Chp 3 diagnostic a partir de methodes physiques

Seconde_Thème 2_LA SANTE
chapitre 3 :
chapitre 3_Diagnostics à partir de méthodes physiques
DIAGNOSTICS A PARTIR DE METHODES PHYSIQUES
Dans les chapitres précédents, nous nous sommes essentiellement consacrés aux méthodes
chimiques pour diagnostiquer une affection et la soigner.
Mais ce tableau clinique peut aussi s’appuyer sur des méthodes physiques.
En effet, de nos jours, l’utilisation des ondes périodiques, sonores ou électromagnétiques est largement répandue dans
le domaine de la Santé.
Exemples :
* imagerie médicale : radiographie [rayons X pour les radiographies, pour les portiques d’aéroport, …],
échographie [ultrasons], fibroscopie [utilisant le phénomène de réflexion totale] , …
* analyse de signaux périodiques : électrocardiogramme, électroencéphalogramme, …
Bien évidemment l’utilisation des ondes nécessite la maîtrise des phénomènes physiques inhérents à ces ondes.
Ce chapitre va donc nous permettre d’approcher les phénomènes physiques mis en jeu afin de comprendre leurs
utilisations dans divers domaines de la Santé comme nous le verrons au travers de plusieurs applications.
Cf Activités Expérimentales 11 ; 12 et 13.
I.
Utilisation des phénomènes périodiques.
Document 1 :
L’électrocardiogramme
Le cœur est un muscle. Il fonctionne comme une pompe qui régule la circulation
sang. Le va-et-vient du sang dans le cœur est dû aux contractions et relaxations dans
différentes zones du cœur générées par signaux électriques.
Ces signaux sont récupérables en réalisant un électrocardiogramme (ou ECG) comme le
montre la figure ci-contre.
On observe sur l’ECG qu’un même motif électrique se répète à intervalles de temps réguliers selon les
contractions ou relaxations du muscle. L’activité du muscle est alors dite périodique.
Afin de simplifier l’étude des signaux périodiques, on peut s’intéresser à la courbe sinusoïdale
suivante qui modélise un ECG :
U (V)
1
t (s)
1
Cette courbe est visualisable sur un l’oscilloscope et représente l’évolution de la tension électrique au cours du temps.
M.Meyniel
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chapitre 3_Diagnostics à partir de méthodes physiques
a. Qu’est-ce qu’un signal périodique ? Donner des exemples empruntés au domaine de la
médecine et de la vie quotidienne.
b. Un signal périodique est caractérisé par la plus petite durée au bout de laquelle un motif se
reproduit, on parle alors de période, symbolisée T.
Repasser en couleur un motif sur le signal sinusoïdal précédent puis représenter la période.
c. Une autre grandeur peut caractériser un signal : sa fréquence f. Elle se définit par l’inverse
de la période T.
Donner une définition de la fréquence f puis préciser sa relation mathématique en fonction de
la période T ; on précisera les unités.
d. Représenter sur le schéma puis déterminer les valeurs extrêmales du signal précédent en
précisant la grandeur étudiée et l’unité correspondante. Il est important de noter que la valeur
maximale correspond à l’amplitude du signal.
APPLICATIONS : L’électrocardiogramme (ECG) & l’électroencéphalogramme (EEG).
II.
Cf AE 11
Utilisation des ondes sonores et ultrasonores.
Document 2 :
Les ondes sonores
Une onde est la propagation d’une perturbation sans transport de matière mais avec transport d’énergie.
Une onde sonore (= le son) se propage par suite de compressions et de dilatations du milieu de propagation. Elle
nécessite donc absolument un milieu matériel pour se propager ; on parle alors d’onde mécanique.
Selon la fréquence de l’onde, on distingue différentes ondes sonores :
sons audibles
infrasons
ultrasons
fréquence
20 Hz
20 kHz
a. Le rayonnement solaire est-il une onde ? Et le vent ? Et les séismes ? Justifier les réponses.
b. Donner d’autres exemples d’onde empruntés à la vie quotidienne.
c. La vitesse de propagation des ondes sonores dépend des caractéristiques (densité, température ...) du
milieu de propagation. Plus le milieu est dense, plus le son se propage vite en général. Ainsi, la
vitesse du son dans l’eau est de 1 400 m.s-1 ; dans les métaux, elle approche les 5 600 m.s-1.
Quelle est la vitesse du son dans l’air ? Et dans le vide ? Justifier.
APPLICATIONS : L’échographie.
M.Meyniel
Cf AE 12
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III.
chapitre 3_Diagnostics à partir de méthodes physiques
Utilisation des ondes électromagnétiques.
Document 3 :
Les ondes électromagnétiques (OEM)
Une onde électromagnétique est un signal périodique, à la fois électrique et magnétique,
qui se propage sans support matériel, donc dans le vide aussi.
Selon la fréquence de l’onde, on distingue différentes ondes électromagnétiques :
rayons γ
f (Hz)
108
micro-ondes
rayons X
1010
1012
1014
1016
ondes radio
1020
1018
visible
Rq :
* La lumière visible n’occupe qu’une bande étroite [4.1014 Hz ; 8.1014 Hz] du domaine des OEM. Elle peut se
propager dans l’air, le verre, l’eau mais moins très peu à travers à notre corps.
* Les rayons X, de plus grande fréquence, peuvent se propager dans l’air mais aussi la graisse, les tissus, les os …
* Les rayons γ encore plus énergétiques (de plus haute fréquence) peuvent même se propager à travers plusieurs
décimètres de béton !
a. L’OEM est-elle une onde mécanique ? Justifier.
b. Comment appelle-t-on un milieu dans lequel la lumière peut se propager ? Quel est son contraire ?
c. Dans les milieux matériels, la vitesse de propagation d’une onde électromagnétique diminue. Elle
dépend de la nature du milieu et de la fréquence de l’onde considérée. Ainsi, dans l’eau, la lumière
visible avance à environ 75 % de sa vitesse dans l’air.
Rappeler la direction de la propagation ainsi que la vitesse de propagation des ondes
électromagnétiques dans le vide (et dans l’air).
En déduire alors la vitesse de propagation de la lumière visible dans l’eau vOEM eau.
Document 4 :
Réfraction & réflexion totale :
exemple de la fibre optique
La lumière peut subir deux phénomènes en changeant de milieu : la réflexion et la réfraction.
(1)
La lumière va plus vite dans l’air que dans l’eau (car l’indice optique de
l’air est supérieur à celui de l’eau). Lorsqu’un rayon lumineux passe de l’air à l’eau,
il s’éloigne de la surface en subissant la réfraction.
LASER
air
eau
(2)
Si la lumière passe de l’eau à l’air, donc d’un milieu lent à un milieu rapide, alors le faisceau se
rapproche de la surface.
Plus l’angle d’incidence est grand, plus le faisceau se rapproche de la surface. Si l’angle d’incidence
dépasse une certaine valeur limite (dite angle limite de réfraction), le rayon réfracté rejoint la surface et la
réfraction n’est plus possible. Toute la lumière est alors réfléchie : il s’agit du phénomène de réflexion totale.
Exemple de la fibre optique :
Les fibres optiques, employés en télécommunication comme en médecine,
utilisent ce principe de réflexion totale. Une gaine entoure des fils faits d’une matière
transparente (verre ou plastique). La lumière, qui pénètre dans le fil, y reste confinée
par réflexion totale et s’y propage à la vitesse de la lumière dans le verre (≈ 2/3 × c).
gaine
transparente
cœur
transparent
d. Quelles sont les deux conditions pour observer le phénomène de de réflexion totale ?
e. Compléter le trajet lumineux dans la fibre optique du document 4.
APPLICATIONS : Fibroscopie, radiographie & imagerie par résonance magnétique.
M.Meyniel
Cf AE 13
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Document 5 :
chapitre 3_Diagnostics à partir de méthodes physiques
Autres applications des ondes électromagnétiques dans le domaine de la Santé.
 La première radiographie a été réalisée en 1895 par Wilhelm Röntgen, un physicien allemand, lorsqu’il
découvrit par hasard les rayons X. Il reçut à cet effet le premier prix Nobel de physique en 1901.
Principe :
Des rayons X sont envoyés à travers l’organisme. Selon le milieu rencontré, ils sont plus
ou moins absorbés. Ainsi, les os, qui absorbent davantage les rayons X que la chaire et autres tissus,
apparaissent blancs. Cependant, une exposition prolongée de l’organisme aux rayons X peut
conduire à la rupture de liaison chimique à la base des tissus biologiques conduisant à des mutations
génétiques, des cancers de la peau, des phénomènes d’apoptose (mort cellulaire), … Leur utilisation doit donc être limitée.
 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.
Principe :
Les atomes d’hydrogène d’un patient s’orientent tous dans la même direction lorsqu’ils sont soumis au
puissant champ magnétique généré par le scanner. Des ondes radio sont alors émises pour exciter ces atomes qui, en se
désexcitant, restituent de l’énergie produisant un signal. Par un traitement informatique, on peut alors obtenir des coupes
en 2D ou 3D de différentes parties du corps.
 En 1934, la découverte de la radioactivité artificielle a permis le développement de la médecine nucléaire,
comme la scintigraphie, qui analyse les rayons gamma émis par des éléments radioactifs introduits dans l’organisme.
Principe :
Des éléments radioactifs sont ingérés par l’organisme. Les radiations électromagnétiques gamma qu’ils
émettent sont alors captés et permettent de visualiser les parties du corps qui ont fixés les éléments radioactifs comme la
thyroïde qui fixe l’iode.
 L’endoscopie est une méthode d’imagerie médicale qui permet de visualiser l’intérieur des conduits ou
des cavités de l’organisme.
Principe :
Un endoscope, composé d’une fibre optique et d’un système d’éclairage, est introduit dans les conduits ou
les cavités de l’organisme (larynx, pharynx, bronches, estomac, intestin, …) après une anesthésie générale ou locale. Couplé
à un système vidéo, il est alors possible de visualiser les organes souhaités grâce au phénomène de réflexion totale.
f. Répertorier les différentes applications des ondes électromagnétiques dans le domaine de la Santé en
expliquant en une phrase et avec vos mots le principe de chacune de ces applications.
Comme avec l’analyse des solutions et de la concentration des ions qu’elles renferment, les
méthodes physiques entrevues dans ce chapitre permettent d’établir des diagnostics sur une affection dont souffre une
personne.
Par ailleurs, ces techniques physiques peuvent aussi permettre de soigner certaines affections
comme on le réalise de nos jours avec le laser notamment. Cependant, les médicaments restent principalement utiliser
pour guérir les personnes. Le besoin d’espèces chimiques différentes est alors prépondérant. Mais où récupère-t-on
ces espèces ? Comment les identifie-t-on ? Comment les synthétise-t-on si nécessaire ?
 Répondre à ces questions sera l’objet de nos trois prochains cours.
Conclusion :
Compétences exigibles
- Connaître et utiliser les définitions de la période et de la fréquence d’un phénomène périodique.
- Extraire et exploiter des informations concernant la nature des ondes et leurs fréquences en fonction de l’application
médicale.
- Connaître une valeur approchée de la vitesse du son dans l’air.
- Identifier le caractère périodique d’un signal sur une durée donnée.
- Déterminer les caractéristiques d’un signal périodique.
- Pratiquer une démarche expérimentale sur la réfraction et la réflexion totale.
- Pratiquer une démarche expérimentale pour comprendre le principe de méthodes d’exploration et d’influence des
propriétés des milieux de propagation.
- Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d’une série de mesures et pour déterminer
l’indice de réfraction d’un milieu.
M.Meyniel
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