1sti2D_AD_echographiemedicale.odt Isabelle Monge – Lycée du Rempart 24/05/12
1ère sti 2D – Activité documentaire : L'échographie médicale
Grâce à des sons de fréquences très élevées, qu'on appelle des ultrasons, l'échographie permet de « voir » à travers l'eau et donc à l'intérieur de la matière vivante puisque c'est l'essentiel de sa composition. En effet, l'absorption dans l'eau des ondes ultrasonores est beaucoup moins forte que celle de la lumière ou des ondes radios employées dans les radars. Les origines de cette méthode de visualisation sont à chercher du côté du SONAR (acronyme de « Sound Navigation And Ranging », navigation et localisation par le son), un système destiné à détecter des objets ou obstacles sous la surface de la mer. C'est le physicien français Paul Langevin (1872-1946) qui conçut en 1916-1917 le premier émetteur-récepteur d’ultrasons (…) Les ravages des sous- marins pendant la Première Guerre Mondiale poussèrent les chercheurs à développer dans l'urgence cette technique de détection, dont la nécessité était déjà apparue après la collision dramatique du paquebot Titanic avec iceberg (1912). L'utilisation médicale des ultrasons à des fins médicales ne vit le jour que vers la fin des années 1940, précisément grâce à l'expérience acquise avec les sonars militaires. Depuis lors, l'échographie médicale et en particulier les examens d'échographie prénatale sont devenus très répandus en Europe : chaque femme enceinte en passe plusieurs au cours de sa grossesse, ce qui permet de surveiller de près le
développement du fœtus. Comment utiliser les ultrasons pour observer ce qui se passe à l'intérieur du corps humain ?
Les ultrasons
Les ultrasons sont des ondes sonores de très haute fréquence, inaudibles à l'oreille humaine. Nous ne pouvons en effet percevoir que des sons de fréquences comprises entre 20 Hz et 20000 Hz, du plus grave au plus aigu (pour fixer les idées, la fréquence du la des diapasons est de 440 Hz). Cet intervalle se réduit considérablement avec l'âge. Certains animaux, comme les chiens, sont capables de percevoir des sons de plus haute fréquence.
D'autres comme les chauves-souris ou les dauphins émettent des ultrasons et les détectent pour communiquer et se repérer. Les ondes ultrasonores ont la propriété de mieux traverser la matière (en particulier la matière vivante) que les sons ordinaires, ce qui les rend idéales pour sonder le corps humain de manière « non invasive ». (…)
Comment obtenir une image avec des ultrasons ?
Lorsque l'on essaie de repérer un objet sous la mer à l'aide d'un sonar, l'onde acoustique se propage dans un seul milieu, l'eau, jusqu'à ce quelle rencontre un obstacle, un sous marin par exemple : elle s'y réfléchit (c'est l'écho) et revient en partie vers l'émetteur-récepteur. Le temps écoulé entre l'émission du signal et la réception de l'écho renseigne sur la distance à laquelle se trouve l'obstacle si l'on connaît la vitesse de l'onde dans le milieu : c'est ce qu'on appelle l’écholocalisation. Dans un système d'échographie, l'onde ultrasonore traverse divers milieux, avec des vitesses de propagation distinctes, ce qui complique la situation. En outre, on ne cherche pas simplement à connaître la distance de l'objet à étudier, mais on veut en produire une image. Comment procéder ?
L'impédance acoustique
Quand une onde sonore ou ultrasonore atteint la frontière entre deux milieux, une partie de l'onde est transmise tandis que l'autre partie est réfléchie. (…) On définit ainsi l'impédance acoustique d'un milieu qui est d'autant plus élevée que les ondes ultrasonores s'y propagent rapidement. Ainsi l'impédance acoustique de l'eau est 3800 fois supérieure à celle de l'air.
La réflexion des ultrasons
Une partie de l'onde ultrasonore est réfléchie à l'interface entre deux milieux différents. L'amplitude du signal de réflexion est proportionnelle au carré de la différence entre les impédances acoustiques des deux milieux, ce qui signifie que l'écho est plus intense lorsque les milieux ont des impédances très différentes (comme l'air et l'eau par exemple).
L'onde réfléchie contient deux types d'information : la mesure de la durée qui s'est écoulée entre l'émission de l'onde et la détection de l'écho qui indique la position de l'interface, tandis que l'amplitude de l'écho renseigne sur la différence d'impédance entre les deux milieux.
La création de l'image
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Pour créer une image reconnaissable, il faut, pendant quelques microsecondes (millionièmes de secondes), envoyer un faisceau fin d'ultrasons dans une direction précise, puis détecter l'écho correspondant à cette direction particulière d'émission.
Chaque écho reçu est plus ou moins intense suivant la différence d'impédance des milieux rencontrés. Pour chaque point du milieu, et donc pour un intervalle de temps donné entre l'émission et la réception de l'écho, il est possible de reconstruire une image en traduisant l'intensité de cet écho en nuances de gris : plus l'écho est intense et plus la couleur du point s'approche du blanc. Les changements d'intensité de l'image d'une
échographie correspondent donc à de brusques changements de milieu. Ce mode de fonctionnement est appelé
« mode B », pour mode brillance.
Pour construire un plan de coupe en entier, l'émetteur envoie des ultrasons suivant plusieurs directions simultanément (entre 100 et 250) afin de fournir l'ensemble du plan de coupe en une seule fois.
Le décryptage d'une image
Que se passe-t-il concrètement lors d'une échographie, celle d'une femme enceinte par exemple ? (…) L'onde ultrasonore transmise à travers la peau du ventre parvient à l'interface entre la paroi utérine et le liquide amniotique, où une partie de l'onde est réfléchie. Quelques dizaines de microsecondes plus tard (quelques centimètres plus loin), à l'interface entre le liquide amniotique et la peau du fœtus, une autre partie de l'onde est réfléchie. L'amplitude et la durée mise par chacune de ces ondes réfléchies pour être détectées permettent à l'ordinateur associé de reconstruire une image que le médecin saura interpréter.
D'après « La physique par les objets quotidiens » de Cédric Ray et Jean-Claude Poizat
Questions :
1) Pourquoi l'échographie permet-elle de « voir » à l'intérieur de la matière vivante ? 2) Quelle est la signification du mot acronyme ?
3) Qui est à l'origine du premier émetteur-récepteur d'ultrasons ?
4) Pourquoi les chercheurs ont-ils été poussés à intensifier leur recherche d'écho-localisation par utilisation de sonar ?
5) A partir de quand les ultrasons sont utilisés dans le domaine médical ? 6) Un son de fréquence plus élevée qu'un autre est-il plus aigu ou plus grave ? 7) Qu'est-ce qu'un diapason ?
8) L'être humain perçoit-il les sons de la même façon tout au long de sa vie ? 9) Que signifie « sonder le corps de manière non invasive » ?
10)Expliquer de façon simple, en faisant éventuellement un schéma, le principe de l'écholocalisation.
11)L'onde sonore se propage-t-elle plus rapidement dans l'eau ou dans l'air ? Quelle est l'information dans le texte qui vous permet de répondre à cette question ?
12)De quoi dépend l'intensité de l'écho reçu ?
13)Comment se traduisent les changements de milieux sur l'image d'une échographie ?
14)Pourquoi l'émetteur de l'échographe envoie-t-il simultanément des ultrasons suivant plusieurs directions ?
15) Quel est le dispositif permettant de reconstruire l'image de l'échographie ?
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