Professeur - Pierron

Document du professeur 1/11Niveau 2 deTHEME : LA SANTEPhysique – ChimieLE PRINCIPE DE L’ECHOGRAPHIEProgramme : BO spécial n°4 du 29 avril 2010LA SANTENOTIONS ET CONTENUSCOMPETENCES ATTENDUESLe diagnostic médical : l’analyse de signaux périodiques, l’utilisation de l’imagerie et des analysesmédicales 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 pourcomprendre le principe de méthodes d’explorationet l’influence des propriétés des milieux depropagation.Pré requis :o Utilisation de l’oscilloscopeo Savoir mesurer une période sur l’oscilloscope.o Connaitre la relation liant fréquence et période.Mots-cléo ultrasonso réflexiono absorptiono échographieListe de matériel :Poste élèveo 1 table à ultrasons SONULTRA 1 Ref. : 03008o 1 générateur de salves GENEPULSE Ref. : 03028o 1 rail de 50 cm Ref. : 03232o 1 oscilloscope Ref. : 01127o 1 GBF Ref. : 04729o 3 cordons BNC mâle / mâle Ref. : 02319Remarque : On pourra travailler uniquement avec le rail et dans ce cas, à la place de la table à ultrasons, ilest nécessaire d’acquérir :o 1 émetteur ultrason Ref. : 05226o 1 récepteur ultrason Ref. : 05225Remarques ou astucesooLe test de l’activité 4 a été fait avec le générateur de salves dont l’utilisation n’est pasnécessaire si on ne recherche que les dimensions de la pièce en bois. Par contre, l’utilisation dugénérateur de salves permet de mesurer le retard entre l’émission et la réception donc depouvoir envisager un prolongement sur des calculs de distances, en particulier la distance entrela surface du parallélépipède en bois et la toile de gaze ou de jute.On rappelle que dans l’air, les ultrasons se propagent à la même vitesse que le son.© PIERRON 2011 Le principe de l’échographie (page 1)

Document du professeur 2/11Prolongements possiblesHistorique :- 1794 : découverte des ULTRASONS- 1927 : mise en évidence de leurs actions sur les structures biologiques- 1933 : première utilisation à des fins thérapeutiques- 1962 : mise en évidence de la «Sonophorèse»: la pénétration par les sons.Plusieurs types d’ultrasons entrent alors dans l’arsenal thérapeutique : la réhabilitationfonctionnelle, l’échographie, etc...- 1992 : apparition des premiers ultrasons de basse fréquence (environ 30 kHz) pour les traitements deslipodystrophies en médecine esthétiqueUtilisations autres des ultrasons :1) Les ultrasons pour nettoyer :Les dentistes utilisent un nettoyeur à ultrasons pour nettoyer les instruments buccaux tels que les picsdentaires, les grattoirs, les sculpteurs et autres. Les dentistes peuvent même utiliser ce nettoyeur àultrasons pour nettoyer les couronnes afin de s’assurer qu’elles soient parfaitement propres afin de lesinsérer dans la bouche des patients. Cette même technologie ultrasonique est également disponible pourune utilisation à la maison. Un nettoyant pour prothèse dentaire à ultrasons peut être utilisé pour nettoyercomplètement 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 àl’aide d’un nettoyeur à ultrasons. L’utilisation à la maison est aussi un moyen rapide et efficace pournettoyer vos lunettes ou lentilles de contact et permet de les garder propres et en bonne condition grâce aunettoyage 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 liquideemployé pour le nettoyage, des millions de minuscules bulles créées par des vibrations ultrasonoress’effondrent et libèrent de l’énergie élevée et permet une énorme puissance de nettoyage efficace. Cetteméthode de nettoyage en douceur, élimine complètement la saleté, l’huile et les contaminants de toutesles surfaces de l’objet qui sont en contact avec le liquide de nettoyage. Puisque le liquide peut pénétrer àl’intérieur de toutes les crevasses, même les plus petites, le nettoyeur à ultrasons peut nettoyer leséléments complexes qui ne peuvent pas être nettoyés à la main.2) Traitement dans certains cancers : L’utilisation des ultrasons focalisés de haute intensité pour letraitement du cancer localisé de la prostate.Le cancer de la prostate est la troisième cause de mortalité par cancer chez l'homme. Aujourd'hui, unnombre 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 êtreenvisagée. Une innovation technologique fondée sur l'utilisation des ultrasons, l'Ablatherm©, devraitpermettre d'offrir une alternative thérapeutique intéressante pour certains patients ne relevant pas de lachirurgie, 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 leseffets secondaires. Par ailleurs, en cas d'échec, et contrairement à la radiothérapie, il est possible de répéterle traitement.Le principe de l'Ablatherm© repose sur la destruction des tissus tumoraux par des ultrasons de hauteintensité émis par voie endorectale. L'émission d'ultrasons s'accompagne localement d'une élévation brutalede température qui induit une nécrose des tissus. L'appareil comporte une sonde endorectale qui permet à la© PIERRON 2011 Le principe de l’échographie (page 2)

Document du professeur 3/11fois de visualiser la prostate et de réaliser le traitement de la zone ciblée. À l'aide d'un ordinateur, lemédecin dirige la sonde à l'intérieur du rectum vers la prostate et commande l'émission, appelée "tir", desultrasons. 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 àl'opérateur de bien délimiter le volume cible pour protéger les parties environnantes : aucune énergie n'estdélivrée en dehors de la partie traitée.© PIERRON 2011 Le principe de l’échographie (page 3)

Document du professeur 4/11Nom :Prénom :Classe :Date :Objectifs :Physique – ChimieThème : La SantéLE PRINCIPE DE L’ECHOGRAPHIE- Comprendre que la nature des matériaux a une influence sur les phénomènesd’absorption et de réflexion des ondes ultrasonores.- Comprendre le principe de l’échographie.L’échographie permet d’explorer toutes sortes d’organes tels quemuscles, articulations, foie, rein, vessie et même un fœtus dans leventre de sa mère.L’examen dure 15 à 30 minutes et permet d’établir un diagnosticrapide.L’appareil utilisé pour réaliser les échographies s’appelle unéchographe.On place une sonde sur la région à examiner après avoir appliqué un gelsur la sonde.Dans cette sonde sont placés un émetteur et un récepteur d’ultrasonsinoffensifs pour le patient.Quand l’émetteur émet un ultrason, celui-ci pénètre les tissus jusqu’à cequ’il rencontre une structure entraînant sa réflexion : l’ultrason est enpartie absorbé par les éléments qui compose la dite structure et en partieréfléchi.Sa réflexion le renvoie en direction de la sonde comme le serait unfaisceau de lumière arrivant perpendiculairement sur un miroir.Plus la structure provoquant la réflexion est éloignée de la sonde, plusle signal réfléchi mettra du temps à revenir. L’écho qui en résulte estenregistré et donne des informations sur la position et la densité destissus rencontrés.Deux grandeurs sont mesurées puis interprétées informatiquement :- l’amplitude du signal reçu qui dépend du changement de milieuPar exemple, entre deux tissus mous, il y a peu de réflexion maisentre un tissu mou et un os, la réflexion est importante.Sur une échographie, les tissus qui ne renvoient pas d’échosparaissent noirs alors que ceux qui réfléchissent totalement lesultrasons paraissent blancs. Les nuances de gris correspondent à desréflexions partielles, plus ou moins importantes.- la mesure de la durée qui sépare l’émission de la réception dechaque écho permet, connaissant la célérité des ondes ultrasonoresdans le milieu observé, de déterminer les dimensions de l’organeobservé.Un examen échographiqueVue d’un fœtusdans le ventre maternelPour illustrer l’échographie, nous allons ici étudier la production et la détection des ultrasons© PIERRON 2011 Le principe de l’échographie (page 4)

ACTIVITÉ 1 : RÉGLAGE DE LA FRÉQUENCE DE TRAVAILDocument du professeur 5/11- 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 tensionsinusoïdale 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 surl’oscilloscope. Une fois ce réglage effectué, appeler le professeur pour vérification et ne plustoucher au bouton de fréquence du GBF pendant le TP.- Donner les caractéristiques du signal observé sur l’oscilloscope : la période T et la tensionmaximale U max . Appeler le professeur pour validation de vos résultats.T = 24 sU 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 DESULTRASONS1. Les montages- À l’aide d’obstacles constitués de différents matériaux, on réalise différentes expériences detransmission et de réflexion.Les expériences de transmission seront notées : expériences 1Les expériences de réflexion seront notées : expériences 2E veut dire « émetteur »R veut dire « récepteur »© PIERRON 2011 Le principe de l’échographie (page 5)

Les montages pour ces expériences sont schématisés ci-dessous :Document du professeur 6/112. Les observationsDivers milieux seront utilisés :mousse sur support, plaque métallique, laine de roche, mouchoir en papier seul, deux mouchoirsen papier, trois mouchoirs en papier, gaze.Remplir alors le tableau suivant en entourant le nombre de croix « + » correspondant à vosobservations :+++ : phénomène très marqué ;++ : phénomène partiellement présent ;+ : phénomène très peu présent.Matériau Transmission Réflexion AbsorptionMousse + + + + + + + + +Laine de roche + + + + + + + + +Plaque métallique + + + + + + + + +Mouchoir (1 épaisseur) + + + + + + + + +Mouchoir (2 épaisseurs) + + + + + + + + +Mouchoir (3 épaisseurs) + + + + + + + + +Toile en gaze + + + + + + + + +© PIERRON 2011 Le principe de l’échographie (page 6)

Document du professeur 7/11Compléter la conclusion ci-dessous avec les termes: « absorption, transmission, réflexion»ConclusionChaque fois qu’une onde ultrasonore rencontre un obstacle, dans le cas général, une partie de l’ondeest réfléchie, une autre est transmise. Ces phénomènes dépendent de la nature du matériau rencontré etde son épaisseur.Pour certains matériaux, il y a présence d’un seul phénomène : ainsi, dans le cas de la plaquemétallique, il n’y a pas de phénomène de transmission. En revanche, pour la gaze, il n’y a pas deréflexion.Lorsqu’aucun des deux phénomènes n’est présent, il y a un phénomène d’absorption des ondesultrasonores.ACTIVITÉ 3 : APPLICATION A L’ÉCHOGRAPHIE : DÉTERMINATION DE LAFORME 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 jute2. Quel matériau joue le rôle d’un tissu mou ? La laine de roche3. Quel matériau joue le rôle d’un os ? La lettre en cartonMettre en place un protocole afin de déterminer la forme de la lettre en carton.© PIERRON 2011 Le principe de l’échographie (page 7)

Décrire ci-dessous le protocole de la manipulation que vous comptez réaliser.Document du professeur 8/11On passe le dispositif émetteur-récepteur couplés sur chaque case et on observe, grâce àl’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 endessous 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 blanchesles autres cases.En passant le dispositif au dessus des différentes cases, on « voit » apparaitre la lettre qui se trouveposée sur la laine de roche. Dans le cas présent, la lettre F.© PIERRON 2011 Le principe de l’échographie (page 8)

Document du professeur 9/11ACTIVITÉ 4 : APPLICATION A L’ÉCHOGRAPHIE : DÉTERMINATION DESDIMENSIONS D’UN OBJETUne boite contient une pièce en bois de forme parallélépipédique.Cette boite est recouverte de toile de jute ou de gaze tendue.l ?Toile de jute ougaze tendueL ?Écho si la « sonde » n’est pas au-dessusde la pièce en boisÉcho si la « sonde » est au-dessus de lapièce en boisImaginer 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 decelle-ci ou on utilise le rail référencé dans le matériel. On relève alors des amplitudes différentes du signalreçu 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 largeurIndiquer les dimensions trouvées pour cette pièce de boisL = 10 cml = 5 cmProlongement possible : Activité 5 ci-dessous© PIERRON 2011 Le principe de l’échographie (page 9)

Document du professeur 10/11ACTIVITÉ 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 salveset 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.EmetteurEcran de l’oscilloscopeSignal émis et reçu.RécepteurBase de temps de l’oscilloscope : 0,5 ms/div.Déterminer le retard ∆t entre l’émission et la réception dusignal :Entre l’émission et la réception du signal, on « lit » 2divisions sur l’écran donc un retard ∆t = 2 0,5 = 1 mssoit ∆t = 1.10 -3 sLa 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 cmEn déduire la distance « d » entre l’émetteur et la pièce debois :D correspondant à un aller-retour du signal donc la distanceémetteur-objet est la moitié de cette valeur : d = 17 cm.© PIERRON 2011 Le principe de l’échographie (page 10)

Document du professeur 11/11EXERCICE D’APPLICATION :Lors d’une échographie, la sonde émet des salves ultrasonores de très courte durée. La mêmesonde enregistre les échos renvoyés par les surfaces de séparation des différents milieux. Surl’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 ultrasons2. 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 s3. Quelle relation lie la vitesse de propagation v, la distance parcourue d et la durée deparcours t ? d = v.t4. À la durée séparant les échos B et C correspond une distance qui est :x d 2d d/25. Calculer la dimension d de la structure explorée dans les tissus mous, sachant que la vitessede propagation des ultrasons dans ces tissus est v = 1,5 × 10 3 m.s - 1 .6 s correspondent à une distance de 2d. En utilisant la formule d = v.t, on en déduit qued = 0,9 cm.© PIERRON 2011 Le principe de l’échographie (page 11)