Seconde Sciences Physiques et Chimiques 1 ère Partie : La santé Chapitre 2. Imagerie médicale

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1 Imagerie médicale 1 Ondes et imagerie médicale 1.1 Des ondes à l imagerie médicale La première radiographie a été réalisée en 1895 par Wilhelm Röntgen, un physicien allemand, lorsqu il découvrit fortuitement les rayons X. L échographie ultrasonore est apparue en 1955, grâce à la technologie du sonar, développée par les marins dès En 1973, le chimiste américain Paul Lauterbur obtint le premier cliché d imagerie par résonance magnétique (IRM) en utilisant un champ magnétique (issu d un aimant) et des ondes radio. La découverte de la radioactivité artificielle, en 1934, a permis le développement de la médecine nucléaire, comme la scintigraphie, qui analyse les rayons gamma émis par des éléments radioactifs introduits dans le corps humain. L imagerie médicale utilise deux types d ondes : les ondes électromagnétiques, qui peuvent se propager dans le vide, et les ondes sonores, qui ont besoin d un milieu matériel pour se propager. Les rayons X, les ondes radio et les rayons gamma sont des ondes électromagnétiques ; les ultrasons sont des ondes sonores. 1.2 Les ondes et leur domaine de fréquences L oreille humaine ne perçoit les sons que dans une certaine plage de fréquences qui, selon les individus et leur âge, se situe entre 20 Hz et 20 khz. Au-delà de 20 khz, ce sont les ultrasons ; les sons de fréquences inférieures à 20 Hz sont appelés infrasons. Les ondes électromagnétiques s étendent sur une très large plage de fréquences. La lumière visible n y occupe qu une bande très étroite, de Hz à Hz. Dans les fréquences supérieures, on trouve notamment les ultraviolets (UV) et les rayons X. Les ondes radio ou les infrarouges sont des ondes de plus faibles fréquences que la lumière visible. 2 Vitesses de propagation des ondes 2.1 Les ondes sonores 1

2 Quelle que soit leur fréquence, les ondes sonores ne se propagent pas dans le vide. Elles ont besoin d un milieu matériel : gaz, liquide ou solide. Ainsi, lors d une échographie, les ultrasons se propagent dans les différentes structures oragniques : gaisse, muscles, sang, os, poumons La vitesse de propagation d une onde sonore dépend essentiellement des caractéristiques (densité, température, etc.) du milieu de propagation. Elle est plus importante dans les solides que dans les liquides, et dans les liquides que dans les gaz. milieu air (0 C) air hélium eau mercure diamant verre Or (20 C) v (m.s 1 ) Dans les tissus organiques mous (peua, graisse, foie, muscles ), la vitesse des ondes sonores varie de à m.s 1 et dans les os, de à m.s 1. On retiendra que dans l air, à température ambiante, la vitesse de propagation du son est de l ordre de 340 m.s Les ondes électromagnétiques Dans le vide, les ondes électromagnétiques se propagent toutes à la même vitesse ou célérité, c = m.s 1 Leur vitesse de propagation dans l air est très proche de celle dans le vide. La vitesse de propagation de la lumière dans le vide (et dans l air) est notée c, et sa valeur est de 3, m.s 1. Dans les milieux matériels, les ondes électromagnétiques se propagent plus ou moins bien. Leur vitesse de propagation est toujours inférieure à celle dans le vide ; elle dépend de la nature du milieu de propagation et de la fréquence des ondes. Par exemple, les rayons X (de fréquence de à Hz) utilisés pour la radiographie pénètrent dans de très nombreux milieux (l air, la graisse, les tissus mous, les os ), alors que la lumière (fréquence de l ordre de Hz) ne se propage que dans les milieux dits transparents (l air, l eau, le verre ). 2

3 Dans un milieu transparent, la lumière se propage à une vitesse inférieure ou égale à c. Si le milieu est homogène, elle se propage en ligne droite (rayon de lumière). milieu air eau verre v (m.s 1 ) c = 3, , , Remarque : l indice de réfraction d un milieu c Il s agit d un nombre sans dimension défini par n où c est la vitesse de la lumière dans le v vide, en m.s 1, et v la vitesse de la lumière dans le milieu, en m.s 1. milieu air eau verre n 1 1,33 1,5 Ce nombre, compare la vitesse de la lumière dans un milieu transparent à celle dans le vide, est nécessairement supérieur ou égal à 1. 3 Réflexion et réfraction 3.1 Changement de milieu de propagation Lorsqu une onde, sonore ou électromagnétique, arrive à la surface de séparation entre deux milieux, une partie de l énergie transportée par l onde est renvoyée dans le milieu initial et l autre est transmise dans le second milieu. Les fractions d énergie renvoyée et d énergie transmise dépendent des caractéristiques des deux milieux, mais aussi de la nature et de la fréquence de l onde. Exemple : une simple vitre laisse voir le milieu de l autre côté, mais on peut également s y voir Lors d une échographie, les impulsions ultrasonores pénètrent dans les tissus et se réfléchissent partiellement à chaque changement de milieu. Remarque : qu est-ce que la lumière laser? 3.2 La réflexion de la lumière Les phénomènes de réflexion de la lumière sont fréquents dans notre environnement : les reflets à la surface de l eau, les miroirs Un faisceau de lumière laser est renvoyé dans une seule direction lorsqu il arrive à la surface d un miroir : c est le phénomène de réflexion. Si un faisceau laser arrive sur une surface qui n est pas parfaitement lisse, une partie ou la totalité de la lumière peut être renvoyée dans toutes les directions : c est le phénomène de diffusion. C est ainsi qu un écran blanc diffuse toute la lumière qu il reçoit. fonctionnement du prisme en réflexion totale (principe du périscope) 3

4 3.3 La réfraction de la lumière Un faisceau de lumière laser est dévié lorsqu il passe d un milieu transparent à un autre (de l air à l eau, ou l inverse, par exemple). C est le phénomène de réfraction. Une paille dans l eau paraît cassée à l interface air-eau à cause de la réfraction. Lorsque la lumière se propage plus lentement dans le second milieu (par exemple, lors du passage de l air vers le verre), le rayon réfracté se rapproche de la normale à la surface de séparation entre les deux milieux. Dans ce cas, la lumière pénètre toujours dans le second milieu. Lorsque la lumière se propage plus rapidement dans le second milieu (par exemple, lors du passage du verre vers l air), le rayon réfracté s écarte de la normale à la surface de séparation entre les deux milieux. Dans ce cas, la lumière ne pénètre pas toujours dans le second milieu : cela dépend de l angle d incidence que fait le rayon incident avec la normale. Si l angle d incidence i est inférieur à un angle limite (caractéristique des deux milieux), la lumière pénètre dans le second milieu ; Si l angle d incidence i dépasse l angle limite, la lumière ne peut plus passer dans le second milieu : elle est complètement renvoyée dans le milieu initial, c est le phénomène de réflexion totale. C est ainsi que la lumière est guidée dans les fibres optiques, utilisées par exemple dans les fibroscopes médicaux (endoscopes). 4

5 Pour aller plus loin La loi de la réfraction est connue depuis Ibn Sahl, dès 983 après J.-C. Elle revient ensuite à plusieurs reprises dans l histoire, notamment dans les travaux de Kepler. Toutefois, elle est clairement énoncée dans ceux de Snell (1621) puis de Descartes (1637). Aujourd hui, on l énonce ainsi. rayon incident Milieu d incidence Milieu de réfraction angle d incidence i point d incidence droite normale au point d incidence angle de réflexion i rayon réfléchi Surface de séparation (dioptre) n sin i n sin r i i i ' r angle de réfraction r rayon réfracté On peut remarquer que, dans le cas où le milieu incident est plus réfringent que le milieu émergent (réfraction eau/air par exemple), alors que ni > nr, la relation n sin i n sin r i r ni sin r implique mathématiquement que 1 et qu il existera des valeurs d incidence i pour nr sin i ni sin i lesquelles r Arcsin ne sera pas défini sin r 5