P h y s i c u s

Seconde - Santé - Chapitre 1 : La physique appliquée au diagnostique médical

Fiche de cours




Exemple 1 : vague à la surface de l'eau. La vague se propage a environ 20 cm/s alors que la surface de l'eau est quasi immobile.




Les RX sont des rayonnements électromagnétiques (comme la lumière visible) mais de longueur d'onde très courte, ils traversent facilement les matériaux et notamment le corps humain.

Principe de la radiographie en R.X

Le patient est éclairé par une source de lumière de rayons X (en rouge). Cette lumière est invisible pour nos yeux, et elle traverse facilement le corps qui semble transparent. Seuls certaines substances absorbent un peu plus le rayonnement X, notamment les os.

Derrière le patient, on a placé un détecteur (film photographique puis détecteur électronique) , en jaune sur le schéma, sur lequel se projette l'ombre en R.X. du corps radiographié.

Historiquement, à cause de la technologie utilisée (plaques photographiques), les zones du détecteur recevant beaucoup de R.X devenaient noires et celles recevant peu de R.X. restaient transparentes.

Actuellement, on a conservé cette représentation, et donc le document remis au médecin radiologue est le négatif de l'ombre du corps éclairé en R.X : les zones en blanc ont beaucoup absorbé les R.X, les zones noires sont transparentes aux RX.





Principe du scanner à R.X

C'est une machine qu'il a été possible de fabriquer grâce:

  • aux progrès fait dans le domaine de la détection des R.X. à l'aide de capteurs électroniques (développé pour la physique des particules)
  • au progrès de l'informatique (cette technique a besoin d'un puissant ordinateur pour calculer l'image finale).

Cette machine est une radiographie, où le système source-détecteur tourne autour du patient. On enregistre un grand nombre de coupes qui permettent ensuite, grâce à un calcul assez complexe, de retrouver l'image du corps en coupe.

Sur la vidéo, la source de R.X. est la boite jaune, le capteur est le parallélépipède bleu et le faisceau de R.X. est symbolisé en rouge.





Principe de l'Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire

Dans la matière, certains atomes se comportent comme de petites boussoles qui s'orientent dans un champ magnétique statique. Si on envoie une onde radio sur ces "petites boussoles", elles se mettent en résonance si l'onde radio a une fréquence bien précise qui dépend notamment du champ magnétique statique.

On peut alors faire une carte en trois dimension du corps d'un patient, en fonction de la densité de ces petites boussoles. Les médecins en déduisent ensuite des informations diverses sur l'état de santé du patient.

Sur la maquette de principe suivante, deux bobines simuleront le champ fixe, une troisième bobine simule l'onde radio qui perturbe les atomes (ici représentés par deux boussoles)






Sur la vidéo ci dessous, on constate que selon la fréquence de l'excitation, on met sélectivement en résonance la grande boussole ou la petite.

Dans la pratique, on pourra donc choisir quel type d'atome on veut spécifiquement faire résonner.



Comment fabriquer un stéthoscope pour 4 euros ?

On place un microphone de PC dans un cône de bouteille en plastique. Du papier essuie tout permet d'isoler le microphone des vibrations. On utilisera le logiciel Audacity pour enregistrer et visualiser les battements cardiaques.

On obtient une piste son où on voit les impulsions sonores du coeur. On pourra alors mesurer la période puis la fréquence cardiaque.


La vidéo présente la façon de placer le stéthoscope pour réaliser un enregistrement. Le signal n'est pas toujours facile à obtenir, chez certaines personnes, le son du coeur est très faible. Par contre, expérimentalement, les personnes ayant "du coffre" ont des battements faciles à écouter.



Fiche de TD

Dans une salle de classe mal conçue au niveau acoustique, les ondes sonores peuvent se réfléchir sur les murs en béton.

La conséquence est qu'un élève va recevoir les sons avec un léger décalage mais perceptible. Au final, le son perçu peut être désagréable, et la compréhension malaisée et fatigante.

Voici deux exemples utilisant la même bande son (à télécharger):

  • dans le premier cas, les deux ondes sont synchronisées
  • dans le deuxième cas, les deux ondes sont décalées de 2 ms seulement, mais on perçoit déjà le phénomène acoustique de réverbération.


Réflexion et absorption d'une onde.
"Pourquoi les carpes sont-elles muettes?" "ben parce qu'on est sourd!"
Pourquoi le médecin radiologue met il un gel entre la sonde et la peau du patient lors d'une échographie ? Pourquoi le poisson rouge ne nous entend pas ?

Pour que le son puisse se propager d'un milieu (sol) vers un autre milieu (eau), il faut que les milieux aient des densités similaires, sinon, le son se réfléchira sur l'interface entre les deux milieux. L'expérience suivante montre un hydrophone qui est "sourd" quand on l'utilise dans l'air , mais qui "entend bien" la sonnette lorsqu'il est sous l'eau.

Le montage:
Le transducteur est plongé dans un bac plein d'eau, la sonnette de vélo est visible dans le bac, à gauche. Le transducteur est réalisé à partir d'une capsule piézo électrique (ancien buzzer de chronomètre)



Si le transducteur est hors de l'eau et quand on donne un coups de sonnette, alors on enregistre un signal faible Quand le transducteur est immergé, et quand le coups de sonnette est fait dans l'eau, alors le signal est fort.

Conclusion :
Quand le médecin radiologue fait une échographie, il faut que les ultrasons passent de la sonde à l'intérieur du corps sans être réfléchis sur la peau : le gel que le médecin étale entre la sonde et la peau permet aux ultrasons de facilement pénétrer dans le corps. En absence de gel, les ondes doivent franchir un espace plein d'air, et se réfléchiront alors sur l'interface corps/air.


Sujet de TP
Vidéo à télécharger

Principe de l'expérience

On modélise le ventre d'une femme enceinte (en 3D) par une plaque de four noire ou un plateau de cantine (2D) rempli avec un fond d'eau (5mm).

L'onde sonore (onde de pression) sera modélisée par une onde de déplacement (vague). La vitesse de propagation sera beaucoup plus faible (25 cm/s environ au lieu de plusieurs centaines de m/s). Mais le principe restera le même : chronométrer le temps de retour des échos sonar et en déduire des positions.

On place la plaque de four ( ou le plateau de cantine) face à un écran lumineux ou une fenêtre, on filme le reflet sur l'eau.

La silhouette de femme enceinte dont l'utérus est modélisé par le plateau, le foetus est représenté par le pot en plastique. L'appareil photo numérique filme le reflet sur l'eau.



Origine du bébé:

Contrairement à une légende urbaine, les bébés ne sont pas apportés par les cigognes, même en Alsace. Pour de plus amples informations concernant la reproduction des êtres humains, veuillez consulter l'avis de mes collègues de SVT qui seront ravi(e)s de vous expliquer par le menu détail l'art et la manière de la reproduction sexuée chez les mammifères ...





Exemple de mesure

Documente élève

Électrocardiogramme de Teddy Bear

Teddy Bear, le nounours dont nous allons mesurer l'électrocardiogramme possède son dossier de presse .