Les Petites Curies du Net - Génie biomédicalVoir l'imagerie médicale de plus près2018-01-19T16:30:03-05:00Pol Grasland-Mongrainurn:md5:68db94b4dba97d01c6306e8f368d8aabDotclearL'appareil médical idéal, selon un film de science-fiction américainurn:md5:62887cecf5ad205008a87cf041a5dd5e2015-08-10T03:19:00+01:002015-10-09T17:41:33+01:00Pol Grasland-MongrainGénie biomédicalhadronthérapie<p><em>Le film Elysium, sorti en 2013, base son intrigue sur une séparation de la population en deux parties, en l'an 2154 : une classe pauvre vivant sur une Terre polluée à l'allure de favelas, et une classe dominante et très riche vivant sur une base spatiale. Cette classe dominante a en particulier accès à un appareil médical ultraperformant, qui donne un aperçu de ce qu'est, dans l'imaginaire des auteurs du films, un appareil "idéal".</em></p> <a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/Elysium.jpeg" title="Elysium.jpeg"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/.Elysium_m.jpg" alt="Elysium.jpeg" style="margin: 0 auto; display: block;" title="Elysium.jpeg, août 2015" /></a>
<div class="legende">On dirait pas comme ça sur l'affiche, mais le personnage joué par Matt Damon est en train de mourir à cause d'irradiations intenses.</div>
<h3>Petit résumé d'Elysium</h3>
<p>Voici un petit résumé pour vous situer la scène qui nous intéresse, et qui devrait éviter de trop vous spoiler le film. Le héros du film se nomme Max, simple ouvrier sur la Terre devenue une sorte de bidonville géant. Celui-ci apprend qu'il ne lui reste plus que cinq jours à vivre. Il cherche alors, à n'importe quel moyen, à accéder à la station spatiale nommée Elysium. Celle-ci représente le lieu de vie idéal. Enfin, selon les standards américains du début du XXIe siècle en tout cas : des grands manoirs avec piscine, des belles routes toutes droites, quelques arbres, et des pelouses vertes parfaitement tondues (<a href="http://www.houselogic.com/blog/lawns/lawn-work-ranks-low/" hreflang="en" title="Sondage tonte pelouse">bien que cette dernière tâche soit considérée comme la plus pénible selon un sondage aux Etats-Unis</a>, à moins qu'elles ne soient simplement <a href="http://www.lemonde.fr/planete/article/2012/09/04/quand-l-amerique-peint-son-gazon-en-vert_1755392_3244.html" title="La peinture du gazon en vert">teintes en vert</a>). Et ce en continu sur un anneau d'un périmètre d'environ 210 km (<a href="http://www.wired.com/2013/05/gravity-in-the-elysium-space-station/" hreflang="en" title="Estimation du rayon de la station Elysium">d'après une estimation rapide à partir de la vitesse de rotation observée</a>).</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/Elysium2.jpg" title="Elysium2.jpg"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/.Elysium2_m.jpg" alt="Elysium2.jpg" style="margin: 0 auto; display: block;" title="Elysium2.jpg, août 2015" /></a>
<div class="legende">L'environnement de vie idéal ressemble quand même pas mal à n'importe quelle banlieue pavillonaire haut de gamme américaine.</div>
<h3>L'appareil du futur : le "Med-Bay"</h3>
<p>Bref, Max cherche à atteindre la station Elysium car elle possède des appareils médicaux ultraperformants nommés <em>Med-Bay</em> ou <em>Med-Pod</em>. Ces appareils sont capables de diagnostiquer et de soigner à la fois, voir même de faire "rajeunir" les humains. On peut voir cette machine fonctionner <a href="https://www.youtube.com/watch?v=RyMoJHf7rCQ" title="Fonctionnement des appareils médicaux d'Elysium">dans cette vidéo Youtube</a>, qui nous servira à décrire cette machine idéale.
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/Elysium_MedBay2.jpeg" title="Elysium_MedBay2.jpeg"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/.Elysium_MedBay2_m.jpg" alt="Elysium_MedBay2.jpeg" style="margin: 0 auto; display: block;" title="Elysium_MedBay2.jpeg, août 2015" /></a>
<div class="legende">En 2154, on pourra avoir un MedBay personnel dans son salon (<a href="http://www.quora.com/Could-it-be-possible-to-make-an-Elysium-med-bay-and-how-long-could-this-take" title="Med Bay">source</a>)</div>
<p>Cette machine, comme l'ont conçue les créateurs, consiste en une couchette sur laquelle s'allonge le patient. Le design, blanc et très épuré, s'inspire pas mal des machines actuelles. D'ailleurs, je me demande si cette tendance continuera dans les prochaines années : après tout, à la fin des années 90, Apple est sorti du gouffre en sortant ses iMac très colorés - mais cela fera sans doute l'objet d'un prochain billet.</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/iMac_3q.jpg" title="iMac_3q.jpg"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/.iMac_3q_s.jpg" alt="iMac_3q.jpg" style="margin: 0 auto; display: block;" title="iMac_3q.jpg, août 2015" /></a>
<div class="legende">Un iMac G3 de 1998 (<a href="http://fossbytes.com/design-history-evolution-of-apple-imac-from-crt-to-retina/" title="iMac G3">source</a>)</div>
<p>Bref, le Med-Bay arrive à lire instantanément le nom de la petite fille malade, alors que c'est la première fois que celle-ci entre dans un tel appareil. Bon, on peut raisonnablement supposer que l'info, stockée dans une puce ou un tatouage, est facilement lisible. Elle arrive aussi à déterminer le sexe du patient, peut-être de la même manière.</p>
<p>Une sorte de capteur de la longueur du corps tourne ensuite à 360° autour du patient, ce qui permet d'afficher une image à trois dimensions de son corps, à l'instar d'une IRM. Remarquez cependant que, pour une raison inconnue, ses bras ne sont pas imagés - peut-être que la machine a réussi à deviner que les bras ne présentent aucun problème...<br>
(Heureusement, car la fille bouge les bras à la fin du traitement, comme on le voit entre les instants 0:20 et 0:27...)</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/Elysium_MedBay.png" title="Elysium_MedBay.png"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/.Elysium_MedBay_m.png" alt="Elysium_MedBay.png" style="margin: 0 auto; display: block;" title="Elysium_MedBay.png, août 2015" /></a>
<div class="legende">Oh mon dieu, est-ce que cette petite fille malade va pouvoir être soignée par la machine révolutionnaire ?</div>
<p>Ensuite, le diagnostic parfaitement fiable est réalisé instantanément : la fille a une "leucémie aigüe lymphoblastique", c'est-à-dire qu'un pourcentage important de ses globules blancs ne peut plus assurer de fonctions immunitaires, à cause d'un défaut de développement (merci Wikipédia) . Le traitement commence immédiatement, avec l'écran indiquant un obscur "Re-atomizing". Le capteur initial tourne une nouvelle fois autour de la petite fille, plus lentement cette fois, et semble fournir une guérison parfaite et instantanée. Et la fille récupère de l'opération très rapidement.</p>
<h4>Est-ce réaliste ? Comment cette machine pourrait-elle fonctionner ?</h4>
<p>La machine semble beaucoup s'inspirer du scanner à rayons X - pour l'aspect ouvert, et la rotation du capteur à 360° - et à l'IRM - pour les images obtenus, où l'on distingue bien les différents organes. Le problème, c'est que les rayons X peuvent causer eux-même des cancers, donc ça ne serait pas idéal pour notre appareil du futur. Surtout que la maman de la petite fille se tient juste à côté, sans protection...<br>
Quant aux IRM, il existe des prototypes "ouverts", en tout cas beaucoup plus ouverts que les longs tunnels que l'on trouve dans la quasi totalité des hôpitaux. Ceux-ci sont à base d'aimants permanents, et le résultat pourrait s'approcher de ce que l'on voit dans le film. Le soucis actuel est de trouver des aimants suffisamment puissants et compacts pour que ce soit pratique, ce qui est loin d'être le cas aujourd'hui. Mais bon, peut-être que dans 139 ans (le film se déroule en 2154), on aura découvert un type d'aimant plus puissant, donc rien de choquant là-dedans.</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/IRM_permanent.png" title="IRM_permanent.png"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/.IRM_permanent_m.png" alt="IRM_permanent.png" style="margin: 0 auto; display: block;" title="IRM_permanent.png, août 2015" /></a>
<div class="legende">Un IRM "ouvert", environ dix fois moins puissant qu'un IRM standard (<a href="http://www.dothealth.com/Companies/China/Neusoft-Medical-Systems/17889?refcode=fc" title="IRM ouvert">source</a>)</div>
<p>Par ailleurs, on voit que le capteur possède aussi une tête utilisable pour la thérapie. Cela ressemble à la radiothérapie, où l'on envoie des rayons X à distance pour brûler les tissus problématiques, comme des cancers. Le problème, c'est que ces rayons X brûlent approximativement tout en ligne droite : si vous avez un organe vital juste derrière le tissu problématique, il sera également touché.<br>
Cet appareil de thérapie pourrait vraisemblablement aussi être un appareil de hadronthérapie : il s'agit d'un appareil émettant des protons (on parle de <em>protonthérapie</em> dans ce cas - quels poètes, ces ingénieurs) ou des atomes de carbones (on parle alors, oui bon vous l'avez deviné, de <em>carbonethérapie</em>). L'avantage par rapport aux rayons X, c'est qu'ils n'endommagent les tissus (quasiment) qu'à une profondeur donnée, que l'on peut déterminer à l'avance. L'inconvénient, c'est que cela nécessite un accélérateur de particules à côté du patient. C'est peut-être ça la sorte d'anneau carré à la tête de la banquette ?</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/hadrontherapie.jpg" title="hadrontherapie.jpg"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/.hadrontherapie_m.jpg" alt="hadrontherapie.jpg" style="margin: 0 auto; display: block;" title="hadrontherapie.jpg, août 2015" /></a>
<div class="legende">Un appareil de carbonethérapie, qui présente un style pas éloigné de l'appareil du film. L'accélérateur de particules n'est pas visible sur la photographie, mais est facilement plus grand que la taille de la pièce... (<a href="http://sante.lefigaro.fr/actualite/2013/11/12/21513-ions-carbone-nouvelle-arme-contre-cancer" title="Un appareil de carbonethérapie">source</a>)</div>
<p>Comme on le voit, l'appareil de type Med-Bay n'est pas invraisemblable, à partir d'une amélioration raisonnable des technologies actuelles. Mais l'un des soucis majeurs, c'est que ces appareils de thérapie décrits ci-dessus servent à <em>détruire</em> uniquement : c'est adapté au traitement de tumeurs cancéreuses, à la limite pour des cellules malades ou des problèmes vasculaires comme l'athérosclérose, mais on les voit mal s'appliquer à la reconstruction d'une artère, au soin d'une fracture osseuse, ou à la guérison de problèmes neurologiques, sans parler de sa capacité à rajeunir les individu évoquée au début du film.<br>
Et l'on voit la limite d'un appareil "miracle" tel que présenté ici : la diversité des maladies et problèmes de santé est vaste, et il est utopique de penser qu'une technique d'imagerie ou de thérapie sera à même d'englober tous les problèmes qui peuvent atteindre le corps humain.<br>
Mais il reste quand même intéressant de voir comment est-ce qu'on voit l'appareil idéal : un appareil rapide, non invasif, qui fournit un diagnostic fiable à 100%, capable de traiter dans la foulée n'importe quelle pathologie.</p>
<p><strong><big>Et tout ça... Sans aucune intervention humaine.</big></strong> Est-ce vraiment si désirable ?</p>
<div id="references">
<h4>Références</h4>
Bien sûr, ce billet fait référence au film Elysium, avec Matt Damon et Jodie Foster, qui sans être exceptionnel est un bon film d'action / science-fiction. Le fond est une critique intéressante mais facile du système actuel, et la fin, pas spécialement crédible, peut être vue de deux façons, positive ou négative - mais je vous laisse regarder des critiques de film qui font ça mieux que moi :<a href="http://io9.com/heres-what-elysium-did-wrong-and-what-it-did-right-1125073263" hreflang="en" title=" io9, What elysium did wrong and what it did right"> io9, what elysium did wrong and what it did right</a> ou encore <a href="http://www.ew.com/article/2013/08/10/elysium-ending" title="Elysium ending">une critique de la fin du film</a>.<br>
Au moment de relire ce billet avant publication, j'ai découvert que <a href="http://www.quora.com/Could-it-be-possible-to-make-an-Elysium-med-bay-and-how-long-could-this-take" hreflang="en" title="Could it be possible to make an Elysium med bay and how long could this take?">la question du fonctionnement du Med-Bay a été posée ici</a>. La réponse est en accord avec le contenu de billet, ce qui est plutôt rassurant.
</div>http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?post/2015/08/L-appareil-m%C3%A9dical-id%C3%A9al#comment-formhttp://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?feed/atom/comments/26Convertir le courant électrique en onde acoustique (3) : la force de Lorentzurn:md5:c12bfee862bd9f5a25ce7ac182ce80ed2014-12-30T20:17:00+00:002015-01-26T14:57:21+00:00Pol Grasland-MongrainGénie biomédicalacoustiqueMAT-MIéchographieélastographieélectricité<p><em>En imagerie ultrasonore, on utilise des ondes acoustiques pour former des images. Cependant, on maitrise bien mieux les courants électriques : on cherche donc à utiliser des techniques pour convertir le courant électrique en onde acoustique. Après la piézoélectricité et les cMUT, voici la force de Lorentz !</em></p> <h3>De quels outils les physiciens disposent-ils pour convertir le courant électrique en onde acoustique ?</h3>
<p>Dans les interactions élémentaires de l'univers, au nombre de quatre (bon, des théories tendent à les unifier, mais simplifions), on compte la gravitation, l'interaction électromagnétique, l'interaction faible et l'interaction forte. Ces interactions se manifestent sous la forme de forces fondamentales. A l'échelle humaine, le plus pratique reste d'utiliser les effets de l'interaction électromagnétique. En effet, elle permet de manipuler des objets relativement aisément et ce avec une intensité suffisante. La gravitation serait en théorie aisée à exploiter - toute masse exerce une interaction avec une autre masse - mais son intensité est très faible : pensez, un simple aimant de quelques grammes sur un frigo exerce une force bien supérieure à la gravitation exercée par la Terre, six milliards de milliards de milliards de fois plus lourd... Inversement, il est difficile d'utiliser les interactions faibles ou fortes, car bien que de grande intensité, elles se manifestent au niveau atomique voir subatomique.</p>
<h3>La force de Lorentz, comment ça marche ?</h3>
<p>L'interaction électromagnétique se manifeste grâce à la force de Lorentz, via un champ électrique et/ou un champ magnétique. Ainsi, les deux billets précédents de cette rubrique sur la piezoélectricité et les cMUT ne concernaient que la composante électrique de la force de Lorentz. Ce billet concerne plus spécifiquement l'utilisation simultanées des deux composantes de la force de Lorentz, électrique et magnétique.</p>
<p>La force de Lorentz exercée sur une particule s'exprime sous cette forme (promis, c'est la seule équation de ce billet !):</p>
<p><center><strong>F</strong> = q <strong>E</strong> + q <strong>v</strong> ∧ <strong>B</strong></center></p>
<p>Ici, <strong>F</strong> désigne la force de Lorentz, q et <strong>v</strong> respectivement la charge et la vitesse de la particule, <strong>E</strong> et <strong>B</strong> respectivement les champs électrique et magnétique là où se trouve la particule, et ∧ signifie ici "produit vectoriel" (on y reviendra).</p>
<p><em>A noter que la notation ∧ pour le produit vectoriel est essentiellement utilisée en France, dans le monde anglo-saxon on privilégie la notation ×</em></p>
<p>Qu'est-ce que cela signifie ? D'abord, si la particule n'a pas de charge (q = 0), la force est nulle, rien, nada. Rien de passionnant jusque là...
Ensuite, si la particule est chargée (mettons un proton de charge positive) et que les champs électriques et magnétiques sont nuls, il ne se passe rien non plus. Ok, on va pas aller très loin comme ça...<br/>
De même, si la particule chargée (toujours un proton) est immobile dans un champ électrique nul et un champ magnétique non nul, ben il ne se passe toujours rien. Pas très impressionnant comme force jusqu'à maintenant !<br/>
Mais, si notre particule chargée est placée dans un champ électrique non nul, ben elle va se déplacer dans la direction du champ, et la force sera plus ou moins intense en fonction du champ électrique et de la charge. Avec une charge deux fois plus élevée, on a une force deux fois plus intense. Avec une charge négative, on aura une force opposée. Bref, rien de très compliqué jusque là, c'est après que ça se complique...<br/>
Mettons maintenant que notre particule chargée se déplace dans un champ électrique nul, mais un champ magnétique non nul. Alors la force de Lorentz va dévier la particule <em>perpendiculairement</em> à son déplacement, comme montré sur l'image ci-dessous. Le déplacement a l'air bizarre comme ça, et ça l'est, mais c'est pourtant ce qu'on observe dans la nature...</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/forceLorentzParticule.svg" title="Mouvement d'une particule dans un champ magnétique"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/forceLorentzParticule.svg" alt="Mouvement d'une particule dans un champ magnétique" style="margin: 0 auto; display: block;" title="forceLorentzParticule.svg, déc. 2014" /></a>
<div class="legende">Mouvement d'une particule dans un champ magnétique.</div>
<p>Pourquoi ? Grâce au fameux produit vectoriel, qui désigne une "multiplication" de vecteurs, mais dans une direction perpendiculaire aux deux vecteurs concernés. Regardez l'image de la main ci-dessous, ça donne une bonne idée de ce que cette opération signifie : si on a une vitesse dans la direction du pouce et un champ magnétique dans la direction de l'index, alors le produit vectoriel des deux donne un vecteur dans la direction du majeur. Attention d'utiliser la main droite pour cette opération, car cela ne fonctionne pas avec la main gauche (ou alors il faut faire un doigt d'honneur, ce qui peut être mal interprété par votre voisin de gauche).<p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/main_double.svg" title="Produit Vectoriel"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/main_double.svg" alt="Produit Vectoriel" style="margin: 0 auto; display: block;" title="main_double.svg, déc. 2014" /></a>
<div class="legende">Deux méthodes pour trouver le résultat d'un produit vectoriel. Seule l'image de la main droite est enseignée officiellement.</div>
<p>Maintenant, imaginons que le champ électrique et le champ magnétique ne soient pas nuls. Alors la particule chargée sera déplacée par le champ électrique, et déviée par le champ magnétique ; selon la vitesse initiale de la particule et les valeurs des champs électrique et magnétique, on peut avoir des mouvements cycliques, <a href="http://fr.wikipedia.org/wiki/H%C3%A9lico%C3%AFde" title="Hélicoïde">hélicoïdaux</a>, de <a href="http://fr.wikipedia.org/wiki/Cyclo%C3%AFde" title="cycloïde">cycloïde</a>, et bien d'autres...</p>
<p>Vous le voyez, ça devient vite compliqué... Savoir le déplacement exact au cours du temps d'une particule nécessite de résoudre un système de deux équations différentielles. Mais pour avoir un bon aperçu de ce qu'il se passe, je trouve <a href="http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Meca/Charges/general.html" title="Déplacement d'une particule dans un champ électromagnétique">ce site d'une page personnelle</a> très bien fait (bien que le texte en Comic Sans MS vert foncé sur fond cyan écorche les yeux...). Vous pouvez y définir la masse et la charge de la particule, sa vitesse initiale, les valeurs des champs électrique et magnétique, et une éventuelle atténuation.</p>
<h3>Et comment ça peut donner une onde acoustique ?</h3>
<p>On y vient. Comme vous pouvez l'imaginer, un milieu biologique est un <a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?post/2014/04/L-imp%C3%A9dance-%C3%A9lectrique-du-corps-humain" title="Impédance électrique du corps humain">milieu complexe</a>, notamment du point de vue électrique, mais on simplifiera énormément le tout en disant qu'il s'agit d'une soupe de particules, chargées ou non, certaines mobiles (les ions) et certaines fixes (les atomes).</p>
<p>Lorsqu'on applique un courant électrique dans un organe (<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?post/2014/04/L-imp%C3%A9dance-%C3%A9lectrique-du-corps-humain" title="Impédance électrique du corps humain">d'une intensité pas trop forte, hein</a>), on met en mouvement les ions de cet organe, et c'est ce qui conduit l'électricité. Pour ceux qui se posent la question, il y a relativement peu d'électrons mis en mouvement, car la plupart des électrons sont solidement fixés aux atomes du corps (principalement du carbone, de l'hydrogène, de l'oxygène, de l'azote). Sauf pour ceux qui sont constitués de métal bien sûr.</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/terminator.jpeg" title="
Terminator"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/.terminator_s.jpg" alt="
Terminator" style="margin: 0 auto; display: block;" title="terminator.jpeg, déc. 2014" /></a>
<div class="legende">Cet individu a des électrons libres qui peuvent conduire le courant (<a href="http://www.gentside.com/terminator/wallpaper" title="Source de l'image">source</a>)</div>
<p>Les particules chargées non fixes (les ions) vont se mettre en mouvement à cause du courant électrique, donc. Les ions positifs vont se propager dans une direction, et les ions négatifs dans le sens opposés. Jusque là, tout va bien. Les particules non chargées non fixes sont à la fois poussées dans un sens par les ions positifs et dans l'autre par les ions négatifs, donc ne vont pas vraiment se déplacer (ça a son importante pour la suite, vous verrez).</p>
<p>Maintenant, si on ajoute un champ magnétique, on va dévier les ions positifs et négatifs, qui vont avoir un mouvement complexe, mais vont globalement <em>aller dans la même direction</em>. Les particules non chargées, cette fois, vont être poussées par tous les ions, quelle que soit leur charge : on va donc avoir un mouvement global de particules dans une direction. En changeant alternativement le sens du courant électrique (ou du champ magnétique, mais c'est plus compliqué, à moins qu'on ne s'appelle <a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?post/2014/05/Madame-IRMa-voit-tout" title="Madame IRMa voit tout">Madame IRMa</a>), alors on créé un mouvement alternatif, qui va se propager, devinez... sous la forme d'une onde acoustique de même fréquence.</p>
<p>Et il s'agit de la base de la technique au nom barbare de <a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?post/2014/04/Les-m%C3%A9thodes-d-imagerie-d-imp%C3%A9dance-%C3%A9lectrique-%282%29" title="Tomographie Magnéto-Acoustique">Tomographie Magnéto-Acoustique</a>, et de sa dérivée, la Tomographie Magnéto-Acoustique avec Induction Magnétique (MAT-MI en anglais) dont je vous ai parlé précédemment.</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/1-magnetoacous.jpg" title="Principe de la Tomographie Magnéto-Acoustique"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/.1-magnetoacous_m.jpg" alt="Principe de la Tomographie Magnéto-Acoustique" style="margin: 0 auto; display: block;" title="1-magnetoacous.jpg, déc. 2014" /></a>
<div class="legende">Principe de la méthode Tomographie Magnéto-Acoustique : on applique un courant électrique et un champ magnétique pour générer par force de Lorentz des ondes acoustiques. (<a href="http://phys.org/news/2014-05-magneto-acoustic-technology-future-medical-imaging.html" title="source">source</a>)</div>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/mat-mi_resultat.png" title="Image d'un morceau de gélatine par Tomographie Magnéto-Acoustique avec Induction Magnétique"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/.mat-mi_resultat_m.png" alt="Image d'un morceau de gélatine par Tomographie Magnéto-Acoustique avec Induction Magnétique" style="margin: 0 auto; display: block;" title="mat-mi_resultat.png, déc. 2014" /></a>
<div class="legende">Image d'un morceau de gélatine par Tomographie Magnéto-Acoustique avec Induction Magnétique. C'est moche, on ne voit rien, mais peut-être qu'un jour cette technique vous sauvera la vie. Et toc. (<a href="http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0023421" title="source">source</a>)</div>
<p>En utilisant un courant électrique basse fréquence, autour de 100 changements par seconde, on peut également réaliser une <a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?post/2014/07/Un-article-sur-un-article..." title="Imagerie d'ondes de cisaillement par force de Lorentz">méthode d'élastographie</a>. Ce qui me fait penser que j'ai toujours cet article sur l'élastographie en attente...</p>
<h3>Et ça marche en sens inverse ?</h3>
<p>Oui, bien sûr ! Si on applique une onde acoustique dans un tissu biologique, tout bouge, particules chargées ou non (mais non fixées quand même). Donc en tant que tel, ça ne créé pas de courant électrique (sauf dans des conditions particulières). Mais si l'on ajoute un champ magnétique, la force de Lorentz s'exerce, et les particules positives vont être déviés dans une direction et les particules négatives dans le sens opposé ; les particules non chargées, par contre, ne subissent pas la force de Lorentz, donc elles n'en ont rien à carrer et continuent tout droit.<br>
Bref, si on a des particules de charges opposées qui se propagent dans des sens opposés, on créé alors un courant électrique. Ce courant électrique peut être mesuré grâce à des électrodes, et nous informe sur la conductivité électrique du milieu. C'est ce qui constitue la Tomographie d'Impédance Electrique par Force de Lorentz ainsi que quelques années de ma thèse.</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/MAET_resume2_2.svg" title="Principe de la Tomographie d'Impédance Electrique par Force de Lorentz"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/MAET_resume2_2.svg" alt="Principe de la Tomographie d'Impédance Electrique par Force de Lorentz" style="margin: 0 auto; display: block;" title="MAET_resume2_2.svg, déc. 2014" /></a>
<div class="legende">Principe de la Tomographie d'Impédance Electrique par Force de Lorentz : on combine une onde ultrasonore (donc un mouvement du tissu) et un champ magnétique pour induire, par force de Lorentz, un courant électrique</div>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/LFEIT.svg" title="Image de côte de boeuf par Tomographie d'Impédance Electrique par Force de Lorentz "><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/LFEIT.svg" alt="Image de côte de boeuf par Tomographie d'Impédance Electrique par Force de Lorentz" style="margin: 0 auto; display: block;" title="LFEIT.svg, déc. 2014" /></a>
<div class="legende">Sur l'image de Tomographie d'Impédance Electrique par Force de Lorentz, on reconnait la côte de boeuf. Si, si, en plissant les yeux et en regardant de loin.</div>
<h3>Et au fait, il n'y aurait pas un rapport avec la force de Laplace ou les courants de Foucault ?</h3>
<p>Dans le cas où on considère un milieu conducteur parcouru par un courant électrique placé dans un champ magnétique, il peut être plus pratique de considérer non pas les particules, mais un volume de particules. La force qui s'exerce est parfois appelée <em>force de Laplace</em>, plus fréquemment dans les ouvrages francophones qu'anglophones - la nationalité française de Pierre-Simon de Laplace n’y est d'ailleurs peut-être pas étrangère - mais elle est essentiellement issue de la force de Lorentz.</p>
<p>Les courants de Foucault (<em>eddy current</em> en anglais, devinez la nationalité de Foucault...), quant à eux, apparaissent lorsqu'un conducteur se déplace dans un champ magnétique, ou que le champ magnétique est variable, et cela induit des courants électriques. Et là aussi, à cause de la force de Lorentz...</p>
<div id="references">
<h4>Références</h4>
<ul>
<li>En électromagnétisme, les célèbres <a href="http://www.amazon.fr/Le-cours-physique-Feynman-Electromagn%C3%A9tisme/dp/2100589997" title="Cours de Feynman">cours de Feynman</a> sont sans doute l'une des meilleures références</li>
<li>Une <a href="http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Meca/Charges/general.html" title="Déplacement d'une particule dans un champ électromagnétique">applet internet</a> pour observer rapidement des trajectoires de particules selon différents paramètres et configurations</li>
<li>Des choses sur la <a href="http://phys.org/news/2014-05-magneto-acoustic-technology-future-medical-imaging.html" title="Tomographie Magnéto-Acoustique">Tomographie Magnéto-Acoustique</a></li>
<li>Vous pouvez retrouver plus de détails dans <a href="http://arxiv.org/pdf/1408.2574v1.pdf">ma thèse</a> qui concerne trois applications de la force de Lorentz en acoustique médicale</li>
</ul>
</div>http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?post/2014/12/Convertir-le-courant-%C3%A9lectrique-en-onde-acoustique-%283%29-%3A-la-force-de-Lorentz#comment-formhttp://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?feed/atom/comments/18Convertir le courant électrique en onde acoustique (2) : les cMUTurn:md5:d66799693daf850bdbc8ce55f06191302014-07-02T03:41:00+01:002014-07-04T02:15:39+01:00Pol Grasland-MongrainGénie biomédical<p><em>Depuis une petite vingtaine d'années, des transducteurs ultrasonores basées sur une nouvelle technologie, les cMUT, ont fait leur apparition. Malgré tous les avantages des appareils piézoélectriques, ces appareils suscitent un intérêt croissant ! Pourquoi donc ?</em></p> <h3>Principe des cMUT</h3>
<p>Les <em>capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers</em>, ou cMUT, sont comme leur nom l'indique des transducteurs ultrasonores, c'est-à-dire qu'ils convertissent un courant électrique en onde acoustique, et vice-versa. Ils fonctionnent grâce à un effet capacitif : à l'instar de nombreux condensateurs, les cMUT sont schématiquement composés de deux électrodes séparées par une cavité. Lorsqu'on charge les électrodes, on provoque une répulsion (ou une attraction) entre les électrodes, ce qui résulte en un mouvement de l'une par rapport à l'autre. L'une des électrodes étant fixe et l'autre mobile, le mouvement apparait à la surface d'une électrode et peut alors se propager sous la forme d'une onde acoustique.</p>
<p>Ainsi, ce n'est pas une propriété particulière d'un matériau qui convertit le courant en onde acoustique, contrairement aux transducteurs piézoélectriques, mais une conception particulière qui exploite la force électromagnétique qui s'exerce entre des matériaux chargés.</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/CMUT_schema.png" title="CMUT_schema.png"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/.CMUT_schema_m.png" alt="CMUT_schema.png" style="margin: 0 auto; display: block;" title="CMUT_schema.png, juil. 2014" /></a>
<div class="legende">Exemple de transducteur CMUT hexagonal. On y voit la présence d'une électrode supérieure (<em>top electrode</em>) et une électrode inférieure (<em>bottom electrode</em>). (<a href="http://nanolithography.spiedigitallibrary.org/article.aspx?articleid=1099129">source</a>)</div>
<h3>Pourquoi ces nouveaux transducteurs suscitent-ils autant d'intérêt ?</h3>
<p>Alors que les transducteurs piézoélectriques sont essentiellement fabriqués individuellement, les cMUT sont usinés directement sur des plaques spéciales, grâce à des moules dédiés. Le moule de base coûte cher et le design ne peut pas être retouché par la suite une fois fabriqué ; cependant, on peut ainsi fabriquer des cMUT en grande quantité et à bas coût à partir d'un modèle identique. De plus, cela permet d'usiner de nombreux transducteurs de petite taille, ce qui facilite la miniaturisation de l'appareillage - ce qui est particulièrement utile dans le cas d'appareils intravasculaire par exemple.</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/CMUT_photo.jpg" title="CMUT_photo.jpg"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/CMUT_photo.jpg" alt="CMUT_photo.jpg" style="margin: 0 auto; display: block;" title="CMUT_photo.jpg, juil. 2014" /></a>
<div class="legende">(a) Photographie d'un transducteur cMUT linéaire fait de 64 éléments ; (b) Photographie d'un transducteur cMUT à deux dimensions fait de 128x128 éléments ; (c) Photographie d'un transducteur cMUT circulaire fait de 64 éléments (<a href="http://www-kyg.stanford.edu/khuriyakub/opencms/en/research/cmuts/general/index.html">source</a>)</div>
<p>Les cMUT se sont de plus révélés plus robustes que les transducteurs piézoélectriques, et avec une bande passante fréquentielle plus large. On cherche donc pour émettre des ultrasons très intenses, pour mesurer des pressions à des fréquences différentes...</p>http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?post/2014/07/Convertir-le-courant-%C3%A9lectrique-en-onde-acoustique-%282%29-%3A-les-cMUT#comment-formhttp://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?feed/atom/comments/13Convertir le courant électrique en onde acoustique (1) : la piezoélectricitéurn:md5:5b6455ae4766b5365e4a961045cc98352014-06-10T20:16:00+01:002014-06-10T20:16:00+01:00Pol Grasland-MongrainGénie biomédicalacoustiqueéchographie<p><em>En acoustique médicale, on doit émettre et recevoir des ondes acoustiques. Pratiquement, on préfère manipuler des courants électriques, car on maitrise bien leur comportement... On produit donc un courant électrique pour émettre une onde acoustique, et si l'on mesure une onde acoustique, on cherchera à la transformer en courant électrique. Comment faire ?</em></p> <p>En échographie, <a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?post/2014/04/27/L-%C3%A9chographie%2C-ou-comment-former-des-images-avec-du-son">on utilise quasiment exclusivement des matériaux piezoélectriques</a> pour transformer le courant électrique en onde acoustique. Lorsqu'on soumet un matériau piezoélectrique à une tension électrique, il se déforme, ce qui change son volume. Le petit déplacement à la surface du matériau peut alors se propager comme une onde acoustique. Inversement, si une onde acoustique atteint un matériau piezoélectrique, celui-ci est déformé, ce qui fait apparaitre une différence de potentiel (une tension) à ses bords.</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/SchemaPiezo.gif" title="SchemaPiezo.gif"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/SchemaPiezo.gif" alt="SchemaPiezo.gif" style="margin: 0 auto; display: block;" title="SchemaPiezo.gif, juin 2014" /></a>
<div class="legende">Principe d'un matériau piezoélectrique : lorsqu'on le contraint, on fait apparaitre une tension électrique à ses bornes (<a href="http://fr.wikipedia.org/wiki/Pi%C3%A9zo%C3%A9lectricit%C3%A9">source</a>)</div>
<p>Tous les matériaux ne sont pas piezoélectriques, loin de là. Les plus fréquents sont certains oxydes ferroélectriques, qui sont composés de deux types d'ions positifs et d'une multitude d'ion d'oxygène (négatifs). On trouve aussi le quartz ou oxyde de silice, généralement moins performant que les oxydes ferroélectriques mais plus facile à usiner. Enfin, les polymères, notamment le polyvinylidine (PVDF) sont de plus en plus utilisés.</p>
<p>Certains tissus biologiques sont mêmes piezoélectriques. Suivant le principe de "fais le juste parce que tu peux le faire", des chercheurs ont même pu produire des ultrasons à partir de morceaux d'os... avant de réorienter leurs recherches, car il n'y pas vraiment d'application pour le moment.</p>
<p>Ces matériaux sont très utilisés dans le domaine de l'acoustique médicale, grâce à leur fiabilité, leur rendement (il y a peu de perte d'énergie lors de la conversion du courant électrique en onde acoustique) et leur bas coût.</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/sondeUltrasonore.jpeg" title="sondeUltrasonore.jpeg"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/sondeUltrasonore.jpeg" alt="sondeUltrasonore.jpeg" style="margin: 0 auto; display: block;" title="sondeUltrasonore.jpeg, juin 2014" /></a>
<div class="legende">Schéma d'une sonde ultrasonore typique : un matériau piezoélectrique est placé à la tête de la sonde, et des électrodes y appliquent une différence de tension pour le déformer et donc créer une onde acoustique (<a href="http://www.genesis.net.au/~ajs/projects/medical_physics/ultrasound/">source</a>)</div>
<p>Enfin, on peut remarquer que si on applique un champ électrique sur un matériau quelconque, pas forcément piezoélectrique, celui-ci sera déformé : c'est ce qu'on appelle <em>l'électrostriction</em>. Cet effet est dû à un alignement des domaines électriques du matériau avec le champ électrique. Cet effet est cependant plus faible que l'effet piezoélectrique lorsque celui-ci existe.</p>
<a href="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/electrostriction.png" title="electrostriction.png"><img src="http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/public/images/electrostriction.png" alt="electrostriction.png" style="margin: 0 auto; display: block;" title="electrostriction.png, juin 2014" /></a>
<div class="legende">L'application d'un champ électrique sur un matériau contenant différents domaines électriques fait réarranger ceux-ci, ce qui déforme le matériau : c'est l'électrostriction (<a href="http://patentimages.storage.googleapis.com/US6515077B1/US06515077-20030204-D00003.png">source</a> sur un brevet consacré à l'electrostriction)</div>
Mais il existe aussi d'autres manières de transformer un courant électrique en une onde acoustique, et ce sera l'objet des deux prochains billets.
<div id="references">
<h4>Références</h4>
<ul>
<li>Une <a href="https://www.youtube.com/watch?v=mJMOCmVPv8A">vidéo Youtube</a> sur l'effet piezoélectrique dans une imprimante d'un constructeur connu du grand public</li>
<li>Un <a href="http://www.nature.com/nature/journal/v228/n5270/abs/228473a0.html">article</a> dans Nature sur l'effet piezoélectrique de l'os, bien que ça ait été découvert dix ans plus tôt par des Japonais, comme montré dans <a href="http://journals.jps.jp/doi/abs/10.1143/JPSJ.12.1158">cet article</a></li>
</ul>
</div>http://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?post/2014/05/Convertir-le-courant-%C3%A9lectrique-en-onde-acoustique#comment-formhttp://polgm.free.fr/petitescuriesdunet/index.php?feed/atom/comments/12