Td corrigé Ondes et diagnostic médical - Physique Appliquée pdf

Ondes et diagnostic médical - Physique Appliquée

II.4) Application des ondes ultrasons : sonar : ... 2) Ecoute passive : Le sonar ne fait qu'écouter et n'émet aucune onde sonore. ... Examen visuel. Ultraviolet.




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Chapitre 8- Ondes et diagnostic médical
Capacités exigibles
Compétences
1Rechercher, extraire et organiser l’information utile,2Réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes3Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l’aide d’un langage adapté4Raisonner, argumenter, pratiquer une démarche expérimentale ou technologique, démontrer,Capacités
Thème : Santé
Sous-Thème : Quelques outils du diagnostic médical
Notions et Contenus :
24. Ondes mécaniques : ondes progressives
S.24.71.Associer la propagation d'une onde à un transfert d'énergie sans déplacement de matière.Doc1 Ex 1-2-11S.24.72.Distinguer une onde longitudinale d'une onde transversale. Doc1 Ex 2-12S.24.73Définir quelques grandeurs physiques associées à une onde mécanique : célérité, amplitude, période, fréquence, longueur d'onde TP3 Ex 3-12-13-2325. Onde ultrasonore - transducteur ultrasonore. Réflexion - transmissions
S.25.74.Mesurer la célérité d'une onde sonore ou ultrasonore. Ex 15S.25.75.Déterminer expérimentalement des distances à partir de la propagation d'un signal. TP Ex 5-6-14-19-20S.25.76Associer les énergies transmises et réfléchies à la nature des différents milieux Extraire info utile Ex résolu26. Ondes électromagnétiques ; rayonnements gamma, X, UV, visible, IR
S.26.77.Classer les ondes électromagnétiques selon leur fréquence, leur longueur d'onde dans le vide et leur énergie. Doc 2-4 Investigation 5 Ex 7-8-9-10-16-17-18-2127. Absorption et transmission et réflexion des ondes électromagnétiques
S.27.78.Analyser qualitativement l'influence d'un milieu sur la transmission d'une onde électromagnétique. Doc 2-4 Ex 4-22Questionnements- Investigations
Quel type d’ondes utilise-t-on en thermographie, pour la radiographie
Quels phénomènes sont utilisés
Comment fonctionne un GPS
Imagerie par ultrasons

Exploration
Ondes Ultrasonores
On souhaite reproduire le fonctionnement d’une échographie
Quel est le type d’ondes envoyées
A quelle fréquence cela correspond-il ?
Est-ce une onde longitudinale ou transversale
Quelle est la vitesse de cette onde ?
Imaginez un protocole permettant de vérifier cette vitesse
Si on tire une salve d’ultrasons sur divers matériaux, proposez un protocole pour mesurer l’onde réfléchie et l’onde transmise
On peut se servir de ce principe pour déterminer la distance séparant l’émetteur de l’objet à déterminer
Testez votre protocole sur une boite à « bébé »
Testez votre protocole sur une boite dissimulant une forme particulière
On peut se servir du même principe pour effectuer une localisation GPS
Boite à bébéns
Forme
GPS
Spectrographie infrarouge
Quel est le type d’ondes envoyées
A quelle fréquence cela correspond-il ?
Est-ce une onde longitudinale ou transversale
Quelle est la vitesse de cette onde ?
Comment sont elles émises, que traduisent elles ?
Comment se réfléchissent elles, sont elles absorbées, ou sont elles transmises ?

Chapitre 8- Ondes et diagnostic médical
Onde mécanique
Des exemples d’ondes mécaniques :
 INCLUDEPICTURE "http://idata.over-blog.com/1/97/88/35/IMAGES8/tremblement_terre_benin-Koacijpg.jpg" \* MERGEFORMATINET Ride circulaire à la surface de l’eauDes secousses sismiquesOndes musicalesDans le cas d’une onde se propageant à la surface de l’eau, la perturbation affecte de proche en proche les différents points de la surface, on dit que la surface de l’eau est un milieu de propagation. Les rides circulaires ne perturbent que temporairement cette surface. Très vite, celle-ci redevient immobile.
Une onde est la propagation d’un changement d’une propriété d’un milieu (hauteur d’eau dans le cas des rides circulaires, pression de l’air dans le cas du son, contraction des spires d’un ressort)
L’onde ne transporte pas la matière mais de l’énergie.
Définition :

Une onde mécanique est le phénomène de propagation d’une perturbation dans un milieu matériel sans transport de matière.

L'exemple ci-contre illustre ces propriétés. Au passage de l'onde, le bateau s'élève d'une hauteur H et voit donc son énergie augmenter. Cette énergie lui a été fournie par l'onde, mais le bateau est resté à la même abscisse: il n'y a pas de transport de matière.Deux types d’ondes :
Onde transversale :
Une onde est transversale lorsque le déplacement des points du milieu de propagation s'effectue perpendiculairement à la direction de propagation.

Exemple : La perturbation (déformation de la corde) engendrée (provoquée) sur la corde  se propage de proche en proche dans la direction horizontale alors que les points de la corde se déplacent verticalement (d'abord de bas en haut puis de haut en bas).Remarque : La corde est le milieu de propagation et elle ne se déplace pas dans son ensemble. Il n'y a pas de transport de matière. Chaque point reproduit, à son tour, le mouvement du point précédent. On notera qu'il est nécessaire que le milieu de propagation présente une certaine élasticité.
Onde longitudinale :
Une onde est longitudinale lorsque le déplacement des points du milieu de propagation s'effectue dans la même direction (en parallèle) que celle de la propagation. INCLUDEPICTURE "http://www.ilephysique.net/img/fiches/physique-terminale/physique_terminale-les-ondes-mecaniques_03.gif" \* MERGEFORMATINET 
Onde longitudinale dans un ressort Exemples : Les ondes de compression se propageant le long d’un ressort, ainsi que l’onde sonore et ultrasonores.
Célérité d’une onde "c" :
La célérité d'une onde mécanique dans un milieu matériel ne dépend pas de l'amplitude de la déformation. Elle est caractéristique de ce milieu.
La perturbation en M' à la date t' est celle qui existait en M à la date t = t' - ( INCLUDEPICTURE "http://www.ilephysique.net/img/fiches/physique-terminale/physique_terminale-les-ondes-mecaniques_02.gif" \* MERGEFORMATINET La perturbation s'est propagée de M en M' pendant la durée ( en parcourant la distance d = MM'.
 EMBED Equation.3 

MilieuAirDihydrogèneEauOsBétonFerCroûte terrestreCélérité (m.s-1)3401 3001 5002 000 à 4 0001 000 à 2 0006 0005 000 à 9 000 Période et longueur d’onde :
L'onde est dite périodique si la perturbation initiale se reproduit à intervalles réguliers. Comme l'onde s'étend dans le temps et l'espace, on définit une période temporelle T et une période spatiale ».
 INCLUDEPICTURE "http://stephbill.free.fr/cours%20ts/correctionondesmecaperio_fichiers/image007.gif" \* MERGEFORMATINET  INCLUDEPICTURE "http://stephbill.free.fr/cours%20ts/correctionondesmecaperio_fichiers/image015.gif" \* MERGEFORMATINET Période temporelle TPériode spatiale »Période temporelle ou période "T" :
La période temporelle, appelée simplement période, T d'une onde périodique et progressive est le temps minimum nécessaire pour que l'onde retrouve sa configuration initiale en un point donné ou le temps qu'il faut à un profil pour défiler devant un point donné. La période s'exprime en seconde.
L'inverse de la période est la fréquence f, qui est aussi le nombre de profils qui traversent un point donné en une seconde. La fréquence s'exprime en Hertz  EMBED Equation.DSMT4 .
Période spatiale ou longueur d’onde "(" :
Pendant la période T, l’onde se propage d’une distance ( appelée longueur d’onde qui s'exprime en mètre.
La valeur de la longueur d'onde dépend elle aussi du milieu de propagation.
La vitesse de l'onde dans le milieu est donnée par la relation :  EMBED Equation.DSMT4 
 EMBED Word.Picture.8  HYPERLINK "http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml/dblper_j.html"  HYPERLINK "http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml/prlong_j.html" 

 HYPERLINK "http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml/dblper_j.html"  HYPERLINK "https://phet.colorado.edu/sims/wave-on-a-string/wave-on-a-string_fr.html" 

Energie transmise et réfléchie :
Réflexion et transmission :
Lorsqu’une onde voyageant dans un milieu rencontre un nouveau milieu différent, il se produit deux situations à l’interface de séparation entre les deux milieux :
1) Transmission : l’onde va continuer son déplacement dans le nouveau milieu, sa fréquence ne change pas, sa longueur d’onde et sa vitesse changent.
2) Réflexion : l’onde change de direction et continue son déplacement dans son milieu d’origine.
 EMBED Word.Picture.8  Mesure de distance :
Dans le cas de l’onde réfléchie par une paroi (exemple de l’écho), le temps "t" que met l’onde pour faire l’aller-retour permet de déterminer la distance "d" à laquelle se trouve la paroi.  EMBED Equation.DSMT4  INCLUDEPICTURE "http://public.iutenligne.net/electronique/Nardi/Doppler/Doppler1/echoge1.jpg" \* MERGEFORMATINET  Application médicale : l’échographie :
L’échographie est une technique d’imagerie du corps basée sur les ultrasons. Un émetteur envoie un faisceau d’ultrasons dans la zone du corps à explorer. Selon la nature des tissus, ces ondes sonores sont réfléchies avec plus ou moins de puissance. Le traitement de ces échos permet une visualisation des organes observés.

Remarque : Les os renvoient une grande partie de l’énergie reçue, alors que certains tissus ne produisent pas d’écho.
Plus la réflexion est importante, plus le point considéré sera clair, cette image en nuance de gris fait ressortir les diverses parties du corps INCLUDEPICTURE "http://www.9mois-emoi.com/images/stories/1ere-echographie-2.jpg" \* MERGEFORMATINET  Application des ondes ultrasons : sonar :
Celui-ci fonctionne sur un système de réflexion d'ondes sonores. Il existe deux types d'écoutes :
1) Ecoute active : Le sous-marin émet une impulsion sonore. Celle-ci se propage dans l'eau jusqu'à rencontrer un obstacle. Elle est alors réfléchie. Connaissant la vitesse d'une onde sonore dans l'eau, on peut ainsi en déduire la distance de l'objet. La distance d'où vient l'écho permet de déterminer la position de l'objet. Il faut savoir que l'écoute active n'est jamais utilisée par les sous-marins actuels. En effet l'émission d'une impulsion sonore trahit leur position.
2) Ecoute passive : Le sonar ne fait qu'écouter et n'émet aucune onde sonore. La détermination d'une solution de tir se trouve plus difficile à réaliser, mais le sous-marin reste ainsi plus discret. INCLUDEPICTURE "http://codingrulz.free.fr/fichiers/Imagesonar.gif" \* MERGEFORMATINET Autres exemples :
Sonar des chauve-souris
Radar de recul

Ondes électromagnétiques :
Définition :
La lumière visible, les ultraviolets, les infrarouges, les rayons X et les rayons gamma sont des ondes électromagnétiques (association de l'onde du champ électrique et de l'onde du champ magnétique se propagent perpendiculairement entre elles et à la direction de propagation).
Elles peuvent se propager dans un milieu matériel (verre, le plastique, etc.) ou dans le vide.
Une onde électromagnétique est caractérisée par sa fréquence qui est notée ( "Nu" (pour ces ondes).
Une onde électromagnétique de fréquence ( peut être décrite par un ensemble de corpuscules appelés photons. Chaque photon transporte une énergie "E".
 EMBED Equation.DSMT4 
Remarque 1: l’ensemble des ondes électromagnétiques se propagent à la vitesse de la lumière soit 3.108 m.s-1
Remarque 2: L’énergie d’un photon est très faible, on utilise donc souvent une autre unité : l’électronvolt. 1 eV = 1,6.10-19 J.
Classement des ondes électromagnétiques :
DomaineLongueur d’onde dans le videFréquence (Énergie EDiagnostic médicalInfrarouge800 nm < ( < 1mm300 GHz < ( < 375 THz1,2.10-3 eV < E < 1,6 eVThermographieVisible400 nm < ( < 800 nm375 THz < ( < 750 THz1,6 eV < E < 3,2 eVExamen visuelUltraviolet10 nm < ( < 400 nm750 THz < ( < 3.1016 Hz3,2 eV < E < 1,2.102 eVUV dangereux : principales causes des cancers de la peauRayons X0,01 nm < ( < 10 nm3.1016 Hz < ( < 3.1018 Hz1,2.102 eV < E < 1,2.104 eVRadiographie et radiothérapieRayons (( < 0,01 nm3.1018 Hz < (1,2.104 eV < EUtilisation de gamma caméras :
Scintigraphie
 INCLUDEPICTURE "http://scphysiques2010.voila.net/images07/ondeelectro.gif" \* MERGEFORMATINET 
Absorption réflexion et transmission :
Dans l’air et dans le vide, les ondes électromagnétiques se propagent sur des grandes distances.
Dans certains milieux, elles peuvent être absorbées : c’est le cas des écrans en plomb qui sont utilisés pour absorber les rayons X.
Si la propagation se fait dans 2 milieux différents, la fréquence ne change pas mais la vitesse et la longueur d’onde changent
Exercices
ChapitreTitreCapacitéCompétence8– Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 1 p 120 : QCMS.24.71
Enoncé
Au cours de la propagation d'une onde :
Q' a) il y a transport de matière et transport d'énergie comme pour un projectile
Q' b) il y a transport de matière et pas de transport d'énergie
Q' c) il y a transport d'énergie et pas de transport de matière
Solution
c)
ChapitreTitreCapacitéCompétence8 Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 2 p 120 : QCMS.24.71&72
Enoncé
On lance une pierre dans un lac à quelques mètres du rivage. On observe des ronds dans l'eau.
Q' a) on obtient une onde mécanique
Q' b) une feuille posée sur l'eau est emmenée vers le rivage
Q' c) on obtient une onde transversale
Solution
Et c)
ChapitreTitreCapacitéCompétence8 Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 3 p 120 : QCMS.24.73
Enoncé
Pour une onde, les relations possibles entre sa longueur d'onde (, sa fréquence f et sa célérité c sont :
Q' a)  EMBED Equation.DSMT4 
Q' b)  EMBED Equation.DSMT4 
Q' c)  EMBED Equation.DSMT4 Solution
Et c)
ChapitreTitreCapacitéCompétence8 Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 4 p 120 : QCMS.26.78.
Enoncé
Quelles sont les caractéristiques d'une onde qui varient quand l'onde change de milieu de propagation ?
Q' a) la fréquence
Q' b) la longueur d'onde
Q' c) la célérité
Solution
Et c)

ChapitreTitreCapacitéCompétence8 Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 5 p 120 : QCMS.25.75
Enoncé
Pour déterminer la distance d entre deux murs, on utilise un appareil à ultrasons qui mesure la durée t qui s'écoule entre l'émission et la réception de l'onde. On note c la célérité des ultrasons dans le milieu. Quel calcul effectue l'appareil ?
Q' a)  EMBED Equation.DSMT4 
Q' b)  EMBED Equation.DSMT4 
Q' c)  EMBED Equation.DSMT4 Solution
B

ChapitreTitreCapacitéCompétence8 Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 6 p 120 : QCMS.25.75
Enoncé
Pour mesurer les dimensions des pièces d'une maison, on utilise un appareil à ultrasons qui émet des ondes de fréquence f = 40 kHz. La célérité des ondes est de c = 340 m.s-1. La durée t qui s'écoule entre l'émission de l'onde et la réception de l'onde réfléchie par le mur d'en face est de 20 ms. À quelle distance se trouve le mur ?
Q' a) 8m
Q' b) 3,4 m
Q' c) 2mSolution
b )  EMBED Equation.DSMT4 
ChapitreTitreCapacitéCompétence8 Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 7 p 120 : QCMS.26.77.
Enoncé
Les rayons X sont des ondes :
Q' a) mécaniques
Q' b) sonores
Q' c) électromagnétiques
Solution
c)
ChapitreTitreCapacitéCompétence8 Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 8 p 120 : QCMS.26.77.
Enoncé
La vitesse de propagation du rayonnement ultraviolet dans l'air est égale à :
Q' a) 3x108 m.s-1
Q' b) 340 m.s-1
Q' c) 1 500 m.s-1
Solution
L’ultraviolet est une onde électromagnétique qui se propage comme la lumière à 3.108m/s 
ChapitreTitreCapacitéCompétence8– Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 9 p 120 : QCMS.26.77.
Enoncé
Une onde électromagnétique de longueur d'onde 600 nm appartient au domaine :
Q' a) infrarouge
Q' b) visible
Q' c) des rayons gamma
Solution
Si 400nm((
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Remarque : le schéma n’est pas représentatif de la réalité.
 EMBED Equation.DSMT4 
Les signaux suivants correspondent aux divers échos



ChapitreTitreCapacitéCompétence8– Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 20p 124 : Échographie du cerveau
S.25.75.
Enoncé
Une sonde, appliquée sur le crâne d'un patient, envoie une impulsion ultrasonore. Cette onde se propage dans le crâne, et des échos sont enregistrés par la sonde qui sert aussi de récepteur.
P0 : impulsion émise
P1 , P2, P3 : impulsions reçues
Les temps indiqués sur l'oscilloscope sont en microsecondes.
A chaque changement de milieu dans le crâne, il y a un phénomène de réflexion.
On obtient l'enregistrement visible sur l'oscilloscope ci-dessus :
On considère que la célérité des ondes ultrasonores est égale à c = 1 530 m.s-1 dans le cerveau.
1. Expliquer l'origine des trois échos enregistrés.
2. Calculer la largeur de la boîte crânienne.
3. Calculer la largeur de chaque hémisphère.
Solution
Chaque écho correspond à une réflexion au niveau d’un changement de milieu (crane/cerveauG ; CerveauG/ cerveauD ; cerveauD/crâne ; crâne/ext
On peut estimer le diamètre intérieur :
 EMBED Equation.DSMT4  soit 7,6 mm
 EMBED Equation.DSMT4  soit 214,2 mm
La largeur interne de la boite crânienne est donc de 206,6 mm.
Chaque hémisphère mesure donc 103,3 mm
ChapitreTitreCapacitéCompétence8– Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 21p 124: Laser et photons
S.26.77.
Enoncé
Un laser, de puissance P = 100 mW, émet une radiation de longueur d'onde dans le vide (= 650 nm.
1. Calculer la fréquence ( de l'onde électromagnétique émise.
2. La lumière émise par le laser est-elle visible par un observateur ?
3. Calculer l'énergie E d'un photon associée à cette onde en électronvolts.
4. Calculer le nombre de photons émis par seconde par ce laser.Solution
 EMBED Equation.DSMT4 
 EMBED Equation.DSMT4 
On est dans le visible ( entre 400 et 800 nm)
 EMBED Equation.DSMT4 
Le laser délivre une puissance de 0,1 W soit 0,1 J/s
Donc on a  EMBED Equation.DSMT4  photons par secondes.
ChapitreTitreCapacitéCompétence8– Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 22p 124 : Atténuation des rayons X
S.26.78.
Enoncé
Un faisceau de rayons X traversant un matériau subit une atténuation. Cette atténuation dépend de la densité du milieu, de la nature des atomes et de l'énergie du faisceau.
On suppose que la loi de l'atténuation d'un faisceau monochromatique d'intensité incidente I0 par un écran d'épaisseur e et de densité uniforme est :
 EMBED Equation.DSMT4 
I: intensité des rayons X sortants


µ : coefficient d'atténuation linéique du milieu


e : épaisseur du milieu traversé


Données : pour des photons d'énergie moyenne 60 keV
Matériau
Eau
Aluminium
Cuivre
Plomb

µ (cm-1)
0.205
0.751
14.2
56.7


1. Sachant que  EMBED Equation.DSMT4 , calculer l'épaisseur ePb d'un écran en plomb pour atténuer de 99 % un faisceau incident de rayons X d'énergie 60 keV (utiliser la touche ln sur la calculette).
2. Refaire le même calcul pour un écran en aluminium et conclure.
3. On souhaite obtenir une atténuation du faisceau incident d'un facteur deux. Calculer l'épaisseur eEau d'une cuve remplie d'eau qui permet de satisfaire cette condition.Solution
 EMBED Equation.DSMT4 
 EMBED Equation.DSMT4 
Il faut donc un écran de 0,8 mm de plomb.
 EMBED Equation.DSMT4 
 EMBED Equation.DSMT4 
Il faut donc un écran de 6,13 d’aluminium.
 EMBED Equation.DSMT4 
 EMBED Equation.DSMT4 

ChapitreTitreCapacitéCompétence8– Ondes et diagnostique médicalNathan Ex 23p 124 : It's in English
S.24.73
Enoncé
Access the PhET web site http://phet.colorado.edu/en/simulation /wave-on-a-string
Take a few minutes to investigate all the things that can be changed or wiggled. Use the on screen Rulers and Timer
1. Wave damping can be changed in the simulation. How would you define damping?
2. Slide the damping to a value of zero, choose "no end". Highlight a characteristic of a wave through the simulation and use a slideshow to present your results.
Solution










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