seconde. Ces écarts de vitesse confèrent à chaque organe de notre corps un indice de réfraction acoustique qui lui est propre, et qui permet de le distinguer des organes voisins. Pour former une image, l'échographe fonctionne comme un radar: il émet une brève salve d'ultrasons, puis se met à l'écoute des échos réfléchis. Connaissant la vitesse de propagation des ultrasons dans les tissus, il mesure la durée qui sépare l'émission de la réception de chaque écho, et en déduit les distances. Cette mesure lui permet de construire une ligne de l'image, celle qui correspond à la direction du faisceau d'ultrasons. Pour avoir une image complète, il faut balayer la zone étudiée. Extrait de G. Martin, «L'échographie, comment ça marche?», La recherche, 2004 Documents mis à disposition : Onde sonores et ultrasonores Les sons audibles ont des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 khz. Ils sont limités par les infrasons (f < 20 Hz) et les ultrasons (f > 20 khz) Formation des images échographiques La plupart des échographies sont en nuances de gris allant du noir au blanc. (doc 1) Les amplitudes les plus importantes des ondes réfléchies sont codées en blanc, les plus faibles sont codées en noir. Les nuances de gris correspondent à des amplitudes intermédiaires. L'amplitude du signal ultrasonore réfléchi dépend des milieux rencontrés. Si l'onde ultrasonore passe de l'eau ou du gel échographique dans la peau, le codage sera noir, car cette onde est presque totalement transmise (doc 2) Si l'onde ultrasonore passe du muscle dans l'os, le codage sera gris, car cette onde est en partie réfléchie (doc 3) 1

2 Salves ultrasonores ou émission continue En mode salve, un émetteur ultrasonore envoie à intervalle de temps régulier, un «bip» d'une durée brève En mode continu, l'émetteur envoie en permanence un signal ultrasonore sinusoïdal de fréquence fixe. Certains types d'émetteurs permettent de choisir la fréquence Matériel mis à disposition : Plaques de polystyrène, de plastique, Morceau de tissu, de papier, de papier d'aluminium Émetteur d'ultrasons et de salves ultrasonores + Alimentation + fils 2 Récepteurs d'ultrasons Oscilloscope Mètre ruban + règle On travaillera dans l'air plutôt que dans l'eau pour des raisons de facilité. Analyser un problème (10 min) 1) A l'aide des documents, identifier un facteur dont dépend l'amplitude des ultrasons réfléchis par un matériau. 2

3 Formuler et mettre en œuvre des protocoles expérimentaux pour caractériser les ultrasons (35 min) 2) A l'aide du matériel mis à disposition, réaliser un montage pour vérifier que la fréquence des ondes générées par l'émetteur fonctionnant en mode continu se situe bien dans le domaine des ondes ultrasonore. Indiquer la fréquence obtenue. Appel n 1 Appeler le professeur pour lui présenter l'expérience réalisée ou en cas de difficulté. 3) Élaborer un protocole expérimental permettant de déterminer la longueur d'onde dans l'air des ultrasons utilisés..... Appel n 2 Appeler le professeur pour lui présenter le protocole expérimental ou en cas de difficulté. 3

4 4) Mettre en œuvre ce protocole et déterminer la longueur d'onde dans l'air des ultrasons utilisés. 5) Déterminer la valeur de la vitesse de propagation des ultrasons dans l'air. Formuler et mettre en œuvre un protocole expérimental pour comprendre l'échographie (15 min) 6) Élaborer un protocole expérimental permettant de vérifier la réponse à la question 1 Appel n 3 Appeler le professeur pour lui présenter le protocole expérimental ou en cas de difficulté. 7) Mettre en œuvre ce protocole. Conclure sur la validité de la réponse à la question 1 Défaire le montage et ranger la paillasse avant de quitter la salle 4

5 Coups de pouce 2) Détermination de la fréquence des ultrasons Alimenter l'émetteur d'ultrason à l'aide du générateur (0 / +15 V) Relier le signal de sortie à un oscilloscope (voix 1) à l'aide de deux fils et de deux fiches BNC Régler l'oscilloscope afin de visualiser un signal convenable sur tout l'écran. Pour cela, régler le calibrage vertical (Bouton tension voix 1) ainsi que le calibrage horizontal (Bouton base de temps ) Déterminer la fréquence du signal Measure Chaîne 1 fréquence 3) Détermination de la longueur d'onde des ultrasons Conserver le montage précédent. Relier un micro à l'oscilloscope (voix 2) à l'aide de deux fils. Visualiser simultanément le signal émis par l'émetteur d'ultrason et le signal capté par le récepteur. Rappel : La longueur d'onde est la distance parcourue par l'onde en une période Positionner le capteur de manière à obtenir sur l'oscilloscope, deux signaux en phase. Lorsque l'on recule le récepteur, le signal 2 se décale par rapport au signal 1. Lorsque ces 2 signaux sont à nouveau en phase, la distance parcourue est la longueur d'onde. Mesurer 20 longueurs d'onde à l'aide de la règle En déduire la valeur de la longueur d'onde 6) Modélisation de la sonde échographique Une sonde d'échographie est constituée d'un émetteur et d'un récepteur d'ultrasons Positionner le récepteur et l'émetteur d'ultrason cote à cote. Placer une plaque en plastique face au système {émetteur + récepteur} et à une certaine distance d, afin d'observer sur l'oscilloscope l'onde réfléchie. Relever l'amplitude de celle ci. Changer de matériaux. Relever l'amplitude de l'onde réfléchie. Conclure. 5

6 Résultats 2) Détermination de la fréquence des ultrasons Alimenter l'émetteur d'ultrason à l'aide du générateur (0 / +15 V) Relier le signal de sortie à un oscilloscope (voix 1) à l'aide de deux fils et de deux fiches BNC Régler l'oscilloscope afin de visualiser un signal convenable sur tout l'écran. Pour cela, régler le calibrage vertical (Bouton tension voix 1) ainsi que le calibrage horizontal (Bouton base de temps ) Déterminer la fréquence du signal Measure Chaîne 1 fréquence Résultat : f= 40,54 khz 3) Conserver le montage précédent. Relier un micro à l'oscilloscope (voix 2) à l'aide de deux fils. Visualiser simultanément le signal émis par l'émetteur d'ultrason et le signal capté par le récepteur. Rappel : La longueur d'onde est la distance parcourue par l'onde en une période Positionner le capteur de manière à obtenir sur l'oscilloscope, deux signaux en phase. Lorsque l'on recule le récepteur, le signal 2 se décale par rapport au signal 1. Lorsque ces 2 signaux sont à nouveau en phase, la distance parcourue est la longueur d'onde. Mesurer 20 longueurs d'onde à l'aide de la règle En déduire la valeur de la longueur d'onde Résultats : 20 lambda = 17 cm lambda = 0,85 cm = 0,0085 m 5) V= lambda * f = 0,0085 * 40,54*1000 = 345 m.s -1 6) Une sonde d'échographie est constituée d'un émetteur et d'un récepteur d'ultrasons Positionner le récepteur et l'émetteur d'ultrason cote à cote. Placer une plaque en plastique face au système {émetteur + récepteur} et à une certaine distance d, afin d'observer sur l'oscilloscope l'onde réfléchie. Relever l'amplitude de celle ci. Changer de matériaux. Relever l'amplitude de l'onde réfléchie. Conclure. 6

7 Compétence Coefficient ECE 1 Physique L'échographie Nom Prénom Niveau validé A B C D Analyser 1 Réaliser 3 Valider 2 Note /20 Autres Remarques Compétence Coefficient ECE 1 Physique L'échographie Nom Prénom Niveau validé A B C D Analyser 1 Réaliser 3 Valider 2 Note /20 Autres Remarques 7

8 Compétence Coefficient ECE 1 Physique L'échographie Nom Prénom Niveau validé A B C D Analyser 1 Réaliser 3 Valider 2 Note /20 Autres Remarques Compétence Coefficient ECE 1 Physique L'échographie Nom Prénom Niveau validé A B C D Analyser 1 Réaliser 3 Valider 2 Note /20 Autres Remarques 8