Chapitre 12 Les ondes au service du diagnostic médical A la fin de ce chapitre Notions et contenus SAV APP ANA VAL REA Je maitrise Je ne maitrise pas Signaux périodiques : période, fréquence, tension maximale, tension minimale Ondes sonores, ondes électromagnétiques Domaines de fréquences Propagation rectiligne de la lumière Vitesse de la lumière dans le vide et dans l air Réfraction et réflexion totale Table 12.1 Tableau des notions et contenus du chapitre 12 I Phénomène périodique. Caractéristiques des phénomènes périodiques Phénomène périodique Un phénomène périodique se reproduit identique à lui-même à intervalles de temps égaux. Compétences attendues SAV APP ANA VAL REA Je maitrise Je ne maitrise pas Connaître et utiliser les définitions de la période et de la fréquence d un phénomène périodique Identifier le caractère périodique d un signal sur une du- rée donnée Déterminer les caractéristiques d un signal périodique Extraire et exploiter des informations concernant la na- ture des ondes et leurs fréquences en fonction de l application médicale Connaître une valeur approchée de la vitesse du son dans l air Connaître la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide (ou l air) Pratiquer une démarche expérimentale sur la réfraction et sur la réflexion totale Pratiquer une démarche expérimentale pour comprendre le principe de méthodes d exploration et l influence des propriétés des milieux de propagation Table 12.2 Tableau des compétences du chapitre 12 Par exemple, le cycle diurne (lever et coucher du soleil) se répète toutes les 24 heures environ alors que certaines marées se répètent à d environ 12 heures
d intervalle. Certains signaux périodiques peuvent être plus complexes : II Signal électrique (conf. TP17 ) II.1 Analyse d un signal électrique périodique Activité ❶ : Principe de mesure des signaux électriques émis par le corps (sur feuille) Période La période, notée T, est la plus petite durée au bout de laquelle un phénomène périodique se répète. Par exemple, le cycle diurne a une période de 24 heures environ alors que certaines marées ont une période d environ 12 heures. Tensions maximale et minimale La tension maximale, notée U max, d un signal électrique est l écart entre la valeur maximale de ce signal et la valeur de référence. La tension maximale s exprime en volt (V). La tension minimale, notée U min, d un signal électrique est l écart entre la valeur minimale de ce signal et la valeur de référence. La tension minimale s exprime en volt (V). II.2 Electrocardiogramme (diagnostic passif) Fréquence La fréquence, notée f, est le nombre de répétitions d un phénomène périodique par unité de temps. C est une grandeur physique qui s exprime en Hertz (Hz). Le lien entre la période et la fréquence est le suivant : Electrocardiographie Analyse du signal électrique émis par le coeur. Le signal est représenté par un électrocardiogramme. f = 1 T Avec la période T exprimée en seconde. Exercice : ECG et diagnostic médical exercice 19 p.25 Classe de Seconde Générale 2
II.3 Electroencéphalogramme (diagnostic passif) Electroencéphalographie Analyse du signal électrique émis par le cerveau. Le signal est représenté par un électroencéphalogramme. Exercice : La science des rêves exercice 17 p.25 Classe de Seconde Générale 3
III III.1 Les ondes sonores et les ondes électromagnétiques Les ondes Analyse d un signal sonore Activité ❷ : Le son, un signal périodique Activité 2 p.16 Microméga Onde Une onde est la propagation d une perturbation sans transport de matière. Nous allons étudier deux types d ondes : les ondes sonores et les ondes électromagnétiques. III.2 Signal sonore Définition Onde sonore Une onde sonore est un phénomène périodique qui se propage par une suite de compressions et de dilatations du milieu de propagation. Elle nécessite un support matériel et ne se propage donc pas dans le vide. Vitesse de propagation d une onde sonore Une valeur approchée de la vitesse de propagation d une onde sonore dans l air aux températures usuelles est : v=340 m/s expérience : propagation du son dans la cloche en verre sous vide Domaines de fréquences des ondes sonores Hauteur d un son La fréquence d un signal sonore est appelé hauteur de ce son. Les différentes fréquences d une onde sonore sont ses différentes notes. Classe de Seconde Générale 4
CHAPITRE 12. LES ONDES AU SERVICE DU DIAGNOSTIC MÉDICAL expérience : mesurer un signal sonore émis par un diapason à l aide d un micro Imagerie ultrasonore (diagnostic actif, conf. TP18 ) relié à l oscilloscope Les ultrasons permettent de générer une image à l intérieur d un matériau ou du corps humain par l intermédiaire d un écho. Le signal ultrasonore pénètre un matériau dans une certaine proportion (transmission) et une Signal sonore médical autre partie est réfléchie à la surface de ce matériau (réflexion). Les zones du Pouls (diagnostic passif ) corps humain où beaucoup de signal ultrasonore est absorbé apparaissent Chez le médecin, le pouls se mesure à l aide d un stéthoscope. C est un en noir sur l image alors que les zones où il y a plus de réflexion apparaissent appareil qui permet d amplifier les sons émis par le corps. Il permet aussi en gris. L image s interprète donc par ses niveaux de gris. La transmission de diagnostiquer certaines maladies en écoutant les bruits du corps sur entre l émetteur d ultrason et la peau étant naturellement très mauvaise, certaines fréquences (crépitement : affection des poumons, possibilité de on applique un gel échographique pour avoir une meilleure pénétration des tuberculose). ultrasons dans le corps. Audiométrie (diagnostic actif ) L audiométrie utilise des ondes sonores pour vérifier la bonne audition d un patient. De plus, les ondes ultrasonores sont soumises au phénomène de réfraction (hors programme). Classe de Seconde Générale 5
Exercice : Application des ondes ultrasonores Un sonar utilise un émetteur-récepteur qui envoie de brèves impulsions d ondes de fréquence 40 khz. La vitesse de propagation de ces ondes dans l eau de mer est égale à 1500 m.s 1. 1. A partir des informations fournies (fréquence, vitesse de propagation) préciser la nature des ondes utilisées par le sonar. 2. Ce type d onde se propagerait-il plus ou moins vite dans l air? 3. Le sonar reçoit un signal réfléchi 0, 53 s après l émission. A quelle distance se trouve-t-il de l obstacle? 4. Un banc de poissons peut-il être détecté par cette technique : (a) la nuit? (b) par temps de brouillard? (c) derrière un gros rocher? (d) à plusieurs centaines de kilomètres de distance? Répondre par oui ou par non et justifier à chaque fois la réponse. 5. Pour quelle technique de diagnostic médical un tel type d onde est-il utilisé? Classe de Seconde Générale 6
III.3 Signal électromagnétique Définition Onde électromagnétique Une onde électromagnétique est un signal périodique qui, suivant sa fréquence, peut être une onde radio, de la lumière, des rayons X, etc. Elle peut se propager sans support matériel donc dans le vide. Rappel La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène (propagation rectiligne). La vitesse de la lumière dans le vide ou dans l air est d environ 300 000 km/s. Domaines de fréquences des ondes électromagnétiques Analyse d un signal électromagnétique Exercice : Analyse par ondes hertziennes exercice 20 p.26 Classe de Seconde Générale 7
Signal électromagnétique médical Fibroscopie (conf. TP19 ) La fibroscopie (également appelée endoscopie) est une technique d imagerie médicale qui permet d observer l intérieur du corps avec une caméra couplée à une fibre optique. Elle permet l exploration de nombreux organes comme l intestin, l estomac, les cordes vocales, etc... Un fibroscope est constitué de milliers de fibres optiques, petits cylindres de verre non rigides dont les diamètre est inférieur à 10 µm. Certaines des fibres "apportent" la lumière pour éclairer la zone à observer, les autres transportent en retour l image de la zone à observer pour qu elle puisse être étudiée par le médecin. La fibroscopie repose sur le principe de la réflexion totale dans la fibre optique pour "guider" une onde électromagnétique entre deux points. Exercice : Incidence limite Lors d une fibroscopie, un rayon lumineux se propageant dans de l eau pénètre dans une fibre optique. 1. Calculer la valeur de l angle i limite de l angle i 3 à partir des données du schéma. 2. (a) Que peut-on dire du triangle ABC? En déduire la relation entre les angles i 2 et i 3? (b) En déduire la valeur de l angle i 2 lorsque i 3 = i limite. 3. Calculer la valeur de l angle i 1 lorsque i 3 = i limite. 4. Un rayon lumineux pourra-t-il se propager dans la fibre optique quel que soit l angle i 1? Classe de Seconde Générale 8
Radiographie Le principe de la radiographie est de détecter les rayons X qui parviennent à traverser notre corps. Plus organes traversés par les rayons X sont denses et moins nombreux seront les rayons qui parviendront jusqu au détecteur : on observe une trace blanche sur l image (c est le cas pour les os). Réciproquement, plus les organes traversés par les rayons X seront peu denses et plus nombreux seront les rayons qui parviendront jusqu au détecteur : on observe une trace noire sur l écran (c est le cas pour les poumons). Exercice : La radiographie Les rayons X sont des ondes électromagnétiques de même nature que la lumière visible. Lors d une radiographie du corps humain, les rayons X produits par un émetteur traversent le corps. Ils sont plus ou moins atténués suivant les organes traversés. Un poumon paraît noir car il absorbe peu les rayons X. A l inverse, les os paraissent blancs car ils les absorbent beaucoup. Des détecteurs permettent un traitement informatique des images obtenues. 1. Réaliser un schéma du principe d une radiographie. 2. Quelles sont les fréquences des rayons X utilisés? 3. Nommer les parties ❶ et ❷ repérées sur le cliché. Classe de Seconde Générale 9
Exercices à la maison Activité ❸ : Echographie et imagerie médicale Vitesse des ultrasons exercice 15 p.39 Pour aller plus loin Vol de chauve-souris exercice 26 p.41 1. Les chauve-souris émettent des ultrasons puisque la fréquence des ondes sonores est de 100 khz. 2. La chauve-souris atteindrait le mur au bout d un intervalle de temps : t = d v = 2,0 5,0 = 0, 4 s. 3. La durée de réception du signal par la chauve-souris correspond à un aller retour du signal entre la chauve-souris et le mur. On a donc : t = 2d v = 2 2,0 340 = 12 ms. 4. Oui, elle peut éviter le mur car son temps de réaction est inférieur au délai qui la sépare du mur et parce que le délai de réception du signal ultrasonore est plus bref que le temps de réaction de la chauvesouris. On peut estimer le temps total nécessaire à la chauve-souris pour réagir : t reaction = t reception + t reflexe = 12 + 100 = 112 ms, ce qui correspond à une distance de d = v chauve souris t reaction = 5, 0 112.10 3 = 56 cm soit une distance suffisamment plus faible que la distance qui sépare la chauve-souris du mur pour pouvoir s en sortir sans collision. Modélisation d une échographie exercice 29 p.42 1. On observe que n = 7 divisions séparent l écho du signal d émission donc cela correspond à un temps : t R = n k x = 7 20 = 140 µs. 2. Sans la plaque de plexiglas, le signal ultrasonore parcourt la distance 2D (puisqu il s agit d un écho) avant d être détecté à l instant t r. On en déduit la relation entre le temps, la distance et la vitesse des ultrasons dans l eau : t r = 2D v. 3. On remarque qu en présence de la plaque de plexiglas, t R > t R ce qui veut dire que le signal est retardé en présence de la plaque de plexiglas et donc que les ultrasons se propagent plus vite dans l eau que dans le plexiglas. 4. La distance totale parcourue par les ultrasons en présence de la plaque est de 2D car les ultrasons réalisent un écho. L épaisseur de la plaque de plexiglas étant de e et en présence d un écho, il faut retrancher 2e à la distance totale parcourue pour obtenir la distance parcourue par les ultrasons dans l eau uniquement. On a donc : L = 2D 2e = 2(D e). 5. (a) On a la relation t A = 2d v. (b) On peut considérer que t B est le temps nécessaire pour réaliser un écho dans l eau jusqu à A et un écho dans le plexiglas entre A et B. Dans le plexiglas, notons t le temps nécessaire pour réaliser un écho à partir du point A, on a :t = 2e v avec v la vitesse de propagation des ultrasons dans le plexiglas. On a finalement le temps d écho total : t B = t A + t = 2d v + 2e v. Classe de Seconde Générale 10