Les ondes ultrasonores appliquées à l'échographie

Présentation
|Classe : 1ère |Enseignement : |
| |Physique-chimie STIDD-STL | |THEME du programme : SANTE |Sous-thème : Quelques outils du |
| |diagnostic médical | |Les ondes ultrasonores appliquées à l'échographie. |
Problématique générale de la séquence : Introduire le fonctionnement d'un
échographe de manière à en saisir les notions physiques mises en jeu.
Organisation de la séquence Durée :3h 2h pour le TP + 1h pour l'exploitation des phénomènes dans
l'échographie. Position dans la progression de l'année : Progression succincte en
activités, après onde mécanique et onde progressive (notion d'ondes
transversale et longitudinale, période, fréquence et longueur d'onde). Titre de (des)l'activité(s)décrites dans la ressource : Les ondes
ultrasonores appliquées à l'échographie.
Problématique de l'activité
À travers l'analyse du fonctionnement d'un échographe étudier les notions
de célérité, réflexion, transmission et atténuation d'une onde ultrasonore.
Objectifs visés . Comprendre le fonctionnement d'une échographie.
. Déterminer la célérité de l'onde dans l'air.
. Etudier les phénomènes de réflexions, transmission et atténuation.
. Savoir interpréter l'écho d'une onde ultrasonore Type d'activité . Activité expérimentale
. Activité documentaire
. Démarche d'investigation Pré-requis . Savoir mesurer une amplitude et un retard sur l'oscilloscope.
Extrait du BOEN
|Notions et contenus |Compétences attendues |
|Ondes mécaniques : ondes |- Associer la propagation d'une |
|progressives. |onde à un transfert d'énergie |
| |sans déplacement de matière. |
| |- Distinguer une onde longitudinale|
| |d'une onde transversale. |
| |- Définir quelques grandeurs |
| |physiques associées à une onde |
| |mécanique : célérité, amplitude, |
| |période, fréquence, longueur |
| |d'onde. |
Compétences transversales (Préambule des programmes et socle commun) . Mobiliser ses connaissances
. Formuler des hypothèses
. Raisonner, argumenter |Mots clés de recherche : présentation, ondes, transversale, |
|longitudinale | |Provenance : Académie de Nancy-Metz |
|Adresse du site académique : |
Les ondes ultrasonores appliquées à l'échographie. Objectifs : . Être capable de déterminer la célérité d'une onde ultrasonore.
. Étudier les phénomènes de réflexions, transmission et atténuation.
. Savoir interpréter l'écho d'une onde ultrasonore
. Comprendre le principe d'une échographie Matériel. . Émetteur et récepteur ultrason 40kHz.
. GBF, générateur de salves.
. Un oscilloscope.
. Une règle graduée.
. Parois en bois, polystyrène, mousse.
. Mouchoir en papier.
. Boite de simulation d'échographie. Prérequis. . Notion d'onde progressive.
. Savoir mesurer une amplitude et un retard sur l'oscilloscope.
Détermination de la célérité. Exemple de protocole :
Afin de mesurer la vitesse de propagation des ultrasons dans l'air, on
propose le dispositif suivant : [pic] Générer une salve ultrasonore à l'aide d'un générateur de salve ou d'un GBF
en créneau 100Hz. Mesurer les signaux électriques de l'émetteur et du récepteur sur les deux
voies de l'oscilloscope. Exploitation de la mesure :
Exploiter les oscillogrammes afin de déterminer la célérité de l'onde
ultrasonore dans l'air. Commentaires :
On laissera aux élèves l'initiative du cheminement permettant de trouver la
solution. On pourra donner des pistes en demandant, par exemple, de placer
le récepteur à une distance double et d'observer la modification des
oscillogrammes. Attention aux réflexions multiples si l'émetteur et le récepteur sont trop
proches.
Réflexion, transmission et atténuation. On veut étudier le comportement de l'onde lorsqu'elle rencontre un
matériau.
1 Exemple de protocole expérimental : [pic] Régler le GBF de manière à délivrer une tension sinusoïdale de fréquence de
40 KHz et d'amplitude maximale. Mesurer les signaux de l'émetteur et du récepteur sur les deux voies de
l'oscilloscope. Commentaire :
Le GBF délivre une tension sinusoïdale à la fréquence de résonnance des
sondes afin d'avoir un maximum de puissance émise.
2 Amplitude du signal reçu sans obstacle. Exemples de question :
Proposer un protocole qui permet de mesurer l'amplitude du signal reçu sur
le récepteur lorsque l'onde parcourt la distance équivalente au montage ci-
dessus avec le récepteur en position 1, et qu'elle ne subit aucun obstacle. Régler finement la fréquence du GBF afin que l'amplitude du signal reçu par
le récepteur soit maximale. Relever l'amplitude A du signal reçu. Éléments de réponse :
On laissera l'initiative aux élèves de placer la sonde réceptrice à 2d. La
mesure de l'amplitude doit être faite avec précision pour pouvoir la
comparer aux mesures suivantes.
3 Etude de la réflexion. Exemples de question :
Placer le récepteur en position 1 et mesurer l'amplitude AR du signal
réfléchi sur les parois de différents matériaux (bois, mousse, polystyrène,
...). Déterminer le coefficient de réflexion AR pour chaque matériau. [pic] Éléments de réponse.
Une mesure précise du coefficient de réflexion est difficile à réaliser. On
peut toutefois montrer que pour ces trois matériaux le coefficient est
différent (environ 0 pour la mousse ; 0,5 pour le polystyrène et 1 pour le
bois).
4 Etude de la transmission et de l'atténuation. Exemples de question :
Pour un papier mouchoir le plus fin possible, placer la sonde réceptrice en
1 puis 2 et mesurer l'amplitude du signal pour chaque position. Commenter
les résultats. Pour plusieurs épaisseurs du mouchoir, mesurer l'amplitude sur le récepteur
lorsqu'il est en position 2. Commenter les résultats. Commentaires :
Mettre en évidence l'atténuation dans un matériau est difficile, car
l'atténuation est très rapide. L'avantage du mouchoir en papier et que l'on
peut facilement l'effeuiller. Il faudra veiller à garder la feuille tendue
devant la sonde. La mesure de l'atténuation sera qualitative.
Détermination de la distance d'un objet en fonction de l'écho. Exemples de question :
En réinvestissant les phénomènes vus précédemment, proposer un protocole
qui permet de mesurer la distance d'un objet à partir d'un émetteur et d'un
récepteur à ultrasons. Réaliser les mesures. Commentaires :
Dans cette partie il faut que l'élève puisse réinvestir les études
précédentes. On pourra éventuellement le mettre sur la piste en précisant
qu'il s'agit des phénomènes de réflexion et de célérité de l'onde
ultrasonore dans l'air.
Etude de l'écho reçu lors d'une échographie. Exemple de protocole :
On utilise une série d'obstacles semi-réfléchissants qui permet de simuler
une échographie (voir annexe). [pic] Exemples de question :
Étudier le signal reçu et l'exploiter pour déterminer la distance de chaque
objet. Commenter l'amplitude des réflexions lointaines. Études complémentaires : . Retirer une grille et constater.
. Déplacer une grille et constater.
. Etudier la distance minimale détectable entre deux grilles et la
comparer à la longueur du train d'onde. Demander aux élèves comment
ils imaginent le train d'onde afin d'améliorer la résolution d'une
image en échographie.
Commentaires :
Cette activité doit permettre de vérifier la compréhension des phénomènes
de célérité, réflexion et atténuation. Elle est aussi une préparation à
l'étude échographique ci-dessous. Attention lorsque les parois sont trop proches, les ondes réfléchies se
chevauchent. Lorsqu'elles sont en opposition, on obtient un signal nul sur
l'oscilloscope qui peut être mal interprété par l'élève. Etude de l'échographie. L'échographie est un procédé utilisant les propriétés des ondes
ultrasonores afin d'obtenir des images de l'intérieur du corps humain. Lorsque l'on émet une onde ultrasonore sur la peau, l'onde va se propager à
l'intérieur du corps humain. A sa rencontre avec des tissus une partie va
être transmise, l'autre réfléchie. En fonction de la nature des tissus, le
signal est plus ou moins réfléchi. Par exemple une onde est réfléchie dans
sa presque totalité lorsqu'elle rencontre un os. Par contre une poche d'eau
ne réfléchit aucun signal. Pour réaliser une échographie, on va émettre une salve ultrasonore pendant
un temps très court et on mesure l'écho de cette salve. Cet écho est
récupéré afin de construire une image après traitement du signal L'échographe est composé de 2 éléments principaux : la sonde et
l'équipement qui effectue le traitement de signal.
1 La sonde échographique. [pic] La sonde échographique permet d'émettre les ondes ultrasonores et de
récupérer le signal réfléchi par le corps humain. Elle conditionne la
qualité de l'image Les 3 composants de base de la sonde sont : La céramique.
Elle est constituée de cristaux piézoélectriques qui ont la prop