Comprendre le principe de l'échographie - Hachette
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CHAPITRE<br />
12<br />
OBJECTIFS<br />
PHYSIQUE<br />
Les on<strong>de</strong>s au service<br />
du diagnostic médical<br />
L’échographie Dopp<strong>le</strong>r est une technique <strong>de</strong> diagnostic médical qui ajoute<br />
<strong>de</strong>s informations fonctionnel<strong>le</strong>s aux images apportées par l’échographie comme,<br />
par exemp<strong>le</strong>, sur la circulation sanguine.<br />
Sur quels phénomènes physiques s’appuie cette technique ?<br />
Quel<strong>le</strong>s sont <strong>le</strong>s techniques <strong>de</strong> diagnostic médical<br />
utilisant <strong>le</strong>s on<strong>de</strong>s ?<br />
Mener une étu<strong>de</strong> expérimenta<strong>le</strong> sur la réf<strong>le</strong>xion.<br />
Mettre en œuvre un protoco<strong>le</strong> pour comprendre <strong>le</strong> <strong>principe</strong> <strong>de</strong> métho<strong>de</strong>s d’exploration<br />
utilisant la propagation <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s.<br />
169
Activités<br />
170<br />
1<br />
<strong>Comprendre</strong> <strong>le</strong> <strong>principe</strong> <strong>de</strong> l’écho<br />
L’échographie est une technique qui utilise une son<strong>de</strong> comprenant un émetteur et un récepteur <strong>de</strong> salves<br />
ultrasonores disposés côte à côte. Les ultrasons émis par la son<strong>de</strong> sont réfléchis par <strong>le</strong>s obstac<strong>le</strong>s<br />
qu’ils rencontrent et retournent vers la son<strong>de</strong>. Ce phénomène est analogue à l’écho qui renvoie <strong>le</strong> son<br />
<strong>de</strong> la voix vers la personne qui par<strong>le</strong>. Quel<strong>le</strong>s informations peut-on obtenir <strong>de</strong> l’écho <strong>de</strong>s ultrasons ?<br />
A Réf<strong>le</strong>xion <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s ultrasonores<br />
pour mesurer une distance<br />
Lorsqu’une salve d’ultrasons arrive perpendiculairement à la surface<br />
<strong>de</strong> séparation <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux milieux différents, une partie <strong>de</strong> la salve<br />
est réfléchie et repart vers la son<strong>de</strong>.<br />
Comment la durée <strong>de</strong> propagation <strong>de</strong>s ultrasons permet-el<strong>le</strong> <strong>de</strong><br />
déterminer une distance ?<br />
� Placer côte à côte un émetteur et un récepteur d’ultrasons à une<br />
distance d d’un obstac<strong>le</strong> en bois (doc. 1).<br />
� Observer <strong>le</strong>s signaux correspondant à l’émetteur et au récepteur<br />
à l’ai<strong>de</strong> d’un système d’acquisition (doc. 2).<br />
1. Reproduire l’allure <strong>de</strong>s signaux<br />
obtenus en <strong>le</strong>s i<strong>de</strong>ntifiant.<br />
2. Interpréter <strong>le</strong>s modifications<br />
observées lorsque la distance d varie.<br />
3. Connaissant la vitesse <strong>de</strong>s ultrasons<br />
dans l’air, utiliser ce dispositif<br />
pour déterminer la distance d.<br />
Vérifier <strong>le</strong> résultat à l’ai<strong>de</strong> d’un mètre.<br />
B Influence <strong>de</strong> la nature<br />
<strong>de</strong> l’obstac<strong>le</strong> sur la réf<strong>le</strong>xion<br />
DÉMARCHE<br />
D'INVESTIGATION<br />
La nature <strong>de</strong> l’obstac<strong>le</strong> rencontré par <strong>le</strong>s ultrasons<br />
a-t-el<strong>le</strong> une influence sur l’écho enregistré ?<br />
4. Proposer un protoco<strong>le</strong> permettant d’étudier l’influence<br />
<strong>de</strong> la nature <strong>de</strong> l’obstac<strong>le</strong> sur <strong>le</strong> signal réfléchi.<br />
5. Avec l’accord du professeur, réaliser l’expérience.<br />
Rédiger un compte rendu et une conclusion.<br />
doc. 2 Exemp<strong>le</strong> <strong>de</strong> signaux obtenus.<br />
doc. 1 Dispositif pour l’étu<strong>de</strong> <strong>de</strong> la réf<strong>le</strong>xion <strong>de</strong>s<br />
on<strong>de</strong>s ultrasonores sur un obstac<strong>le</strong>.<br />
doc. 3 Exemp<strong>le</strong> <strong>de</strong> matériel utilisé.<br />
d
2<br />
Mesurer la tail<strong>le</strong> d’un objet avec <strong>de</strong>s ultrasons<br />
L’échographie permet par exemp<strong>le</strong> <strong>de</strong> visualiser <strong>le</strong>s os d’un fœtus et <strong>de</strong> <strong>le</strong>s mesurer (doc. 4).<br />
Comment peut-on déterminer la tail<strong>le</strong> et la position d’un objet caché ?<br />
Un objet est caché dans une boîte dont <strong>le</strong>s parois sont constituées d’un fin voi<strong>le</strong> <strong>de</strong> tissu (doc. 5 et 6).<br />
Ce tissu laisse passer <strong>le</strong>s ultrasons.<br />
doc. 5 Exemp<strong>le</strong> <strong>de</strong> montage utilisé.<br />
doc. 4 Échographies d’un fœtus permettant <strong>de</strong> mesurer la longueur d’un fémur<br />
et d’un humérus.<br />
Paroi en<br />
tissu<br />
très fin<br />
Règ<strong>le</strong> graduée<br />
E R<br />
Activités<br />
Objet<br />
doc. 6 Schéma du dispositif utilisé. La position <strong>de</strong> l’objet<br />
est repérée par <strong>le</strong>s distances d 1 et d 2 . Sa tail<strong>le</strong> est définie<br />
par <strong>le</strong>s dimensions L et �.<br />
Boîte<br />
Émetteur et récepteur<br />
à ultrasons<br />
1. Élaborer un protoco<strong>le</strong> <strong>de</strong> manipulation permettant <strong>de</strong> déterminer la position et la tail<strong>le</strong> <strong>de</strong> l’objet caché.<br />
2. Après l’accord du professeur, effectuer <strong>le</strong>s mesures.<br />
a. Où est situé l’objet ? Quel<strong>le</strong> est sa tail<strong>le</strong> ? Expliquer.<br />
b. Ouvrir la boîte et vérifier <strong>le</strong>s résultats. Conclure.<br />
d 1<br />
12 Les on<strong>de</strong>s au service du diagnostic médical<br />
L<br />
d 2<br />
�<br />
DÉMARCHE<br />
D'INVESTIGATION<br />
173
Activités<br />
174<br />
3<br />
<strong>Comprendre</strong> <strong>le</strong> <strong>principe</strong> <strong>de</strong> l’échographie<br />
Au cours d’une échographie, un système informatique analyse <strong>le</strong>s signaux issus <strong>de</strong> la son<strong>de</strong>.<br />
Deux informations sont exploitab<strong>le</strong>s :<br />
– <strong>le</strong> temps mis par l’on<strong>de</strong> pour faire l’al<strong>le</strong>r-retour entre la son<strong>de</strong> et l’organe exploré ;<br />
– l’amplitu<strong>de</strong> du signal réfléchi.<br />
Comment l’image est-el<strong>le</strong> construite à partir <strong>de</strong> ces informations ?<br />
La plupart <strong>de</strong>s échographies sont en nuances <strong>de</strong> gris allant du<br />
noir au blanc (doc. 7).<br />
Les amplitu<strong>de</strong>s <strong>le</strong>s plus importantes <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s réfléchies sont<br />
codées en blanc, <strong>le</strong>s plus faib<strong>le</strong>s sont codées en noir.<br />
Les nuances <strong>de</strong> gris correspon<strong>de</strong>nt à <strong>de</strong>s amplitu<strong>de</strong>s<br />
intermédiaires.<br />
L’amplitu<strong>de</strong> du signal réfléchi dépend <strong>de</strong>s milieux rencontrés<br />
(doc. 8).<br />
Air<br />
Peau<br />
Une on<strong>de</strong> ultrasonore qui se propage<br />
dans l’air est presque tota<strong>le</strong>ment<br />
réfléchie lorsqu’el<strong>le</strong> arrive sur la<br />
peau. Le codage sera blanc.<br />
Peau<br />
Les images <strong>de</strong>s fœtus en 3D ont connu beaucoup <strong>de</strong> succès auprès du<br />
grand public. L’échographie 3D est une technique qui permet d’acquérir<br />
<strong>de</strong>s « volumes » grâce à un balayage automatique en fréquence et à une<br />
recomposition <strong>de</strong> l’image à partir <strong>de</strong> l’enregistrement <strong>de</strong> 150 à 200 positions<br />
du faisceau d’ultrasons (doc. 9).<br />
1. Quel<strong>le</strong>s sont <strong>le</strong>s <strong>de</strong>ux informations nécessaires pour construire une<br />
image échographique ?<br />
2. Quels sont <strong>le</strong>s types <strong>de</strong> surfaces <strong>de</strong> séparation qui apparaissent<br />
blanches, noires ou grises sur une échographie ?<br />
3. Lors d’une échographie, pourquoi est-il nécessaire <strong>de</strong> mettre du gel<br />
entre la son<strong>de</strong> et la peau ?<br />
4. Quel est <strong>le</strong> principal avantage <strong>de</strong> l’échographie 3D par rapport à<br />
l’échographie 2D ?<br />
DOC<br />
DOCUMENTS<br />
DOCUMENTS<br />
doc. 7 Échographie d’un fœtus.<br />
Gel<br />
échographique<br />
Si l’on<strong>de</strong> ultrasonore passe <strong>de</strong> l’eau<br />
ou du gel échographique dans la<br />
peau, <strong>le</strong> codage sera noir, car cette<br />
on<strong>de</strong> est presque tota<strong>le</strong>ment absorbée.<br />
Os<br />
doc. 9 Échographie 3D.<br />
Musc<strong>le</strong><br />
Animation<br />
dans <strong>le</strong> manuel<br />
numérique<br />
enrichi<br />
Si l’on<strong>de</strong> ultrasonore passe du<br />
musc<strong>le</strong> dans l’os, <strong>le</strong> codage sera<br />
gris, car cette on<strong>de</strong> est en partie<br />
réfléchie.<br />
doc. 8 La proportion <strong>de</strong>s ultrasons réfléchis dépend <strong>de</strong>s milieux rencontrés. Cette proportion influe sur <strong>le</strong>s nuances <strong>de</strong> gris<br />
<strong>de</strong> l’image obtenue.
4<br />
<strong>Comprendre</strong> <strong>le</strong> <strong>principe</strong> <strong>de</strong> propagation<br />
<strong>de</strong> la lumière dans une fibre optique<br />
La fibroscopie est une métho<strong>de</strong> permettant d’explorer <strong>le</strong>s organes à l’intérieur du corps. Un dispositif<br />
<strong>de</strong> fibroscopie comprend <strong>de</strong>ux fibres optiques : l’une éclaire la zone à examiner, l’autre transmet<br />
l’image à l’observateur.<br />
Comment se propage la lumière à l’intérieur d’une fibre optique ?<br />
A Observation d’une fibre optique<br />
� Diriger l’une <strong>de</strong>s extrémités d’une fibre optique vers<br />
une source lumineuse (doc. 10).<br />
� Observer l’autre extrémité.<br />
1. Qu’observe-t-on à l’autre extrémité <strong>de</strong> la fibre ?<br />
2. Schématiser une fibre optique et imaginer la<br />
propagation <strong>de</strong> la lumière dans cette fibre.<br />
doc. 10 Fibre optique dirigée vers l’écran<br />
d’un ordinateur servant <strong>de</strong> source lumineuse.<br />
B Expérimentation<br />
� Diriger un faisceau lumineux monochromatique vers<br />
un <strong>de</strong>mi-cylindre <strong>de</strong> p<strong>le</strong>xiglas.<br />
� Rég<strong>le</strong>r <strong>le</strong> dispositif comme indiqué sur <strong>le</strong> document<br />
11. Au niveau du point I, <strong>le</strong> faisceau lumineux se<br />
propage du p<strong>le</strong>xiglas vers l’air.<br />
doc. 11 Le dispositif expérimental utilisé.<br />
i 1<br />
i r<br />
I<br />
i 2<br />
�<br />
Activités<br />
3. Schématiser <strong>le</strong> dispositif et repérer <strong>le</strong> faisceau<br />
inci<strong>de</strong>nt, <strong>le</strong> faisceau réfléchi et <strong>le</strong> faisceau réfracté.<br />
Repérer aussi <strong>le</strong>s ang<strong>le</strong>s correspondants.<br />
Indiquer sur ce schéma l’indice <strong>de</strong> réfraction <strong>de</strong> l’air<br />
et celui du p<strong>le</strong>xiglas.<br />
4. Proposer un protoco<strong>le</strong> permettant <strong>de</strong> trouver<br />
la relation entre l’ang<strong>le</strong> d’inci<strong>de</strong>nce i 1 et l’ang<strong>le</strong> <strong>de</strong><br />
réf<strong>le</strong>xion i r .<br />
5. Après l’accord du professeur, réaliser l’expérience.<br />
En déduire la relation entre l’ang<strong>le</strong> d’inci<strong>de</strong>nce i 1 et<br />
l’ang<strong>le</strong> <strong>de</strong> réf<strong>le</strong>xion i r .<br />
6. Le faisceau réfracté existe-t-il toujours ?<br />
Sinon, quel<strong>le</strong> est la va<strong>le</strong>ur maxima<strong>le</strong> <strong>de</strong> l’ang<strong>le</strong> <strong>de</strong><br />
réfraction i 2 ?<br />
7. En utilisant la loi <strong>de</strong> Snell-Descartes relative à la<br />
réfraction, calcu<strong>le</strong>r la va<strong>le</strong>ur <strong>de</strong> l’ang<strong>le</strong> d’inci<strong>de</strong>nce<br />
limite pour <strong>le</strong>quel l’ang<strong>le</strong> <strong>de</strong> réfraction est maximal.<br />
8. Quel est <strong>le</strong> phénomène observé lorsque l’ang<strong>le</strong><br />
d’inci<strong>de</strong>nce est supérieur à l’ang<strong>le</strong> d’inci<strong>de</strong>nce<br />
limite ?<br />
9. Reprendre <strong>le</strong> schéma <strong>de</strong> la question 2 en utilisant<br />
<strong>le</strong> phénomène observé précé<strong>de</strong>mment.<br />
12 Les on<strong>de</strong>s au service du diagnostic médical<br />
175
Cours<br />
176<br />
Certaines techniques <strong>de</strong> diagnostic médical utilisent <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s ultrasonores<br />
ou é<strong>le</strong>ctromagnétiques. Lorsqu’el<strong>le</strong>s se propagent dans <strong>le</strong><br />
corps, ces on<strong>de</strong>s peuvent être plus ou moins réfléchies ou absorbées par<br />
<strong>le</strong>s organes. La nature <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s utilisées et <strong>de</strong>s phénomènes physiques<br />
mis en jeu permettent <strong>de</strong> distinguer divers types <strong>de</strong> diagnostics.<br />
1<br />
1.1 Principe <strong>de</strong> l’écho<br />
L’activité 1 a montré qu’une on<strong>de</strong> ultrasonore est en partie réfléchie<br />
lorsqu’el<strong>le</strong> atteint un obstac<strong>le</strong>. La mesure <strong>de</strong> la durée Δt <strong>de</strong> l’al<strong>le</strong>r-retour<br />
<strong>de</strong> cette on<strong>de</strong> entre l’émetteur-récepteur et l’obstac<strong>le</strong> (doc. 1) permet <strong>de</strong><br />
calcu<strong>le</strong>r la distance d <strong>le</strong>s séparant. Pour cela, il faut connaître la vitesse<br />
<strong>de</strong> propagation v <strong>de</strong> cette on<strong>de</strong> dans <strong>le</strong> milieu :<br />
d =<br />
v × Δt<br />
2 , avec d en m, v en m · s–1 et Δt en s.<br />
1.2 Application à l’échographie<br />
L’échographie (doc. 2) est une technique qui utilise <strong>de</strong>s ultrasons. Les<br />
ultrasons utilisés ont <strong>de</strong>s fréquences comprises entre 2 MHz et 20 MHz.<br />
Une son<strong>de</strong> échographique est à la fois un émetteur et un récepteur<br />
d’ultrasons. Lorsqu’ils se propagent dans <strong>le</strong> corps, ces ultrasons sont<br />
plus ou moins réfléchis par <strong>le</strong>s parois séparant <strong>de</strong>ux milieux différents.<br />
La partie réfléchie est reçue par la son<strong>de</strong> et analysée par un système<br />
informatique.<br />
2<br />
On<strong>de</strong>s ultrasonores<br />
2.1 Les lois <strong>de</strong> Snell-Descartes<br />
Pour commencer, exercice 1, p. 179<br />
On<strong>de</strong>s é<strong>le</strong>ctromagnétiques<br />
Lorsqu’un faisceau <strong>de</strong> lumière monochromatique se propageant dans<br />
un milieu d’indice <strong>de</strong> réfraction n 1 rencontre un autre milieu d’indice <strong>de</strong><br />
réfraction n 2 (doc. 3), il peut :<br />
– changer <strong>de</strong> milieu : c’est la réfraction (étudiée au chapitre 3) ;<br />
– rester dans <strong>le</strong> même milieu : c’est la réf<strong>le</strong>xion.<br />
Lois pour la réf<strong>le</strong>xion<br />
• Le rayon inci<strong>de</strong>nt, <strong>le</strong> rayon réfléchi et la norma<strong>le</strong> sont contenus dans<br />
<strong>le</strong> plan d’inci<strong>de</strong>nce.<br />
• Les ang<strong>le</strong>s d’inci<strong>de</strong>nce et <strong>de</strong> réf<strong>le</strong>xion vérifient la relation i1 = ir .<br />
Rappelons <strong>le</strong>s lois <strong>de</strong> Snell-Descartes pour la réfraction :<br />
• Le rayon inci<strong>de</strong>nt, <strong>le</strong> rayon réfracté et la norma<strong>le</strong> sont contenus dans<br />
<strong>le</strong> plan d’inci<strong>de</strong>nce.<br />
• Le rayon inci<strong>de</strong>nt et <strong>le</strong> rayon réfracté sont <strong>de</strong> part et d’autre <strong>de</strong> la norma<strong>le</strong>.<br />
• Les ang<strong>le</strong>s et <strong>le</strong>s indices sont liés par : n 1 · sin i 1 = n 2 · sin i 2 .<br />
n 1 est l’indice <strong>de</strong> réfraction du milieu 1, n 2 celui du milieu 2.<br />
�t<br />
Rayon<br />
inci<strong>de</strong>nt<br />
Milieu 1<br />
Indice n1 Salves émises<br />
Salves réfléchies<br />
doc. 1 Émission-réception d’on<strong>de</strong>s sonores.<br />
doc. 2 Principe <strong>de</strong> l’échographie.<br />
Deux informations sont exploitées<br />
pour construire l’image :<br />
– la durée <strong>de</strong> l’al<strong>le</strong>r-retour permet<br />
<strong>de</strong> connaître la distance séparant la son<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong> l’organe observé ;<br />
– l’intensité du signal réfléchi permet<br />
<strong>de</strong> mettre en évi<strong>de</strong>nce <strong>le</strong>s divers organes<br />
qui sont représentés sur l’écran par<br />
<strong>de</strong>s nuances <strong>de</strong> gris.<br />
Milieu 2<br />
Indice n2 i 1<br />
Plan d’inci<strong>de</strong>nce<br />
Norma<strong>le</strong> Rayon<br />
réfléchi<br />
I<br />
i r<br />
i 2<br />
t<br />
Surface <strong>de</strong><br />
séparation<br />
Rayon réfracté<br />
doc. 3 Schématisation <strong>de</strong> la réfraction<br />
et <strong>de</strong> la réf<strong>le</strong>xion. Le rayon inci<strong>de</strong>nt rencontre<br />
la surface <strong>de</strong> séparation au point I<br />
(point d’inci<strong>de</strong>nce).
2.2 La réf<strong>le</strong>xion tota<strong>le</strong><br />
L’activité 4 a montré que, lorsque l’indice <strong>de</strong> réfraction n2 du second<br />
milieu est inférieur à l’indice <strong>de</strong> réfraction n1 du premier milieu (n2 � n1 ),<br />
on n’observe pas toujours <strong>de</strong> rayon réfracté (doc. 4).<br />
Il existe un ang<strong>le</strong> d’inci<strong>de</strong>nce limite i au-<strong>de</strong>là duquel la lumière est<br />
1limite<br />
tota<strong>le</strong>ment réfléchie (doc. 5).<br />
On peut calcu<strong>le</strong>r cet ang<strong>le</strong> limite à l’ai<strong>de</strong> <strong>de</strong> la loi <strong>de</strong> Snell-Descartes pour<br />
la réfraction : sin i = 1limite n2. n1 Pour observer une réf<strong>le</strong>xion tota<strong>le</strong>, il faut avoir simultanément :<br />
n1 � n2 et i1 � i . 1limite<br />
2.3 Applications au diagnostic médical<br />
• La fibroscopie est une technique <strong>de</strong> diagnostic utilisant <strong>de</strong>s fibres<br />
optiques (doc. 6). La lumière est guidée dans la fibre par une succession<br />
<strong>de</strong> réf<strong>le</strong>xions tota<strong>le</strong>s (doc. 7).<br />
n 1 > n 2<br />
n 2<br />
n 2<br />
n 1<br />
i 1limite<br />
I<br />
Réf<strong>le</strong>xion<br />
tota<strong>le</strong><br />
Norma<strong>le</strong><br />
Réf<strong>le</strong>xion<br />
tota<strong>le</strong><br />
doc. 7 Propagation <strong>de</strong> la lumière dans une fibre optique.<br />
n 1<br />
n < n 2 1<br />
i = 90° 2<br />
Réf<strong>le</strong>xion<br />
tota<strong>le</strong><br />
La fibroscopie est une technique <strong>de</strong> diagnostic qui utilise la propagation<br />
<strong>de</strong> la lumière dans une fibre optique.<br />
Le fibroscope (doc. 8) est un appareil utilisé pour explorer l’intérieur du<br />
corps. Une série <strong>de</strong> fibres optiques conduit la lumière d’une lampe afin<br />
d’éclairer la zone à examiner. Une autre série <strong>de</strong> fibres optiques conduit<br />
la lumière issue <strong>de</strong> la zone observée vers l’œil du mé<strong>de</strong>cin ou vers une<br />
caméra.<br />
• La radiographie et <strong>le</strong> scanner utilisent <strong>de</strong>s rayons X qui sont <strong>de</strong>s<br />
on<strong>de</strong>s é<strong>le</strong>ctromagnétiques <strong>de</strong> gran<strong>de</strong>s fréquences (<strong>de</strong> l’ordre <strong>de</strong> 1018 Hz).<br />
L’absorption plus ou moins importante <strong>de</strong> ces on<strong>de</strong>s par <strong>le</strong>s différentes<br />
parties du corps permet d’en obtenir une image.<br />
• L’imagerie par résonance magnétique (IRM) utilise l’interaction entre<br />
<strong>de</strong>s atomes d’hydrogène du corps, <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s radio dont <strong>le</strong>s fréquences<br />
sont <strong>de</strong> l’ordre <strong>de</strong> 50 × 106 Hz et un champ magnétique important.<br />
�<br />
doc. 5 Mise en évi<strong>de</strong>nce<br />
<strong>de</strong> l’ang<strong>le</strong> limite.<br />
doc. 6 Fibres optiques.<br />
Norma<strong>le</strong><br />
a. Réfraction si i 1 � i 1limite .<br />
Cours<br />
n 2 < n 1<br />
doc. 4 Différents cas possib<strong>le</strong>s lorsqu’un<br />
faisceau inci<strong>de</strong>nt se propageant dans un<br />
milieu d’indice <strong>de</strong> réfraction n 1 , rencontre<br />
la surface <strong>de</strong> séparation d’un milieu dont<br />
l’indice <strong>de</strong> réfraction n 2 est plus faib<strong>le</strong>.<br />
Pour commencer, exercices 2 à 6, p. 179 doc. 8 Exemp<strong>le</strong> <strong>de</strong> fibroscope ou endoscope.<br />
12 Les on<strong>de</strong>s au service du diagnostic médical<br />
i 1<br />
i 1<br />
I<br />
I<br />
i 2<br />
Norma<strong>le</strong><br />
i r<br />
n 1<br />
n 1<br />
n 2 < n 1<br />
b. Réf<strong>le</strong>xion tota<strong>le</strong> si i 1 � i 1limite .<br />
177
SAVOIR<br />
178<br />
Les savoirs<br />
Retenir l’essentiel<br />
On<strong>de</strong>s ultrasonores<br />
L’échographie est une technique qui utilise la réf<strong>le</strong>xion <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s ultrasonores sur <strong>le</strong>s surfaces <strong>de</strong> séparation <strong>de</strong>s<br />
différents milieux du corps (os, musc<strong>le</strong>s, graisses…).<br />
Lors d’une échographie la distance d (en m) séparant la son<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
l’obstac<strong>le</strong> sur <strong>le</strong>quel se produit la réf<strong>le</strong>xion est donnée par :<br />
v × Δt<br />
d =<br />
2<br />
où v représente la vitesse <strong>de</strong> propagation <strong>de</strong>s ultrasons (en m · s –1 )<br />
et Δt la durée <strong>de</strong> propagation <strong>de</strong>s ultrasons (en s).<br />
On<strong>de</strong>s é<strong>le</strong>ctromagnétiques<br />
• Lois pour la réf<strong>le</strong>xion<br />
Le rayon inci<strong>de</strong>nt et <strong>le</strong> rayon réfléchi appartiennent au plan d’inci<strong>de</strong>nce.<br />
Les directions <strong>de</strong>s rayons sont tel<strong>le</strong>s que i r = i 1 .<br />
• Lois <strong>de</strong> Snell-Descartes pour la réfraction<br />
Le rayon inci<strong>de</strong>nt et <strong>le</strong> rayon réfracté appartiennent au plan d’inci<strong>de</strong>nce.<br />
Les directions <strong>de</strong>s rayons sont tel<strong>le</strong>s que :<br />
n 1 · sin i 1 = n 2 · sin i 2 .<br />
• Réf<strong>le</strong>xion tota<strong>le</strong><br />
Lorsque n1 � n2 , il existe un ang<strong>le</strong> d’inci<strong>de</strong>nce limite i pour <strong>le</strong>quel<br />
1limite<br />
<strong>le</strong> rayon réfracté est tangent à la surface <strong>de</strong> séparation <strong>de</strong>s <strong>de</strong>ux<br />
milieux (i2 = 90°). Cet ang<strong>le</strong> est défini par son sinus :<br />
sin i = 1limite n2 .<br />
Lorsque i 1 � i 1limite , <strong>le</strong> rayon lumineux ne change pas <strong>de</strong> milieu. Il est<br />
réfléchi avec un ang<strong>le</strong> égal à i 1 ; c’est la réf<strong>le</strong>xion tota<strong>le</strong>.<br />
Pour observer une réf<strong>le</strong>xion tota<strong>le</strong>, il faut avoir simultanément n 1 � n 2<br />
et i 1 � i 1limite .<br />
• Fibre optique – Fibroscopie<br />
Dans une fibre optique, la lumière se propage en subissant<br />
<strong>de</strong>s réf<strong>le</strong>xions tota<strong>le</strong>s successives.<br />
La fibroscopie est une technique qui utilise la propagation<br />
<strong>de</strong> la lumière dans une fibre optique.<br />
• On<strong>de</strong>s é<strong>le</strong>ctromagnétiques non visib<strong>le</strong>s<br />
La radiographie et <strong>le</strong> scanner utilisent <strong>de</strong>s rayons X.<br />
L’IRM utilise <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s radio.<br />
Les compétences attendues<br />
n 1<br />
Émetteur (E)<br />
à ultrasons<br />
E<br />
Son<strong>de</strong><br />
R<br />
Récepteur (R)<br />
à ultrasons<br />
Rayon<br />
inci<strong>de</strong>nt<br />
Milieu 1<br />
Indice n1 Distance d<br />
Obstac<strong>le</strong><br />
Surface <strong>de</strong><br />
séparation<br />
• Pratiquer une démarche expérimenta<strong>le</strong> sur la réf<strong>le</strong>xion tota<strong>le</strong>. [ TP ]<br />
• Pratiquer une démarche expérimenta<strong>le</strong> pour comprendre <strong>le</strong> <strong>principe</strong> <strong>de</strong> métho<strong>de</strong>s d’exploration et l’influence <strong>de</strong>s<br />
propriétés <strong>de</strong>s milieux <strong>de</strong> propagation. [ TP ]<br />
n 1 > n 2<br />
n 2<br />
n 2<br />
n 1<br />
Réf<strong>le</strong>xion<br />
tota<strong>le</strong><br />
Milieu 2<br />
Indice n2 i 1<br />
I<br />
i 1<br />
Plan d’inci<strong>de</strong>nce<br />
Norma<strong>le</strong> Rayon<br />
réfléchi<br />
I<br />
i r<br />
i 2<br />
Norma<strong>le</strong><br />
i r<br />
Réf<strong>le</strong>xion<br />
tota<strong>le</strong><br />
Rayon réfracté<br />
n 1<br />
n < n 2 1<br />
i > i 1 1limite<br />
Réf<strong>le</strong>xion<br />
tota<strong>le</strong>
S’auto-évaluer<br />
QCM<br />
t 1<br />
t 2<br />
�t<br />
Salves émises<br />
ÉNONCÉ A B C<br />
1. L’échographie utilise : <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s<br />
lumineuses<br />
2. On considère la figure 1 obtenue<br />
lors d’une mesure par échographie.<br />
La durée Δt = t 2 – t 1 est la durée :<br />
3. Quel<strong>le</strong> est la distance d séparant<br />
un émetteur-récepteur d’ultrasons<br />
d’un obstac<strong>le</strong> ? On donne Δt = 2 ms<br />
et v ultrasons = 340 m · s –1 .<br />
4. Le changement <strong>de</strong> direction d’un<br />
faisceau lumineux passant d’un milieu<br />
<strong>de</strong> propagation à un autre est appelé :<br />
5. Le faisceau qui parvient à l’interface<br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong>ux milieux transparents est en<br />
partie réfléchi et en partie réfracté.<br />
6. On considère la figure 2.<br />
Quel<strong>le</strong> proposition associe correctement<br />
<strong>le</strong> numéro <strong>de</strong> l’ang<strong>le</strong> et son nom ?<br />
7. On considère la figure 3.<br />
Quel<strong>le</strong> est la relation entre l’ang<strong>le</strong><br />
d’inci<strong>de</strong>nce et l’ang<strong>le</strong> <strong>de</strong> réf<strong>le</strong>xion ?<br />
8. On considère la figure 4.<br />
Pour qu’il puisse y avoir une réf<strong>le</strong>xion<br />
tota<strong>le</strong>, il faut avoir :<br />
9. On considère la figure 4.<br />
Si n 1 = 1,4 et n 2 = 1,0 ; la va<strong>le</strong>ur<br />
<strong>de</strong> l’ang<strong>le</strong> limite est :<br />
10. La fibroscopie utilise<br />
<strong>le</strong> phénomène <strong>de</strong> :<br />
séparant<br />
l’émission <strong>de</strong><br />
la réception<br />
d’une salve<br />
<strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s<br />
ultrasonores<br />
<strong>de</strong> la salve<br />
émise<br />
SAVOIR<br />
<strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s<br />
sonores<br />
<strong>de</strong> la salve<br />
reçue<br />
Si échec<br />
revoir<br />
§1 p. 174<br />
§1 p. 174<br />
68 cm 0,34 m 34 cm §1 p. 174<br />
réf<strong>le</strong>xion réfraction rotation §2 p. 174<br />
Toujours Jamais Parfois §2 p. 174<br />
1 : inci<strong>de</strong>nce<br />
2 : réfraction<br />
3 : réf<strong>le</strong>xion<br />
11. La radiographie utilise : <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s<br />
ultrasonores<br />
Réponses p. 319<br />
S’ai<strong>de</strong>r éventuel<strong>le</strong>ment <strong>de</strong>s figures ci-<strong>de</strong>ssous pour répondre aux questions.<br />
t<br />
Salves reçues après écho<br />
t<br />
n 1<br />
n 2<br />
2<br />
I<br />
3<br />
1<br />
Milieu 1<br />
Milieu 2<br />
n1 n2 i 1<br />
I<br />
i r<br />
i 2<br />
1 : réfraction<br />
2 : inci<strong>de</strong>nce<br />
3 : réf<strong>le</strong>xion<br />
1 : réf<strong>le</strong>xion<br />
2 : inci<strong>de</strong>nce<br />
3 : réfraction<br />
§2 p. 174<br />
n 1 · sin i 1 = n 2 · sin i 2 i 1 = i r n 1 · sin i 1 = n 2 · sin i r §2 p. 174<br />
n 1 � n 2 n 1 � n 2 n 1 = n 2 §2 p. 175<br />
environ 1,4° environ 46° environ 0,7° §2 p. 175<br />
réf<strong>le</strong>xion tota<strong>le</strong> réfraction dispersion §2 p. 175<br />
<strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s<br />
radio<br />
Milieu 1<br />
Milieu 2<br />
Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4<br />
n1 n2 <strong>de</strong>s rayons X §2 p. 175<br />
12 Les on<strong>de</strong>s au service du diagnostic médical<br />
i 1<br />
I<br />
Milieu 1<br />
Milieu 2<br />
179
SAVOIR Analyser, résoudre et rédiger<br />
180<br />
� Compétences mises en œuvre<br />
• Argumenter.<br />
• Lire un graphique, un schéma ou un tab<strong>le</strong>au.<br />
Mesure <strong>de</strong> distance par échographie<br />
L’échographie d’un fœtus (doc. 1) et <strong>le</strong> signal issu du capteur <strong>de</strong> la son<strong>de</strong> (doc. 2) sont schématisés ci-<strong>de</strong>ssous.<br />
Lors <strong>de</strong> cette échographie, une salve ultrasonore est émise par l’émetteur <strong>de</strong> la son<strong>de</strong> à la date 0 μs.<br />
Fœtus<br />
d 1<br />
d 2<br />
Son<strong>de</strong><br />
Vers l’ordinateur<br />
Corps <strong>de</strong> la mère<br />
vu en coupe<br />
1. Pourquoi observe-t-on <strong>de</strong>ux pics sur <strong>le</strong> graphique ?<br />
2. À quoi correspon<strong>de</strong>nt ces pics, enregistrés aux dates 90 μs et 140 μs ?<br />
3. On admet que la vitesse <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s ultrasonores est éga<strong>le</strong> à 1 540 m · s –1 dans <strong>le</strong> corps humain.<br />
Calcu<strong>le</strong>r la distance d 1 entre la son<strong>de</strong> et <strong>le</strong> fœtus.<br />
CONSEILS<br />
1. Seuls <strong>le</strong>s ultrasons réfléchis par une surface<br />
séparant <strong>de</strong>ux milieux sont reçus par <strong>le</strong> récepteur.<br />
Le nombre <strong>de</strong> pics observés correspond<br />
donc au nombre <strong>de</strong> milieux rencontrés.<br />
2. Plus la surface séparant <strong>le</strong>s <strong>de</strong>ux milieux est<br />
proche <strong>de</strong> la son<strong>de</strong> et plus <strong>le</strong>s ultrasons réfléchis<br />
sur cette surface arrivent tôt sur <strong>le</strong> récepteur.<br />
On peut ainsi classer <strong>le</strong>s <strong>de</strong>ux pics observés.<br />
3. Lors d’une échographie, la durée du trajet <strong>de</strong>s<br />
on<strong>de</strong>s ultrasonores correspond à la distance<br />
al<strong>le</strong>r-retour entre la son<strong>de</strong> et la surface <strong>de</strong><br />
séparation sur laquel<strong>le</strong> se produit la réf<strong>le</strong>xion.<br />
Pour calcu<strong>le</strong>r la distance parcourue, on utilise la<br />
relation entre la distance, la vitesse et la durée.<br />
Application immédiate<br />
Amplitu<strong>de</strong><br />
0 90 140<br />
doc. 1 Schématisation <strong>de</strong> l’écographie. doc. 2 Signal issu du capteur <strong>de</strong> la son<strong>de</strong>.<br />
En utilisant <strong>le</strong> schéma et <strong>le</strong>s données <strong>de</strong> l’exercice ci-<strong>de</strong>ssus, calcu<strong>le</strong>r :<br />
a. la distance D = d 1 + d 2 ; b. la distance d 2 .<br />
�<br />
�<br />
Solution rédigée<br />
Temps (en �s)<br />
1. On observe <strong>de</strong>ux pics, car il y a <strong>de</strong>ux réf<strong>le</strong>xions<br />
successives sur chacune <strong>de</strong>s <strong>de</strong>ux surfaces<br />
<strong>de</strong> séparation <strong>de</strong>s différents milieux. Ces <strong>de</strong>ux<br />
surfaces sont situées <strong>de</strong> chaque côté du fœtus.<br />
2. Le pic � correspond à la réf<strong>le</strong>xion sur la première<br />
paroi du fœtus, situé à la distance d1 <strong>de</strong><br />
la son<strong>de</strong>. Le pic � correspond à la réf<strong>le</strong>xion<br />
sur la paroi la plus éloignée du fœtus, située<br />
à la distance d1 + d2 <strong>de</strong> la son<strong>de</strong>.<br />
3. La durée nécessaire pour parcourir <strong>de</strong>ux fois<br />
la distance d1 est <strong>de</strong> 90 μs, soit 90 × 10 –6 s.<br />
1 540 × 90 × 10–6<br />
Donc : d1 = = 6,9 × 10<br />
2<br />
–2 m,<br />
soit 6,9 cm.<br />
Voir correction page 321
Pour commencer<br />
On<strong>de</strong>s ultrasonores<br />
1 Mesurer une distance grâce à une durée<br />
Un émetteur et un récepteur <strong>de</strong> salves ultrasonores sont<br />
placés côte à côte à une distance d d’un écran.<br />
L’émetteur et <strong>le</strong> récepteur sont reliés à un système<br />
d’acquisition.<br />
Écran<br />
d<br />
Émetteur<br />
Récepteur<br />
On obtient <strong>le</strong> graphique suivant :<br />
Récepteur<br />
Émetteur<br />
t 1 = 10,2 t 2 = 13,6<br />
1. À quoi correspon<strong>de</strong>nt <strong>le</strong>s dates t 1 et t 2 ?<br />
2. Que représente la durée (t 2 – t 1 ) ?<br />
Vers <strong>le</strong> système<br />
d’acquisition<br />
Vers <strong>le</strong> système<br />
d’acquisition<br />
Temps (en ms)<br />
3. La vitesse <strong>de</strong>s ultrasons dans l’air est éga<strong>le</strong> à 340 m · s –1 .<br />
Calcu<strong>le</strong>r la distance d.<br />
On<strong>de</strong>s é<strong>le</strong>ctromagnétiques<br />
2 Réf<strong>le</strong>xion et réfraction<br />
1. Reproduire <strong>le</strong> schéma ci-contre.<br />
I<strong>de</strong>ntifier l’ang<strong>le</strong> d’inci<strong>de</strong>nce et<br />
l’ang<strong>le</strong> <strong>de</strong> réfraction.<br />
2. Tracer <strong>le</strong> rayon réfléchi et<br />
repérer l’ang<strong>le</strong> <strong>de</strong> réf<strong>le</strong>xion.<br />
3 Connaître <strong>le</strong>s lois <strong>de</strong> la réf<strong>le</strong>xion<br />
et <strong>de</strong> la réfraction<br />
1. a. Énoncer <strong>le</strong>s lois relatives au phénomène <strong>de</strong> réf<strong>le</strong>xion.<br />
b. Faire un schéma illustrant ces lois.<br />
2. a. Énoncer <strong>le</strong>s lois relatives au phénomène <strong>de</strong> réfraction.<br />
b. Faire un schéma illustrant ces lois.<br />
i air<br />
I<br />
i verre<br />
n air<br />
n verre<br />
Exercices<br />
4 Reconnaître un schéma <strong>de</strong> réfraction<br />
et <strong>de</strong> réf<strong>le</strong>xion<br />
Un rayon inci<strong>de</strong>nt se propage dans un milieu homogène,<br />
puis atteint la surface séparant ce milieu d’un autre.<br />
Quels sont <strong>le</strong>s schémas corrects parmi <strong>le</strong>s quatre proposés<br />
ci-<strong>de</strong>ssous ?<br />
a<br />
Norma<strong>le</strong><br />
b<br />
Milieu 1<br />
Milieu 2<br />
I<br />
c Norma<strong>le</strong> d<br />
Milieu 1<br />
Milieu 2<br />
I<br />
Milieu 1<br />
Milieu 2<br />
Milieu 1<br />
Milieu 2<br />
Norma<strong>le</strong><br />
12 Les on<strong>de</strong>s au service du diagnostic médical<br />
I<br />
Norma<strong>le</strong><br />
5 Réf<strong>le</strong>xion eau-air<br />
Une source lumineuse émet un faisceau inci<strong>de</strong>nt qui se<br />
propage dans <strong>de</strong> l’eau puis atteint la surface <strong>de</strong> séparation<br />
eau-air.<br />
1. Réaliser un schéma<br />
à partir <strong>de</strong> la photographie<br />
ci-contre en i<strong>de</strong>ntifiant<br />
<strong>le</strong>s <strong>de</strong>ux rayons.<br />
2. Si on diminue l’ang<strong>le</strong><br />
d’inci<strong>de</strong>nce, observerat-on<br />
toujours ce phénomène<br />
?<br />
6 Une fibre optique<br />
De la lumière se propage à l’intérieur d’une fibre optique.<br />
n 2 = 1,0<br />
n 1 = 1,5<br />
I<br />
1. En utilisant <strong>le</strong>s va<strong>le</strong>urs numériques indiquées sur<br />
<strong>le</strong> schéma ci-<strong>de</strong>ssus, vérifier par <strong>le</strong> calcul qu’au point I<br />
l’ang<strong>le</strong> limite <strong>de</strong> réfraction, noté i limite , vaut 42°.<br />
2. Recopier <strong>le</strong> schéma, puis représenter la marche du<br />
rayon lumineux à l’intérieur <strong>de</strong> la fibre optique.<br />
I<br />
181
Exercices<br />
182<br />
Pour s’entraîner<br />
7 Fibroscopie<br />
Un fibroscope est un tube soup<strong>le</strong><br />
composé <strong>de</strong> <strong>de</strong>ux réseaux <strong>de</strong> fibres<br />
optiques, l’un véhiculant un faisceau<br />
<strong>de</strong> lumière blanche, l’autre étant<br />
muni d’une caméra vidéo permettant<br />
d’obtenir l’image.<br />
1. Quel<strong>le</strong>s propriétés doit possé<strong>de</strong>r<br />
la fibre optique d’un fibroscope ?<br />
2. Quel est <strong>le</strong> rô<strong>le</strong> <strong>de</strong> la lumière<br />
blanche ?<br />
3. Expliquer <strong>le</strong> <strong>principe</strong> <strong>de</strong> propa gation <strong>de</strong> la lumière dans<br />
une fibre optique.<br />
4. Quel est l’intérêt <strong>de</strong> la fibroscopie ?<br />
8 Échographie<br />
L’échographie est une technique permettant d’observer<br />
l’intérieur du corps humain.<br />
Une son<strong>de</strong> échographique placée au contact <strong>de</strong> la peau<br />
est constituée d’un émetteur et d’un récepteur d’on<strong>de</strong>s<br />
ultrasonores.<br />
Les on<strong>de</strong>s ultrasonores émises ont <strong>de</strong>s fréquences comprises<br />
entre 3 MHz et 10 MHz.<br />
Une partie <strong>de</strong> ces on<strong>de</strong>s est réfléchie par <strong>le</strong>s organes<br />
et retourne vers <strong>le</strong> récepteur. La position <strong>de</strong>s organes<br />
à observer est repérée à partir <strong>de</strong>s durées <strong>de</strong>s al<strong>le</strong>rs et<br />
retours <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s.<br />
1. Vérifier que <strong>le</strong>s on<strong>de</strong>s utilisées sont bien ultrasonores<br />
et non pas sonores.<br />
2. Sur quel <strong>principe</strong> physique fonctionne l’échographie ?<br />
3. Comment l’appareil d’échographie détermine-t-il la<br />
position <strong>de</strong> l’organe ?<br />
4. Pourquoi cette technique se nomme-t-el<strong>le</strong> échographie ?<br />
5. Quel est l’intérêt <strong>de</strong> l’échographie ?<br />
9 À chacun son rythme<br />
Cet exercice est proposé à <strong>de</strong>ux niveaux <strong>de</strong> difficulté.<br />
Dans un premier temps, essayer <strong>de</strong> résoudre l’exercice<br />
<strong>de</strong> niveau 2. En cas <strong>de</strong> difficultés, passer au niveau 1.<br />
On place un objet face à un émetteur et un récepteur <strong>de</strong><br />
salves ultrasonores.<br />
Écran<br />
Objet<br />
Récepteur<br />
Émetteur<br />
On effectue une acquisition. On obtient ces signaux :<br />
Niveau 2<br />
À quel<strong>le</strong> distance l’objet se trouve-t-il <strong>de</strong> l’émetteur et du<br />
récepteur ?<br />
Niveau 1<br />
1. Justifier l’allure du signal représenté en rouge.<br />
2. Que représentent Δt1 et Δt2 ?<br />
3. On mesure l’interval<strong>le</strong> <strong>de</strong> temps Δt 1 = 1,80 ms.<br />
À quel<strong>le</strong> distance correspond-il ?<br />
La vitesse <strong>de</strong>s ultrasons dans l’air est 340 m · s –1 .<br />
Calcu<strong>le</strong>r cette distance.<br />
10 La radiographie<br />
Les rayons X sont <strong>de</strong>s<br />
on<strong>de</strong>s é<strong>le</strong>ctromagnétiques<br />
<strong>de</strong> même nature que la<br />
lumière visib<strong>le</strong>. Lors d’une<br />
radiographie du corps<br />
humain, <strong>le</strong>s rayons X produits<br />
par un émetteur tra- 1 2<br />
versent <strong>le</strong> corps. Ils sont<br />
plus ou moins atténués<br />
suivant <strong>le</strong>s organes traversés. Un poumon paraît noir car<br />
il absorbe peu <strong>le</strong>s rayons X. À l’inverse, <strong>le</strong>s os paraissent<br />
blancs car ils <strong>le</strong>s absorbent beaucoup. Des détecteurs permettent<br />
un traitement informatique <strong>de</strong>s images obtenues.<br />
1. Dessiner un schéma du <strong>principe</strong> d’une radiographie.<br />
2. Quel<strong>le</strong>s sont <strong>le</strong>s fréquences <strong>de</strong>s rayons X utilisés ?<br />
3. Nommer <strong>le</strong>s parties 1 et 2 repérées sur <strong>le</strong> cliché.
11 Inci<strong>de</strong>nce limite<br />
Lors d’une fibroscopie, un rayon lumineux se propageant<br />
dans <strong>de</strong> l’eau pénètre dans une fibre optique.<br />
Eau<br />
n 1 = 1,33<br />
i 1<br />
n 3 = 1,15<br />
i 2<br />
A<br />
n = 1,56<br />
2<br />
i 3<br />
1. Calcu<strong>le</strong>r la va<strong>le</strong>ur limite ilimite <strong>de</strong> l’ang<strong>le</strong> i3 à partir <strong>de</strong>s<br />
données du schéma.<br />
2. a. Que peut-on dire du triang<strong>le</strong> ABC ?<br />
En déduire la relation entre <strong>le</strong>s ang<strong>le</strong>s i2 et i3 .<br />
b. En déduire la va<strong>le</strong>ur <strong>de</strong> l’ang<strong>le</strong> i2 lorsque i3 = ilimite .<br />
3. Calcu<strong>le</strong>r la va<strong>le</strong>ur <strong>de</strong> l’ang<strong>le</strong> i 1 lorsque i 3 = i limite .<br />
4. Un rayon lumineux pourra-t-il se propager dans la fibre<br />
optique quel que soit l’ang<strong>le</strong> i 1 ?<br />
12 Émission et réception d’ultrasons<br />
Lors d’une échographie, on place une son<strong>de</strong> en contact avec<br />
la peau du patient et on observe une zone <strong>de</strong> son corps.<br />
La son<strong>de</strong> joue <strong>le</strong> rô<strong>le</strong> d’émetteur et <strong>de</strong> récepteur d’on<strong>de</strong>s<br />
ultrasonores. El<strong>le</strong> émet <strong>de</strong>s salves qui ont une durée d’une<br />
microsecon<strong>de</strong> environ. Deux salves successives sont espacées<br />
d’une millisecon<strong>de</strong>. Pendant cet interval<strong>le</strong> <strong>de</strong> temps,<br />
la son<strong>de</strong> détecte la salve ultrasonore précé<strong>de</strong>nte qui s’est<br />
réfléchie sur la surface séparant <strong>de</strong>ux milieux différents.<br />
La connaissance <strong>de</strong> la durée entre l’émission et la réception<br />
est nécessaire pour la constitution d’une image.<br />
Dans <strong>le</strong> corps humain, <strong>le</strong>s ultrasons se propagent à une<br />
vitesse v = 1 500 m · s –1 .<br />
1. Quel<strong>le</strong> distance peut parcourir une on<strong>de</strong> ultrasonore en<br />
une millisecon<strong>de</strong> dans un corps humain ?<br />
2. En déduire la distance maxima<strong>le</strong> mesurab<strong>le</strong> séparant<br />
la peau du lieu <strong>de</strong> réf<strong>le</strong>xion <strong>de</strong> l’on<strong>de</strong>.<br />
3. Lors d’une échographie, une salve ultrasonore réfléchie<br />
sur la surface séparant <strong>de</strong>ux milieux différents d’un corps<br />
humain est-el<strong>le</strong> détectée par la son<strong>de</strong> avant que la salve<br />
suivante ne soit émise ?<br />
C<br />
B<br />
Exercices<br />
13 Le scanner<br />
Le scanner est une technique <strong>de</strong> tomographie qui permet<br />
d’obtenir <strong>de</strong>s images en coupe <strong>de</strong> l’intérieur du corps d’un<br />
patient.<br />
Lors d’un examen, un émetteur <strong>de</strong> rayons X tourne autour<br />
du patient (doc. 1). Un premier capteur enregistre l’intensité<br />
du rayonnement inci<strong>de</strong>nt. Un second capteur mesure<br />
l’intensité du rayonnement qui a traversé <strong>le</strong> corps. Les<br />
<strong>de</strong>ux capteurs ont <strong>le</strong> même mouvement que l’émetteur.<br />
En déplaçant <strong>le</strong> patient horizonta<strong>le</strong>ment, on peut construire<br />
une image en trois dimensions.<br />
capteur n°2<br />
Émetteur <strong>de</strong> rayons X<br />
et capteur n°1<br />
Rotation Déplacement<br />
doc. 1 Principe du scanner.<br />
Ordinateur<br />
doc. 2 Coupes transversa<strong>le</strong>s d’un crâne lors d’un scanner.<br />
1. Rechercher dans un dictionnaire la signification du mot<br />
tomographie.<br />
2. Quel<strong>le</strong> propriété <strong>de</strong>s rayons X est utilisée dans <strong>le</strong>s<br />
scanners ?<br />
3. a. À quoi correspond l’enveloppe représentée en blanc<br />
sur <strong>le</strong>s images du document 2 ?<br />
b. À quoi correspon<strong>de</strong>nt <strong>le</strong>s zones représentées en gris ?<br />
4. Quel est l’avantage du scanner par rapport à une radiographie<br />
classique ?<br />
12 Les on<strong>de</strong>s au service du diagnostic médical<br />
183
Exercices<br />
184<br />
14 Imagerie par résonance magnétique<br />
L’imagerie par résonance magnétique est une technique<br />
mo<strong>de</strong>rne <strong>de</strong> diagnostic.<br />
Le corps humain contient <strong>de</strong>s atomes d’hydrogène en<br />
gran<strong>de</strong> quantité. Ces atomes, tels <strong>de</strong>s aiguil<strong>le</strong>s aimantées,<br />
s’orientent tous dans une même direction lorsqu’ils<br />
sont placés dans un champ magnétique très intense<br />
fourni par un puissant é<strong>le</strong>ctroaimant.<br />
Les atomes d’hydrogène sont alors excités durant une<br />
courte pério<strong>de</strong> par <strong>de</strong>s on<strong>de</strong>s é<strong>le</strong>ctromagnétiques.<br />
Lorsqu’on arrête ces on<strong>de</strong>s, <strong>le</strong>s atomes d’hydrogène se<br />
désexcitent et retournent à <strong>le</strong>ur position d’équilibre. On<br />
sait mesurer <strong>le</strong>urs durées <strong>de</strong> retour à l’équilibre. Ces<br />
durées sont différentes selon <strong>le</strong>s tissus biologiques<br />
(graisse, musc<strong>le</strong>, matière cérébra<strong>le</strong>, os…). Cela permet<br />
<strong>de</strong> reconstituer une image du corps. Le grand avantage<br />
<strong>de</strong> l’IRM est qu’el<strong>le</strong> n’utilise pas <strong>de</strong> rayonnement ionisant.<br />
1. Rechercher la signification <strong>de</strong> « rayonnement ionisant ».<br />
2. Quel<strong>le</strong> autre technique utilise <strong>de</strong>s rayonnements<br />
ionisants ?<br />
3. Justifier la phrase soulignée<br />
dans <strong>le</strong> texte.<br />
4. L’image ci-contre représente<br />
une partie d’un<br />
corps humain. Quel<strong>le</strong> est<br />
cette partie du corps ?<br />
5. Comparer l’image avec<br />
<strong>le</strong>s images <strong>de</strong> l’exercice 13<br />
sur <strong>le</strong> scanner et citer un<br />
autre avantage <strong>de</strong> l’IRM.<br />
15 The birth of Fiber Optics<br />
In 1870, John TYNDALL,<br />
<strong>de</strong>monstrated that light<br />
used internal ref<strong>le</strong>ction<br />
to follow a specific<br />
route. As water flowed<br />
out of the first container,<br />
TYNDALL directed<br />
a ray of sunlight at the<br />
water. The light followed<br />
a zigzag route insi<strong>de</strong><br />
Light ref<strong>le</strong>cted<br />
from surface<br />
Light gradually<br />
<strong>le</strong>aks out<br />
Water flowing out of bassin<br />
the curved route of the water. This simp<strong>le</strong> experiment,<br />
illustrated on the picture, was the first research into<br />
gui<strong>de</strong>d transmission of light.<br />
1. Expliquer l’expérience <strong>de</strong> John TYNDALL.<br />
2. Sachant que l’indice <strong>de</strong> réfraction <strong>de</strong> l’eau est neau = 1,33<br />
et l’indice <strong>de</strong> réfraction <strong>de</strong> l’air est nair = 1,00, déterminer<br />
l’ang<strong>le</strong> limite lorsque la lumière arrive à la surface eau-air.<br />
3. Schématiser <strong>le</strong> trajet <strong>de</strong> la lumière dans <strong>le</strong> jet d’eau.<br />
4. En quoi peut-on dire que cette expérience est à l’origine<br />
<strong>de</strong> la naissance <strong>de</strong> la fibre optique ?<br />
16 Échographie Dopp<strong>le</strong>r<br />
Il est parfois nécessaire d’observer <strong>le</strong> fonctionnement <strong>de</strong>s<br />
organes.<br />
Lors d’une échographie Dopp<strong>le</strong>r <strong>le</strong>s salves ultrasonores<br />
se réfléchissent sur <strong>le</strong>s globu<strong>le</strong>s rouges qui se déplacent<br />
dans <strong>le</strong>s veines et <strong>le</strong>s artères. Leur fréquence est modifiée<br />
à cause du déplacement <strong>de</strong>s globu<strong>le</strong>s rouges. C’est <strong>le</strong><br />
<strong>principe</strong> <strong>de</strong> l’effet Dopp<strong>le</strong>r.<br />
La fréquence <strong>de</strong>s ultrasons reçus est plus petite que cel<strong>le</strong><br />
<strong>de</strong>s ultrasons émis si <strong>le</strong>s globu<strong>le</strong>s rouges s’éloignent <strong>de</strong><br />
la son<strong>de</strong>, el<strong>le</strong> est plus gran<strong>de</strong> si <strong>le</strong>s globu<strong>le</strong>s rouges se<br />
rapprochent.<br />
Des cou<strong>le</strong>urs différentes sont associées sur l’échographie<br />
aux fréquences <strong>de</strong>s ultrasons réfléchis.<br />
Ces cou<strong>le</strong>urs permettent <strong>de</strong> repérer <strong>le</strong> sens et la vitesse<br />
<strong>de</strong> circulation du sang par rapport à la position <strong>de</strong> la<br />
son<strong>de</strong>.<br />
1. Comment est repéré <strong>le</strong> sens <strong>de</strong> déplacement du sang<br />
sur une image d’échographie Dopp<strong>le</strong>r ?<br />
2. Comment est repérée la vitesse <strong>de</strong> déplacement du<br />
sang ?<br />
3. Rechercher un dispositif placé au bord <strong>de</strong>s routes utilisant<br />
éga<strong>le</strong>ment l’effet Dopp<strong>le</strong>r.<br />
Expliquer <strong>le</strong> <strong>principe</strong> en quelques lignes.