Document du professeur 1/11 Niveau 2 de THEME : LA SANTE Physique Chimie LE PRINCIPE DE L ECHOGRAPHIE Programme : BO spécial n 4 du 29 avril 2010 LA SANTE NOTIONS ET CONTENUS COMPETENCES ATTENDUES Le diagnostic médical : l analyse de signaux périodiques, l utilisation de l imagerie et des analyses médicales permettent d établir un diagnostic. Des exemples seront pris dans le domaine de la santé (électrocardiogramme, électroencéphalogramme, radiographie, échographie, fibroscopie ) Réfraction et réflexion totale Pratiquer une démarche expérimentale pour comprendre le principe de méthodes d exploration et l influence des propriétés des milieux de propagation. Pré requis : o Utilisation de l oscilloscope o Savoir mesurer une période sur l oscilloscope. o Connaitre la relation liant fréquence et période. Mots-clé o ultrasons o réflexion o absorption o échographie Liste de matériel : Poste élève o 1 table à ultrasons SONULTRA 1 Ref. : 03008 o 1 générateur de salves GENEPULSE Ref. : 03028 o 1 rail de 50 cm Ref. : 03232 o 1 oscilloscope Ref. : 01127 o 1 GBF Ref. : 04729 o 3 cordons BNC mâle / mâle Ref. : 02319 Remarque : On pourra travailler uniquement avec le rail et dans ce cas, à la place de la table à ultrasons, il est nécessaire d acquérir : o 1 émetteur ultrason Ref. : 05226 o 1 récepteur ultrason Ref. : 05225 Remarques ou astuces o o Le test de l activité 4 a été fait avec le générateur de salves dont l utilisation n est pas nécessaire si on ne recherche que les dimensions de la pièce en bois. Par contre, l utilisation du générateur de salves permet de mesurer le retard entre l émission et la réception donc de pouvoir envisager un prolongement sur des calculs de distances, en particulier la distance entre la surface du parallélépipède en bois et la toile de gaze ou de jute. On rappelle que dans l air, les ultrasons se propagent à la même vitesse que le son. PIERRON 2011 Le principe de l échographie (page 1)
Document du professeur 2/11 Prolongements possibles Historique : - 1794 : découverte des ULTRASONS - 1927 : mise en évidence de leurs actions sur les structures biologiques - 1933 : première utilisation à des fins thérapeutiques - 1962 : mise en évidence de la «Sonophorèse»: la pénétration par les sons. Plusieurs types d ultrasons entrent alors dans l arsenal thérapeutique : la réhabilitation fonctionnelle, l échographie, etc... - 1992 : apparition des premiers ultrasons de basse fréquence (environ 30 khz) pour les traitements des lipodystrophies en médecine esthétique Utilisations autres des ultrasons : 1) Les ultrasons pour nettoyer : Les dentistes utilisent un nettoyeur à ultrasons pour nettoyer les instruments buccaux tels que les pics dentaires, les grattoirs, les sculpteurs et autres. Les dentistes peuvent même utiliser ce nettoyeur à ultrasons pour nettoyer les couronnes afin de s assurer qu elles soient parfaitement propres afin de les insérer dans la bouche des patients. Cette même technologie ultrasonique est également disponible pour une utilisation à la maison. Un nettoyant pour prothèse dentaire à ultrasons peut être utilisé pour nettoyer complètement les dentiers en pénétrant dans les espaces difficiles à nettoyer. Lorsque vous visitez un optométriste, il est probable que le nettoyage de lentilles optiques soit effectué à l aide d un nettoyeur à ultrasons. L utilisation à la maison est aussi un moyen rapide et efficace pour nettoyer vos lunettes ou lentilles de contact et permet de les garder propres et en bonne condition grâce au nettoyage en douceur. Le nettoyeur à ultrasons peut être utilisé pour les dispositifs amovibles orthodontiques. Fonctionnement d un nettoyeur ultrasonore : à l intérieur de la cavité de nettoyage, au sein du liquide employé pour le nettoyage, des millions de minuscules bulles créées par des vibrations ultrasonores s effondrent et libèrent de l énergie élevée et permet une énorme puissance de nettoyage efficace. Cette méthode de nettoyage en douceur, élimine complètement la saleté, l huile et les contaminants de toutes les surfaces de l objet qui sont en contact avec le liquide de nettoyage. Puisque le liquide peut pénétrer à l intérieur de toutes les crevasses, même les plus petites, le nettoyeur à ultrasons peut nettoyer les éléments complexes qui ne peuvent pas être nettoyés à la main. 2) Traitement dans certains cancers : L utilisation des ultrasons focalisés de haute intensité pour le traitement du cancer localisé de la prostate. Le cancer de la prostate est la troisième cause de mortalité par cancer chez l'homme. Aujourd'hui, un nombre croissant de ces cancers sont décelés au stade localisé, c'est-à-dire sans diffusion de métastases. Une prise en charge thérapeutique précoce, telle que la radiothérapie ou la chirurgie, peut donc être envisagée. Une innovation technologique fondée sur l'utilisation des ultrasons, l'ablatherm, devrait permettre d'offrir une alternative thérapeutique intéressante pour certains patients ne relevant pas de la chirurgie, c'est-à-dire principalement des personnes âgées de plus de 70 ans. Cette technique présente l'avantage d'être peu invasive, de réduire le séjour hospitalier et de limiter les effets secondaires. Par ailleurs, en cas d'échec, et contrairement à la radiothérapie, il est possible de répéter le traitement. Le principe de l'ablatherm repose sur la destruction des tissus tumoraux par des ultrasons de haute intensité émis par voie endorectale. L'émission d'ultrasons s'accompagne localement d'une élévation brutale de température qui induit une nécrose des tissus. L'appareil comporte une sonde endorectale qui permet à la PIERRON 2011 Le principe de l échographie (page 2)
Document du professeur 3/11 fois de visualiser la prostate et de réaliser le traitement de la zone ciblée. À l'aide d'un ordinateur, le médecin dirige la sonde à l'intérieur du rectum vers la prostate et commande l'émission, appelée "tir", des ultrasons. La destruction du volume prostatique choisi est obtenue en répétant les tirs à plusieurs reprises (500 en moyenne) et en déplaçant le faisceau entre chaque émission. Un logiciel de contrôle permet à l'opérateur de bien délimiter le volume cible pour protéger les parties environnantes : aucune énergie n'est délivrée en dehors de la partie traitée. PIERRON 2011 Le principe de l échographie (page 3)
Document du professeur 4/11 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 Le principe de l échographie (page 4)
ACTIVITÉ 1 : RÉGLAGE DE LA FRÉQUENCE DE TRAVAIL Document du professeur 5/11 - 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 : la période T et la tension maximale U max. Appeler le professeur pour validation de vos résultats. T = 24 s U max = 1V - Calculer alors la valeur de la fréquence f de l émetteur. f = 1/T soit f = 1/ 24.10-6 = 41,6 khz. ACTIVITÉ 2 : ETUDE DE LA TRANSMISSION ET DE LA RÉFLEXION 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 Le principe de l échographie (page 5)
Les montages pour ces expériences sont schématisés ci-dessous : Document du professeur 6/11 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 Le principe de l échographie (page 6)
Document du professeur 7/11 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 réfléchie, une autre est transmise. 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 transmission. En revanche, pour la gaze, il n y a pas de réflexion. Lorsqu aucun des deux phénomènes n est présent, il y a un phénomène d absorption 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? La toile de gaze ou de jute 2. Quel matériau joue le rôle d un tissu mou? La laine de roche 3. Quel matériau joue le rôle d un os? La lettre en carton Mettre en place un protocole afin de déterminer la forme de la lettre en carton. PIERRON 2011 Le principe de l échographie (page 7)
Décrire ci-dessous le protocole de la manipulation que vous comptez réaliser. Document du professeur 8/11 On passe le dispositif émetteur-récepteur couplés sur chaque case et on observe, grâce à l oscilloscope, l amplitude du signal reçu par le récepteur. - si l amplitude reçue est faible, on se trouve en dessous de la laine de roche, «tissu mou» - si l amplitude reçue est grande, le phénomène de réflexion est important, on est donc en dessous de la lettre en carton, «un os». Appeler le professeur pour validation. Reproduire le quadrillage sur cahier : noircir les cases où la réflexion est faible et laisser blanches les autres cases. En passant le dispositif au dessus des différentes cases, on «voit» apparaitre la lettre qui se trouve posée sur la laine de roche. Dans le cas présent, la lettre F. PIERRON 2011 Le principe de l échographie (page 8)
Document du professeur 9/11 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. On «promène» le dispositif émetteur-récepteur le long de la boite. On place une règle sur les cotés de celle-ci ou on utilise le rail référencé dans le matériel. On relève alors des amplitudes différentes du signal reçu par le récepteur. Tant qu il y a de fortes amplitudes, la sonde émetteur-récepteur se trouve au-dessus de l objet en bois! On peut ainsi mesurer sa longueur et sa largeur Indiquer les dimensions trouvées pour cette pièce de bois L = 10 cm l = 5 cm Prolongement possible : Activité 5 ci-dessous PIERRON 2011 Le principe de l échographie (page 9)
Document du professeur 10/11 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. Emetteur Ecran de l oscilloscope Signal émis et reçu. Récepteur Base de temps de l oscilloscope : 0,5 ms/div. Déterminer le retard t entre l émission et la réception du signal : Entre l émission et la réception du signal, on «lit» 2 divisions sur l écran donc un retard t = 2 0,5 = 1 ms soit t = 1.10-3 s La vitesse des ultrasons dans l air est v = 340 m.s -1, déterminer la distance D correspondant au retard mesuré : D = v t soit D = 340 1.10-3 = 0,34 m = 34 cm En déduire la distance «d» entre l émetteur et la pièce de bois : D correspondant à un aller-retour du signal donc la distance émetteur-objet est la moitié de cette valeur : d = 17 cm. PIERRON 2011 Le principe de l échographie (page 10)
Document du professeur 11/11 EXERCICE D APPLICATION : 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 notée «div» correspond à une durée de 10 s. 1. Pourquoi applique-t-on un gel entre la sonde et la peau? On applique un gel pour améliorer l émission et la réception des ondes ultrasonores. Le gel sert «d adaptateur d impédance» pour la traversée de la peau par les ultrasons 2. Déterminer la durée séparant les réceptions des échos issus de B et de C. Entre la réception des échos issus de B et de C, il y a 0,6 division donc il s est écoulé 6 s 3. Quelle relation lie la vitesse de propagation v, la distance parcourue d et la durée de parcours t? d = v. t 4. À la durée séparant les échos B et C correspond une distance qui est : x 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 v = 1,5 10 3 m.s - 1. 6 s correspondent à une distance de 2d. En utilisant la formule d = v. t, on en déduit que d = 0,9 cm. PIERRON 2011 Le principe de l échographie (page 11)