Santé 1 : Les ondes en médecine

I) Les ondes sonores

1) Domaines de fréquences des ondes sonores

Le son se propage grâce aux vibrations de la matière. Dans l'air la vitesse du son est de 340 m.s^-1. Dans les liquides et les solides la vitesse est encore plus élevée.

2) L'écho

a) Principe de l'écho
Lorsqu'une onde ultrasonore atteint un obstacle, elle est en partie réfléchie. La mesure de la durée de l'aller-retour entre l'émetteur-récepteur et l'obstacle permet de calculer la distance les séparant, connaissant la vitesse de l'onde dans le milieu.

Exemple : le sonnar.
Le bateau envoie des ultrasons vers le fond marrin. Le signal émis et le signal reçu sont analysés grâce à un oscilloscope.

La durée de l'allé-retour est de Δt = 6×50 ms = 300 ms.
La vitesse du son dans l'eau étant de v = 1500 m.s^-1, on trouve une distance entre le bateau et le fond de :

b) Application à l'échographie
L'échographie est une technique utilisant des ultrasons de fréquences comprises entre 2 MHz et 20 MHz. La sonde échographique est constitués de plusieurs émetteur-récepteur pointant dans des directions différentes, lorsque les ultrasons se propagent dans le corps ils sont plus ou moins réfléchis par les parois séparant deux milieux différents. La partie réfléchie est reçue par la sonde et analysée par un système informatique.

II) Les ondes électromagnétiques

1) Domaines de fréquences

2) Le réflexion

a) Principe de la réflexion
Lorsqu'un faisceau de lumière monochromatique se propageant dans un milieu d'indice de réfraction n₁ rencontre un autre milieu d'indice de réfraction n₂, une partie de ce faisceau :
- passe dans le deuxième milieu : c'est la réfraction ;
- reste dans le premier milieu : c'est la réflexion.
Le rayon lumineux qui reste dans le premier milieu est appelé rayon réfléchi, et l'angle entre la normale au dioptre et le rayon réfléchi est appelé angle de réflexion, noté i'

b) Les lois de Snell-Descartes
Première loi : Le rayon réfléchi appartient au plan d'incidence.
Deuxième loi : Les angles d'incidence et de réflexion vérifie la relation i = i'

c) La réflexion totale
Lorsque l'indice de réfraction n₂ du second milieu est inférieur à l'indice de réfraction n₁ du premier milieu, il n'y a pas toujours de rayon réfracté.
Il existe un angle d'incidence limite i_l au-delà duquel la lumière est totalement réfléchie.

Sur les schémas a) et b) l'angle d'incidence est plus petit que l'angle limite, il existe un rayon réfracté.
Sur le schéma c) l'angle d'incidence est plus grand que l'angle limite, le rayon est totalement réfléchi.

On peut calculer cet angle limite à l'aide de la loi de Snell-Descartes pour la réfraction :
L'angle réfracté maximum est égal à 90°, on a :

3) Applications au diagnostic médical

a) La fibroscopie
Technique utilisant des fibres optiques. La lumière est guidée dans la fibre par une succession de réflexions totales.
Un fibroscope est constitué de plusieurs fibres optiques. Certaines conduisent la lumière d'un lampe jusque dans la zone observée, et les autres conduisent la lumière issue de la zone jusqu'à l'oil du médecin.

b) La radiographie et le scanner
Ces deux techniques utilisent les rayons X (fréquence supérieur à 1018 Hz). L'absorption plus ou moins importante de ces ondes par les parties du corps permet d'obtenir une image.

c) L'IRM (imagerie par résonnance magnétique)
L'IRM repose sur le principe de a RMN (résonance magnétique nucléaire). Un champ magnétique important et des ondes radio stimulent les atomes d'hydrogène qui produisent à leur tour des ondes électromagnétiques mesurables, différentes suivant les interactions qu'ont ces atomes dans le corps.

Bilan du chapitre

- Je sais reconnaitre le caractère périodique d'un signal.
- Je connais les lois de Descartes sur la réflexion.
- Je connais la valeur de la vitesse du son dans l'air.