1/ Qu’est-ce qu’une onde ?

Chapitre 2 : Les ondes au service du diagnostic médical

Objectifs :

 Une onde est la propagation d’une perturbation sans transport de matière.

 Une onde électromagnétique n’a pas besoin de support matériel pour se propager, contrairement à l’onde sonore, qui est une suite de compressions et de dilatations de ce support.

 L’œil humain ne perçoit qu’une toute petite partie des ondes électromagnétiques, correspondant à la lumière visible.

 Connaître la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide et une valeur approchée de celle du son dans l'air.

 Les rayons X utilisés en radiologie sont des ondes électromagnétiques.

 Les ultrasons utilisés lors d’une échographie sont des ondes sonores non audibles.

 Je sais exploiter des informations concernant la nature des ondes et leurs fréquences.

 Pratiquer une démarche expérimentale pour comprendre le principe de méthodes d'exploration et l'influence des propriétés des milieux de propagation.

Situations de départ :

L’échographie est une technique d’imagerie médicale qui permet de suivre l’évolution de la croissance du fœtus dans le

ventre de la maman. Quels sont les ondes utilisées pour faire cet examen ?

La radiographie permet de visualiser les parties plus ou moins denses du corps humain( seins, os, cœur…). Cet examen est-il

dangereux et quels types d’ondes sont utilisées ?

La fibroscopie est une technique d’imagerie qui utiliser un tube ultra souple appelé fibroscope ou endoscope pour observer les parties tubulaires du corps (intestins, œsophage, estomac…).

L’endoscope est constitué de fibres optiques et de caméras et lentilles miniatures. Quel type d’onde est utilisé ?

1/ Qu’est-ce qu’une onde ?

Une onde est la propagation d’une perturbation :

 dans l’espace si l’onde se propage d’un point à un autre : on parle alors d’onde progressive

 Dans le temps puisque l’onde ne se propage pas instantanément.

Les ondes ^: Propagation d’une perturbation dans l’espace et dans le temps.

Ondes matérielles :

Nécessitent un milieu de propagation

Ondes électromagnétiques :

Ne nécessitent pas forcément de milieu de propagation (Ex : vide)

Ondes longitudinales :

Créée par une perturbation PARALLELE à la direction de

propagation

Ondes transversales :

Créée par une perturbation PERPENDICULAIRE à la direction de propagation

Ondes transversales :

Créée par une perturbation PERPENDICULAIRE à la direction de propagation

Ondes sonores et ultrasonores

Ondes sismiques,

tsunami

Ondes dans une corde de

guitare

Vague à la surface de

l’eau

Rayons gamma et

cosmique

Rayons X

Rayons ultraviolets

UV

Lumière visible

Rayons Infrarouges

IR

Micro - ondes

Ondes radio

Echographie, écholocalisation

, SONAR

Sismologie, vulcanologie

Musique, construction

mécanique

Hydrologie, fluidique, météorologie…

Astrophysique , étude de

l’univers, scintigraphie, radioactivité

Radiologie, scanner

Lampe, stérilisation,

bronzage, spectroscopie

fibroscopie, vision

Chauffage, vision nocturne, thermographie

IR, guidage, communication

Radars, fours, téléphones, TV, internet,

IRM, transmission

satellite, radio

Vitesse ou célérité v :

vitesse de propagation de l’onde

v = λ ^/ T = λ x f

Fréquence f

: nombre de période T en une seconde

f = ^𝟏 _𝑻 = ^𝒗

𝝀

Période T :

C’est la plus petite durée d’un phénomène qui se répète

T = ^𝟏 _𝒇 = ^𝝀

𝒗

Longueur d’onde λ :

^C’est

la distance parcourue par l’onde en une période T

λ = v ^x T = ^𝒗

𝒇

2/ L’échographie : utilisation des ondes ultrasonores

A/ TP : L’échographie

Un échographe est composé d’une sonde qui permet l’émission et la réception d’ultrasons, d’un système de visualisation (un écran) et d’un système informatique.

La sonde est constituée d’un cristal piézo-électrique. Sous impulsions électriques, les grains qui composent le cristal se compressent et se dilatent plusieurs centaines de fois par seconde. Ce phénomène provoque des vibrations à très haute fréquence, qui sont la cause d’émission d’ultrasons. Ces ultrasons sont des sons inaudibles à l’oreille humaine, dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz (10 MHz environ pour l’échographie médicale).

Une fois émis, les ultrasons traversent un

gel, préalablement réparti sur la surface de la peau et

qui permet de mieux faire pénétrer les ultrasons.

Ensuite, l’onde ultrasonore atteint la peau du corps humain (onde incidente). Une partie de l’onde est réfléchie par la peau, tandis qu’une autre partie est transmise (ou réfractée) dans le corps. Les ultrasons

vont alors rencontrer différents tissus qui vont plus ou moins les réfléchir selon leur composition et leur densité.

Selon les milieux traversés, le son ne se propage pas à la même vitesse : 340 m.s^-1 dans l’air, 1500 m.s^-1 dans l’eau du corps…

Ces échos (impulsions réfléchies) émis par les tissus parviennent jusqu’à la sonde et font vibrer cristal piézo-électrique. On obtient un signal électrique qui, traité par des dispositifs électroniques et informatiques, permet de reconstituer l’image correspondante à la zone explorée.

Sur l’écran on peut visualiser l’image en noir et blanc. Les liquides, ne renvoient pas les échos, ils apparaîtront alors en noir sur l’écran. Les matières

solides, tels que les os, réfléchissent très bien les ultrasons, elles apparaîtront donc en blanc brillant.

Les tissus mous apparaîtront en nuance de gris.

L’image est donnée en temps réel et permet au médecin de mesurer la taille des organes examinés. Lors d’une grossesse, pour surveiller la croissance du fœtus, on mesure la taille du fémur, à différentes dates.

Ces examens peuvent être répétés, ils sont inoffensifs (pas sûr !!!!)

En médecine, les ultrasons sont aussi utilisés pour détruire des tissus malades, des calculs rénaux, ou pour soigner des tissus endommagés. Ils permettent également de guérir certains types d'arthrose et de rhumatismes. De plus, certains chirurgiens utilisent des scalpels ultrasoniques : la précision des ondes ultrasonores leur permet d'opérer de façon plus fine qu'avec un scalpel normal, notamment dans des zones sensibles comme le cerveau et l'oreille.

Cette technique a ses limites : ainsi, les os, les muscles et les organes remplis d'air tels que les poumons ou le tube digestif ne laissent pas passer les ondes ultrasonores. Au contraire, les liquides sont de bons conducteurs d'ultrasons, c'est pourquoi on peut observer facilement l'appareil urinaire, le cœur, le pancréas ou le fœtus dans le liquide amniotique….

Les ultrasons sont aussi utilisés pour fabriquer des sonars, par les dauphins et les chauves-souris pour s’écho localiser dans l’espace, les pêcheurs et les océanographes pour visualiser les poissons et cartographier les fonds sous- marins. Les chiens et les grenouilles chinoises sont capables de détecter les ultrasons.

Questions :

1/ Quel est le domaine de fréquence des ultrasons ? Au-delà de 20000 Hz, jusqu’à environ 50 MHz.

2/ Quel objet place-t-on sur la mère pour faire une échographie ? Quel est son rôle ? C’est une sonde émettrice et réceptrice d’ultrasons.

3/ Quelle est le rôle du gel échographique mis sur le ventre de la mère ? Ce gel permet de mieux faire pénétrer les ultrasons à l’intérieur du corps.

4/ Que se passe-t-il lorsque un ultrason traverse un nouveau milieu ? Il est soit réfléchi, soit réfracté (dévié)

5/ Sur une échographie, on observe des zones blanches et des zones noires. Précise, pour ces zones, si l’écho est fort ou faible. Les zones blanches correspondent à des échos forts et les zones sombres à des échos faibles.

6/ Les ultrasons se déplacent-ils toujours à la même vitesse dans tous les milieux ? Non, dans l’eau, les US se propagent à 1500 m.s^-1 alors que dans l’air, elle est de 340 m.s^-1.

B/ Bilan sur les ondes sonores

Les ultrasons sont des ondes de pression matérielles et longitudinales : Elles nécessitent un milieu de propagation (l’air l’eau…) et sont une succession de dilatations/compressions de l’air ou du milieu. La perturbation entrainant la

production d’une onde US est toujours parallèle à la direction de propagation.

Les ultrasons sont des sons non-audibles à l’oreille humaine. Ils ont une fréquence supérieure à 20 000 Hz. Seuls quelques animaux comme les chats, les chiens, les chauve-souris et les dauphins sont capable de les entendre.

L’audition humaine se fait entre 20 Hz et 20 000 Hz. Une perte auditive a lieu avec l’âge, en raison de l’usure de l’oreille.

Enfin, les US sont utilisés dans de biens nombreux domaines comme :

 La détection des ennemis ou la cartographie les sous-marins avec le SONAR :

 L’écholocalisation des dauphins et des chauves-souris :

 L’anéantissement des Caillaux sanguins.

 La pêche.

3/ Les ondes électromagnétiques dans le diagnostic médical

A/ Spectre des ondes électromagnétiques La vitesse de la lumière dans le vide est à retenir : v = 300 000 km.s

^-1

.

Dans les calculs, il faut utiliser la vitesse de la lumière :

v = 300 000 000 m.s

^-1

B/ Tableau récapitulatif des fréquences et longueurs d’onde électromagnétiques

Ce qu’il faut retenir :

 La vitesse de la lumière dans le vide est de 300 000 km.s

^-1

= 300 000 000 m.s

^-1

= 3 x 10

⁸

m.s

^-1



La lumière visible est une onde électromagnétique ne représentant qu’une toute partie du spectre (Entre 0,4 et 0,8 µm ou 400 et 800 nm)



Les rayons X utilisés en radiologie et dans les scanners sont des ondes électromagnétiques assez énergétiques.



Plus la fréquence est grande, plus la longueur d’onde est petite, plus l’énergie est grande et plus l’onde peut



Les ondes radio et les micro-ondes sont des ondes peu énergétiques, possédant de grandes longueurs d’onde et de faibles fréquences.

4/ Phénomène de réflexion et de réfraction.

A/ Rappels

 Vous avez vu, au collège, que la lumière se propage en ligne droite de la source vers le récepteur dans un milieu homogène.

 Le trajet de la lumière est donc représenté par un trait issu de la source et allant dans une certaine direction indiquée par un flèche

Représentation d’un rayon lumineux :

Ray on lumineux Source

p onct uelle

 La vitesse de la lumière est la vitesse de l’onde dans le milieu homogène.

B/ Milieu de propagation

La lumière est une onde électromagnétique qui peut se propager dans le vide car elle ne nécessite pas de support matériel pour pouvoir se propager. (elle se propage aussi dans les milieux transparents).

Les ondes sonores ou sismiques sont des ondes matérielles qui nécessitent un support pour se propager.

Dans tous les milieux sauf le vide, les ondes sont atténuées : Exemple : la lumière dans l’eau, le son dans l’air…

Si le milieu est homogène, l’onde se propage en ligne droite et à la même vitesse.

On appelle l’indice n d’un milieu le rapport entre la vitesse de l’onde dans le vide et la vitesse de l’onde dans ce milieu :

n = c/v

Quelques valeurs de n :

Milieu Indice n

Vide 1

Air 1,00025

Eau 1,33

Verre en crown (classique) 1,50 environ Verre en flint (au plomb) 1,60 environ

Diamant 2,43

C/ Réflexion et réfraction

Quand une onde rencontre un nouveau milieu, elle subit deux phénomènes :

 La réflexion (Déviation comme un miroir plan)

 La réfraction (pénétration du rayon dans le milieu avec déviation).

3 rayons sont en jeu :

 Le rayon incident : Dans le milieu 1

 Le rayon réfracté : Dans le milieu 2

 Le rayon réfléchi : Dans le milieu 1

On appelle :

Dioptre : la surface séparant deux milieux transparents différents.

Point d’incidence : le point I d’intersection entre le rayon incident et le dioptre.

Normale : la droite perpendiculaire à la surface et passant par le point d’incidence i.

Angle de réflexion : l’angle r entre la normale et le rayon réfléchi.

Angle d’incidence : l’angle i

1

entre la normale et le rayon incident.

Angle de réfraction : l’angle i

₂

entre la normale et le rayon réfracté.

Plan d’incidence : le plan contenant le rayon incident et la normale qui est perpendiculaire à la surface.(c’est la plan de la feuille ici).

D/ Lois de Snell-Descartes (voir TP fibroscopie)

Première loi de Snell-Descartes :

Le rayon réfléchi est dans le plan d’incidence.

ET

L’angle d’incidence i

1

et l’angle de réflexion r sont égaux au signe près :

i

1

= - r

Deuxième loi de Snell-Descartes :

i

₂

n’est pas proportionnel à i

₁

mais sin i

₂

et sin i

₁

sont proportionnels.

D’où

Le rayon réfracté est dans le plan d’incidence.

ET

L’angle d’incidence i

1

et l’angle de réfraction i

2

vérifient la relation : n

₁

.sin i

₁

= n

₂

.sin i

₂

où n

1

est l’indice de réfraction du milieu 1 et n

2

est l’indice de réfraction du milieu 2.

E/ Cas particulier : Réflexion totale

Quand un milieu 2 a un indice n2 supérieur à un milieu 1 d’indice n1 , on dit que le milieu 2 est

plus réfringent

que le milieu 1.

Quand un rayon lumineux passe de ce milieu 1 à ce milieu 2, il est

rabattu vers la normale

. Inversement, quand un rayon lumineux passe de ce milieu 2 à ce milieu 1, il s’éloigne de la normale.

Il existe alors un angle d’incidence i pour lequel le rayon réfracté va disparaitre et va devenir totalement réfléchi.

Que vaut l’angle i

₁

limite, pour lequel le rayon réfracté disparait ?

D’après la deuxième loi de Descartes :

n

1

.sin i

1

= n

2

.sin i

2

Le rayon réfracté disparait quand i2 = 90°  sin(i₂) = 1 Soit

i

₁

= arcsin( n

₂

/ n

₁

)

Application numérique:

 Pour l’air et l’eau  i1 = arsin (1,33/1,00) = 48°

 Pour l’air et le Plexiglas  i1 = arsin (1,50/1,00) = 42°

Dans la fibre optique d’un fibroscope, c’est une suite de réflexions totales qui permet de conduire la lumière :