Diagnostic Médical
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THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 Plan et synthèse THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 Diagnostic Médical - Synthèse THEME SANTÉ CHAPITRE 1 1. Analyse et imagerie médicale Il faut connaitre les différentes techniques ainsi que leur pénibilité et dangerosité. Diagnostic Médical 2. Signaux périodiques lors du diagnostic médical Un phénomène est périodique si : Relation entre la fréquence f et la période T : (avec les unités) : Documents se rapportant au chapitre Signification de la fréquence : il s’agit du nombre de périodes par seconde (à appliquer au phénomène) Méthode pour mesurer T sur un oscillogramme : Une période correspond à x divisions (voir x sur dessin). Or la sensibilité ……………… Sh vaut : (on la lit sur l’appareil). T = …………………… Plan et synthèse T a comme unité : 1. Activité : Analyse et imagerie médicale 2. Activité expérimentale: Signaux périodiques lors du diagnostic médical 3. Activité : L’électrocardiogramme 4. Activité expérimentale : Principe de l’échographie 5. Activité expérimentale : Principe de la fibroscopie : réfraction et réflexion totale Attention : la période se note T (en non « t ») !! Méthode pour mesurer Umax sur un oscillogramme : La tension maximale correspond à y divisions (voir y sur dessin). Or la sensibilité ……………… Sv vaut : (on la lit sur l’appareil). Umax = …………………… Umax a comme unité : 3. L’électrocardiogramme • • • Attendus du chapitre Connaitre les notions de tachycardie, bradycardie. Savoir mesurer la période des battements, calculer la fréquence, c'est-à-dire le nbre de battements par seconde. Savoir transformer la fréquence en battements par minutes (faire éventuellement un produit en croix) 4. Principe de l’échographie Formule générale reliant la vitesse à distance d et au temps ∆t : V = ………. • • avec d en ……., ∆t en …… et V en ……. Dans le cas d’un écho, penser que la durée mesurée est ……………………. La méthode de mesure d’une durée sur l’oscillogramme est la même que la mesure d’une période (mais la durée se note « t » et non « T ») 5. Principe de la fibroscopie : réfraction et réflexion totale Conditions de réflexion totale : • L’indice optique du 1er milieu doit être………………… • L’angle d’incidence doit être ………………………………………………… (donnée dans un énoncé) Loi de Descartes de la réflexion : 01_Plan_et_Synthese.doc O. Chaumette (issus du BO et sous-entendus) En gras : « les connaissances » en italique : « les savoir-faire expérimentaux » Connaitre la définition de la période et son unité Connaitre la définition de la fréquence et son unité Reconnaitre un phénomène périodique Déterminer la période d’une tension Calculer la fréquence d’une tension Déterminer la tension maximale d’une tension périodique Extraire les informations concernant la nature des ondes et leur fréquence 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 Rechercher expérimentalement les conditions de la réflexion totale Compétences sous entendues du chapitre Echographie : savoir faire le calcul de la distance Savoir faire des conversions simples (km/s en m/s, MHz en Hz…) Savoir écrire un nombre en notation scientifique Savoir utiliser la loi de Descartes sur la réflexion en écriture normale : « les savoir-faire » Où ? 2 2 2,3 2,3 2,3 2 1 Acquis Non Acquis Acquis Non Acquis 4 5 5 5 5 1 1 5 avec i l’angle d’incidence et et r celui de réflexion. Seconde 1/2 01_Plan_et_Synthese.doc O. Chaumette Seconde 2/2 THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 Activité de cours THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 Activité de cours 2. Quelques exemples d’imagerie médicale: Analyse et imagerie médicale Utiliser le document distribué par le professeur pour compléter les informations ci-dessous : 1. Les différentes techniques d’analyse et imagerie médicales: 2.1. L’échographie : Type d’ondes utilisées : Qu’est-ce que l’imagerie médicale : Fréquence des ondes utilisées (en écriture scientifique) : Il existe de nombreuses techniques d’imagerie médicale : l’échographie, le scanner, l’IRM, la scintigraphie, la radioscopie, la fibroscopie… La technique est choisie en fonction de l’organe à observer. L’analyse médicale permet d’étudier le fonctionnement d’un organe sans forcément en former une image : l’électrocardiogramme, l’encéphalogramme… Vitesse de propagation des ondes en m/s et écriture scientifique : Dangerosité de l’examen : Pénibilité de l’examen : Compléter le tableau suivant : Image Nom de la technique Type d’ondes ou domaine de la physique utilisée 2.2. La radiographie : Type d’ondes utilisées : Fréquence des ondes utilisées : Vitesse de propagation des ondes en m/s et écriture scientifique : Dangerosité de l’examen : Pénibilité de l’examen : 2.3. Le scanner : Type d’ondes utilisées : Fréquence des ondes utilisées : Vitesse de propagation des ondes en m/s : Dangerosité de l’examen : Pénibilité de l’examen : Différence fondamentale par rapport à la radiographie : 2.4. La fibroscopie : Type d’ondes utilisées : Phénomène physique utilisé pour transmettre l’onde à l’écran : Vitesse de propagation des ondes en m/s : Dangerosité de l’examen : Pénibilité de l’examen : OUTILS MATHEMATIQUES utiles pour cette fiche : « M » devant une unité s’appelle Méga et vaut 106.. Exemples : une mégaseconde : 1 Ms = 106 s 4 mégaoctets : 4 Mo = 4x106 o Il existe d’autres préfixes pour les unités : kilo (k) qui vaut 103, centi (c) qui vaut 0,01 soit 10-2, milli (m) qui vaut 0,001 soit 10-3…. Nous y reviendrons régulièrement au cours de l’année. Ecriture scientifique des nombres : Quelques exemples : 1 000 s’écrit 1x103 200 s’écrit 2x102 540 s’écrit 5,40x102 01A_Imagerie_Medicale.doc O. Chaumette Seconde 1/2 01A_Imagerie_Medicale.doc O. Chaumette Seconde 2/2 THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 DOCUMENT DOCUMENT 3. Le scanner : Techniques d’imagerie médicale CE DOCUMENT DOIT ÊTRE RESTITUÉ À L’ISSU DE LA SÉANCE 1. L’échographie : L’échographie permet l’étude de multiples organes (thyroïde, ganglions, foie, rate, pancréas, reins, vessie, organes génitaux) mais aussi les vaisseaux (artères et veines), les ligaments et le coeur. Au cours d’une grossesse, elle permet d’étudier la vitalité et le développement du fœtus, de dépister des anomalies ou encore de déterminer le sexe de l’enfant. Le Scanner étudie le cerveau, la cage thoracique, l'abdomen ou encore les os. Il recherche des anomalies qui ne sont pas visibles sur des radiographies standard ou à l'échographie. Le Scanner (appelé aussi tomodensitométrie) est un examen qui utilise les rayons X de fréquences identiques à celles utilisées en radiographie. Son principe consiste à réaliser des images en coupes fines de votre corps. Au lieu d'être fixe, le tube de rayons X va tourner autour de vous et grâce à un système informatique puissant, des images sont obtenues. Ensuite, elles sont imprimées sur un film pour être étudiées. Dans la plupart des cas, un produit de contraste à base d'iode est injecté au patient pour améliorer la qualité des images. C'est un examen rapide et indolore. Son principe consiste à appliquer une sonde (comme un stylo) contre la peau en face de l’organe à explorer. Cette sonde émet des ultrasons qui traversent les tissus puis lui sont renvoyés sous la forme d’un écho. Ce signal, une fois recueilli va être analysé par un système informatique qui retransmet en direct une image sur un écran vidéo. Les fréquences des ultrasons utilisées vont de 2 à 13 MHz et se propagent dans le corps (considéré globalement comme liquide) à une vitesse de 1500 m/s. Comme pour la radioscopie, cette technique utilise des rayons X dangereux. Mais là encore, les doses sont très faibles et l’examen est considéré comme sans danger. C’est un examen absolument indolore. 4. L’électrocardiogramme : C’est un examen qui n’envoie pas d’ondes dans le corps. Il consiste à mesurer l’activité électrique du cœur. Les ultra-sons sont sans danger. L’échographie est un examen sans contre-indication. Des électrodes sont placées sur le corps du patient et reliées à l’appareil qui enregistre l’activité du cœur pendant une vingtaine de minutes. L’examen est totalement indolore. Il permet de révéler des anomalies du rythme cardiaque (fréquence, régularité…). 2. La radiographie: Elle permet surtout l'étude du squelette et des articulations, des poumons, de l'abdomen. Cet examen utilise les rayons X : ce sont des ondes électromagnétiques (qui n’ont pas besoin de matière pour se propager, contrairement aux sons). Ces ondes sont très énergétiques et ont une fréquence très grande de 1015 à 10 20 Hz. Elles se déplacent à la vitesse de la lumière soit 300 000 km/s) Souvent associé à une échographie, c’est un examen sans danger. 5. La fibroscopie: C’est un examen qui consiste à placer une caméra dans le corps en passant par les voies naturelles (bouche, nez, anus). Il en existe de trois types : la fibroscopie bronchique, la fibroscopie oesogastro-duodénale et la coloscopie. Le principe de la radiographie consiste à impressionner l’équivalent d’une pellicule photographique située derrière l’organe à observer. Cette pellicule devient noire quand les rayons X la touchent. Les rayons X traversent très bien la chair : la « radio » apparait donc noire car les rayons n’ont pas été absorbés par la chair. Les os, qui absorbent les rayons X (donc les laisse peu passer) apparaissent blancs. De la lumière est envoyée le long d’une fibre optique et éclaire la zone à observer. Une fibre optique est une sorte de fil en verre dans lequel la lumière reste prisonnière entre l’entrée et la sortie du fil grâce au phénomène de réflexion totale. L’image de l’organe se propage elle aussi le long d’une fibre optique jusqu’au système d’enregistrement et au moniteur de contrôle. C'est un examen totalement indolore. Les rayons X sont dangereux pour l’organisme. Cependant, du fait des très faibles doses utilisées, la radiographie est tout de même considérée comme sans danger. 01DOC_techniques_Medicales.doc O. Chaumette THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 C’est un examen qui peut être fait sous anesthésie locale (fibroscopie bronchique), générale (coloscopie) ou sans anesthésie. C’est un examen peu agréable mais sans danger. Seconde 1/2 01DOC_techniques_Medicales.doc O. Chaumette Seconde 2/2 THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 Activité expérimentale Signaux périodiques dans le diagnostic médical Les signaux périodiques sont très utilisés en imagerie médicale. Revenons d’abord sur les signaux périodiques et leurs caractéristiques. 1. Notion de phénomène périodique : Un phénomène est dit périodique lorsqu’il se répète de la même manière à intervalles de temps réguliers. Sa période notée T correspond à la plus petite durée au bout de laquelle le phénomène se répète. 1. Citer trois phénomènes périodiques que vous connaissez et évaluer leur période. 2. En classe de troisième vous avez appris à reconnaitre une tension périodique. Parmi les graphes suivants représentant l’évolution de tensions au cours du temps, quels sont ceux qui correspondent à des tensions périodiques ? THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 Activité expérimentale 2.2. Période d’une tension sinusoïdale METHODE Mesure d’une période sur l’oscilloscope En utilisant le point méthode ci-contre, mesurer la période de la tension affichée sur votre oscillogramme. ATTENTION ! On rédigera en français son raisonnement. Exemple de rédaction : « Je lis sur l’oscillogramme qu’une période correspond à x = …. divisions. Or la sensibilité horizontale vaut Sh = …... ms/div Donc comme T = x x Sh alors T = …… (unité à préciser) » 2.3. Fréquence d’une tension sinusoïdale : Rappels de 3ème : La fréquence correspond au nombre de périodes en une seconde. Son unité est le Hertz • • 1 (Hz) et elle s’exprime : f = T a. b. Calculer la fréquence de la tension précédente. c. • Compter le nombre de carreaux (appelés divisions) entre deux sommets. Ce nombre est noté x Regarder sur l’oscilloscope la valeur de la sensibilité horizontale (sur la base de temps, bouton ). On note cette valeur Sh. La période, notée T, se calcule avec la formule : T = x x Sh 3. Surligner un motif qui se répète sur chaque graphe représentant une tension périodique. 4. Le fonctionnement du corps humain est rythmé par des phénomènes périodiques. Lesquels pouvez-vous citer ? 2.4. Tension maximale d’une tension périodique 2. Mesures des caractéristiques d’un signal périodique : 2.1. Montage : Réaliser le montage permettant d’observer sur l’oscilloscope une tension périodique sinusoïdale délivrée par un générateur basse fréquence (GBF) (voir fiche montage) Réglage de l’oscilloscope (voir notice simplifiée de l’oscilloscope) Base de temps : (bouton T/DIV) Vous devez observer: En adaptant la méthode de la mesure d’une période, déterminer la tension maximale Umax (voir ci-contre) sur votre oscillogramme. On rédigera correctement en adaptant la rédaction du paragraphe 2.2. Indication : le nombre de divisions ne note y et la valeur d’une division verticale s’appelle sensibilité verticale Sv et se lit sur le bouton 0,5 ms/div Sensibilité voie 1 : (bouton V/DIV gauche) 3. Mesure de la fréquence d’un ultrason : Les ultrasons sont des sons de très grande fréquence (supérieure à 20 kHz) utilisés notamment lors de l’échographie. Ils sont inaudibles par l’Homme. 2 V/div Sensibilité voie 2 : (bouton V/DIV droit) OFF (vers le bas) Connecteur SOURCE sur CH1 Au bureau professeur, un émetteur d’ultrason est relié à un oscilloscope. • Déterminer période, fréquence et tension maximale des ultrasons émis. • La fréquence calculée correspond-elle bien à des ultrasons ? APPELER LE PROFESSEUR POUR LUI MONTRER UNE PÉRIODE SUR L’OSCILLOGRAMME 01TP_Signaux_periodiques.doc O. Chaumette Seconde 1/2 01TP_Signaux_periodiques.doc O. Chaumette Seconde 2/2 THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 Activité de cours THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 L’électrocardiogramme (ECG) 1. Présentation : Le cœur est une « pompe » qui régule la circulation du sang dans l’organisme. Le va-et vient du sang dans le cœur est dû à des contractions et relaxations de différentes zones du cœur, générées par des signaux électriques. L’électrocardiographie consiste à enregistrer la tension électrique (de l’ordre du millivolt) de ces signaux en plaçant des électrodes à différents endroits du corps. Cet examen est inoffensif et indolore. Ces électrodes sont reliées à un stylo mobile qui appuie sur une feuille de papier millimétré défilant à vitesse constante. L’électrocardiogramme obtenu permet au cardiologue de diagnostiquer des maladies du muscle ou de l’enveloppe du cœur. Il permet aussi de déceler les troubles du rythme cardiaque, caractérisé par la fréquence cardiaque : le nombre de battements du cœur en une minute. Parmi ces troubles, on distingue la tachycardie, accélération de la fréquence cardiaque, ou la bradycardie, ralentissement de la fréquence cardiaque qui peut aller jusqu’à l’arrêt. Activité de cours 2. Voyez-vous une périodicité dans ce phénomène ? Repasser en rouge un motif correspondant à une période. 3. Déterminer la période T de cette tension. 4. Calculer la fréquence f en Hertz associée à cette période. A quelle unité correspond le « Hertz » Hz ? 5. En déduire le nombre de battements par minute. 3. Les troubles du rythme cardiaque Pour les enregistrements ci-dessous, la vitesse de déroulement du papier est v = 25 mm/s ce qui correspond à une sensibilité horizontale Sh = 0,2 s/carreau Enregistrement A - Électrocardiogramme d'un cœur normal 2. Etude de l’électrocardiogramme La figure ci-dessous montre les informations fournies par un électrocardiogramme : 0,2 s Enregistrement B - Électrocardiogramme d'un cœur présentant une tachycardie 0,5 m V Enregistrement C - Électrocardiogramme d'un cœur présentant une bradycardie 1. Qu’est ce qui nous permet d’affirmer qu’il s’agit bien de la représentation d’une tension électrique ? • Pour chaque enregistrement, déterminer la période puis la fréquence en Hz des battements. Convertir cette fréquence en battements par minute. • À partir des réponses précédentes, proposer une définition des termes « bradycardie » et « tachycardie ». 01A_Electrocardiogramme.doc O. Chaumette 01A_Electrocardiogramme.doc O. Chaumette Seconde 1/2 Seconde 2/2 THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 Activité expérimentale THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 Principe l’échographie Activité expérimentale 2. Principe de l’échographie: Nous avons vu que l’échographie utilise des ultrasons. Les ultrasons sont des sons tellement aigus qu’il est impossible pour l’Homme de les entendre. Cependant, les ultrasons restent des sons. 2.1. L’écho sonore : Une personne crie devant une montagne. Le son revient t = 2 s après l’émission. Comment peut-on déterminer la distance à laquelle la personne se trouve de la montagne sachant que le son se propage à la vitesse de 340 m/s ? 1. Mesure de la vitesse d’un son dans l’air : 1.1. Mesure dans l’air : • Rappeler la formule reliant la vitesse, la distance et la durée mise pour parcourir cette distance. Préciser les unités. V= Dispositif expérimental : Un son est créé et envoyé à deux micros séparés d’une distance d. Les micros sont reliés à un oscilloscope qui affiche un signal dès que le micro reçoit le son. Nous allons utiliser un oscilloscope spécial (dit « à mémoire ») pour mesurer le temps que met le son pour aller du 1er micro au second micro. ? • Distance entre les deux micros : d = ? • Légender l’allure de l’oscillogramme obtenu : • En utilisant la même méthode que pour la mesure d’une période sur l’oscilloscope, déterminer le temps t mis par le son pour parcourir d : ? 2.2. L’échographie (écho d’ultrasons) a. Montage : Réaliser le montage « Principe de l’échographie » situé sur la paillasse. b. Réglages de l’oscilloscope : En s’aidant de la notice simplifiée de l’oscilloscope (sur la table), régler: Base de temps : (bouton T/DIV) 0,5 ms/div Boitier de l’émetteur Sensibilité voie 1 : (bouton V/DIV gauche) 5 V/div d’ultrasons sur Salves Sensibilité voie 2 : (bouton V/DIV droit) 20 courtes mV/div Connecteur SOURCE sur CH1 Sur l’oscilloscope, on doit observer: Appeler le professeur pour qu’il observe le signal • Calculer la vitesse du son dans l’air : c. Mesure de la distance D à l’écran : On retiendra que le son se déplace dans l’air à une vitesse voisine de 300 m/s • Comme dans le 1er paragraphe, mesurer le nombre x de divisions (carreaux) entre le début de la salve émise (voie 1) et le début de la salve reçue (voie 2) : voie 1 X 1.2. Influence du milieu de propagation : voie 2 • Proposer une modification de l’expérience qui permettrait de montrer que la vitesse du son dépend du milieu de propagation. • Le temps de décalage entre l’émission du signal et la où Sh est la valeur lue sur la base réception est donné par la formule : t = x.Sh de temps de l’oscilloscope (bouton 3) Calculer t. • La vitesse approximative des ultrasons dans le corps humain (lors d’une échographie) sera-t-elle voisine de 300 m/s ? Argumenter. • Connaissant V = 340 m.s-1, calculer la distance D entre l’émetteur et l’écran : 01_4_Echographie.doc O. Chaumette Seconde 1/2 • Vérifier cette distance avec un mètre. Conclure. 01_4_Echographie.doc O. Chaumette Seconde 2/2 THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 Activité expérimentale Principe de la fibroscopie : réfraction et réflexion totale La fibroscopie utilise le phénomène physique de réflexion totale lui-même lié au phénomène de réfraction. Ce phénomène intervient quand la lumière est susceptible de passer d’un milieu (le verre par exemple) à un autre (l’air pas exemple). 1. Découverte du phénomène et vocabulaire: 1.1. Montage • Réaliser le montage 1 de la feuille « Montage » ce trouvant sur la table. Dans le montage, le rayon lumineux émis par la lampe passe de l’air au verre (le demi-cylindre). • Faire varier la position de la lampe. Observer les différents rayons. 1.2. Vocabulaire : Voici ci-contre le nom des différents rayons, angles et droites importants à connaître. m ilieu n°1 surfa ce d e sé pa ra tion m ilieu n°2 rayon incident i1 : angle d ’inc idenc e i2: angle de réfrac tion r : angle d e réflexion r Activité expérimentale La relation reliant l’angle d’incidente i1 et l’angle de réfraction i2 est complexe et sera étudiée plus tard dans l’année lors du thème « L’Univers ». b. Passage de la lumière du VERRE à l’AIR Tourner de 180° le demi-cylindre de manière à ce que le rayon incident arrive sur la partie circulaire (voir montage 2 sur la fiche « montage »). Répondre aux questions suivantes • Le rayon réfracté s’éloigne-t-il ou se rapproche-t-il de la normale (par rapport à la direction incidente) ? • Le rayon réfracté existe-t-il toujours quand on passe du verre à l’air? • Qu’appelle-t-on « la réflexion totale » ? 4. Conditions permettant d’obtenir une réflexion totale: Etablir deux conditions qui permettent d’obtenir une réflexion totale. Pour cela, aidez-vous des observations faites précédemment et du document ci-dessous. Document : La lumière ne se propage pas à la même vitesse dans tous les milieux transparents. Dans le vide et dans l’air, elle se propage à 300 000 km/s. Dans l’eau, elle se propage à environ 230 000 km/s et dans le verre à 200 000 km/s. Les physiciens ont attribué à chaque milieu une grandeur qui tient compte de cette vitesse. On l’appelle l’indice optique du milieu et on la note n. L’indice optique de l’air est nAIR = 1, celle de l’eau nEAU = 1,33 et celle du verre nVERRE = 1,5. i1 normale (droite perpendic ulaire à la surfac e de séparation entre les deux m ilieux) THEME SANTÉ / PHYSIQUE / CHAP 1 i2 rayon réfrac té rayon réfléchi Reconnaitre les différentes parties sur le montage réel. Appeler le professeur pour qu’il évalue cette reconnaissance. 2. Etude de la réflexion: Mettre en œuvre un protocole expérimental permettant de trouver une relation entre l’angle d’incidence i1 et l’angle de réflexion r. (c'est-à-dire réaliser et décrire la manipulation faite, les mesures effectuées qui pourront être présentées dans un tableau et donner la conclusion). Il s’agit d’une des lois de la réflexion. 5. Application à la fibroscopie: (en classe entière) Observer le trajet de la lumière dans l’animation projetée par le professeur « Principe de la fibroscopie ». • Que peut-on dire de la lumière quand elle pénètre dans le cœur en verre de la fibre optique ? • Si la gaine a un indice optique égal à 1 et si le cœur de la fibre est en verre (indice n=1,5), pourra-t-il y avoir réflexion totale si l’angle d’incidence vaut 45° ? • Compléter, ci-dessous, le trajet d’un rayon lumineux en tenant compte d’une des lois de la réflexion établie au paragraphe 2. 3. Etude de la réfraction: a. Passage de la lumière de l’AIR au VERRE Conserver le montage précédent et répondre aux questions suivantes en argumentant de manière expérimentale : • Le rayon réfracté s’éloigne-t-il ou se rapproche-t-il de la normale (par rapport à la direction incidente) ? • Le rayon réfracté existe-t-il toujours quand on passe de l’air au verre ? • Robert GROSSETÊTE, Maître des études à l’université d’Oxford (1168-1253) affirma que l'angle de réfraction est égal à la moitié de l'angle d'incidence. Avait-il raison ? 01_5_Fibroscopie_Reflexion_totale.doc O. Chaumette Seconde 1/2 gaine (ind ic e optique n = 1) organe 45° observé (éc la iré faisceau par une lumineux autre fibre optique) c oeur (indic e optique n = 1,5) c am éra fibrosc ope 01_5_Fibroscopie_Reflexion_totale.doc O. Chaumette Seconde 2/2
