ONDES ET IMAGERIE MEDICALE

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1 Chapitre 2 : ONDES ET IMAGERIE MEDICALE I) LES ONDES SONORES ET LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES 1) Qu est-ce qu une onde? Dans une ola de supporters, on observe une perturbation qui se déplace de proche en proche dans le stade, mais les supporters restent sur place : Il n y a pas de transport de Une vague est une élévation de la surface de l eau qui se propage sans déplacement horizontal de l eau ou du navire à sa surface. 2) Quelles ondes dans 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, développé 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.... et les ondes... Exemples : Les rayons X, les ondes radio et les rayons gamma sont des ondes.. Les ultrasons sont des ondes... 3) Ondes et fréquences L oreille humaine est un récepteur sensible à des ondes. dont la fréquence est comprise entre environ Hz et khz, domaine situé entre celui des et celui des. échographie.. fréquences 20 Hz Hz L œil humain est un récepteur de lumière, onde... dont la fréquence appartient à un domaine très restreint compris entre des. (IR) et celui de l (UV). 4) Milieu de propagation des ondes Les ondes sonores Les ondes sonores ont besoin d un milieu matériel solide, liquide ou gazeux pour se propager. Elles ne se propagent pas dans le.. Ondes électromagnétiques Une onde électromagnétique se propage dans l air, l eau, différents matériaux, mais aussi dans le... La lumière est une onde électromagnétique qui se propage en.. dans les matériaux transparents (ou la lumière se propage) et homogènes (mêmes propriétés en tous points) (voir TP 3). 5) Vitesse de propagation (célérité) La vitesse de propagation est donnée par la relation : avec v : vitesse (ou célérité) en m.s -1 d : distance parcourue en m Δt : durée du parcours en s

2 Ondes sonores La vitesse de propagation d une onde sonore dépend essentiellement des caractéristiques (densité, température.) du milieu de propagation. Elle est plus importante dans les solides que dans les liquides et dans les liquides que dans les gaz. La valeur de la vitesse est constante dans un milieu homogène. Milieu air (0 C) air (20 C) hélium eau mercure diamant verre or v (m.s -1 ) Ondes électromagnétiques La vitesse de propagation de la lumière et des ondes électromagnétiques dans le vide ou dans l air a pour valeur c = 3, m.s -1. Dans les autres milieux, la vitesse de propagation est toujours inférieure à celle dans le vide. II) APPLICATION A L IMAGERIE MEDICALE 1) Absorption Au cours de la propagation, les ondes sont atténuées à cause de l interaction entre l onde et le milieu de propagation. Cet affaiblissement dépend du milieu et de la fréquence de l onde. Ce phénomène, appelé absorption, permet d explorer la matière comme le corps humain à l aide de rayons X (voir activité 2). Les zones noires (les chairs) correspondent à une faible absorption tandis que les zones claires (les os) correspondent à une grande absorption ; ce qui permet ainsi d obtenir une image du squelette. 2) Réflexion et réfraction Lorsqu une onde arrive à la surface de séparation entre 2 milieux : une partie de l onde est renvoyée dans le milieu d origine : C est le phénomène de.. une autre partie peut traverser la surface de séparation en étant dévié: c est le phénomène de.. Exemple 1 : Au cours d une échographie, une sonde envoie des signaux ultrasonores en direction de l organe à visualiser. Au cours de son trajet à travers la matière, l onde va être réfléchie par les «obstacles» qu elle rencontre (voir TP 2). Exemple 2 : Cas de la lumière 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. (voir ci-dessous) 3) Réflexion totale Si l angle d incidence i dépasse un 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. Un faisceau de lumière laser est dévié lorsqu il passe d un milieu transparent à un autre (exemple de l air dans l eau ci-dessus). C est le phénomène de réfraction. La lumière va moins vite dans l eau que dans l air donc le rayon réfracté se rapproche de la normale en passant ici de l air à l eau. La fibroscopie et l endoscopie sont des techniques d explorations médicales utilisant des fibres optiques (voir TP 3). Leur fonctionnement est basé sur la réflexion totale.

3 TRAVAUX DIRIGES DU CHAPITRE 2 Je connais mon cours LE BILAN DU COURS Mots Clés : onde, onde sonore, ultrasons, onde électromagnétique, lumière, milieu opaque, milieu transparent, célérité, absorption, réflexion, réfraction, réflexion totale, Formulaire : v = d Δt avec v la célérité (vitesse) en m.s-1, d la distance parcourue en m et Δt la durée en s Si l onde fait un aller-retour, il faut penser à diviser par 2 pour avoir la distance : d = Ce que je dois savoir : Capacité exigible Je sais distinguer les ondes sonores des ondes électromagnétiques (seules les ondes 1 électromagnétiques se propagent dans le vide) ainsi que donner des exemples pour chacune de ces deux catégories. 2 Je sais définir un milieu transparent et un milieu opaque pour une onde. Je sais exploiter des informations concernant la nature des ondes et leurs fréquences 3 en fonction de l application médicale. Par exemple l échographie utilise les ultrasons qui ont une fréquence supérieure à Hz. 4 Je connais une valeur approchée de la vitesse du son dans l air : 340 m.s Je sais calculer une distance par le phénomène d écho : d = v x Δt / 2. Je sais que la lumière se propage en ligne droite dans les milieux homogènes et 6 transparents. 7 Je connais la vitesse de la lumière dans le vide : 3, m.s Je sais définir les phénomènes de réflexion et de réfraction. Je sais nommer et tracer les rayons incident, réfléchi et réfracté. Je sais tracer la 9 normale, repérer le dioptre et le point d incidence. Je sais placer et déterminer les angles d incidence, de réflexion et de réfraction. Je sais expliquer et représenter le phénomène de réflexion totale dans une fibre 10 optique. v x Δt Dans votre manuel : Résumé du cours page 79. Faire les exercices 1 et 2 page 80 (correction page 334). Exercice 1 : QCM 1) Une onde transporte : a) de l énergie b) de la matière c) de la matière et de l énergie 2) Le son se propage dans: a) l eau b) le vide c) le béton 3) La vitesse du son est plus grande dans : a) les solides b) les liquides c) les gaz 4) La vitesse d une onde sonore : a) dépend du milieu b) est indépendante de la température 5) L échographie est basée sur la réflexion des : a) ultrasons b) sons c) rayons X 6) La lumière se propage dans : a) l eau b) le vide c) le béton 7) La vitesse d une onde électromagnétique : a) dépend du milieu b) est de 3, m.s -1 dans le vide 8) Les rayons X : a) font partie du domaine visible b) sont invisibles par l œil humain c) sont des ondes électromagnétiques 9) La radiographie utilise : a) les ultrasons b) le rayonnement ultraviolet c) le rayonnement X 10) Le changement de direction d un faisceau lumineux passant d un milieu de propagation à un autre est appelé : a) réflexion b) réfraction c) diffraction 11) Le faisceau qui parvient à l interface de deux milieux transparents est en partie réfléchi et en partie réfracté : a) Toujours b) jamais c) parfois 12) La fibroscopie utilise le phénomène de : a) réflexion totale b) réfraction c) dispersion 2

4 J applique mon cours Dans votre manuel : Thème 1 : La SANTE Le diagnostic médical - Faire les exercices 6 page 80 et 10 page 81 (correction page 338) - Essayer de faire seul l exercice résolu page 82 sur l échographie du cerveau - Exercices 15 (radiographie), 16 et 17 (ultrasons) page 83 Exercice 2 : Mesure de la vitesse du son Un émetteur E produisant une onde ultrasonore est placé en face de deux récepteurs R 1 et R 2. E, R 1 et R2 sont alignés et disposés dans cet ordre. Les signaux de sortie des récepteurs R 1 et R 2 séparés d'une distance d = 20,5 cm, sont observés sur les voies 1 et 2 d'un oscilloscope. On mesure une durée Δt = 0,60 ms entre l'arrivée de l'onde sur R 1 et l'arrivée sur R 2 1. Identifier sur l'oscillogramme les deux points qui correspondent à l'arrivée de l'onde sur R 1 et sur R Ces deux points sont séparés par un certain nombre de carreaux sur l'axe horizontal: indiquer combien. 3. Vérifier la valeur donnée pour la durée τ séparant ces deux points. 4. Déterminer à partir de cette expérience la vitesse des ondes ultrasonores dans l'air. Exercice 3 : Mesurer une distance grâce à une durée Un émetteur et un récepteur de salves ultrasonores sont placés côte à côte à une distance d d'un écran, l émetteur et le récepteur sont reliés à un système d'acquisition. 1) A quoi correspondent les dates t 1 et t 2? 2) Que représente la durée Δt = t 2 t 1? 3) La vitesse des ultrasons dans l'air est égale à 340 m.s -1. Calculer la distance d. Exercice 4 : Mesure d un fœtus par échographie Lors d une échographie prénatale, un médecin veut mesurer le diamètre D de la tête d un fœtus par échographie. Sonde émettrice - réceptrice Corps de la mère vue en coupe

5 1) Sur le schéma page précédente, que représentent les flèches numérotées 1 et 2? 2) Expliquer pourquoi les réceptions de chaque écho ne se font pas au même instant. Lors de cet examen, les ondes ultrasonores utilisées se propagent dans le corps de la mère et dans celui du fœtus à des vitesses ayant la même valeur : v = 1500 m.s -1. Chaque impulsion émise par la sonde donne deux échos. Le premier est reçu 70,0 µs après l émission, le second 150,0 µs après l émission. 3) Repérer à quel endroit se produit chacune des deux réflexions des ondes ultrasonores. 4) a) Déterminer la distance d 1 séparant la sonde de l avant de la tête du fœtus. b) Déterminer la distance d 2 séparant la sonde de l arrière de la tête du fœtus. 5) En déduire le diamètre D de la tête du fœtus. Les exercices 5 à 10 concernant les ondes lumineuses sont page suivante. Je pratique une démarche scientifique Exercice 11 : Détermination de l âge d un fœtus Lors d une échographie, un gynécologue utilise des ultrasons pour déterminer le diamètre crânien d un fœtus. émetteur et récepteur d'ultrason s Un gynécologue souhaite déterminer l âge d un fœtus par mesure de son diamètre crânien. Pour cela, il utilise une sonde émettrice d ultrasons. Il constate qu une impulsion émise par la sonde en direction du crâne du fœtus donne deux échos séparés par une durée Δt = 5, s. RESOLUTION DE PROBLEME : Déterminer l âge de ce fœtus. Exercer un regard critique sur la valeur trouvée. Remarque : L analyse des données, la démarche suivie et l analyse critique du résultat sont évaluées et nécessitent d être correctement présentées. Document 1 : célérité des ultrasons dans le corps humain célérité des ultrasons dans le corps humain : v = 1, m.s -1

6 Document 2 : diamètre crânien du fœtus en fonction du nombre de semaines d aménorrhée (nombre de semaines depuis l arrêt des règles) : à 5 semaines d'aménorrhée : 1 à 2 mm à 7 semaines d'aménorrhée : 8 mm à 9 semaines d'aménorrhée : 25 mm à 10 semaines d'aménorrhée : 33 mm à 11 semaines d'aménorrhée : 43 mm à 12 semaines d'aménorrhée : 55 mm à 13 semaines d'aménorrhée : 68 mm à 14 semaines d'aménorrhée : 85 mm Exercice 12 : Thermographie OBJECTIF S Document 1 : La thermographie est une technique consistant à détecter à distance des ondes électromagnétiques émises par un objet. Ceci permet d obtenir une image de l objet dans laquelle à chaque couleur correspond une température de surface. Elle est utilisée en médecine, en industrie, dans le bâtiment, Document 2 : La température T (en kelvin K) de la surface d un corps est liée à la longueur d onde λ max (en mètre) de la radiation émise par ce corps avec le maximum d intensité. La relation entre ces grandeurs peut s écrire : T = 2, λ max. Si θ est la température exprimée en degré Celsius et T la température exprimée en degré Kevin alors la relation entre les deux est: T = θ Remarque : Chaque onde électromagnétique est définie par sa longueur d'onde λ (lambda) qui représente la périodicité spatiale des oscillations c est-à-dire la distance parcourue par l'onde pendant une période. Document 3 : En thermographie médicale, il est possible de détecter des différences de températures de l ordre de 0,1 C. Des problèmes locaux inflammatoires ou circulatoires, ainsi que certaines tumeurs non profondes (cancer du sein ou de la thyroïde par exemple) peuvent être diagnostiqués. La température corporelle se situe habituellement entre 36,1 et 37,8 C en l absence de problèmes médicaux. Document 4 : Extrait du spectre des ondes électromagnétiques ultraviolets visible infrarouges λ (m) RESOLUTION DE PROBLEME : Les ondes utilisées en thermographie médicale sont-elles dans le domaine visible?