grand oral physique chimie: les maladies cardiaques

« Intro 1min20 Les maladies cardiovasculaires constituent aujourd’hui l’une des principales causes de mortalité dans le monde.

Parmi leurs symptô mes les plus fréquents, les douleurs thoraciques jouent un rô le d’alerte important, mais leur origine peut être difficile à identifier.

Elles peuvent en effet être liées soit à un infarctus du myocarde, correspondant à une destruction irréversible des cellules cardiaques, soit à une ischémie coronaire, due à un manque d’oxygène provoqué par une mauvaise irrigation sanguine.

Or, ces deux situations présentent des symptô mes similaires, ce qui rend le diagnostic complexe, alors même que leur gravité et leur prise en charge sont très différentes. Dans ce contexte, la physique-chimie occupe une place essentielle, à la fois dans le diagnostic et dans le traitement de ces pathologies.

Les techniques d’imagerie médicale, comme la scintigraphie myocardique, reposent sur des phénomènes de radioactivité pour observer le fonctionnement du cœur de manière non invasive.

Par ailleurs, les avancées en physique permettent également de traiter certains troubles cardiaques grâce à des dispositifs électriques tels que le pacemaker ou le défibrillateur. On peut alors se demander comment les lois de la physique permettent à la fois de diagnostiquer et de traiter les maladies du cœur.

Pour répondre à cette problématique, nous étudierons dans un premier temps les principes et l’intérêt de la scintigraphie myocardique, puis nous analyserons le fonctionnement des dispositifs électriques utilisés pour réguler l’activité cardiaque. I- 3MIN La scintigraphie myocardique est une technique d’imagerie médicale fonctionnelle qui permet d’observer la perfusion du muscle cardiaque, c’est-à -dire la manière dont le sang irrigue les différentes zones du cœur.

Contrairement à une radiographie, qui donne une image anatomique, elle renseigne sur le fonctionnement des tissus. Elle repose sur l’injection d’un traceur radioactif, le thallium 201, noyau instable qui émet un rayonnement gamma, un rayonnement électromagnétique très énergétique capable de traverser les tissus et d’être détecté à l’extérieur du corps.

Le thallium possède des propriétés chimiques proches de celles du potassium, essentiel au fonctionnement des cellules cardiaques.

Il est donc capté par les cellules vivantes, tandis que les cellules mortes ou très endommagées ne le fixent pas.

Cela permet d’obtenir une image contrastée : les zones actives apparaissent claires, les zones atteintes restent sombres. Le rayonnement gamma est détecté par une gamma-caméra contenant un cristal scintillateur. Lorsqu’un photon gamma interagit avec ce cristal, il produit une scintillation lumineuse, transformée ensuite en signal électrique puis en image reconstruite par ordinateur, donnant une cartographie précise du myocarde. L’intérêt principal de cet examen est de distinguer une ischémie d’un infarctus.

L’examen se fait en deux temps : à l’effort, les besoins en oxygène du cœur augmentent, et certaines zones mal irriguées apparaissent sombres.

Au repos, si ces zones redeviennent visibles, cela signifie que les cellules sont encore vivantes : il s’agit d’une ischémie.

Si elles restent sombres, cela correspond à un infarctus, donc à une nécrose cellulaire. Cette technique repose aussi sur des notions quantitatives de radioactivité.

On injecte une activité Lors d’une scintigraphie myocardique, on utilise une solution de chlorure de thallium 201 dont l’activité volumique Av est de 37 MBq.mL-1.

Cet examen nécessite l’injection par voie intraveineuse d’une solution d’activité A0 de 78 MBq chez un individu de 70 kg..

Il est alors possible de déterminer le volume injecté en utilisant la relation entre l’activité et le volume. V=A0/Av= 78/37 On obtient un volume d’environ 2,1 millilitres, ce qui est adapté à une injection en intraveineuse. L’activité radioactive est liée au nombre de noyaux radioactifs présents dans l’échantillon par la relation A0 = λ*N , où lambda est la constante de désintégration du thallium 201 : l = 2,6 × 10-6 s-1 ; En utilisant cette relation, on peut déterminer que le nombre de noyaux injectés est donné par N =A0/λ= 78*106/2,6 × 10-6 de l’ordre de 3,0 *1013 noyaux .

Ce nombre peut sembler très important, mais il correspond en réalité à une masse faible.

En effet, la masse de thallium injectée est donnée par m= n*M=N/Na *M =3,0 × 1013/6,02 × 1023 * 201,0 = 100* 10-10 g soit 100*10-6 MG a dose injectée est très largement inférieure à la dose maximale autorisée,PUISQUE elle est de 15 milligrammes par kilogramme de masse corporelle.

Pour un individu de 70 kilogrammes, la dose maximale serait alors de 70*15 = 1,050g largement supérieure à la masse trouvée.

La scintigraphie est donc sans risque II- 4.10 / 3.40 Une fois le diagnostic établi, il est parfois nécessaire d’intervenir pour corriger un trouble du rythme cardiaque.

Dans ce domaine, la physique intervient à travers des dispositifs électriques implantables, .

Le pacemaker, ou stimulateur cardiaque, est un dispositif destiné à réguler le rythme du cœur lorsque celui-ci est trop lent ou irrégulier.

Il est constitué d’un boîtier contenant une pile, généralement au lithium, et d’électrodes reliées au cœur. Le choix d’une pile au lithium s’explique par sa forte densité énergétique, c’est-à -dire sa capacité à stocker une grande quantité d’énergie pour une masse donnée.

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Cette énergie doit être suffisante pour alimenter le dispositif pendant plusieurs années, tout en limitant l’encombrement et le poids du boîtier implanté dans le corps du patient.

Une pile lithium a une énergie massique de 1200J.g-1 alors qu’une pile classique type alcaline plutô t de l’ordre de 360 J.g-1 .Ce qui permet d’obtenir des pacemaker très légers, d’environ 3g D’un point de vue physique, le pacemaker peut être modélisé par un circuit électrique RC composé d’un condensateur et d’une résistance.

Ce modèle relie un phénomène électrique au rythme cardiaque.

Le condensateur agit comme un réservoir d’énergie : il se charge rapidement jusqu’à une tension U0U_0U0, puis se décharge lentement à travers la résistance selon une loi exponentielle : uR(t)=U0⋅e−t/RCu_R(t)=U_0 \cdot e^{-t/RC}uR(t)=U0⋅e−t/RC Lorsque la tension atteint le seuil U0/eU_0/eU0/e, le pacemaker déclenche une impulsion électrique vers le cœur, puis le condensateur est immédiatement rechargé.

Ce cycle se répète périodiquement, ce qui permet de contrôler le rythme cardiaque. Or R= R = 2,0 × 10⁶ Ω et C = 0,40 μF DONC t= R*C= 0.80s cette constante vaut environ 0,80 seconde.

Cela signifie que le système envoie une impulsion toutes les 0,80 secondes.

La fréquence associée est donc f=1/T, soit environ 1,25 hertz.

En convertissant en battements par minute, on obtient 1,25×60=75 battements par minute.Ce résultat est particulièrement intéressant car il correspond exactement à un rythme cardiaque normal au repos chez un adulte. .

Le pacemaker agit donc comme un régulateur, en imposant un rythme régulier au cœur.

Il permet de compenser un dysfonctionnement du système électrique naturel du cœur, qui contrô le normalement la fréquence des battements. III- 1.20 Dans les situations plus graves, comme un arrêt cardiaque, il est nécessaire d’utiliser un défibrillateur.

Contrairement au pacemaker, qui agit de manière continue, le défibrillateur intervient de façon ponctuelle pour délivrer un choc électrique intense.

Ce choc permet de stopper une activité électrique anarchique du cœur, appelée fibrillation, et de rétablir un rythme normal. Le fonctionnement du défibrillateur peut également être modélisé à l’aide d’un circuit électrique .

Dans ce cas, un condensateur est chargé à une tension élevée, puis déchargé brusquement dans le corps du patient, qui est modélisé par une résistance.

La durée de la décharge dépend de la constante de temps du circuit, donnée par le produit de la résistance et de la capacité.

On considère généralement que la décharge est complète au bout d’un temps égal à cinq fois cette constante.

En prenant des valeurs standards pour la résistance du corps humain adulte entre 50 Ω et 150 Ω et la capacité du condensateur du défibrillateur qui est de 170 μF On a 5τ=5*R*C= 5* 100*170*10-6=0.085s : on obtient une durée de décharge d’environ un dixième de seconde.

Cette durée est suffisamment courte pour délivrer une impulsion efficace, tout en limitant les risques pour les tissus. CCLS 20s En somme, les lois de la physique,trouvent des applications directes dans le domaine médical.

Elles permettent non seulement de mieux comprendre le fonctionnement du corps humain, mais aussi de concevoir des technologies capables de diagnostiquer et de traiter des pathologies graves.

Cela démontre que la physique peut jouer un rô le concret et déterminant dans l’amélioration de la santé et la survie. D’un point de vue physique, le fonctionnement d’un pacemaker peut être modélisé par un circuit électrique simple appelé circuit RC, constitué d’un condensateur et d’une résistance.

Ce modèle permet alors de relier directement un phénomène électrique à une fonction biologique vitale, à savoir le rythme cardiaque.Le condensateur joue ici le rô le d’un réservoir d’énergie : lorsqu’il est relié à la pile du dispositif, il se charge très rapidement jusqu’à une tension maximale U0.

Cette phase de charge est quasi instantanée car la résistance interne du circuit est très faible.

Une fois chargé, le condensateur est isolé de la source et se met à se décharger lentement à travers une résistance de grande valeur.

La décharge du condensateur correspond à une diminution progressive de la tension, qui suit une loi exponentielle qu’on peut démontrer.

La tension aux bornes de la résistance s’écrit alors uR(t)=U0·e(−t/RC) Dans.... »