Légende de la leçon
Vert : définitions
I. À l’aide d’une onde mécanique : l’échographie Doppler
1) La distance parcourue par des ultrasons
Les ultrasons sont transmis dans l’air en s’écartant peu de la direction d’émission par rapport aux sons. Leur amplitude diminue plus faiblement avec la distance par rapport à la source. Ils ont les mêmes propriétés mécaniques que les sons audibles (dont la fréquence va de 20 Hz à 20 kHz), tout en ayant des fréquences plus élevées.
Lorsqu’un ultrason rencontre une surface de séparation, une partie de son énergie est transmise à travers la surface, une autre est absorbée et le reste de l’énergie est réfléchie. Ce phénomène de réflexion est identique à celui de la lumière avec un miroir. L’onde réfléchie peut être détectée et analysée : elle forme un écho. On peut déterminer la distance à laquelle se trouve la surface si on connaît la durée nécessaire pour réaliser un aller-retour : émetteur, surface, récepteur.
Le principe de l’échographie est simple : on utilise un dispositif ultrasonore qui émet des ondes ayant des fréquences de l’ordre de quelques mégahertz sous forme de salves. Un émetteur et un récepteur sont côte à côte et placés à une distance d d’un écran. L’émetteur et le récepteur sont reliés à un oscilloscope ou un ordinateur afin d’enregistrer les signaux. Le signal 1 envoyé par l’émetteur parvient à l’écran, qui le réfléchit. Le récepteur capte le signal 2 qui a alors parcouru une distance 2 d avec un retard ∆t par rapport au signal 1.
On détermine la distance d en utilisant le retard ∆t et la célérité des ondes ultrasonores dans l’air :
d = v × ∆t, la distance d est exprimée en mètre et la durée ∆t en seconde.
Ce travail peut être effectué sur une partie d’un corps humain. Il permet de donner une image intérieure du corps sans utiliser la chirurgie.
On réalise, par exemple, l’échographie d’un bras. Les ondes sonores vont rencontrer trois surfaces de séparation :
- en A (séparation tissu mou, os) ;
- en B (séparation os, tissu mou) ;
- en C (séparation tissu mou, air).
Un écho se forme sur chaque surface de séparation et est capté par la sonde. Plus la surface est éloignée, plus le temps nécessaire pour réaliser un aller-retour est important, donc : tC > tB > tA.
On obtient alors les signaux suivants à l’écran de l’oscilloscope :
2) Le principe de l’effet Doppler
L’effet Doppler se manifeste par un changement de fréquence du son du moteur d’une voiture ou d’une sirène de camion de pompiers en déplacement perçu par un observateur.
Ainsi, par rapport à une personne dans le véhicule qui entendrait une fréquence f :
- la fréquence f′ perçue par l’observateur est plus importante (son plus aigu) et la longueur d’onde plus faible lorsque le véhicule se rapproche ;
- la fréquence f′ perçue par l’observateur est plus faible (son plus grave) et la longueur d’onde plus grande lorsque le véhicule s’éloigne.
La différence de fréquence f – f′ permet de déterminer la vitesse v du véhicule et sa direction.
3) L’échographie Doppler
L’échographe Doppler est constitué d’un échographe classique associé à une sonde Doppler. Lorsqu’un faisceau d’ultrasons traverse les cavités cardiaques ou les vaisseaux, l’écho renvoyé par les éléments figurés du sang (qui deviennent des émetteurs) a une longueur d’onde plus longue (son plus grave) s’ils s’éloignent du capteur, et une longueur d’onde plus courte (son plus aigu) s’ils se dirigent vers le capteur. La sonde Doppler recueillera donc un écho dont la fréquence (longueur d’onde) sera différente de la fréquence d’émission.
La différence f – f′ des fréquences d’émission f et de réception f′ permet de calculer la vitesse et la direction des globules rouges.
L’échographe Doppler permet de détecter des anomalies cardiaques par la mesure des vitesses des flux sanguins à travers les valves : les différentes maladies des valves cardiaques (fuite et rétrécissement) ; l’analyse de la phase de remplissage du ventricule gauche, donc de la fonction diastolique, et l’estimation de la pression artérielle pulmonaire systolique.
Image obtenue à partir d’un échographe Doppler
II. L’interaction entre la matière et les rayons X dans le diagnostic médical
1) Les ondes électromagnétiques
Une onde correspond à un transfert d’énergie sans transport de matière. C’est une perturbation sous forme vibratoire qui se propage. Ce transfert peut prendre différentes formes que sont les ondes sonores, élastiques et électromagnétiques.
Une onde électromagnétique est un phénomène vibratoire qui peut se propager dans le vide à la vitesse de la lumière. La lumière visible, les rayons ultraviolets, les infrarouges, les rayons X, les rayons gamma, les ondes hertziennes (communément appelées ondes radio) sont des ondes électromagnétiques.
La vitesse de propagation (ou célérité) d’une onde électromagnétique dépend du milieu où elle se propage. Dans le vide, elle correspond à la vitesse de la lumière c = 3,00 × 108 m.s−1(299 792 458 m.s−1 plus précisément).
La fréquence d’une onde électromagnétique est notée ν (« nu ») ou f : elle s’exprime en hertz (Hz).
La période T exprimée en seconde (s) est l’inverse de la fréquence : T = 1ν.
La longueur d’onde λ (« lambda ») est la distance parcourue en m par l’onde en une période T. Si le milieu de propagation est le vide, elle sera notée λ0.
On peut aussi écrire avec la fréquence ν exprimée en hertz (Hz) :
λ0 = cν
Exemple
Une station radio de la bande FM émet sur la fréquence de 103,5 MHz.
Dans l’air, la vitesse de propagation des ondes radio est très proche de celle observée dans le vide.
La période sera : T = 1103,5×106 = 9,66 ns
La longueur d’onde mesurera : λ = 3,00×108103,5×106 = 2,90 m.
2) Les domaines des ondes électromagnétiques
Une onde électromagnétique a une appellation différente selon le domaine de fréquence auquel elle appartient.
On retrouve ci-dessous les mêmes domaines de manière illustrée :
Remarque
Un nanomètre (nm) est un sous-multiple du mètre. 1 nm = 1,0 × 10–9 m. Cette unité est souvent utilisée pour les rayons γ, les rayons X ou la lumière visible.
3) La radiographie, principe et interprétation
Lors de la propagation à travers un milieu matériel, les rayons X peuvent être déviés par les atomes du milieu (diffusion) ou bien absorbés : c’est ce qui est recherché dans les applications médicales de la radiographie.
L’absorption d’un rayonnement X par un milieu dépend fortement de la nature des atomes :
- l’absorption est d’autant plus probable que le nombre atomique Z des atomes du matériau traversé est élevé pour une fréquence donnée ;
- un rayonnement de grande énergie (courte longueur d’onde) est moins absorbé, donc plus pénétrant qu’un rayonnement de plus faible énergie.
En radiographie, une source envoie des rayons X sur une zone du corps pour l’étudier en profondeur. Un récepteur placé de l’autre côté de la zone collecte ce qui n’a pas été absorbé. Les tissus mous absorbent peu (car ils comportent des atomes ayant des valeurs de Z faibles) et donnent une image gris clair. Les os absorbent beaucoup plus, ce qui produit une zone blanche sur le cliché.
Cependant, on n’obtient que l’image dans un plan. Pour avoir une vue en épaisseur, il faut disposer d’une source de rayons X qui tourne autour de la zone étudiée : c’est alors une scanographie de la zone. Le scanner permet une meilleure détection des anomalies physiologiques
Image obtenue par radiographie
Les rayons X sont aussi utilisés dans le traitement du cancer, c’est la radiothérapie : les cellules cancéreuses absorbent plus les rayons X que les cellules saines : elles peuvent ainsi être détruites. Les doses de rayons X reçues par le patient sont nettement plus importantes en radiothérapie qu’en radiographie.
Les manipulateurs radio doivent être protégés contre ces rayonnements et porter un dosimètre permettant de savoir s’ils n’ont pas reçu une dose trop importante au cours de l’année.
