Thème : la santé Sous thème : le diagnostic médical Chapitre 2

Thème : la santé
Sous thème : le diagnostic médical
Chapitre 2 : Ondes et imagerie médicale
I- Les ondes dans l'imagerie médicale
1- Quels types d'ondes ?
La première radiographie a été réalisée en 1895 par Wilhelm Röntgen, un physicien allemand,
lorsqu’il découvrit fortuitement les rayons X. L’échographie ultrasonore est apparue en 1955, grâce à la
technologie du sonar, développé par les marins dès 1915.
En 1973, le chimiste américain Paul Lauterbur obtint le premier cliché d’imagerie par résonance
magnétique (IRM) en utilisant un champ magnétique (issu d’un aimant) et des ondes radio.
La découverte de la radioactivité artificielle, en 1934, a permis le développement de la médecine
nucléaire, comme la scintigraphie, qui analyse les rayons gamma émis par des éléments radioactifs
introduits dans le corps humain.
L’imagerie médicale utilise deux types d’ondes : les ondes électromagnétiques, qui peuvent se
propager dans le vide, et les ondes sonores, qui ont besoin d’un milieu matériel pour se propager.
Les rayons X, les ondes radio et les rayons gamma sont des ondes électromagnétiques ; les ultrasons
sont des ondes sonores.
1. Quels sont les deux types d’ondes cités dans ce document ?
……les ondes électromagnétiques…et les ondes sonores…………………………………
2 . Citer une différence essentielle entre ces 2 types d’ondes.
……les ondes électromagnétiques, qui peuvent se propager dans le vide, et les ondes
sonores, qui ont besoin d’un milieu matériel pour se propager.
2- Domaine de fréquences
a) Sons et ultrasons :
L'oreille humaine ne perçoit les sons que dans une certaine plage de fréquence qui, selon les individus
et leur âge, se situe environ entre 20 Hz et 20 kHz. Au delà de 20 kHz, ce sont les ultrasons. Les
sons de fréquences inférieures à 20 Hz sont appelés infrasons.
b) Ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques s’étendent sur une très large gamme de fréquences.
La lumière visible n’y occupe qu’une bande très étroite, de 4 . 1014
à 8 .1014 Hz. Dans les fréquences supérieures, on trouve notamment
les ultraviolets et les rayons X. Les ondes radio ou les infrarouges sont des ondes
de plus faibles fréquences que la lumière visible.
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II- Vitesse de propagation d'une onde
1- Les ondes sonores
Quelle que soit leur fréquence, les ondes sonores ne se propagent pas dans le vide.
Les ondes sonores ont besoin d'un milieu matériel, gaz, liquide ou solide, pour se propager.
La vitesse de propagation d’une onde sonore dépend essentiellement des caractéristiques (densité,
température…) du milieu de propagation. Elle est plus importante dans les solides que dans les
liquides, et dans les liquides que dans les gaz.
La vitesse des ondes sonores est :
=
● dans l'air, c = 340 m.s-1 , (m.s-1 m/s)
● dans l’eau, c = 1 480 m.s-1 ,
● dans les tissus organiques mous (graisse, foie, muscle…), elle varie de 1 450 à 1 600 m.s-1 et
dans les os, de 2 100 à 5 000 m.s-1 .
2- Les ondes électromagnétiques
Dans le vide, les ondes électromagnétiques se propagent toutes à la même vitesse, appelé célérité
pour une onde : c = 299 792 458 m . s -1 . Dans les milieux matériels, les ondes électromagnétiques se
propagent plus ou moins bien. Dans l'air, leur célérité est très proche de celle dans le vide, dans les
autres milieux, la célérité est toujours inférieure, elle dépend de la nature du milieu de propagation et
de la fréquence des ondes.
La célérité de la lumière dans le vide et dans l'air vaut c = 3,0 . 10
8
m . s-1
Remarque : c'est une vitesse limite car aucun objet ou particule ne peut atteindre cette vitesse.
Dans le vide ou dans les milieux transparents et homogènes (même propriétés partout),
la lumière se propage en ligne droite.
III La réfraction et la réflexion totale
1- Changement de milieu de propagation
Lorsqu’une onde (sonore ou électromagnétique) arrive à la surface de séparation
entre deux milieux, elle est en partie réfléchie , c’est la réflexion, et en partie transmise dans le
second milieu, c’est la réfraction
Lors d’une échographie, les ondes ultrasonores pénètrent dans les tissus et
se réfléchissent partiellement à chaque changement de milieu. La partie réfléchie est analysée par un
système informatique.
2- Le phénomène de réfraction
Lorsque la lumière traverse la surface séparant deux milieux transparents différents,
elle subit un changement de direction : c'est le phénomène de réfraction.
Lors d’une réfraction, le rayon est dévié car la vitesse de propagation de la lumière
change de valeur en changeant de milieu. (voir TP 3)
Le rayon qui arrive sur la surface de séparation du milieu 1 et du milieu 2
i1
est le rayon ………………………..
milieu
Le point où le rayon incident arrive sur la surface de séparation s’appelle le
I
………………………….
milieu
Le rayon qui se propage dans le milieu 2 est le rayon ………………….
La droite perpendiculaire en I à la surface de séparation s’appelle
i2
…………………………….
1
2
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Le plan contenant le rayon ………………….. et la ……………….. s’appelle le ……………………………
Lois de Descartes.
 Première loi de Descartes :
Le rayon incident et le rayon réfracté sont situés dans un plan perpendiculaire à la surface de
séparation : ce plan est appelé plan d'incidence.
 Deuxième loi de Descartes :
L'angle d'incidence et l'angle de réfraction sont reliés par la relation :
n1 sin i1 = n2 sin i2
où n1 et n2, appelés indices de réfraction, caractérisent les milieux transparents 1 et 2.
Chaque milieu transparent est caractérisé par son indice de réfraction, nombre sans unité supérieur ou
égal à 1 : exemples : l’air : n = …………., le plexiglass n =…………….., l’eau n = ……………..
Si i1=0°, alors i2 = 0° : un rayon confondu avec la normale…………………………………..
Réflexion totale
Lorsque l’indice du 2ème milieu est inférieur à l’indice du premier milieu (n 2<n1), il existe un angle limite
au-delà duquel la lumière est totalement réfléchie : c’est la réflexion totale :
3- Applications au diagnostic medical
-
la fibroscopie utilise les fibres optiques pour explorer l’intérieur du corps : une fibre optique
conduit la lumière vers la zone à examiner pour l’éclairer, une autre fibre optique ramène la
lumière réémise par l’organe vers l’œil du médecin.
-
La radiographie et le scanner utilisent des ondes électromagnétiques de hautes fréquences : les
rayons X : Ceux-ci sont plus ou moins absorbés par les différentes parties du corps, et on
obtient ainsi une image.
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