Physique/Chimie - 2nde - Principe de l`échographie

Document du professeur 1/11
Niveau 2de
Physique – Chimie
THEME : LA SANTE
LE PRINCIPE DE L’ECHOGRAPHIE
Programme : BO spécial n°4 du 29 avril 2010
LA SANTE
NOTIONS ET CONTENUS
COMPETENCES ATTENDUES
Le diagnostic médical : l’analyse de signaux périodiques, l’utilisation de l’imagerie et des analyses
médicales permettent d’établir un diagnostic. Des exemples seront pris dans le domaine de la santé
(électrocardiogramme, électroencéphalogramme, radiographie, échographie, fibroscopie …)
Réfraction et réflexion totale
Pratiquer une démarche expérimentale pour
comprendre le principe de méthodes d’exploration
et l’influence des propriétés des milieux de
propagation.
Pré requis :
o Utilisation de l’oscilloscope
o Savoir mesurer une période sur l’oscilloscope.
o Connaitre la relation liant fréquence et période.
Mots-clé
o ultrasons
o réflexion
o absorption
o échographie
Liste de matériel :
Poste élève
o 1 table à ultrasons SONULTRA 1
o 1 générateur de salves GENEPULSE
o 1 rail de 50 cm
o 1 oscilloscope
o 1 GBF
o 3 cordons BNC mâle / mâle
Ref. : 03008
Ref. : 03028
Ref. : 03232
Ref. : 01127
Ref. : 04729
Ref. : 02319
Remarque : On pourra travailler uniquement avec le rail et dans ce cas, à la place de la table à ultrasons, il
est nécessaire d’acquérir :
o 1 émetteur ultrason
Ref. : 05226
o 1 récepteur ultrason
Ref. : 05225
Remarques ou astuces
o
Le test de l’activité 4 a été fait avec le générateur de salves dont l’utilisation n’est pas
nécessaire si on ne recherche que les dimensions de la pièce en bois. Par contre, l’utilisation du
générateur de salves permet de mesurer le retard entre l’émission et la réception donc de
pouvoir envisager un prolongement sur des calculs de distances, en particulier la distance entre
la surface du parallélépipède en bois et la toile de gaze ou de jute.
o
On rappelle que dans l’air, les ultrasons se propagent à la même vitesse que le son.
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Prolongements possibles
Historique :
- 1794 :
- 1927 :
- 1933 :
- 1962 :
découverte des ULTRASONS
mise en évidence de leurs actions sur les structures biologiques
première utilisation à des fins thérapeutiques
mise en évidence de la «Sonophorèse»: la pénétration par les sons.
Plusieurs types d’ultrasons entrent alors dans l’arsenal thérapeutique : la réhabilitation
fonctionnelle, l’échographie, etc...
- 1992 : apparition des premiers ultrasons de basse fréquence (environ 30 kHz) pour les traitements des
lipodystrophies en médecine esthétique
Utilisations autres des ultrasons :
1) Les ultrasons pour nettoyer :
Les dentistes utilisent un nettoyeur à ultrasons pour nettoyer les instruments buccaux tels que les pics
dentaires, les grattoirs, les sculpteurs et autres. Les dentistes peuvent même utiliser ce nettoyeur à
ultrasons pour nettoyer les couronnes afin de s’assurer qu’elles soient parfaitement propres afin de les
insérer dans la bouche des patients. Cette même technologie ultrasonique est également disponible pour
une utilisation à la maison. Un nettoyant pour prothèse dentaire à ultrasons peut être utilisé pour nettoyer
complètement les dentiers en pénétrant dans les espaces difficiles à nettoyer.
Lorsque vous visitez un optométriste, il est probable que le nettoyage de lentilles optiques soit effectué à
l’aide d’un nettoyeur à ultrasons. L’utilisation à la maison est aussi un moyen rapide et efficace pour
nettoyer vos lunettes ou lentilles de contact et permet de les garder propres et en bonne condition grâce au
nettoyage en douceur.
Le nettoyeur à ultrasons peut être utilisé pour les dispositifs amovibles orthodontiques.
Fonctionnement d’un nettoyeur ultrasonore : à l’intérieur de la cavité de nettoyage, au sein du liquide
employé pour le nettoyage, des millions de minuscules bulles créées par des vibrations ultrasonores
s’effondrent et libèrent de l’énergie élevée et permet une énorme puissance de nettoyage efficace. Cette
méthode de nettoyage en douceur, élimine complètement la saleté, l’huile et les contaminants de toutes
les surfaces de l’objet qui sont en contact avec le liquide de nettoyage. Puisque le liquide peut pénétrer à
l’intérieur de toutes les crevasses, même les plus petites, le nettoyeur à ultrasons peut nettoyer les
éléments complexes qui ne peuvent pas être nettoyés à la main.
2) Traitement dans certains cancers : L’utilisation des ultrasons focalisés de haute intensité pour le
traitement du cancer localisé de la prostate.
Le cancer de la prostate est la troisième cause de mortalité par cancer chez l'homme. Aujourd'hui, un
nombre croissant de ces cancers sont décelés au stade localisé, c'est-à-dire sans diffusion de métastases.
Une prise en charge thérapeutique précoce, telle que la radiothérapie ou la chirurgie, peut donc être
envisagée. Une innovation technologique fondée sur l'utilisation des ultrasons, l'Ablatherm©, devrait
permettre d'offrir une alternative thérapeutique intéressante pour certains patients ne relevant pas de la
chirurgie, c'est-à-dire principalement des personnes âgées de plus de 70 ans.
Cette technique présente l'avantage d'être peu invasive, de réduire le séjour hospitalier et de limiter les
effets secondaires. Par ailleurs, en cas d'échec, et contrairement à la radiothérapie, il est possible de répéter
le traitement.
Le principe de l'Ablatherm© repose sur la destruction des tissus tumoraux par des ultrasons de haute
intensité émis par voie endorectale. L'émission d'ultrasons s'accompagne localement d'une élévation brutale
de température qui induit une nécrose des tissus. L'appareil comporte une sonde endorectale qui permet à la
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fois de visualiser la prostate et de réaliser le traitement de la zone ciblée. À l'aide d'un ordinateur, le
médecin dirige la sonde à l'intérieur du rectum vers la prostate et commande l'émission, appelée "tir", des
ultrasons. La destruction du volume prostatique choisi est obtenue en répétant les tirs à plusieurs reprises
(500 en moyenne) et en déplaçant le faisceau entre chaque émission. Un logiciel de contrôle permet à
l'opérateur de bien délimiter le volume cible pour protéger les parties environnantes : aucune énergie n'est
délivrée en dehors de la partie traitée.
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Prénom :
Classe :
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Physique – Chimie
Thème : La Santé
LE PRINCIPE DE L’ECHOGRAPHIE
Objectifs :
- Comprendre que la nature des matériaux a une influence sur les phénomènes
d’absorption et de réflexion des ondes ultrasonores.
- Comprendre le principe de l’échographie.
L’échographie permet d’explorer toutes sortes d’organes tels que
muscles, articulations, foie, rein, vessie et même un fœtus dans le
ventre de sa mère.
L’examen dure 15 à 30 minutes et permet d’établir un diagnostic
rapide.
L’appareil utilisé pour réaliser les échographies s’appelle un
échographe.
On place une sonde sur la région à examiner après avoir appliqué un gel
sur la sonde.
Dans cette sonde sont placés un émetteur et un récepteur d’ultrasons
inoffensifs pour le patient.
Quand l’émetteur émet un ultrason, celui-ci pénètre les tissus jusqu’à ce
qu’il rencontre une structure entraînant sa réflexion : l’ultrason est en
partie absorbé par les éléments qui compose la dite structure et en partie
réfléchi.
Sa réflexion le renvoie en direction de la sonde comme le serait un
faisceau de lumière arrivant perpendiculairement sur un miroir.
Plus la structure provoquant la réflexion est éloignée de la sonde, plus
le signal réfléchi mettra du temps à revenir. L’écho qui en résulte est
enregistré et donne des informations sur la position et la densité des
tissus rencontrés.
Deux grandeurs sont mesurées puis interprétées informatiquement :
- l’amplitude du signal reçu qui dépend du changement de milieu
Par exemple, entre deux tissus mous, il y a peu de réflexion mais
entre un tissu mou et un os, la réflexion est importante.
Sur une échographie, les tissus qui ne renvoient pas d’échos
paraissent noirs alors que ceux qui réfléchissent totalement les
ultrasons paraissent blancs. Les nuances de gris correspondent à des
réflexions partielles, plus ou moins importantes.
- la mesure de la durée qui sépare l’émission de la réception de
chaque écho permet, connaissant la célérité des ondes ultrasonores
dans le milieu observé, de déterminer les dimensions de l’organe
observé.
Un examen échographique
Vue d’un fœtus
dans le ventre maternel
Pour illustrer l’échographie, nous allons ici étudier la production et la détection des ultrasons
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ACTIVITÉ 1 : RÉGLAGE DE LA FRÉQUENCE DE TRAVAIL
-
Placer sur la table, l’émetteur et le récepteur face à face à une vingtaine de cm l’un de l’autre.
Brancher l’émetteur aux bornes d’un générateur basse fréquence (GBF), délivrant une tension
sinusoïdale de fréquence d’environ 40 kHz.
-
Le récepteur est relié à l’entrée d’un oscilloscope réglé comme suit :
 sensibilité horizontale 10 s,
 sensibilité verticale 0,5 V.
-
Régler la fréquence du GBF pour avoir la plus grande amplitude possible du signal reçu sur
l’oscilloscope. Une fois ce réglage effectué, appeler le professeur pour vérification et ne plus
toucher au bouton de fréquence du GBF pendant le TP.
-
Donner les caractéristiques du signal observé sur l’oscilloscope : la période T et la tension
maximale Umax. Appeler le professeur pour validation de vos résultats.
T = 24 s
U max = 1V
-
Calculer alors la valeur de la fréquence f de l’émetteur. f = 1/T soit f = 1/ 24.10-6 = 41,6 kHz.
ACTIVITÉ 2 : ETUDE DE LA TRANSMISSION ET DE LA RÉFLEXION DES
ULTRASONS
1. Les montages
-
À l’aide d’obstacles constitués de différents matériaux, on réalise différentes expériences de
transmission et de réflexion.
Les expériences de transmission seront notées : expériences 1
Les expériences de réflexion seront notées : expériences 2
E veut dire « émetteur »
R veut dire « récepteur »
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Les montages pour ces expériences sont schématisés ci-dessous :
2. Les observations
Divers milieux seront utilisés :
mousse sur support, plaque métallique, laine de roche, mouchoir en papier seul, deux mouchoirs
en papier, trois mouchoirs en papier, gaze.
Remplir alors le tableau suivant en entourant le nombre de croix « + » correspondant à vos
observations :
+++ : phénomène très marqué ;
++ : phénomène partiellement présent ;
+:
phénomène très peu présent.
Matériau
Transmission
Réflexion
Absorption
Mousse
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
+++
Laine de roche
Plaque métallique
Mouchoir (1 épaisseur)
Mouchoir (2 épaisseurs)
Mouchoir (3 épaisseurs)
Toile en gaze
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Compléter la conclusion ci-dessous avec les termes: « absorption, transmission, réflexion»
Conclusion
Chaque fois qu’une onde ultrasonore rencontre un obstacle, dans le cas général, une partie de l’onde
est réfléchie, une autre est transmise. Ces phénomènes dépendent de la nature du matériau rencontré et
de son épaisseur.
Pour certains matériaux, il y a présence d’un seul phénomène : ainsi, dans le cas de la plaque
métallique, il n’y a pas de phénomène de transmission. En revanche, pour la gaze, il n’y a pas de
réflexion.
Lorsqu’aucun des deux phénomènes n’est présent, il y a un phénomène d’absorption des ondes
ultrasonores.
ACTIVITÉ 3 : APPLICATION A L’ÉCHOGRAPHIE : DÉTERMINATION DE LA
FORME D’UN OBJET :
Une boîte contient une lettre F en carton épais posée sur de la laine de roche.
Cette boite est recouverte d’une toile de gaze ou de jute tendue et quadrillée.
Le même quadrillage a été reproduit sur la laine de roche.
Répondre aux questions suivantes :
1. Quel matériau joue le rôle de la peau ?
La toile de gaze ou de jute
2. Quel matériau joue le rôle d’un tissu mou ? La laine de roche
3. Quel matériau joue le rôle d’un os ?
La lettre en carton
Mettre en place un protocole afin de déterminer la forme de la lettre en carton.
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Décrire ci-dessous le protocole de la manipulation que vous comptez réaliser.
On passe le dispositif émetteur-récepteur couplés sur chaque case et on observe, grâce à
l’oscilloscope, l’amplitude du signal reçu par le récepteur.
- si l’amplitude reçue est faible, on se trouve en dessous de la laine de roche, « tissu mou »
- si l’amplitude reçue est grande, le phénomène de réflexion est important, on est donc en
dessous de la lettre en carton, « un os ».
Appeler le professeur pour validation.
Reproduire le quadrillage sur cahier : noircir les cases où la réflexion est faible et laisser blanches
les autres cases.
En passant le dispositif au dessus des différentes cases, on « voit » apparaitre la lettre qui se trouve
posée sur la laine de roche. Dans le cas présent, la lettre F.
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ACTIVITÉ 4 : APPLICATION A L’ÉCHOGRAPHIE : DÉTERMINATION DES
DIMENSIONS D’UN OBJET
Une boite contient une pièce en bois de forme parallélépipédique.
Cette boite est recouverte de toile de jute ou de gaze tendue.
Toile de jute ou
gaze tendue
l?
L?
Écho si la « sonde » n’est pas au-dessus
de la pièce en bois
Écho si la « sonde » est au-dessus de la
pièce en bois
Imaginer un protocole afin de déterminer les dimensions de cette pièce de bois.
Décrire ci-dessous le protocole de la manipulation que vous comptez réaliser.
On « promène » le dispositif émetteur-récepteur le long de la boite. On place une règle sur les cotés de
celle-ci ou on utilise le rail référencé dans le matériel. On relève alors des amplitudes différentes du signal
reçu par le récepteur.
Tant qu’il y a de fortes amplitudes, la sonde émetteur-récepteur se trouve au-dessus de l’objet en bois !
On peut ainsi mesurer sa longueur et sa largeur
L = 10 cm
Indiquer les dimensions trouvées pour cette pièce de bois
l = 5 cm
Prolongement possible : Activité 5 ci-dessous
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ACTIVITÉ 5 : DÉTERMINATION DE LA DISTANCE « d » ÉMETTEUR OBJET :
On garde le même dispositif qu’à l’activité 4. L’émetteur est branché aux bornes du générateur de salves
et on relève simultanément, à l’oscilloscope, le signal de l’émetteur et celui du récepteur.
On veut déterminer la distance séparant l’émetteur (qui est collé à la toile de jute) de l’obstacle.
Récepteur
Emetteur
Ecran de l’oscilloscope
Signal émis et reçu.
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Base de temps de l’oscilloscope : 0,5 ms/div.
Déterminer le retard ∆t entre l’émission et la réception du
signal :
Entre l’émission et la réception du signal, on « lit » 2
divisions sur l’écran donc un retard ∆t = 2  0,5 = 1 ms
soit ∆t = 1.10-3 s
La vitesse des ultrasons dans l’air est v = 340 m.s-1,
déterminer la distance D correspondant au retard mesuré :
D = v × ∆t soit D = 340  1.10-3 = 0,34 m = 34 cm
En déduire la distance « d » entre l’émetteur et la pièce de
bois :
D correspondant à un aller-retour du signal donc la distance
émetteur-objet est la moitié de cette valeur : d = 17 cm.
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EXERCICE D’APPLICATION :
Lors d’une échographie, la sonde émet des salves ultrasonores de très courte durée. La même
sonde enregistre les échos renvoyés par les surfaces de séparation des différents milieux. Sur
l’enregistrement ci-dessous, 1 division notée « div » correspond à une durée de 10 s.
1.
Pourquoi applique-t-on un gel entre la sonde et la peau ?
On applique un gel pour améliorer l’émission et la réception des ondes ultrasonores.
Le gel sert « d’adaptateur d’impédance » pour la traversée de la peau par les ultrasons
2.
Déterminer la durée séparant les réceptions des échos issus de B et de C.
Entre la réception des échos issus de B et de C, il y a 0,6 division donc il s’est écoulé 6 s
3.
Quelle relation lie la vitesse de propagation v, la distance parcourue d et la durée de
parcours t ? d = v.t
4.
À la durée séparant les échos B et C correspond une distance qui est :
xd
5.
2d
d/2
Calculer la dimension d de la structure explorée dans les tissus mous, sachant que la vitesse
de propagation des ultrasons dans ces tissus est v = 1,5 × 103 m.s- 1.
6 s correspondent à une distance de 2d. En utilisant la formule d = v.t, on en déduit que
d = 0,9 cm.
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