Microscopes électronique, acoustique et autres

Travail sur texte

Fiche professeur

Niveau

Section SMS, classe de première en sciences physiques.

Compétences mises en œuvre

Lecture et exploitation d’un texte scientifique.
Réinvestissement des connaissances du cours dans des situations voisines.

Objectifs

Comprendre le principe du microscope acoustique et son intérêt dans les applications biomédicales.
Réinvestir des notions rencontrées dans le programme de physique.

Travail à réaliser

Fiche élève imprimable
Les élèves doivent répondre à un questionnaire après la lecture d’un passage d’un texte relatif à la microscopie acoustique figurant dans la partie Repères de ce dossier.

Après avoir lu attentivement le texte ci-dessous relatif à la microscopie acoustique, répondre aux questions.

La microscopie acoustique (MAc)

La microscopie acoustique n’est pas de nature électromagnétique : elle utilise les ondes mécaniques que sont les vibrations acoustiques. Elle permet ainsi l’obtention d’images en profondeur. Les ultrasons apportent des informations sur les propriétés mécaniques de la matière. À une fréquence de l’ordre du gigahertz, compte tenu de la vitesse du son dans les milieux solides ou liquides, leur longueur d’onde est de l’ordre du micromètre.

Intérêt de la microscopie acoustique

Les ultrasons, rayonnements non ionisants et non destructifs, permettent un contrôle non destructif (CND) des matériaux, par l’observation des solides ou des tissus vivants sans les endommager (ultrasons de faible intensité, de quelques milliwatts à quelques centaines de milliwatts), en particulier sans recourir à une attaque chimique.

Son utilisation dans le domaine biomédical

L’intérêt majeur avec la microscopie acoustique, c’est de pouvoir observer des organes ou des tissus vivants sans les colorer et sans perturber leur fonctionnement (biopsies en salle d’opération). Les applications médicales les plus courantes utilisent des fréquences de 5 à 30 MHz, pour étudier, par micro-échographie, les structures situées par exemple sous la peau (vaisseaux sanguins sous-cutanés).
En particulier, plusieurs techniques d’imagerie par ultrasons permettent de mesurer la vitesse d’écoulement sanguin dans les vaisseaux. On trouve, d’une part des techniques utilisant l’effet Doppler (Christian Johann Doppler, 1842) : le décalage en fréquence entre l’onde incidente et l’onde réfléchie est proportionnel à la vitesse de déplacement des globules rouges ; d’autre part une technique appelée imagerie vasculaire couleur (IVC) qui permet, grâce à un traitement élaboré du signal échographique, de mesurer la vitesse des globules rouges.

À des fréquences de 400 MHz à 1 GHz, on peut explorer par microscopie acoustique des échantillons d’os ou de cartilage, étudier des pathologies telles que l’ostéoporose (par la mesure de la densité minérale de l’os) ou l’arthrose (mesure de l’élasticité du cartilage, constitué de fibres de collagène).

Questions

Les questions en italique se rapportent au cours.
Les autres questions se rapportent au texte et permettent de réinvestir les connaissances du cours.

1. Quelles sont les ondes utilisées en microscopie acoustique ? De quelle nature sont-elles ?

2. Nommer deux ondes de nature électromagnétique.

3. Les ultrasons apportent des informations sur les différents tissus traversés dans le corps humain.
Quelles sont les propriétés des ondes ultrasonores qui permettent de déterminer la nature et l'épaisseur des milieux traversés en échographie ?

4. En parlant de la microscopie acoustique, le texte précise : « Elle permet ainsi l'obtention d'images en profondeur. »
Plusieurs techniques d'imagerie médicale permettent d’obtenir des informations sur la structure de l’intérieur d’un objet opaque à la lumière, matériau vivant ou inerte ; citer deux de ces techniques que vous avez étudiées cette année.
Quelle est la nature des ondes utilisées pour chaque technique ?

5. En parlant des ultrasons, le texte précise que : « À une fréquence de l'ordre du gigahertz, compte tenu de la vitesse du son dans les milieux solides ou liquides, leur longueur d’onde (en parlant des ultrasons) est de l'ordre du micromètre. »
Exploiter cette phrase pour retrouver l'ordre de grandeur de la vitesse de propagation du son dans ces milieux en utilisant la relation V = ?f.

Propositions de réponses

1. Les ondes ultrasonores. Ce sont des ondes mécaniques.
2. Les ondes lumineuses, les ondes ultraviolettes.
3. La réflexion et la transmission des ultrasons.
4. L'échographie qui utilise les ondes ultrasonores, donc des ondes mécaniques ; la radiographie aux rayons X qui utilise des ondes électromagnétiques.
5. Ordre de grandeur de la vitesse du son dans les milieux traversés :
V = 1 000 m/s.