Endoscopie et Intro Optique BAC 1 SBIM 2020-2021 PDF

Endoscopie BAC 1 SBIM 2020-2021 Vue d’un endoscope Cancer de l ’estomac Foetus Utérus Varices oesophagiennes Ondes RAPPEL DE QUELQUES NOTIONS  Une seule secousse ondulatoire ou impulsion ou ébranlement Y X La perturbation mécanique se propage dans le milieu (la corde) sans tra...

Endoscopie BAC 1 SBIM 2020-2021 Vue d’un endoscope Cancer de l ’estomac Foetus Utérus Varices oesophagiennes Ondes RAPPEL DE QUELQUES NOTIONS  Une seule secousse ondulatoire ou impulsion ou ébranlement Y X La perturbation mécanique se propage dans le milieu (la corde) sans transport de matière mais bien d’énergie. Elle se propage à une certaine vitesse v , la vitesse de propagation qui dépend du milieu. Types d’onde Longitudinales Transversales Comprendre l’équation de propagation Equation de propagation Soit un point P de la corde situé à une distance x de la source et une perturbation qui se propage de la source vers le point P. Lorsque l’onde arrive en ce point P après un temps Dt , la déformation y de la corde est identique à celle produite par la source (si pas d’amortissement) en t-Dt. y (x , t) = y(0, t - Dt) y(x , t) = y(0, t- ) car x= v t Equation d’onde (x , t) = y(0, t- ) Ici la source de l’onde est une perturbation continue et oscillante. La vibration se répète à intervalles de temps réguliers. Elle produit une onde périodique.  La double périodicité d’une onde en temps et en déplacement Au point P situé en x, on regarde l’élongation en fonction du temps l Y A A l’instant t, on prend une photographie de l’état de vibration de tous les points X Paramètres caractérisant les ondes périodiques Longueur d’onde l : distance entre deux crêtes successives Période T : temps nécessaire pour que l’onde ait parcouru une distance égale à sa longueur d’onde C’est aussi le temps nécessaire pour qu’un point se retrouve dans le même état de vibration Fréquence f : nombre de crêtes passant en un point de l’espace par seconde (déterminée par la source) l= v T = v/f Changement de milieux de propagation La fréquence d’une onde est fixée par la source et ne change pas quand l’onde passe d’un milieu à un autre. La vitesse de propagation d’une onde dépend du milieu dans lequel elle se propage. Exemple air eau Onde sonore 340 m/s 1482 m/s Onde 300000 km/s 225000 km/s lumineuse Puisque l= v T = v/f alors la longueur d’onde change quand on change de milieu Equation d’une onde sinusoïdale y(o , t) = A sin w t avec w = 2 p f =2 p l=vT  v= y ( x, t) = y(0, t- ) = A sin w ( t - ) y ( x, t) = A sin (2 p ) ( t - ) y ( x, t) = A sin 2 p ( - )  Interférence : somme algébrique des ondes en un point donné à un instant donné Principe de superposition 2 impulsions se croise Dans certaines circonstances, deux ondes ou Interférence plusieurs ondes vont passer au même endroit. Reprise forme initiale L’amplitude résultante est simplement la somme des amplitudes de chaque onde. La diffraction Figure de diffraction dans une cuve à onde Le phénomène de diffraction apparait lorsque la taille de l’objet diffractant est de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde de l’onde Diffraction par une ouverture circulaire en lumière visible Ondes matérielles, mécaniques Exemple : cuve à onde Ondes sonores Pression Position Besoin milieu matériel pour se propager  Les ondes électromagnétiques Propagation d’un champ électrique et d’un champ magnétique oscillant qui s’engendre mutuellement sont perpendiculaire entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation de l’onde Ces ondes se propagent dans le vide, c = 300000 km/s La lumière visible? S A NATURE? SON INTERACTION AVEC DIFFÉRENTS OBJETS? LE CHOIX DU MODÈLE EN FONCTION DES RÉSULTATS D’EXPÉRIENCES. La lumière visible est une onde électromagnétique  Valeur des longueur d’onde dans le vide La fréquence d’une onde lumineuse (couleur) est fixée par la source Elle n’est pas modifiée quand la lumière passe d’un milieu à un autre. La longueur d’onde change.  La lumière émise par un laser est dite monochromatique (composée d’une seule couleur). La lumière monochromatique rouge émise par un laser est une radiation de longueur d’onde l = 632,8 nm dans le vide La lumière blanche en revanche est une superposition de lumières colorées, elle est dite polychromatique (composée de plusieurs couleurs). La dispersion dans le prisme Le prisme est éclairé avec un pinceau de lumière blanche issue d’une lampe à incandescence. Après une double réfraction sur les faces d’entrée et de sortie du prisme, un phénomène de dispersion est observé  La nature de la lumière Le modèle particulaire de la lumière : rayons lumineux Optique géométrique Le modèle ondulatoire : onde électromagnétique Optique ondulatoire Le modèle quantique : photon Optique quantique Modèle de l’optique géométrique Les objets avec lesquels la lumière interagit sont de grandes dimensions par rapport à sa longueur d’onde. Le modèle utilise la notion de rayons lumineux (objet théorique). Tout faisceau de lumière est représenté par un ensemble de rayons lumineux.  Indice de réfraction n = c/v c = 300 000 km/s dans le vide v vitesse de la lumière dans un milieu matériel n(f) >1 L’indice de réfraction dépend de la nature du milieu dans lequel l’onde se propage mais également de la fréquence de l’onde  A l ’interface entre deux milieux transparents, la lumière subit une réflexion et une réfraction Attention : un milieu transparent est un milieu qui n’absorbe pas la lumière  La réflexion spéculaire Normale i 1 = i’1 Le rayon incident, la normale et le rayon réfléchi sont dans un même plan  La réfraction n2 < n1 Milieu plus réfringent Milieu moins réfringent Le rayon réfracté, le rayon incident et la normale sont dans un même plan  La réfraction Milieu moins réfringent Milieu plus réfringent n2 > n1  n2 > n1 La répartition de l’intensité lumineuse entre les faisceaux réfléchis et réfractés dépend de l’angle d ’incidence  En incidence normale Angle d’incidence égale à zéro 2 Intensité I r  n2  n1  réfléchie   I 0  n2  n1  Intensité incidente Pourcentage de lumière réfléchie en incidence normale sur une lentille de verre (n = 1.5) dans l’air : 4% 2 I r  1.5  1    I 0  1.5  1   Les lois A l ’interface entre deux milieux transparents la lumière subit une réflexion i= i ’ et une réfraction n1 sin i1 = n2 sin i2 n=c/v, vbnr Exemple (pour le verre): nrouge = 1,510 nbleu = 1,520 d’imagerie en transmission avec la lumière visible POURQUOI?  Transmission de la lumière à travers une cage thoracique humaine. Rapport entre l ’intensité de la lumière incidente et l ’intensité de la lumière transmise à 20 mm de profondeur Spectre visible de 400 à 800 nm La lumière visible est absorbée par les pigments (hémoglobine, caroténoïdes,...) présents dans les cellules vivantes. Le taux d’absorption est particulièrement important en-dessous de 600 nm La graisse et l’eau absorbent abondamment les rayonnements de longueur d’onde supérieure à 900-950 nm. Il existe ainsi une étroite fenêtre de longueurs d’onde correspondant à la région dite du proche infra-rouge pour lesquelles les tissus se montrent relativement transparents.  Exploitation de cette fenêtre de transparence : obtention d’ images tomographiques ( coupes) d’absorption de la lumière proche infrarouge Application : détection des tumeurs malignes du sein au travers de leur mécanisme d’angiogénèse. L’absorption accrue de la lumière par l’hémoglobine au niveau du réseau de néo- vascularisation de la tumeur est à la base de la technique. La lumière utilisée émane d’un laser et présente une longueur d’onde de 808 nm. A cette longueur d’onde, oxyhémoglobine et désoxyhémoglobine présentent un coefficient d’absorption de la lumière identique et nettement supérieur à ceux de la graisse ou de l’eau. La technique permet d’obtenir des images tomographique d’absorption de la lumière proche infrarouge  En lumière visible pas d ’images en transmission similaires à celles fournies par les RX Endoscopie introduction de sondes à l’intérieur du corps humain et observation à l ’aide de lumière visible  Endoscopie Introduction de sondes à l ’intérieur du corps humain bservation locale de certains organes avec de la lumière visible Les endoscopes comprennent plusieurs canaux : Fibroscope 1er canal - éclairement de l ’organe me canal - transmission de l ’image de cet organe à l ’observateu Autres canaux de service (injection de médicaments, prise de biopsies) Une fibre optique -conduit souple de verre de silice entouré d ’une gaine -diamètre de la fibre : de l’ordre de quelques mm - dans une fibre optique, la lumière se propage sans atténuation grâce au phénomène de réflexion totale Qu’est ce que la réflexion totale?  A l ’interface entre deux milieux transparents la lumière subit une réflexion i= i ’ une réfraction n1 sin i1 = n2 sin i2 La répartition de l’intensité lumineuse entre les faisceaux réfléchis et réfractés depend de l’angle d ’incidence  La reflexion totale Passage d’un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent une partie de la lumière est réfléchie une partie de la lumière est réfractée le rayon lumineux réfracté s’écarte de la normale Evolution en fonction de l’angle d’incidence Si i augmente intensité réfléchie augmente intensité réfractée diminue et s ’annule pour r = p/2 ic r = p/2 n1 sin ic = n2 sin p/2 sin ic = n2/n1 Si i > ic plus de rayon réfracté Réflexion totale Aucune perte d ’intensité Principe de la fibre optique Propagation de la lumière dans une fibre optique (barreau de plexiglas). (a) Le barreau est parallélépipédique. (b) Le barreau est cylindrique, ses faces latérales courbes déforment l’image vue par transparence. Le faisceau de lumière provient d’un laser. Endoscope canaux d’entrée et de sortie du fibroscope + canaux de service Applications médicales -longueur 0.3 à 1.2m -diamètre 2.5 à 15mm -canal d ’entrée couplé à un source lumineuse -propagation par réflexion totale -lumière réfléchie par les tissus traverse une lentille à l ’entrée du canal de sortie et forme une image à l’autre extrémité -10000 fibres dans un faisceau de moins d ’1mm de diam. Les appareils respiratoire et digestif sont les deux grands champs d’application de l’endoscopie.