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Lyce dArsonval Concours Gnral STL-SPCL 2015

Analyse de documents scientifiues

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Concours gnral STL SPCL 2015

Analyse de documents scientifiques Coefficient : 1

Polymres et ultrasons au ser!ice de l"imagerie mdicale

Temps de prparation : 2 heures

Temps de prsentation devant les examinateurs : 10 minutes

Echange avec les examinateurs : 15 minutes

Pour tablir un diagnostic, le mdecin dispose de diffrentes techniues d!imagerie mdicale

lui permettant, par exemple, de visualiser les organes " l!imagerie ultrasonore est une de ces

techniues#

Pro#lmatique : Le $olyfluorure de !inylidne %P&'()* un $olymre de synt+se* $eut,il

-tre utilis comme ca$teur $our l"imagerie ultrasonore .

Pour rpondre $ cette problmatiue, il vous est demand de mobiliser vos connaissances et

d!extraire des informations de la documentation fournie et au besoin, de celle disponible sur

%nternet, afin de :

Prsenter le principe de l!imagerie ultrasonore

Expliuer en uoi les proprits du P&'( lui permettent d!)tre utilis pour l!imagerie

ultrasonore

C/S3S 3T C/S3LS P/4 LA P3PAAT/ '3 L"3P34&3

La $rsentation orale doit -tre conduite de manire structure en s"a$$uyant sur un ou

$lusieurs su$$orts informatiques qui seront !ido,$ro6ets7

*e candidat peut crire sur les documents, les surligner, mais il doit les remettre aux

examinateurs en fin d!preuve# Tous les supports produits + compris les brouillons-

pourront )tre conservs par le .ur#

L"accs 8 nternet est autoris tout au long de la dure de $r$aration* 8 l"e9ce$tion de

tout outil de communication a!ec une $ersonne e9trieure %courrier lectronique* rseau9

sociau9* etc)7 4n in!entaire des sites consults sera effectu $ar le 6ury $our c+aque

candidat7

*es supports numriues de prsentation orale seront labors en salle de prparation, puis

transfrs sur la cl / fournie#

En fin de prparation, le candidat doit rassembler et ordonner soigneusement tous les

documents ncessaires $ sa prsentation orale#

l!issue de l!preuve, le candidat doit remettre aux examinateurs le dossier scientifiue

dans son intgralit#

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'ocuments mis 8 dis$osition du candidat

'ocument 1

4n faisceau d"ultrasons $our construire une image

Ada!t da!r"s larticle de Ga#riel $artin% La rec&erc&e

&tt! '(()))*larec&erc&e*fr(savoirs(autre(faisceau-ultrasons-construire-ima+e-01-0,-200-

.//

'ocument 2

La $iolectricit

Ada!t da!r"s le site )))*!&ysiue et mati"re*com

'ocument ;

nralits sur le $olyfluorure de !inylidne

Ada!t da!r"s $ati"res !lastiues% Carre+a% erney et coll% unod% !2/ et le site Polymer

Learnin+ Science Center 3&tt!'(()))*!slc*)s(frenc&(!vdf*&tm4

'ocument 3T 1

4n faisceau d?ultrasons $our construire une imagea!r"s La rec&erc&e mensuel n:/. dat se!tem#re 200 ; la !a+e /.% Ga#riel $artin

3util de base de la surveillance prnatale, et surtout connue $ ce titre, l4chographiemdicale sert en fait $ visualiser de nombreux organes ou ob.ets dans le corps humain :reins, cur, foie, tumeurs, tra.et d4une sonde, etc# on gros atout : elle est sans danger pourl4organisme#'tecter un sous6marin en recueillant l4cho d4un signal ultrasonore envo dans l4eau estune ide ui remonte $ la premi7re guerre mondiale " elle m7nera au sonar# En 1892,l4utrichien arl 'ussig montre u4il est possible d4utiliser le m)me principe pour dtecterune tumeur du cerveau et, une di;aine d4annes plus tard, les nglais ais, c4est dans les annes soixante et soixante6dix ue l4chographie trouve dansl4obsttriue son usage le plus connu# *es appareils de l4poue, enti7rement analogiues,fonctionnaient sur un principe asse; simple, mais tou.ours d4actualit : la rflexion d4unfaisceau d4ultrasons#?eux6ci ont le gros avantage, par rapport aux raons @ utiliss en radiographie, d4)tre sansdanger pour le patient#?es ultrasons ne sont en effet rien d4autre ue des ondes sonores, des ondes lastiuescapables de se propager dans tout milieu matriel : ga;, liuide, solide# *eur fruence sesitue au6del$ de ce ue l4oreille peut percevoir de plus aigu : 15000 $ 20000 hert; +A;- selonles individus# En chographie, on parle plutBt en millions de hert;, ou mgahert; +>A;- : lesfruences utilises s4chelonnent de 1 $ 20 >A; en fonction de l4organe observ#Tout comme les ondes lumineuses, les ultrasons sont rflchis +c4est l4cho-, rfracts,absorbs ou diffracts# u passage d4un milieu $ un autre, il a rfraction : une partie del4onde est rflchie et l4autre est dvie en passant dans le second milieu# 'ans le cas de lalumi7re, la rfraction nous permet de reprer $ la fois la surface d4un tang et les cailloux uisont au fond, voire un sac en plastiue transparent flottant entre deux eaux#*4chographie repose sur un schma tout $ fait comparable# *e corps est pour l4essentiel unmilieu souple et fluide oC domine l4eau " les ultrasons s4 propagent $ la vitesse de 19D0m7tres par seconde# Tissus et graisses constituent un milieu diffrent de l4eau et la vitessedu son varie de 190 $ 1D00 m7tres par seconde# ?es carts de clrit conf7rent $ chaueorgane de notre corps un indice de rfraction acoustiue ui lui est propre, et ui permet de

le distinguer des organes voisins# En effet, ces variations d4indice, en induisant des rflexionspartielles des ultrasons, permettent $ l4chographe de former son image#'ans notre corps, chaue fois u4un faisceau d4ultrasons rencontre une interface, c4est6$6dire un changement de milieu, par exemple un passage de tissus musculaires $ des tissusgraisseux, une partie des ultrasons est rflchie# F chaue nouvelle interface, une nouvellerflexion a lieu, .usu4$ extinction totale du faisceau# Prcisons u4en chographie cetteextinction intervient rapidement " l4appareil est rarement capable de sonder notreorganisme $ plus d4une vingtaine de centim7tres#Pour former une image, l4chographe fonctionne comme un radar " il met une br7ve salved4ultrasons, puis se met $ l4coute des chos rflchis# En pratiue, le mdecin pose une

petite sonde dote d4une pastille pi;olectriue sur la peau du patient# F l4mission,l4lectroniue de l4chographe envoie $ la pastille une br7ve impulsion lectriue# Par effetpi;olectriue, et en raison de ses dimensions calibres, la pastille se met $ rsonner

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exactement comme un verre en cristal auuel on appliuerait une pichenette# %l s4ensuitl4mission d4une courte salve d4ultrasons#Ensuite, l4effet pi;olectriue tant rversible, l4chographe utilise la sonde commercepteur pour se mettre $ l4coute des rflexions# ?onnaissant la vitesse de propagation

des ultrasons dans les tissus, il mesure la dure ui spare l4mission de la rception dechaue cho, et en dduit les distances# ?ette mesure lui permet de construire une ligne del4image, celle ui correspond $ la direction du faisceau d4ultrasons# Pour avoir une imagecompl7te, il faut balaer la ;one tudie#F l4origine, le praticien excutait lui6m)me ce balaage en dplaGant la sonde au bout d4unpantographe: autant dire ue la ualit de l4image dpendait beaucoup de sa dextrit#u.ourd4hui, le balaage est automatiue et, surtout, asse; rapide pour permettre de suivreles mouvements en temps rel : battements du cur, pulsations des art7res, etc#

Hotons ue la rsolution de l4image est d4autant plus fine ue la fruence des ultrasons est

leve# >ais l4ennui est ue ces ultrasons sont alors plus vite absorbs, la pntrationdevenant faible# ?ette difficult est gnralement contourne par l4utilisation d4une sondede fruence modre $ double direction de balaage# ?4est l4chographie en troisdimensions I'# '7s lors, l4ordinateur extrapole des surfaces entre les groupes de pointsad.acents et leur appliue une texture ui leur donne un aspect naturel# *4image obtenueressemble alors uasiment $ une photo u4il est possible de regarder sous divers angles#

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'/C4>3T 2

La $iolectricitAda!t da!r"s le site )))*!&ysiue et mati"re*com

olectriue ' la contrainte a!!liue cre unsi+nal lectriue

*a $iolectricit est la proprit ue poss7dent certains corps de se polariserlectriuement sous l4action d4une contrainte mcaniue et rciprouement de se dformeruand on leur appliue un champ lectriue# *es deux effets sont indissociables# *e premierest nomm effet pi;olectriue direct " le second effet pi;olectriue inverse# ?etteproprit trouve un tr7s grand nombre d4applications dans l4industrie et la vie uotidienne#/ne application parmi les plus famili7res est l4allume6ga;# 'ans un allume6ga;, la pressionexerce produit une tension lectriue ui s!annule tr7s rapidement et conduit $ laproduction d!tincelles : c4est une application de l4effet direct# 'e mani7re plus gnrale,

l4effet direct peut )tre mis $ profit dans la ralisation de capteurs +capteur de pression, etc# -alors ue l4effet inverse sert $ raliser des actionneurs +in.ecteurs $ commandepi;olectriue en automobile, nanomanipulateurJ-#

*es matriaux pi;olectriues sont particuli7rement nombreux# *e plus connu estprobablement le uart;, tou.ours utilis actuellement dans les montres pour gnrer desimpulsions d4horloge# +J-

'cou!erte de l?effet $iolectrique

Pierre ?urie +photo- et son fr7re Kacues firent la premi7redmonstration exprimentale de l4effet pi;olectriue en10# F cette poue, les deux fr7res, Lgs respectivement de21 et 25 ans, sont tous deux prparateurs $ la facult dessciences de Paris# ?ombinant leurs connaissances de laprolectricit et de la structure cristalline, ils prdirent etvrifi7rent l4existence de la pi;olectricit sur des cristaux deuart;, de tourmaline, de topa;e, de sucre et de sel de=ochelle# *4existence de l4effet inverse fut prdite l4anne

suivante par Mabriel *ippmann sur la base de calculsthermodnamiues, et immdiatement vrifie par les fr7res?urie# ?4est aussi en 11 ue Aermann AanNel suggra

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l4utilisation du terme!i>olectricitdu grec pi;ein signifiant!resser, a!!uyer#

*a pi;olectricit resta une curiosit de laboratoire pendant une trentaine d4annes " elledonna en particulier lieu $ des travaux thoriues sur les structures cristallines prsentant

cette proprit#'4un point de vue pratiue, la pi;olectricit ne fut utilise ue pour raliser ueluesinstruments de laboratoire#

Premires a$$lications

*a premi7re application de la pi;olectricit fut le sonar dvelopp par Paul *angevin et sescollaborateurs au cours de la premi7re guerre mondiale# ?e sonar tait compos de lames deuart; colles entre deux plaues d4acier et d4un hdrophone et permettait, par la mesuredu temps coul entre l4mission d4une onde acoustiue et la rception de son cho, decalculer la distance $ l4ob.et# Peu de temps apr7s, au dbut des annes 1820, le premieroscillateur $ uart; est mis au point par

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'/C4>3T ;

nralits sur le $olyfluorure de !inylidneAda!t da!r"s $ati"res !lastiues % Carre+a% erney et coll% unod% !2/ et le site Polymer

Learnin+ Science Center 3&tt!'(()))*!slc*)s(frenc&(!vdf*&tm4

17 Les $olymres fluors

*es polm7res fluors sont des macromolcules de morphologie variable +variant des

thermoplastiues aux lastom7res +##--# *eurs proprits exceptionnelles sont principalement lies $

la forte lectrongativit de l!atome de fluor, au faible raon de &an der algr leur prix lev +essentiellement li au procd inhabituel de

polmrisation, au surcoQt de purification des monom7res ga;eux et aux faibles volumes de

production-, ces polm7res trouvent de nombreux dveloppements dans les technologies modernes#

?ontrairement $ la chimie organiue, la chimie des polm7res fluors est relativement rcente : 18I9

pour le pol+chlorotrifluorothl7ne- puis 18I pour le pol+tetrafluorothl7ne- appel Teflon par

PlunNett +che; 'uPont de Hemours-# Par la suite, les divers homopolm7res ont t obtenus, puis

une autre gnration concernant les copolm7res $ base de motifs constitutifs perfluors a t

prpare# Plus rcemment, des polm7res fonctionnels apportant de nouvelles proprits ont trouv

leur place dans un march en pleine expansion# +###-

27 Le $olyfluorure de !inylidne

*e polfluorure de vinlid7ne ou P&'( est fabriu par polmrisation radicalaire du monom7re, le

fluorure de vinlid7ne comme schmatis ci6dessous :

FH

H F

VDF

H

F F

H

PVDF

n

n

MrLce $ ses tr7s bonnes proprits phsiues et mcaniues, le P&'( trouve de nombreuses

applications R high6tech S +pour les micro6ondes, les capteurs pi;olectriues, les applications bio6mdicales tels ue les fils de suture- mais trois inconvnients sont nots : temprature de fusion

leve +1D5619U?- gnrant des coQts nergtiues importants lors de la mise en oeuvre +extrusion

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essentiellement- de ces polm7res de spcialit, faible solubilit dans des solvants organiues

classiues et difficult de rticuler ces matriaux#

?e thermoplastiue prsente des proprits tr7s intressantes, tant sur le plan phsiue

u!lectriue en fonction de sa configuration, de ses formes cristallines et de ses dfautsd!enchaVnement# Parmi ses proprits, le P&'( est bien connu pour sa forte pi;olectricit +ue

aWai avait dcouverte en 18D8- +###- essentiellement pour sa forme cristalline X, li $ la forte

polarisation de la liaison ?6( et $ l!orientation spontane des dipBles dans les phases cristallines#

*e fluor tant plus lectrongatif ue le carbone, les atomes de fluor vont attirer les lectrons des

atomes de carbone auxuels ils sont attachs# ?ela veut dire ue les groupes 6?(26 de la chaVne vont

)tre tr7s polaires, avec une charge partiellement ngative sur les atomes de fluor et une charge

partiellement positive sur les atomes de carbone# 'onc uand on les place dans un champ lectriue,

ils s4alignent# Et tous ces groupes 6?(26 ui essaent de s4aligner causent une dformation du

matriau#

i le P&'( est mis dans un champ lectriue alternatif, il vibre, se dformant dans une direction puis

dans la direction oppose# ?ette vibration peut )tre utilise pour produire un son#

*es copolm7res +fluorure de vinlid7ne6trifluorothl7ne P+&'(6T(E-- sont galement utiliss pour

leurs proprits pi;olectriues# ien ue les copolm7res soient moins polariss ue le P&'( pur,

ils poss7dent une cristallinit plus importante et donc une rponse pi;olectriue plus importante#

H

F

H

F F

F

F

H

P(VDF-TFE)

n

FH

H F

H

F

F

F

n + n

VDF TFE

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'/C4>3T A;, ce ui correspond $ des longueurs d!onde d!une fraction de millim7tre, la vitesse des

ultrasons dans les tissus mous tant de 1590 m s61$ 5Z pr7s#

*es ultrasons se propagent asse; bien dans les tissus du corps humain, le coefficient d!attnuation,

sensiblement proportionnel $ la fruence ultrasonore utilise, variant de 0,5 $ I,5 d cm61>A;61#

*e comportement d!un milieu vis6$6vis des ultrasons est exprim par une constante appele

impdance acoustiue@#@est le produit de la masse spcifiue +volumiue-du matriau par la vitesse de propagation des

ultrasons# Pour les tissus du corps humain, cette impdance est voisine de celle de l!eau avec des

valeurs comprises en 1,I et 1, >=al +1 > =al [ 10 D Ng#m62#s6 1-# *!unit d!impdance acoustiue, le

=al, a t donn en l!honneur de Kohn

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7[

Par exemple, seule D Z de l!nergie acoustiue incidente est rflchie sur l!interface foie6rein droit

alors u!au niveau de l!interface tissu mou6os, 90 Z de l!nergie est rflchie# Pour les interfaces

entre les tissus mous et l!air, 7est environ gal $ 0,88# ?!est la raison pour lauelle il faut interposer

une substance entre la peau et la sonde +du gel- lors de l!examen chographiue pour diminuer la

prsence d!air entre les tissus et la sonde et donc diminuer la valeur de 7#

, Les ca$teurs

*es capteurs d!imagerie et de dtection 'oppler $ applications mdicales sontessentiellement raliss $ base de cramiues ferrolectriues de tpe PT +titano6;irconatede plomb-# ?es cramiues $ fort coefficient de couplage lectro6acoustiue t ont desimpdances acoustiues 15 $ 20 fois suprieures $ celles des tissus biologiues, ce ui posedes probl7mes d4adaptation d4impdance entre ces deux milieux# *es polm7respi;olectriues ont une impdance acoustiue plus faible ue les cramiues, mais, malgrde nombreux travaux de mise au point, ils prsentent des coefficients de couplage lectro6acoustiues encore insuffisants# Pour maintenir une bonne sensibilit et une large bandepassante, tout en abaissant l!impdance acoustiue du matriau pi;olectriue, il a donct ncessaire d!voluer vers des matriaux composites# 3n associe une phase rsine inerteet lg7re $ la phase pi;olectriue# *e matriau obtenu a plusieurs caractristiuesintressantes :

impdance 2 $ I fois plus faible ue celle de la cramiue initiale, coefficient de couplage tmeilleur ue celui de la cramiue, souplesse du matriau +ventuellement thermomoulable-, ce ui permet de raliser aisment des

coupelles ou des clindres,

couplage latral faible, intressant pour la ralisation d4une focalisation lectroniue de ualit $partir de barrettes de transducteurs#

Pour rpondre aux nombreuses applications diagnostiues des ultrasons, il a tncessaire de dvelopper une grande varit de capteurs, les appareils d!chographie6'oppler rcents possdant de 20 $ I0 sondes diffrentes en taille, fruence ultrasonore etmode de balaage#

%@)

& , A$$lications diagnostiques

3n distingue schmatiuement uatre grands domaines d!application de routine desultrasons en diagnostic mdical :

l!imagerie des tissus peu mobiles et directement accessibles $ travers la peau : c!est le cas parexemple de l!utrus, du foie et des voies biliaires, des reins, de la rate, des seins, de la thro\de, J

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l!exploration des structures en mouvement, comme le cur et le sang circulant, ui repose surl!utilisation de techniues combinant chographie rapide, techniues 'oppler et enregistrementdu mouvement des structures en mode temps6mouvement +ou T#>#-#

l!chographie par voie endocavitaire lorsu!il est ncessaire de rapprocher le capteur de la rgion

$ explorer pour gagner en rsolution, ou pour viter de traverser des structures osseuses ouga;euses# 3n utilise pour cela des capteurs miniaturiss et de fruence ultrasonore relativementleve#

les applications nouvelles ui rel7vent d!uipes spcialises, comme l4chographie6'opplercrbrale, l4chographie avec produits de contraste, l4chographie I', l4chographieinterventionnelle avec guidage de ponctions ou de gestes thrapeutiues, l4imagerie ultrasonoreparamtriue, J

, Caractrisation tissulaire $ar ultrasons

'e nombreux travaux ont t raliss depuis une vingtaine d!annes pour caractriser les

tissus par ultrasons# Kusu!$ prsent l!imagerie chographiue n!a ue peu bnfici de ces

recherches, car il est souvent ncessaire de mettre en uvre un traitement de signal relativement

long et complexe# *es premi7res applications de routine reposent sur deux grandes techniues :

la caractrisation de l!os par mesure de la vitesse et de l!attnuation d!une onde acoustiue sepropageant dans le calcanum par exemple,

l!tude de la rponse non linaire des tissus aux variations de pression instantanes lies aupassage de l!onde acoustiue +imagerie harmoniue-#

'!autres pro.ets sont en cours comme la mesure de l!lasticit tissulaire en

appliuant une onde tr7s basse fruence pour stimuler les tissus et en utilisant l!ondeultrasonore pour tudier la dformation en profondeur#

, Conclusion

*es techniues ultrasonores ont t considrablement dveloppes pour l!imageriemdicale# *es performances atteintes par les appareils modernes sont tout $ faitspectaculaires# *es recherches en cours sur l!imagerie I', la miniaturisation des capteurs etla caractrisation tissulaire ouvrent des voies nouvelles au dveloppement des applicationsmdicales et industrielles#

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'/C4>3T =

Caractristiques des $olymres $iolectriques

Ada!t da!r"s la t&"se de $* $arec&al% Transducteurs mono-lment !our lima+erie

ultrasonore &aute rsolution ' modlisation% ralisation et caractrisation

*es polm7res pi;olectriues tels ue le P&'( ou ses copolm7res sont disponibles enfilms avec des paisseurs de plusieurs microm7tres# MrLce $ ces faibles paisseurs, ilspeuvent )tre directement utiliss pour des applications haute fruence# *eur coefficient decouplage est relativement faible +de 15 $ I0 Z-, ainsi ue leur permittivit dilectriuerelative +autour de 5-# ?es deux derni7res proprits ont tendance $ donner une sensibilitrelativement faible, et rendent l!adaptation lectriue difficile# ?ependant, leur impdanceacoustiue +entre 9 et 5 >=al- est relativement proche de celle des tissus +1,5 >=al-#

*!adaptation d!impdance acoustiue n!est pas indispensable car le gain obtenu +en termesde sensibilit et de bande passante- peut )tre relativement faible en regard des difficultstechnologiues importantes correspondant $ l!a.out d!une lame adaptatrice de tr7s faiblepaisseur# *e tableau ci6dessous rsume les principales proprits lectromcaniues de cesmatriaux compares $ diffrents matriaux#

*e second avantage de ces polm7res est leur facilit de mise en forme due $ leur flexibilitce ui permet de raliser une focalisation gomtriue de l!lment pi;o6lectriue asse;facilement, et vite ainsi l!addition d!une lentille de focalisation#

ien ue le coefficient de couplage en mode paisseur soit relativement faible, le transfertd!nergie mcaniue en nergie acoustiue reste relativement efficace grLce $ uneimpdance acoustiue relativement proche de celle des tissus $ caractriser# insi, cespolm7res sont tou.ours couramment utiliss pour la fabrication de transducteurs haute

fruence dans la gamme de 20 $ 100 >A;#

matriau %mpdance acoustiue] >=al

+1 >=al[ 10DNg#m62#s61-

?oefficient de couplageZ

+reprsente l!efficacit de la rponselectriue $ la contrainte mcaniue-

P&'( I,8 15P+&'(6T(E- 9,D II

Pb+rTi-3I II, 9

*iHb3I I9,1 98

air 9#1069

Tissus du corps

humain

entre 1,II et 1,9

Documents

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