Les ultrasons
A) Qu'est-ce qu'un ultrason ?
Tout d'abord, avant de nous intéresser au fonctionnement de l'échographie, il vous faut savoir ce qu'est un ultrason.
Les ultrasons sont des ondes sonores, ce sont donc des ondes mécaniques, c'est-à-dire qu'ils ont besoin d'un milieu matériel pour se propager. Leur fréquence est supérieure à 20 000 Hertz. Le domaine audible par l'oreille humaine se situant entre 20 Hertz et 20000 Hertz, ils sont donc très aigus et inaudibles par l'homme. En imagerie médicale, les ultrasons utilisés ont une fréquence se situant entre 2 et 10 millions de Hertz.
On les utilise pour les échographies car, comme les ondes lumineuses, lorsqu'ils rencontrent une interface entre deux milieux différents, une partie est réfléchie et l'autre est déviée et passe dans le deuxième milieu.
- Vitesse dans l'air
Afin de redémontrer la vitesse des ultrasons dans l'air, nous avons réalisé un montage : nous avons positionné un émetteur d'ultrasons et un récepteur à 30,0 cm l'un de l'autre, soit 3,00 . 10-1 m. Nous les avons ensuite branché à un oscilloscope afin de pouvoir faire nos mesures. L'écart entre l'émission et la réception des ultrasons était de 880 µs. Nous avons alors pu calculer la vitesse des ultrasons grâce à la relation :
| v=d/t |
ici d = 30,0 cm = 3,00 . 10-1 m et t = 880µs = 8,80 . 10-4 s
donc v = 3,00 . 10-1 / 8,80 . 10-4 = 3,41 . 102 m.s-1
La valeur exacte étant de 340 m.s-1, nous avons trouvé une valeur très approchante.
- Vitesse dans l'eau
Nous avons positionné deux récepteurs à 25,0 cm l'un de l'autre et le temps mesuré entre les deux réceptions d'ultrasons a été de 180µs.
Ainsi, on calcule v = 2,50 . 10-1 / 1,80 . 10-4 = 1, 39 . 103 m.s-1
Cette vitesse est bien supérieure à celle mesurée dans l'air. Elle est même de 1500 m.s-1 en réalité. Le résultat n'est pas exact car le temps de réception n'est pas stable à cause des mouvements de l'eau ainsi que des imprécisions de l'oscilloscope. De plus, il n'y avait pas beaucoup de distance entre les deux récepteurs, ce qui a réduit la précision de nos mesures. Le montage était constitué d'une bassine d'eau, dans laquelle y étaient placés un émetteur ainsi que deux récepteurs placé à des distances différentes par rapport à l'émetteur. Le tout était branché à un oscilloscope. Voici une illustration du montage ainsi que quelques explications:
Le décalage observé entre le signal jaune (émission) et le signal bleu (réception) sur l'oscilloscope correspond au décalage entre la réception des ultrasons par les deux récepteurs placés à 0,25m l'un de l'autre. Ce décalage a alors permis de calculer la vitesse des ultrasons dans l'eau.
B) Propriétés des ultrasons
Nous avons voulu testé la réflexion et la transmission des ultrasons. Pour cela, nous avons tout d'abord placé l'émetteur et le récepteur côte à côte en prenant soin de tourner quelque peu l'émetteur afin qu'il forme un angle avec le récepteur. Lorsque la salve d'ultrasons ne rencontre aucun obstacle (autre que la résistance de l'air), aucun signal n'est détecté par le récepteur. Nous avons alors placé une main en face. Lorsque celle-ci se situe à une distance assez rapprochée, le récepteur reçoit les salves d'ultrasons, ce qui signifie que les ondes sont réfléchies par la main.
Nous avons ensuite placé l'émetteur en face du récepteur à une distance de 10 cm et nous avons intercalé un coton puis notre main. Nous avons alors constaté que l'émetteur détecte un signal atténué. Cela signifie que lorsque les ultrasons rencontrent un obstacle, une partie est également transmise.
Ces deux propriétés sur les ultrasons constituent le fondement de l'échographie.
Afin d'illustrer notamment la réflexion des ultrasons, nous avons réalisé une expérience. Nous avons défini les formes d'un objet préalablement mis dans une boîte recouverte d'un tissu. Avant l'expérience, nous n'avions pas connaissance de l'objet qui s'y trouvait. A l'aide d'un émetteur et d'un récepteur placés côte à côte juste au-dessus du tissu, ainsi que d'un oscilloscope, nous avons pu trouver la forme de l'objet.
Le principe est le suivant : l'émetteur envoie des ultrasons ; s'ils rencontrent un obstacle, ils vont alors rebondir, et ainsi, le récepteur va les capter. Les parois de la boîte ont été préalablement isolées à l'aide de coton, ce qui a empêché aux ultrasons d'être réfléchis s'ils ne rencontraient que les parois. L'oscilloscope indique si le récepteur a reçu des ultrasons ou pas : le signal jaune correspond à l'émetteur et le signal bleu correspond au récepteur. A l'aide d'épingles, nous avons alors défini la forme de l'objet. Voici quelques images:
On observe alors sur l'oscilloscope que le récepteur reçoir un signal, ce qui signifie que la salve d'ultrasons a rebondi sur un objet et que par conséquent, une portion de l'objet se trouve à cet endroit précis.
Ici, aucun signal n'est détecté, ce qui indique que les ultrasons n'ont pas été réfléchis et qu'ils n'ont donc rencontré que les parois de la boîte.
La forme définie est celle d'un foie.
Et maintenant que vous savez ce qu'est un ultrason, nous allons voir comment leurs propriétés sont mises à profit pour réaliser une échographie et comment se déroule l'examen.