Projet1:Mise en page 1 - Hachette

EXTRAITS
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CHAPITRE
12
PHYSIQUE
Les ondes au service
du diagnostic médical
L’échographie Doppler est une technique de diagnostic médical qui ajoute
des informations fonctionnelles aux images apportées par l’échographie comme,
par exemple, sur la circulation sanguine.
Sur quels phénomènes physiques s’appuie cette technique ?
Quelles sont les techniques de diagnostic médical
utilisant les ondes ?
OBJECTIFS
Mener une étude expérimentale sur la réflexion.
Mettre en œuvre un protocole pour comprendre le principe de méthodes d’exploration
utilisant la propagation des ondes.
169
Activités
1 Comprendre le principe de l’écho
L’échographie est une technique qui utilise une sonde comprenant un émetteur et un récepteur de salves
ultrasonores disposés côte à côte. Les ultrasons émis par la sonde sont réfléchis par les obstacles
qu’ils rencontrent et retournent vers la sonde. Ce phénomène est analogue à l’écho qui renvoie le son
de la voix vers la personne qui parle. Quelles informations peut-on obtenir de l’écho des ultrasons ?
A Réflexion des ondes ultrasonores
pour mesurer une distance
Lorsqu’une salve d’ultrasons arrive perpendiculairement à la surface de séparation de deux milieux différents, une partie de la salve
est réfléchie et repart vers la sonde.
Comment la durée de propagation des ultrasons permet-elle de
déterminer une distance ?
d
Placer côte à côte un émetteur et un récepteur d’ultrasons à une
distance d d’un obstacle en bois (doc. 1).
Observer les signaux correspondant à l’émetteur et au récepteur
à l’aide d’un système d’acquisition (doc. 2).
doc. 1 Dispositif pour l’étude de la réflexion des
ondes ultrasonores sur un obstacle.
1. Reproduire l’allure des signaux
obtenus en les identifiant.
2. Interpréter
les
modifications
observées lorsque la distance d varie.
3. Connaissant la vitesse des ultrasons dans l’air, utiliser ce dispositif
pour déterminer la distance d.
Vérifier le résultat à l’aide d’un mètre.
ON
ARCHE
VE
ÉM
D'IN
S T I G AT I
B Influence de la nature
de l’obstacle sur la réflexion
D
doc. 2 Exemple de signaux obtenus.
La nature de l’obstacle rencontré par les ultrasons
a-t-elle une influence sur l’écho enregistré ?
4. Proposer un protocole permettant d’étudier l’influence de la nature de l’obstacle sur le signal réfléchi.
5. Avec l’accord du professeur, réaliser l’expérience.
Rédiger un compte rendu et une conclusion.
doc. 3 Exemple de matériel utilisé.
170
ON
ARCHE
D'IN
2 Mesurer la taille d’un objet avec des ultrasons
ÉM
VE
D
Activités
S T I G AT I
L’échographie permet par exemple de visualiser les os d’un fœtus et de les mesurer (doc. 4).
Comment peut-on déterminer la taille et la position d’un objet caché ?
doc. 4 Échographies d’un fœtus permettant de mesurer la longueur d’un fémur
et d’un humérus.
Un objet est caché dans une boîte dont les parois sont constituées d’un fin voile de tissu (doc. 5 et 6).
Ce tissu laisse passer les ultrasons.
Boîte
Paroi en
tissu
très fin
L
d1
d2
Règle graduée
doc. 5 Exemple de montage utilisé.
E
R
Objet
Émetteur et récepteur
à ultrasons
doc. 6 Schéma du dispositif utilisé. La position de l’objet
est repérée par les distances d1 et d2. Sa taille est définie
par les dimensions L et ᐍ.
1.
2.
a.
b.
Élaborer un protocole de manipulation permettant de déterminer la position et la taille de l’objet caché.
Après l’accord du professeur, effectuer les mesures.
Où est situé l’objet ? Quelle est sa taille ? Expliquer.
Ouvrir la boîte et vérifier les résultats. Conclure.
12 Les ondes au service du diagnostic médical 173
DO
Activités
CU
MENTS
DO
3 Comprendre le principe de l’échographie DOC
Animation
dans le manuel
numérique
enrichi
CU
MENTS
Au cours d’une échographie, un système informatique analyse les signaux issus de la sonde.
Deux informations sont exploitables :
– le temps mis par l’onde pour faire l’aller-retour entre la sonde et l’organe exploré ;
– l’amplitude du signal réfléchi.
Comment l’image est-elle construite à partir de ces informations ?
La plupart des échographies sont en nuances de gris allant du
noir au blanc (doc. 7).
Les amplitudes les plus importantes des ondes réfléchies sont
codées en blanc, les plus faibles sont codées en noir.
Les nuances de gris correspondent à des amplitudes
intermédiaires.
L’amplitude du signal réfléchi dépend des milieux rencontrés
(doc. 8).
doc. 7 Échographie d’un fœtus.
Muscle
Gel
échographique
Air
Peau
Une onde ultrasonore qui se propage
dans l’air est presque totalement
réfléchie lorsqu’elle arrive sur la
peau. Le codage sera blanc.
Peau
Si l’onde ultrasonore passe de l’eau
ou du gel échographique dans la
peau, le codage sera noir, car cette
onde est presque totalement absorbée.
Os
Si l’onde ultrasonore passe du
muscle dans l’os, le codage sera
gris, car cette onde est en partie
réfléchie.
doc. 8 La proportion des ultrasons réfléchis dépend des milieux rencontrés. Cette proportion influe sur les nuances de gris
de l’image obtenue.
Les images des fœtus en 3D ont connu beaucoup de succès auprès du
grand public. L’échographie 3D est une technique qui permet d’acquérir
des « volumes » grâce à un balayage automatique en fréquence et à une
recomposition de l’image à partir de l’enregistrement de 150 à 200 positions du faisceau d’ultrasons (doc. 9).
1. Quelles sont les deux informations nécessaires pour construire une
image échographique ?
2. Quels sont les types de surfaces de séparation qui apparaissent
blanches, noires ou grises sur une échographie ?
3. Lors d’une échographie, pourquoi est-il nécessaire de mettre du gel
entre la sonde et la peau ?
4. Quel est le principal avantage de l’échographie 3D par rapport à
l’échographie 2D ?
174
doc. 9 Échographie 3D.
Activités
4 Comprendre le principe de propagation
de la lumière dans une fibre optique
La fibroscopie est une méthode permettant d’explorer les organes à l’intérieur du corps. Un dispositif
de fibroscopie comprend deux fibres optiques : l’une éclaire la zone à examiner, l’autre transmet
l’image à l’observateur.
Comment se propage la lumière à l’intérieur d’une fibre optique ?
A Observation d’une fibre optique
Diriger l’une des extrémités d’une fibre optique vers
une source lumineuse (doc. 10).
Observer l’autre extrémité.
1. Qu’observe-t-on à l’autre extrémité de la fibre ?
2. Schématiser une fibre optique et imaginer la
propagation de la lumière dans cette fibre.
doc. 10 Fibre optique dirigée vers l’écran
X
d’un ordinateur servant de source lumineuse.
B Expérimentation
Diriger un faisceau lumineux monochromatique vers
un demi-cylindre de plexiglas.
Régler le dispositif comme indiqué sur le document 11. Au niveau du point I, le faisceau lumineux se
propage du plexiglas vers l’air.
I
i1
ir
doc. 11 Le dispositif expérimental utilisé.
i2
3. Schématiser le dispositif et repérer le faisceau
incident, le faisceau réfléchi et le faisceau réfracté.
Repérer aussi les angles correspondants.
Indiquer sur ce schéma l’indice de réfraction de l’air
et celui du plexiglas.
4. Proposer un protocole permettant de trouver
la relation entre l’angle d’incidence i1 et l’angle de
réflexion ir .
5. Après l’accord du professeur, réaliser l’expérience.
En déduire la relation entre l’angle d’incidence i1 et
l’angle de réflexion ir .
6. Le faisceau réfracté existe-t-il toujours ?
Sinon, quelle est la valeur maximale de l’angle de
réfraction i2 ?
7. En utilisant la loi de Snell-Descartes relative à la
réfraction, calculer la valeur de l’angle d’incidence
limite pour lequel l’angle de réfraction est maximal.
8. Quel est le phénomène observé lorsque l’angle
d’incidence est supérieur à l’angle d’incidence
limite ?
9. Reprendre le schéma de la question 2 en utilisant
le phénomène observé précédemment.
12 Les ondes au service du diagnostic médical 175
Cours
Certaines techniques de diagnostic médical utilisent des ondes ultrasonores ou électromagnétiques. Lorsqu’elles se propagent dans le
corps, ces ondes peuvent être plus ou moins réfléchies ou absorbées par
les organes. La nature des ondes utilisées et des phénomènes physiques
mis en jeu permettent de distinguer divers types de diagnostics.
1 Ondes ultrasonores
Salves émises
t
$t
Salves réfléchies
doc. 1 Émission-réception d’ondes sonores.
1.1 Principe de l’écho
L’activité 1 a montré qu’une onde ultrasonore est en partie réfléchie
lorsqu’elle atteint un obstacle. La mesure de la durée Δt de l’aller-retour
de cette onde entre l’émetteur-récepteur et l’obstacle (doc. 1) permet de
calculer la distance d les séparant. Pour cela, il faut connaître la vitesse
de propagation v de cette onde dans le milieu :
d=
v × Δt
, avec d en m, v en m · s–1 et Δt en s.
2
1.2 Application à l’échographie
L’échographie (doc. 2) est une technique qui utilise des ultrasons. Les
ultrasons utilisés ont des fréquences comprises entre 2 MHz et 20 MHz.
Une sonde échographique est à la fois un émetteur et un récepteur
d’ultrasons. Lorsqu’ils se propagent dans le corps, ces ultrasons sont
plus ou moins réfléchis par les parois séparant deux milieux différents.
La partie réfléchie est reçue par la sonde et analysée par un système
informatique.
Pour commencer, exercice 1, p. 179
2 Ondes électromagnétiques
2.1 Les lois de Snell-Descartes
Lorsqu’un faisceau de lumière monochromatique se propageant dans
un milieu d’indice de réfraction n1 rencontre un autre milieu d’indice de
réfraction n2 (doc. 3), il peut :
– changer de milieu : c’est la réfraction (étudiée au chapitre 3) ;
– rester dans le même milieu : c’est la réflexion.
Lois pour la réflexion
doc. 2 Principe de l’échographie.
Deux informations sont exploitées
pour construire l’image :
– la durée de l’aller-retour permet
de connaître la distance séparant la sonde
de l’organe observé ;
– l’intensité du signal réfléchi permet
de mettre en évidence les divers organes
qui sont représentés sur l’écran par
des nuances de gris.
Milieu 1
Indice n1
• Le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale sont contenus dans
le plan d’incidence.
• Les angles d’incidence et de réflexion vérifient la relation i1 = ir .
Rappelons les lois de Snell-Descartes pour la réfraction :
• Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale sont contenus dans
le plan d’incidence.
• Le rayon incident et le rayon réfracté sont de part et d’autre de la normale.
• Les angles et les indices sont liés par : n1 · sin i1 = n2 · sin i2.
n1 est l’indice de réfraction du milieu 1, n2 celui du milieu 2.
176
Plan d’incidence
Rayon
incident
Normale
i1
Rayon
réfléchi
ir
I
Milieu 2
Indice n2
i2
Surface de
séparation
Rayon réfracté
doc. 3 Schématisation de la réfraction
et de la réflexion. Le rayon incident rencontre
la surface de séparation au point I
(point d’incidence).
Cours
2.2 La réflexion totale
L’activité 4 a montré que, lorsque l’indice de réfraction n2 du second
milieu est inférieur à l’indice de réfraction n1 du premier milieu (n2 ⬍ n1),
on n’observe pas toujours de rayon réfracté (doc. 4).
Il existe un angle d’incidence limite i1limite au-delà duquel la lumière est
totalement réfléchie (doc. 5).
n1
i2
a. Réfraction si i1 ⬍ i1limite.
i1
limite
ir
n1
I
n2 < n1
I
Normale
Normale
i1
Normale
i1
n2 < n1
i2 = 90°
I
왗 doc. 5 Mise en évidence
de l’angle limite.
On peut calculer cet angle limite à l’aide de la loi de Snell-Descartes pour
n
la réfraction : sin i1limite = 2 .
n1
Pour observer une réflexion totale, il faut avoir simultanément :
n1 ⬎ n2 et i1 ⬎ i1 .
n1
n2 < n1
b. Réflexion totale si i1 ⬎ i1limite.
doc. 4 Différents cas possibles lorsqu’un
faisceau incident se propageant dans un
milieu d’indice de réfraction n1, rencontre
la surface de séparation d’un milieu dont
l’indice de réfraction n2 est plus faible.
limite
2.3 Applications au diagnostic médical
• La fibroscopie est une technique de diagnostic utilisant des fibres
optiques (doc. 6). La lumière est guidée dans la fibre par une succession
de réflexions totales (doc. 7).
Réflexion
totale
n1 > n2
n2
n1
n2
Réflexion
totale
Réflexion
totale
doc. 7 Propagation de la lumière dans une fibre optique.
doc. 6 Fibres optiques.
La fibroscopie est une technique de diagnostic qui utilise la propagation de la lumière dans une fibre optique.
Le fibroscope (doc. 8) est un appareil utilisé pour explorer l’intérieur du
corps. Une série de fibres optiques conduit la lumière d’une lampe afin
d’éclairer la zone à examiner. Une autre série de fibres optiques conduit
la lumière issue de la zone observée vers l’œil du médecin ou vers une
caméra.
• La radiographie et le scanner utilisent des rayons X qui sont des
ondes électromagnétiques de grandes fréquences (de l’ordre de 1018 Hz).
L’absorption plus ou moins importante de ces ondes par les différentes
parties du corps permet d’en obtenir une image.
• L’imagerie par résonance magnétique (IRM) utilise l’interaction entre
des atomes d’hydrogène du corps, des ondes radio dont les fréquences
sont de l’ordre de 50 × 106 Hz et un champ magnétique important.
Pour commencer, exercices 2 à 6, p. 179
doc. 8 Exemple de fibroscope ou endoscope.
12 Les ondes au service du diagnostic médical 177
SAVOIR
Retenir l’essentiel
Les savoirs
Ondes ultrasonores
L’échographie est une technique qui utilise la réflexion des ondes ultrasonores sur les surfaces de séparation des
différents milieux du corps (os, muscles, graisses…).
Lors d’une échographie la distance d (en m) séparant la sonde de
Émetteur (E)
Obstacle
à ultrasons
l’obstacle sur lequel se produit la réflexion est donnée par :
E
v × Δt
Distance d
Sonde
d=
R
2
où v représente la vitesse de propagation des ultrasons (en m · s–1)
Récepteur (R)
à ultrasons
et Δt la durée de propagation des ultrasons (en s).
Ondes électromagnétiques
• Lois pour la réflexion
Le rayon incident et le rayon réfléchi appartiennent au plan d’incidence. Les directions des rayons sont telles que ir = i1.
• Lois de Snell-Descartes pour la réfraction
Le rayon incident et le rayon réfracté appartiennent au plan d’incidence. Les directions des rayons sont telles que :
n1 · sin i1 = n2 · sin i2.
Plan d’incidence
Rayon
Normale
réfléchi
i1
ir
Rayon
incident
Milieu 1
Indice n1
I
Milieu 2
Indice n2
Surface de
séparation
i2
Rayon réfracté
• Réflexion totale
Lorsque n1 ⬎ n2, il existe un angle d’incidence limite i1limite pour lequel
le rayon réfracté est tangent à la surface de séparation des deux
milieux (i2 = 90°). Cet angle est défini par son sinus :
n
sin i1limite = 2 .
n1
Lorsque i1 ⬎ i1limite, le rayon lumineux ne change pas de milieu. Il est
réfléchi avec un angle égal à i1 ; c’est la réflexion totale.
Pour observer une réflexion totale, il faut avoir simultanément n1 ⬎ n2
et i1 ⬎ i1limite.
Normale
i1
I
n1
n2 < n1
i1 > i1
limite
Réflexion
totale
n1 > n2
• Fibre optique – Fibroscopie
Dans une fibre optique, la lumière se propage en subissant des réflexions totales successives.
La fibroscopie est une technique qui utilise la propagation de la lumière dans une fibre optique.
ir
n2
n1
n2
Réflexion
totale
Réflexion
totale
• Ondes électromagnétiques non visibles
La radiographie et le scanner utilisent des rayons X.
L’IRM utilise des ondes radio.
Les compétences attendues
• Pratiquer une démarche expérimentale sur la réflexion totale. [ TP ]
• Pratiquer une démarche expérimentale pour comprendre le principe de méthodes d’exploration et l’influence des
propriétés des milieux de propagation. [ TP ]
178
SAVOIR
S’auto-évaluer
QCM
S’aider éventuellement des figures ci-dessous pour répondre aux questions.
Salves émises
2
t1
t
Salves reçues après écho
t2
t
$t
n1
Fig. 1
Milieu 1
Milieu 2
I
n2
i1
3
n1
n2
i1
ir
Milieu 1
Milieu 2
I
1
i2
Fig. 2
Fig. 3
n1
I
n2
Milieu 1
Milieu 2
Fig. 4
A
B
C
Si échec
revoir
des ondes
lumineuses
des ondes
ultrasonores
des ondes
sonores
§1 p. 174
2. On considère la figure 1 obtenue
lors d’une mesure par échographie.
La durée Δt = t2 – t1 est la durée :
séparant
l’émission de
la réception
d’une salve
de la salve
émise
de la salve
reçue
§1 p. 174
3. Quelle est la distance d séparant
un émetteur-récepteur d’ultrasons
d’un obstacle ? On donne Δt = 2 ms
et vultrasons = 340 m · s–1.
68 cm
0,34 m
34 cm
§1 p. 174
4. Le changement de direction d’un
faisceau lumineux passant d’un milieu
de propagation à un autre est appelé :
réflexion
réfraction
rotation
§2 p. 174
5. Le faisceau qui parvient à l’interface
de deux milieux transparents est en
partie réfléchi et en partie réfracté.
Toujours
Jamais
Parfois
§2 p. 174
6. On considère la figure 2.
Quelle proposition associe correctement
le numéro de l’angle et son nom ?
1 : incidence
2 : réfraction
3 : réflexion
1 : réfraction
2 : incidence
3 : réflexion
1 : réflexion
2 : incidence
3 : réfraction
§2 p. 174
n1 · sin i1 = n2 · sin i2
i1 = ir
n1 · sin i1 = n2 · sin ir
§2 p. 174
n1 ⬍ n2
n1 ⬎ n2
n1 = n2
§2 p. 175
environ 1,4°
environ 46°
environ 0,7°
§2 p. 175
réflexion totale
réfraction
dispersion
§2 p. 175
des ondes
ultrasonores
des ondes
radio
des rayons X
§2 p. 175
ÉNONCÉ
1. L’échographie utilise :
7. On considère la figure 3.
Quelle est la relation entre l’angle
d’incidence et l’angle de réflexion ?
8. On considère la figure 4.
Pour qu’il puisse y avoir une réflexion
totale, il faut avoir :
9. On considère la figure 4.
Si n1 = 1,4 et n2 = 1,0 ; la valeur
de l’angle limite est :
10. La fibroscopie utilise
le phénomène de :
11. La radiographie utilise :
Réponses p. 319
12 Les ondes au service du diagnostic médical 179
SAVOIR Analyser, résoudre et rédiger
Compétences mises en œuvre
• Argumenter.
• Lire un graphique, un schéma ou un tableau.
Mesure de distance par échographie
L’échographie d’un fœtus (doc. 1) et le signal issu du capteur de la sonde (doc. 2) sont schématisés ci-dessous.
Lors de cette échographie, une salve ultrasonore est émise par l’émetteur de la sonde à la date 0 μs.
Amplitude
Vers l’ordinateur
Sonde
Corps de la mère
vu en coupe
d1
d2
0
Fœtus
doc. 1 Schématisation de l’écographie.
90
140
Temps (en Ms)
doc. 2 Signal issu du capteur de la sonde.
1. Pourquoi observe-t-on deux pics sur le graphique ?
2. À quoi correspondent ces pics, enregistrés aux dates 90 μs et 140 μs ?
3. On admet que la vitesse des ondes ultrasonores est égale à 1 540 m · s–1 dans le corps humain.
Calculer la distance d1 entre la sonde et le fœtus.
CONSEILS
1. Seuls les ultrasons réfléchis par une surface
séparant deux milieux sont reçus par le récepteur. Le nombre de pics observés correspond
donc au nombre de milieux rencontrés.
2. Plus la surface séparant les deux milieux est
proche de la sonde et plus les ultrasons réfléchis
sur cette surface arrivent tôt sur le récepteur.
On peut ainsi classer les deux pics observés.
3. Lors d’une échographie, la durée du trajet des
ondes ultrasonores correspond à la distance
aller-retour entre la sonde et la surface de
séparation sur laquelle se produit la réflexion.
Pour calculer la distance parcourue, on utilise la
relation entre la distance, la vitesse et la durée.
Solution rédigée
1. On observe deux pics, car il y a deux réflexions
successives sur chacune des deux surfaces
de séparation des différents milieux. Ces deux
surfaces sont situées de chaque côté du fœtus.
2. Le pic correspond à la réflexion sur la première paroi du fœtus, situé à la distance d1 de
la sonde. Le pic correspond à la réflexion
sur la paroi la plus éloignée du fœtus, située
à la distance d1 + d2 de la sonde.
3. La durée nécessaire pour parcourir deux fois
la distance d1 est de 90 μs, soit 90 × 10–6 s.
1 540 × 90 × 10–6
= 6,9 × 10–2 m,
Donc : d1 =
2
soit 6,9 cm.
Application immédiate
En utilisant le schéma et les données de l’exercice ci-dessus, calculer :
b. la distance d2.
a. la distance D = d1 + d2 ;
Voir correction page 321
180
Exercices
4 Reconnaître un schéma de réfraction
Pour commencer
et de réflexion
Ondes ultrasonores
1 Mesurer une distance grâce à une durée
Un émetteur et un récepteur de salves ultrasonores sont
placés côte à côte à une distance d d’un écran.
L’émetteur et le récepteur sont reliés à un système
d’acquisition.
Un rayon incident se propage dans un milieu homogène,
puis atteint la surface séparant ce milieu d’un autre.
Quels sont les schémas corrects parmi les quatre proposés
ci-dessous ?
a
Normale
b
Milieu 1
Normale
Milieu 1
Écran
I
Émetteur
Vers le système
d’acquisition
d
Vers le système
d’acquisition
Récepteur
I
Milieu 2
c
Milieu 2
Normale
Milieu 1
Normale
d
Milieu 1
I
On obtient le graphique suivant :
I
Récepteur
Émetteur
Milieu 2
Milieu 2
5 Réflexion eau-air
t1 = 10,2
Temps (en ms)
t2 = 13,6
1. À quoi correspondent les dates t1 et t2 ?
2. Que représente la durée (t2 – t1) ?
3. La vitesse des ultrasons dans l’air est égale à 340 m · s–1.
Calculer la distance d.
Ondes électromagnétiques
2 Réflexion et réfraction
1. Reproduire le schéma ci-contre.
Identifier l’angle d’incidence et
l’angle de réfraction.
iair
I
2. Tracer le rayon réfléchi et
repérer l’angle de réflexion.
nair
iverre
nverre
Une source lumineuse émet un faisceau incident qui se
propage dans de l’eau puis atteint la surface de séparation
eau-air.
1. Réaliser un schéma
à partir de la photographie ci-contre en identifiant les deux rayons.
2. Si on diminue l’angle
d’incidence, observerat-on toujours ce phénomène ?
6 Une fibre optique
De la lumière se propage à l’intérieur d’une fibre optique.
n2 = 1,0
I
n1 = 1,5
3 Connaître les lois de la réflexion
et de la réfraction
1. a. Énoncer les lois relatives au phénomène de réflexion.
b. Faire un schéma illustrant ces lois.
1. En utilisant les valeurs numériques indiquées sur
le schéma ci-dessus, vérifier par le calcul qu’au point I
l’angle limite de réfraction, noté ilimite, vaut 42°.
2. a. Énoncer les lois relatives au phénomène de réfraction.
b. Faire un schéma illustrant ces lois.
2. Recopier le schéma, puis représenter la marche du
rayon lumineux à l’intérieur de la fibre optique.
12 Les ondes au service du diagnostic médical 181
Exercices
Pour s’entraîner
7 Fibroscopie
Un fibroscope est un tube souple
composé de deux réseaux de fibres
optiques, l’un véhiculant un faisceau
de lumière blanche, l’autre étant
muni d’une caméra vidéo permettant
d’obtenir l’image.
1. Quelles propriétés doit posséder
la fibre optique d’un fibroscope ?
9 À chacun son rythme
Cet exercice est proposé à deux niveaux de difficulté.
Dans un premier temps, essayer de résoudre l’exercice
de niveau 2. En cas de difficultés, passer au niveau 1.
On place un objet face à un émetteur et un récepteur de
salves ultrasonores.
Écran
Objet
Récepteur
Émetteur
On effectue une acquisition. On obtient ces signaux :
2. Quel est le rôle de la lumière
blanche ?
3. Expliquer le principe de propagation de la lumière dans
une fibre optique.
4. Quel est l’intérêt de la fibroscopie ?
8 Échographie
Niveau 2
À quelle distance l’objet se trouve-t-il de l’émetteur et du
récepteur ?
Niveau 1
1. Justifier l’allure du signal représenté en rouge.
2. Que représentent Δt1 et Δt2 ?
L’échographie est une technique permettant d’observer
l’intérieur du corps humain.
Une sonde échographique placée au contact de la peau
est constituée d’un émetteur et d’un récepteur d’ondes
ultrasonores.
Les ondes ultrasonores émises ont des fréquences comprises entre 3 MHz et 10 MHz.
Une partie de ces ondes est réfléchie par les organes
et retourne vers le récepteur. La position des organes
à observer est repérée à partir des durées des allers et
retours des ondes.
1. Vérifier que les ondes utilisées sont bien ultrasonores
et non pas sonores.
2. Sur quel principe physique fonctionne l’échographie ?
3. Comment l’appareil d’échographie détermine-t-il la
position de l’organe ?
3. On mesure l’intervalle de temps Δt1 = 1,80 ms.
À quelle distance correspond-il ?
La vitesse des ultrasons dans l’air est 340 m · s–1.
Calculer cette distance.
10 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 tra1
2
versent le corps. Ils sont
plus ou moins atténués
suivant les organes traversés. Un poumon paraît noir car
il absorbe peu les rayons X. À l’inverse, les os paraissent
blancs car ils les absorbent beaucoup. Des détecteurs permettent un traitement informatique des images obtenues.
1. Dessiner un schéma du principe d’une radiographie.
4. Pourquoi cette technique se nomme-t-elle échographie ?
2. Quelles sont les fréquences des rayons X utilisés ?
5. Quel est l’intérêt de l’échographie ?
3. Nommer les parties 1 et 2 repérées sur le cliché.
182
Exercices
11 Incidence limite
13 Le scanner
Lors d’une fibroscopie, un rayon lumineux se propageant
dans de l’eau pénètre dans une fibre optique.
Le scanner est une technique de tomographie qui permet
d’obtenir des images en coupe de l’intérieur du corps d’un
patient.
Lors d’un examen, un émetteur de rayons X tourne autour
du patient (doc. 1). Un premier capteur enregistre l’intensité du rayonnement incident. Un second capteur mesure
l’intensité du rayonnement qui a traversé le corps. Les
deux capteurs ont le même mouvement que l’émetteur.
En déplaçant le patient horizontalement, on peut construire
une image en trois dimensions.
n3 = 1,15
Eau
n1 = 1,33
i1
i2
A
n2 = 1,56
B
i3
C
1. Calculer la valeur limite ilimite de l’angle i3 à partir des
données du schéma.
2. a. Que peut-on dire du triangle ABC ?
En déduire la relation entre les angles i2 et i3.
b. En déduire la valeur de l’angle i2 lorsque i3 = ilimite.
Émetteur de rayons X
et capteur n°1
Déplacement
Rotation
3. Calculer la valeur de l’angle i1 lorsque i3 = ilimite.
4. Un rayon lumineux pourra-t-il se propager dans la fibre
optique quel que soit l’angle i1 ?
12 Émission et réception d’ultrasons
Lors d’une échographie, on place une sonde en contact avec
la peau du patient et on observe une zone de son corps.
La sonde joue le rôle d’émetteur et de récepteur d’ondes
ultrasonores. Elle émet des salves qui ont une durée d’une
microseconde environ. Deux salves successives sont espacées d’une milliseconde. Pendant cet intervalle de temps,
la sonde détecte la salve ultrasonore précédente qui s’est
réfléchie sur la surface séparant deux milieux différents.
La connaissance de la durée entre l’émission et la réception est nécessaire pour la constitution d’une image.
Dans le corps humain, les ultrasons se propagent à une
vitesse v = 1 500 m · s–1.
1. Quelle distance peut parcourir une onde ultrasonore en
une milliseconde dans un corps humain ?
2. En déduire la distance maximale mesurable séparant
la peau du lieu de réflexion de l’onde.
3. Lors d’une échographie, une salve ultrasonore réfléchie
sur la surface séparant deux milieux différents d’un corps
humain est-elle détectée par la sonde avant que la salve
suivante ne soit émise ?
Ordinateur
capteur n°2
doc. 1 Principe du scanner.
doc. 2 Coupes transversales d’un crâne lors d’un scanner.
1. Rechercher dans un dictionnaire la signification du mot
tomographie.
2. Quelle propriété des rayons X est utilisée dans les
scanners ?
3. a. À quoi correspond l’enveloppe représentée en blanc
sur les images du document 2 ?
b. À quoi correspondent les zones représentées en gris ?
4. Quel est l’avantage du scanner par rapport à une radiographie classique ?
12 Les ondes au service du diagnostic médical 183
Exercices
14 Imagerie par résonance magnétique
the curved route of the water. This simple experiment,
illustrated on the picture, was the first research into
guided transmission of light.
1. Expliquer l’expérience de John TYNDALL.
2. Sachant que l’indice de réfraction de l’eau est neau = 1,33
et l’indice de réfraction de l’air est nair = 1,00, déterminer
l’angle limite lorsque la lumière arrive à la surface eau-air.
3. Schématiser le trajet de la lumière dans le jet d’eau.
4. En quoi peut-on dire que cette expérience est à l’origine
de la naissance de la fibre optique ?
L’imagerie par résonance magnétique est une technique
moderne de diagnostic.
Le corps humain contient des atomes d’hydrogène en
grande quantité. Ces atomes, tels des aiguilles aimantées, s’orientent tous dans une même direction lorsqu’ils
sont placés dans un champ magnétique très intense
fourni par un puissant électroaimant.
Les atomes d’hydrogène sont alors excités durant une
courte période par des ondes électromagnétiques.
Lorsqu’on arrête ces ondes, les atomes d’hydrogène se
désexcitent et retournent à leur position d’équilibre. On
sait mesurer leurs durées de retour à l’équilibre. Ces
durées sont différentes selon les tissus biologiques
(graisse, muscle, matière cérébrale, os…). Cela permet
de reconstituer une image du corps. Le grand avantage
de l’IRM est qu’elle n’utilise pas de rayonnement ionisant.
1. Rechercher la signification de « rayonnement ionisant ».
16 Échographie Doppler
Il est parfois nécessaire d’observer le fonctionnement des
organes.
Lors d’une échographie Doppler les salves ultrasonores
se réfléchissent sur les globules rouges qui se déplacent
dans les veines et les artères. Leur fréquence est modifiée à cause du déplacement des globules rouges. C’est le
principe de l’effet Doppler.
La fréquence des ultrasons reçus est plus petite que celle
des ultrasons émis si les globules rouges s’éloignent de
la sonde, elle est plus grande si les globules rouges se
rapprochent.
Des couleurs différentes sont associées sur l’échographie
aux fréquences des ultrasons réfléchis.
Ces couleurs permettent de repérer le sens et la vitesse
de circulation du sang par rapport à la position de la
sonde.
2. Quelle autre technique utilise des rayonnements
ionisants ?
3. Justifier la phrase soulignée dans le texte.
4. L’image ci-contre représente une partie d’un
corps humain. Quelle est
cette partie du corps ?
5. Comparer l’image avec
les images de l’exercice 13
sur le scanner et citer un
autre avantage de l’IRM.
15 The birth of Fiber Optics
In 1870, John TYNDALL,
demonstrated that light
used internal reflection to follow a specific
route. As water flowed
out of the first container, TYNDALL directed
a ray of sunlight at the
water. The light followed
a zigzag route inside
184
1. Comment est repéré le sens de déplacement du sang
sur une image d’échographie Doppler ?
Light reflected
from surface
Light gradually
leaks out
Water flowing out of bassin
2. Comment est repérée la vitesse de déplacement du
sang ?
3. Rechercher un dispositif placé au bord des routes utilisant également l’effet Doppler.
Expliquer le principe en quelques lignes.