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Des ondes pour explorer le corps humain

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Seconde – Sciences Physiques et Chimiques
2ème
Partie : La santé – Chapitre 5
Activité n°5.3
documentaire
Des ondes pour explorer le corps humain
1  Le recours aux ondes mécaniques et électriques
Les ondes mécaniques sont particulièrement utilisées en médecine :
ainsi, le stéthoscope inventé par René Laënnec au XIXème siècle est
toujours utilisé pour l’auscultation des patients (auscultation médiate).
D’autres techniques ont depuis fait leur apparition : celles basées sur les
ondes ultrasonores (échographie, Doppler) ou celles utilisant
l’électricité.
1.1  L’échographie
L’image échographique est obtenue à partir d’un faisceau d’ultrasons, ondes sonores imperceptibles à l’oreille humaine.
Les fréquences utilisées s’échelonnent de 1 à 20 MHz, en fonction de l’organe exploré.
Dans l’air, la vitesse des ultrasons est de 340 m.s–1 ; dans l’eau, de 1 480 m.s–1 ; dans les tissus mous (peau, graisse, foie,
muscles, …), elle varie entre 1 450 et 1 600 m.s–1 ; dans les os, de 2 100 à près de 5 000 m.s–1.
Chaque fois qu’un faisceau d’ultrasons rencontre une interface, c’est-à-dire un
changement de milieu de propagation, une partie des ultrasons est réfléchie. La
proportion d’ultrasons réfléchis est faible au niveau d’une interface entre deux
tissus mous (6% pour l’interface foie-rein), importante (40%) au niveau d’une
interface tissus mous-os, et quasi-totale au niveau d’une interface tissus mous-air.
Une sonde, en contact avec la peau sur laquelle on a appliqué un gel, est déplacée
sur la zone étudiée. Elle émet des salves (paquets d’ondes) brèves d’ultrasons et
recueille les échos (sons réfléchis). La durée qui sépare l’émission de la réception
de chaque écho est mesurée et interprétée informatiquement. On obtient
finalement des images représentant des coupes de l’organe, visualisé à différentes
profondeurs.
L’échographie Doppler utilise un effet physique bien connu (à l’origine du « niiiaaaan »
des bolides qui passent devant vous) permettant d’estimer la vitesse des corps en
mouvement. Elle permet par exemple de suivre la circulation sanguine dans les
vaisseaux et de mesurer les débits correspondants.
Ci-contre, l’échographie Doppler du cordon ombilical d’un fœtus permet de vérifier son
bon fonctionnement.
Schématisation de l’échographie au laboratoire.
Dans la boîte, un objet.
Le balayage de temps est de 0,5 ms/div.
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Questions sur l’échographie
1. De quoi dépend la vitesse du son ?
2. De quoi semble dépendre la réflexion des ondes ?
3. Interpréter la photo de l’écran de l’oscilloscope obtenu au laboratoire.
4. Expliquer le rôle du gel entre la sonde et la peau.
5. Pourquoi utilise-t-on des ondes ultrasonores de fréquence de plus de 1 MHz pour l’échographie ?
6. Une sonde, jouant le rôle d’émetteur et de récepteur, envoie une impulsion ultrasonore de faible durée en
direction du crâne d’un patient. L’onde pénètre dans le crâne, s’y propage à la vitesse v = 1 500 m.s–1 et s’y
réfléchit chaque fois qu’elle change de milieu. Les signaux réfléchis génèrent des échos qui, au retour de la sonde,
y engendrent une tension électrique très brève.
Principe de l’échographie cérébrale
Exemple de résultats
a. A quoi sont dus les pics P0, P1, P2 et P3 ? Les identifier clairement.
b. En déduire la largeur de chaque hémisphère cérébral du patient étudié.
1.2 – Principe de l’électrocardiographie
L’électrocardiographie (ECG) est une technique médicale basée sur la
mesure du potentiel électrique qui commande l’activité du cœur.
Cette mesure est faite à l’aide d’électrodes épidermiques placées en
des points précis permettant de relever une activité cardiaque en trois
dimensions.
L'onde P représente le passage du courant dans le noeud auriculo-ventriculaire.
L'onde QRS représente le trajet du courant à travers les ventricules.
L'onde T représente la repolarisation des ventricules
Un exemple d’enregistrement ECG (ou électrocardiogramme)
Ceci est l’échelle du graphe : 25 mm représentent 1 seconde.
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Position des électrodes et signaux obtenus
Troubles du rythme cardiaque
Pour les enregistrements ci-dessous, la vitesse de déroulement du papier est v = 25 mm/s.
ECG n°2
ECG n°1
ECG n°3
Questions
a. Déterminer la fréquence de battement de chacun des cœurs correspondants aux ECG ci-dessus. Les résultats seront
exprimés en battements par minutes.
b. À partir des réponses précédentes, proposer une définition des termes « bradycardie » et « tachycardie ».
c. Rechercher dans un dictionnaire ou sur Internet la définition des termes « bradycardie » et « tachycardie » et les
comparer aux réponses à la question précédente.
1.3 – Principe de l’électroencéphalogramme
L’électroencéphalogramme (EEG) est l’enregistrement de l’activité électrique du cerveau, recueillie au niveau du cuir
chevelu et amplifiée environ un million de fois. A la manière de l’électrocardiogramme pour le cœur, il restitue une
image de l’activité électrique cérébrale.
L’EEG normal chez l’adulte éveillé
L’EEG standard est enregistré chez le patient éveillé, au repos, détendu et les yeux fermés. On étudie l’influence de
l’ouverture des yeux, de périodes d’hyperpnée, de la stimulation lumineuse intermittente. Dans ces conditions, on
observe
 le rythme alpha, constitué d’ondes régulières de fréquence comprise entre 8 et 12 Hz, et dont l’amplitude varie de
25 à 100 mV.
 les rythmes rapides ou beta, de 13 à 30 Hz, de plus faible amplitude (de 5 à 15 mV).
L’ouverture des yeux fait disparaître le rythme alpha tout en conservant les rythmes rapides.
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EEG et sommeil
Au cours de la somnolence et du sommeil, on distingue plusieurs stades
 Stade 1 (somnolence) : le rythme alpha est remplacé par des rythmes delta mais réapparaît après les stimulations
mêmes faibles
 Stade 2 (sommeil léger) : on recueille des figures caractéristiques, favorisées par les stimulations faibles
 Stade 3 (sommeil lent) : il existe des rythmes delta généralisés surchargés d’activités plus rapides
 Stade 4 : l’activité lente persiste, les rythmes plus rapides disparaissent. Les stimulations plus ou moins fortes
modifient les rythmes lents.
EEG et pathologie
L’EEG permet de détecter des perturbations d’origine fonctionnelle ou lésionnelle, d’apprécier leur importance, de
préciser éventuellement leur localisation et de suivre leur évolution. C’est aussi un examen performant pour étudier
d’une part les troubles de la vigilance, d’autre part les expressions paroxystiques plus ou moins rattachées aux
manifestations épileptiques.
Les anomalies du tracé consistent en une modification des
fréquences et de l’amplitude, permanente ou transitoire, du
tracé, et en la présence de figures anormales.
La présence d’ondes lentes traduit le plus souvent une
souffrance cérébrale qui peut être généralisée ou localisée. Les
rythmes delta ont une fréquence inférieure à 3 Hz, jusqu’à un
demi voire un tiers de hertz. Ils sont pathologiques chez
l’adulte éveillé et permettent de suivre l’évolution d’une
souffrance cérébrale.
L’EEG est utile pour rechercher si un trouble neurologique est
transitoire ou si un malaise est de nature épileptique. Sa fiabilité
est particulièrement bonne si un malaise survient au cours de
l’enregistrement (voir ci-contre). Il permet alors d’étiqueter les
crises d’épilepsie et leur type (grand mal, petit mal, crises
focales), les épisodes lipothymiques ou syncopaux (surtout si
l’ECG est également enregistré). Les malaises « fonctionnels »
ne s’accompagnent d’aucune modification électrique.
1.4 – Autres applications de l’électricité : l’électricité curative
Des phénomènes naturels électriques étaient connus et utilisés à des fins médicales dès la haute Antiquité égyptienne. Les
décharges électriques produites par l'organe électrique des poissons-chats sont illustrées dans un bas-relief du Mastaba
de Ti à Saqqarah, datant de -2400 environ. On sait aussi que les médecins de l'empire romain utilisaient les décharges
générées par le poisson torpille pour traiter certains cas.
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Au XVIIIe siècle, le physicien genevois Jean Jallabert, utilisant une machine
électrostatique produisant des étincelles constate que l'électrisation en des points précis
des différents muscles est capable de produire des contractions isolées de ces muscles.
En 1748, il parvient à obtenir une amélioration notable en dirigeant l'arc électrique sur
les muscles extenseurs de l'avant-bras, chez un patient ayant un bras paralysé, bien que
le caractère durable de cette amélioration soit ensuite contesté par l'abbé Nollet ; l’élève
de Nollet, Sigaud de Lafond, posera les bases de l’électricité médicale
(www.sigauddelafond.fr). En août 1783, Jean-Paul Marat se voit décerner le prix de
l'Académie de Rouen pour son Mémoire sur l'électricité médicale. Pour atténuer les
douleurs produites chez ses patients par les décharges électriques administrées durant
les séances (celles-ci pouvant durer jusqu'à trois heures), il a l'idée de distraire
l'attention de ses malades en faisant intervenir un conteur.
Aujourd’hui, la neurostimulation électrique transcutanée (NSTC), mieux connue sous
son sigle anglo-saxon TENS (Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation) consiste à
stimuler électriquement les nerfs au moyen d’électrodes posées à la surface de la peau.
La principale indication de la TENS est le traitement de la douleur. Son action
analgésique serait due au fait que les courants transcutanés interféreraient avec la
conduction nerveuse. Les courants utilisés sont généralement des courants oscillants à
moyenne (60 - 200 Hz) ou basse fréquence (< 10 Hz).
2  Le recours aux ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques de courte longueur d’onde (de fréquence élevée)  telles que les rayons X ou les rayons
gamma  sont extrêmement pénétrantes et permettent, à dose raisonnée, de sonder le corps humain.
2.1 – La fibroscopie
Une fibre optique est un fin tuyau constitué d’un cœur entouré d’une gaine. Le
cœur et la gaine sont fabriqués avec des matériaux transparents choisis de telle
sorte que la lumière a une vitesse plus faible dans le cœur que dans la gaine.
Lorsque la fibre est éclairée à une extrémité, la lumière est transmise à l’autre
extrémité en restant confinée dans le cœur de la fibre, quelle que soit la courbure
de celle-ci.
Dans un fibroscope, les fibres optiques permettent d’éclairer la zone à explorer et
d’en transmettre une image.
Alors que la fibre optique est constituée
de matériaux transparents, comment la
lumière y reste-t-elle piégée ?
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Le cœur et la gaine sont constitués de
matériaux transparents. Dans les fibres dites
« à saut d’indice », l’indice de réfraction du
cœur est supérieur à celui de la gaine.
Expliquer et représenter le trajet d’un rayon
lumineux à l’intérieur du cœur de la fibre.
2.2  La radiographie
La radiographie médicale a fait son apparition au début du XXème siècle.
Les rayons X sont des ondes électromagnétiques de hautes fréquences, de l’ordre de 1017 à 1019
Hz. Comme l’énergie d’une onde augmente avec sa fréquence, ces rayons possèdent une
énergie importante et pénètrent facilement la matière. On les utilise en radiographie.
Au cours de leur trajet dans la matière organique, les rayons X subissent une atténuation, qui
dépend de la composition et de l’épaisseur des structures rencontrées. Par ordre croissant
d’opacité, on distingue notamment : l’air, la graisse, l’eau (tissus mous et liquides) et l’os.
Les rayons non absorbés sont recueillis sur une surface sensible aux rayons X (plaque photo ou
capteur informatique) : les zones les plus sombres sur l’image correspondent aux tissus
transmettant le mieux les rayons X – on obtient une sorte de « négatif photo » du corps.
L’utilisation de produits de contraste (en angiographie, par exemple) permet de visualiser des
parties molles du corps (vaisseaux, intestins) : opaques aux rayons X, ces produits mettent en
valeur les structures dans lesquelles ils se répandent.
Utilisation de produits de contraste : les vaisseaux cardiaques deviennent
visibles. On note ici la présence d’une sténose (rétrécissement)
probablement liée à la formation d’un athérome (agglomérat dans le
vaisseau). Le médecin procèdera à la pose d’un stent, petit ressort
permettant de ré-écarter les parois du vaisseau au niveau du
rétrécissement.
1.
2.
3.
Quel type d’ondes électromagnétiques est évoqué dans le document ?
De quoi dépend le pouvoir pénétrant des ondes ? Peut-on utiliser des ondes électromagnétiques de fréquence
quelconque en radiographie ?
Pour se protéger des rayons X, dangereux en cas d’exposition répétée, le radiologue se place derrière un écran de
plomb : qu’en déduire sur le plomb ?
2.3  L’Imagerie par Résonance Magnétique nucléaire (IRM)
En appliquant une combinaison d'ondes électromagnétiques à haute fréquence sur une partie du corps et en mesurant le
signal réémis par certains atomes (en particulier l'hydrogène), il est possible de déterminer la composition chimique et
donc la nature des tissus biologiques en chaque point du volume auquel les gradients (variations) de champ magnétique
ont été appliqués. C'est le principe exploité par la RMN (Résonance Magnétique Nucléaire), technique initialement
développée et utilisée en chimie, qui a donné l’IRM utilisée en médecine.
Grâce aux différentes séquences, on peut observer les tissus mous avec des contrastes
plus élevés qu'avec la tomodensitométrie ; en revanche, l'IRM ne permet pas l'étude
des corticales osseuses (tissus « durs ») trop pauvres en hydrogène.
L’IRM dite fonctionnelle (IRMf) permet de suivre l’activité des organes en temps réel.
 Pourquoi les objets ferromagnétiques doivent-ils être retirés lors de l’examen ?
L’IRMf permet d’identifier, sur ce cliché, les
régions cérébrales impliquées dans l’activation de
la perception visuelle.
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2.4  Le scanner (ou tomodensitométrie ou CT-scan)
Il s’agit – pour simplifier – d’un appareil de radiographie tournant.
Dans les appareils modernes, l'émetteur de rayons X (tube à rayons
X ou CT, pour Cathodic Tube) effectue une rotation autour du patient
en même temps que les récepteurs situés en face, et qui ont pour
fonction de mesurer l'intensité des rayons après qu'ils ont été
partiellement absorbés durant leur passage à travers le corps. Les
données obtenues sont ensuite traitées par ordinateur, ce qui permet
de recomposer des vues en coupes bidimensionnelles puis des vues
en trois dimensions des organes. On peut faire ressortir le contraste
de certains tissus, en particulier des vaisseaux sanguins, en injectant
un produit dit « de contraste » (un complexe de l'iode) qui a la
propriété de fortement absorber les rayons X et donc de rendre très
visibles les tissus où ce produit est présent (qui apparaissent alors
hyperdenses, c'est à dire plus "blancs" sur l'image). Grâce aux
tomodensitomètres
multidétecteurs
(ou
multi-barrettes)
à
acquisition spiralée (déplacement lent de la table d'examen durant
l'acquisition), on obtient depuis les années 1990 une exploration très
précise d'un large volume du corps humain pour un temps
d'acquisition de quelques secondes.
Le traitement informatique est essentiel pour pouvoir interpréter les données recueillies et créer des images exploitables.
2.5  La scintigraphie et le PETscan (Tomographie par Emission de Positons)
Dans ces techniques d’imagerie fonctionnelle, il s’agit d’administrer au patient des substances radioactives à faible dose à
l’aide de molécules vectrices caractéristiques des organes à observer.
La scintigraphie utilise une caméra sensible
aux rayonnements gamma résultant de la
désintégration radioactive.
Ci-contre, une scintigraphie
cardiaque.
Le PET-scan utilise des substances qui émettent des positons (antiparticule de l’électron) qui, en s’annihilant en présence
de matière, émettent des photons détectés par gamma-caméra.
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