Quelques outils du diagnostic médical

Merci !

Fiches
Classe(s) : Tle STI2D - Tle STL | Thème(s) : Quelques outils du diagnostic médical

Quelques outils du diagnostic médical

Les ondes électromagnétiques ont de nombreuses applications dans le domaine médical. Les plus connues sont l’utilisation des rayons X en radiographie et radiothérapie, des infrarouges en thermographie.

1Le rayonnement électromagnétique

Au chapitre 1, nous avons défini les ondes électromagnétiques et leurs caractéristiques principales.

La vitesse (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.s1

La fréquence d’une onde électromagnétique est notée ν ou f : elle s’exprime en Hertz (Hz).

La période T exprimée en seconde (s) est l’inverse de la fréquence T = 1/ν.

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.

l0=c×T=cuoù :  λ= longueur d’onde dans le vide (m)

 T = la période en seconde (s)

 c = 3,00 × 108 m.s1 la célérité de la lumière dans le vide.

Les ondes électromagnétiques émises par une source constituent le rayonnement de cette source. Ainsi, le soleil émet des ondes électromagnétiques dans une large bande de fréquence depuis les rayons gamma jusqu’aux rayons infrarouge.

A Les domaines des ondes électromagnétiques

PB_9782216133727_T_STI2D-STL_02_Phys_Chimie_Tab_13

 1,0 × 103 nm 10 nm 400 nm 800 nm 1 mm

B Le rayonnement du « corps noir » : la loi de Wien

Le rayonnement est lié à la température : lorsque l’on fait passer un courant plus élevé dans le filament d’une ampoule, alors la température du filament augmente et l’ampoule brille plus fortement. Sa couleur évolue avec la température.

La matière peut émettre ou absorber des ondes électromagnétiques. La température est un facteur important qui modifie certaines caractéristiques du rayonnement émis ou absorbé, comme par exemple sa longueur d’onde ou son intensité. D’autres facteurs comme la composition chimique du corps sont importants aussi.

Pour étudier le rayonnement des corps, on considère un corps théorique opaque, isolé et maintenu à température constante. Il porte le nom de « corps noir ».

Lorsque l’on augmente la température d’un corps noir, on obtient des courbes d’intensité de la lumière en fonction de la température : ces courbes ont toutes la même forme et peuvent s’emboîter.

12050_02_83_stdi

On remarque que ces courbes passent par un maximum qui évolue avec la température : plus la température augmente et plus la longueur d’onde λm correspondant au maximum diminue. La température du corps et la longueur d’onde λm évoluent dans des sens différents.

Les calculs réalisés à partir des expériences ont montré que la longueur d’onde λm qui correspond au maximum de rayonnement, est inversement proportionnelle à la température absolue T. Le produit de la longueur d’onde lm par la température absolue est donc une constante.

λm T = 2,9 × 103 K.m où :  λ: longueur d’onde correspondant au maximum d’émission (m)

T : température absolue (K)

Cette loi s’appelle la loi de Wien.

Un corps noir rayonne donc dans toutes les longueurs d’onde mais préférentiellement dans un domaine particulier.

EXEMPLE

12050_02_84

La température du filament d’une lampe à incandescence à halogène H3 utilisée dans le domaine automobile est de 3 200 °C. On considère ce filament comme un « corps noir ».

Quelle est la valeur de λ: longueur d’onde correspondant au maximum d’émission (m) ?

Il faut exprimer la température absolue du filament en K soit :

T = 3 200 + 273 = 3 473 K

λm=2,9×1033473=834 nm

Cette longueur d’onde est à la frontière entre le domaine visible et celui des infrarouges, ce qui explique que cette lampe donne une lumière un peu jaune tout en dégageant de la chaleur.

C La puissance rayonnée

La puissance totale rayonnée par un corps noir dépend de la température absolue. Elle a été mise en équation dans la loi de Stefan :

P = σ.S.T4où : σ : constante σ = 5,67 × 108 USI

S : aire de la surface (m2)

 T : température du corps noir (K)

 P : puissance rayonnée (W).

On voit que la puissance rayonnée augmente très vite avec la température. Cela explique ainsi l’énorme puissance rayonnée par le soleil dont la température atteint 5 800 K.

Exercice

Énoncé

En admettant que le soleil soit une sphère parfaite de diamètre 1 390 000 km assimilable à un « corps noir » parfait de température de 5 800 K :

1. Calculer l’aire de sa surface.

2. Calculer la longueur d’onde λm correspondant au maximum d’émission (m).

3. Calculer la puissance dissipée par le soleil.

Corrigé

1. La surface de la sphère vaut S=×D2 = ×1,39×1092=6,1×1018ÔøΩm2

2. La longueur d’onde qui correspond à l’intensité maximale émise par le soleil est de

λm=2,9×1035800=504ÔøΩnm. Cette longueur d’onde est caractéristique de la couleur jaune.

3. La puissance totale rayonnée par le soleil s’élève à :

 P=5,67×108×6,1×1018×58004=3,9 × 1026W

D L’absorption et la transmission des ondes électromagnétiques

Un milieu absorbe différemment les ondes électromagnétiques. Tout ce qui n’est pas absorbé est alors transmis.

Lorsqu’une onde électromagnétique rencontre un milieu autre que le vide, une partie de l’onde excite les atomes de surface du milieu. Ceux-ci reviennent à leur état d’énergie initial en émettant une onde, qui excite, à son tour, un atome voisin. Une onde électromagnétique secondaire se propage ainsi, de proche en proche, dans le matériau. En général, l’énergie de l’onde incidente n’est pas intégralement convertie dans cette onde secondaire.

Dans le cas de l’ultraviolet, l’onde excite directement les électrons de l’atome. Si le rayonnement est proche de l’infrarouge, les molécules peuvent se mettre à vibrer comme des ressorts. Enfin, quand un matériau est inondé de micro-ondes, les molécules peuvent se mettre à tourner sur elles-mêmes. Une partie de l’énergie peut ainsi être dissipée sous forme de chaleur : cela correspond à l’absorption de l’onde. Si l’absorption est forte, le milieu apparaît opaque. Dans le cas contraire, il semble transparent. Les fréquences auxquelles surviennent ces phénomènes dépendent de la nature du matériau.

EXEMPLE

C’est ce qui se produit dans le corps lors d’une radiographie : les rayons X sont absorbés par les os et mais pas par les tissus mous. De même, le verre absorbe les ultraviolets mais est transparent pour la lumière visible. On ne peut pas bronzer derrière une vitre en verre.

2Les champs magnétiques

Le champ magnétique est une grandeur définie en tout point de l’espace, caractérisée par la donnée d’une intensité et d’une direction, et déterminée par la position et l’orientation d’aimants, d’électroaimants et le déplacement de charges électriques. Il existe :

12050_02_85

– des champs magnétiques qui peuvent se propager. C’est le cas du champ magnétique qui forme, avec le champ électrique, les deux composantes du champ électromagnétique à l’origine des ondes électromagnétiques (voir chapitre 1, La gestion de l’énergie dans l’habitat) ;

– des champs magnétiques statiques, ce qui signifie qu’intensité et direction de ce champ sont invariables dans le temps. C’est le cas du champ magnétique crée par un aimant fixe ou un courant continu. On peut détecter la présence de ce champ par l’existence d’une force (force de Lorentz) qu’il impose aux charges électriques qui se déplacent là où il existe.

A Les caractéristiques du champ magnétique

1. Notation

Habituellement, on note B un champ magnétique. Cette écriture vectorielle indique, qu’en tout point de l’espace, on peut définir sa valeur : la norme de B et sa direction symbolisée par la flèche.

2. Unités

L’unité moderne utilisée pour quantifier la valeur du champ magnétique est le tesla (T). C’est une unité dérivée du système SI. On définit un tesla par un flux d’induction magnétique d’un weber (Wb) par mètre carré :

1 T = 1 Wb.m-2 = 1 kg.s2.A1

3. Intensité : quelques ordres de grandeur

Dans l’espace interplanétaire, le champ magnétique est compris entre 1010 et 108 T. Certaines étoiles à neutrons peuvent avoir un champ magnétique de 107 T.

Sur Terre, le champ magnétique est de l’ordre 30 µT à l’équateur et de 60 µT à la latitude de la France.

Avec un aimant au néodyme-fer-bore (NdFeB), on peut produire un champ de 1,2 T.

Dans le domaine médical, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) utilise des champs magnétiques de valeur pouvant atteindre 5 T. De même, les spectromètres à résonance magnétique nucléaire (RMN) peuvent atteindre 20 T.

4. Production des champs magnétiques

On distingue :

– les aimants permanents d’origine naturelle telle que la magnétite (Fe3O4) et les ferrites (oxydes mixtes d’un métal divalent et de fer) ;

– les électro-aimants classiques : c’est la circulation d’un fort courant électrique dans un solénoïde (bobine) qui crée le champ magnétique ;

Les électro-aimants supraconducteurs : ils exploitent la propriété de certains matériaux de n’opposer plus aucune résistance à la circulation d’un courant électrique lorsqu’ils sont à très basse température (quelques K). En faisant circuler un très fort courant électrique dans un bobinage à enroulement supraconducteur, on peut obtenir des intensités de champ magnétique de quelques teslas.

La technologie des électro-aimants supraconducteurs est notamment utilisée pour :

– l’imagerie médicale citée plus haut ;

– les trains à sustentation électromagnétique (exemple le Maglev japonais) ;

– les accélérateurs de particules comme le LHC (Large Hadron Collider) du CERN à la frontière franco-suisse près de Genève ;

– les projets de fusion nucléaire tels que le futur tokamak ITER (International Tokamak Experimental Reactor) qui est en cours de construction à Cadarache (Vaucluse) pour de premiers essais en 2018.

B La visualisation des lignes de champ magnétique

En utilisant de fines aiguilles de fer, il est possible de visualiser le champ magnétique que produit un aimant permanent. Les lignes qui joignent le pôle Nord au pôle Sud constituent les lignes de champ. Les aiguilles de fer s’alignent sur ces courbes en indiquant la direction du champ. Par convention, les courbes sont orientées du pôle Nord vers le pôle Sud à l’extérieur de l’aimant.

12050_02_86

   12050_02_87