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Cours de Physique-chimie - Utilisation des ondes sonores et électromagnétiques, notamment en imagerie médicale

Note par nos Maxinautes :  

Objectifs
Connaître les domaines d’application des ultrasons et des ondes électromagnétiques en médecine. Comprendre principalement le principe de l’échographie et de la radiographie.
1. Utilisation des ultrasons
a. Principe de l'échographie :
L’échographie est une technique d’exploration du corps humain utilisant les propriétés des ondes ultrasonores de fréquences comprises entre 2 MHz et 10 MHz qui interagissent avec la matière par réflexion.
En effet, une onde ultrasonore se réfléchit sur une paroi d’un organe par exemple, comme une onde lumineuse sur un miroir. C’est l’onde réfléchie qui est détectée et qu’on appelle « l’écho ultrasonore ». Un traitement informatique des données récoltées permet de reconstituer l’image en coupe des organes explorés. Cette technique est très utilisée dans le diagnostic prénatal chez la femme enceinte et n’est pas dangereuse, ni pour la mère, ni pour le fœtus.

Cette technique est aussi utilisée lors d’échographie Doppler : Les ultrasons se réfléchissent sur les hématies en mouvement constituant le sang et l’écho est enregistré ainsi on peut déterminer la vitesse du sang dans les veines ou les artères.
b. Le sonar
Le sonar a été mis au point en 1906 par Lewis Nixon, un ingénieur naval américain pour localiser les icebergs responsables de nombreux naufrages. Mais c’est en 1915 que Paul Langevin utilisa le sonar pour localiser les sous-marins ennemis pendant la première guerre mondiale.

Cet appareil utilise ce principe de la transmission et la réflexion d’ondes sonores dans l’eau pour déterminer la présence d’objets et évaluer leur distance.
c. La télémétrie
Les télémètres à ultrasons sont très utilisés dans le milieu industriel. Ils permettent de déterminer une distance par la technique de l’écho.

En pratique: on mesure le temps séparant l’émission d’une salve d’ultrasons et sa réception après leur réflexion. Connaissant ce temps et la vitesse des ultrasons dans le milieu considéré, on peut mesurer la distance souhaitée.

Les chauves-souris utilisent ce principe pour localiser une proie : ça s'appelle l’écholocalisation.
2. Utilisation des ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques (caractérisées aussi par leurs fréquences qui s’échelonnent entre 1 et 1015 MHz) sont très utilisées dans de multiples domaines comme en témoigne le schéma ci-dessous :


Nous développerons uniquement le principe de la radiographie, qui est possible grâce aux rayons X, et l’utilisation des lasers en médecine.
a. Principe de la radiographie
Cette technique est basée sur le principe de l’absorption différente des rayons X (fréquence de l’ordre de 1013 MHz) selon la nature des tissus rencontrés.

Les rayons X sont plus absorbés par les os que par la chair ou que par les cavités remplies d’air. En conséquence dans un cliché de radiographie, les os apparaissent plus clairs que la chair car la plaque photographique est noircie (ou impressionnée) qu’aux endroits où elle reçoit les RX qui n’ont pas été absorbés. Ci-dessous, une radiographie des poumons :


Le scanner utilise aussi un tube émetteur de rayons X qui tournent autour du patient. Au cours de la rotation, les intensités des faisceaux X incidents et émergents sont mesurées.
Un traitement informatique des données collectées permet de reconstituer une image simple ou en 3D des organes explorés.
b. Les lasers
Les lasers sont des sources de lumière intense qui émettent généralement une seule longueur d’onde ou une seule fréquence (de l’ordre de 107 MHz) et de grande puissance. De plus, le faisceau laser est très directif. C’est une propriété remarquable en médecine car elle permet un geste médical d’une grande précision.
Différents types de laser sont utilisés en médecine en fonction du domaine d’application et de la puissance désirée. Les lasers sont utilisés en ophtalmologie dans le traitement de la myopie, ou en dermatologie pour supprimer des angiomes et en cancérologie pour détruire de petites tumeurs.
L'essentiel
Les ondes ultrasonores et les ondes électromagnétiques visibles ou invisibles sont utilisées dans un large domaine en médecine :
Soit pour le diagnostic : échographie (pour les ultrasons), radiographie RX (pour les ondes électromagnétiques).
Soit pour des traitements en cancérologie (laser et RX), en ophtalmologie ou en dermatologie (technologie laser).

D’autres sources d’ondes sont utiles également en médecine comme les ultraviolets qui permettent de soigner des pathologies de la peau par exemple.

L'utilisation des ondes dans le domaine médical présente de multiples avantages, notamment l’utilisation du laser qui a permis de ne plus recourir à une opération « au bistouri ». Mais ces technologies nécessitent du matériel performant, bien réglé, et du personnel spécialisé pour éviter toute pratique dangereuse.
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