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Cours de biophysique Dr. Jean Wilner PETIT Faculté de médecine et de Pharmacie

Cours de biophysique Dr. Jean Wilner PETIT Faculté de médecine et de Pharmacie (FMP) Avril 2019 1 Introduction Rôle de la physique C'est de comprendre le monde qui nous entoure. Démarche scientifique: Observation, expérimentation Etude des phénomènes par l’influence des différentes variables caractéristiques . Lois physiques. (basée sur une méthode scientifique). Reproduction des phénomènes à des fins utiles. Formulation des lois expérimentales en utilisant un formalisme mathématique. Prédiction et quantification des effets d’action des phénomènes observés. 2 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT I-1:Apports de la Physique aux Sciences de la santé Les apports de la physique à la médecine, aux disciplines « paramédicales », sont nombreux et importants:  Compréhension du fonctionnement l'organisme humain. 1. La physiologie et la physiopathologie du système cardio-vasculaire obéissent aux lois de la mécanique des fluides; en ce sens qu'elles définissent. par exemple la notion de pression et de tension artérielle qui conditionnent l'état des tuniques vasculaires ainsi que l'écoulement du sang. 2. L'activité électrique des organes, en particulier le cœur (Electrophysiologie) ne peut se passer des lois de l'électromagnétisme; 3. La perception auditive ou de la vision obéit aux lois de la physique des ondes. Introduction 3 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT I-1:Apports de la Physique aux Sciences de la santé Les apports de la physique à la médecine, aux disciplines « paramédicales », sont nombreux et importants:  Au niveau diagnostique. 1. La physique a permis le développement des techniques d'imagerie telles: la radiographie, le scanner ou tomographie numérisée (en utilisant les rayons X), l'échographie ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM) 2. La physiothérapie (science mouvement) permet de soigner les problèmes de motricité ou d'aptitude physique. Introduction 1. La microscopie, la spectrométrie, la réfractométrie, la polarimétrie font partie des incontournables en la matière.  Dans les laboratoires de recherche et d'analyse médicale 4 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT Partie I: Biophysique du système cardio-vasculaire. I-1. Biophysique de la circulation sanguine (Hémodynamique) Introduction; Rappel sur les états de la matière, les propriétés des fluides. Premier modèle découlement (hémostatique) Deuxième modèle découlement (hémodynamique parfaite). Troisième modèle découlement (hémodynamique réelle). Plan du cours. I-2. Biomécanique cardiaque Introduction; Contrôle automatique du débit cardiaque; Paramètres hémodynamique du débit cardiaque; Bruit du cœur. 5 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT Partie I: Biophysique du système cardio-vasculaire. Plan du cours. I-3. Activité électrique du cœur (électrophysiologie) Rappel d'électromagnétisme; Polarisation de la cellule myocardique isolée; Bases physiques de l'électrocardiogramme; La théorie d‘Heinthoven; L'interprétation de l'ECG. Partie II: Biophysique du rayonnement Rappel sur les noyaux et les transformations nucléaires; Le rayonnement radioactif; Interaction des rayonnement ionisants avec la matière; Effets biologiques des rayonnements ionisants; Utilisation des rayonnement ionisants en radiothérapie. 6 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT Partie III: Bases physiques de l'imagerie médicale. Introduction; Bases Physique de l'échographie; Imagerie médicale à laide des ultrasons; L'écho-doppler; Résonance magnétique nucléaire –imagerie RMN. Partie IV: Biophysique de la vision Introduction; Troubles dioptriques de la vision; Méthodes d'examen des caractéristiques oculaires; Rôle de la rétine dans la vision des couleurs.. Plan du cours. 7 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT Evaluations ? 8 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT I - Biophysique du système cardio-vasculaire Introduction Distribution d'eau dans une ville 9 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT I - Biophysique du système cardio-vasculaire Introduction Circulation du sang Cœur pompe du système 10 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT L'hémodynamique est la science qui traite les propriétés physiques de la circulation sanguine de l’être humain. Le sang est un liquide complexe; la connaissance des propriétés physique de son mouvement permet de renseigner sur le fonctionnement de notre système cardio-vasculaire. Cette connaissance est basée essentiellement sur la compréhension de l'écoulement du sang, de l’élasticité des vaisseaux et de l’activité électrique du cœur. A cet égard, on note que l’étude de l'hémodynamique est principalement soumise aux lois de la mécanique des fluides et ses résultats sont bien déterminés par les variables des vitesses, débits, viscosité et pressions dans les vaisseaux sanguins. Biophysique du système cardio-vasculaire Hémodynamique Définition Introduction 11 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT Rappel sur les états de la matière 3. Etat gazeux: Etat dispersé, complètement désorganisé. Les molécules sont loin les unes des autres, leur interaction est négligeable ( sauf lorsqu’elles se heurtent) Dans la nature, la matière se présente sous trois états fondamentaux: 1. Etat solide: la matière est sous forme compacte, ordonnée, très organisée> Les particules occupent les unes par rapport aux autres des positions invariables dans l’espace grâce a des liaisons très rigides 2. Etat liquide: la notion de rigidité n’existe plus, les molécules peuvent glisser les unes sur les autres. Les liaisons intermoléculaires sont faibles mais conservent le caractère condensé. NB: Les liquides et les gaz constituent la famille des fluides. Biophysique du système cardio-vasculaire Un fluide est donc un milieu matériel continu, déformable, sans rigidité et qui peut s'écouler facilement. 12 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT Etude de la viscosité d’un fluide La viscosité est une grandeur physico-chimique qui caractérise les frottements internes du fluide, autrement dit sa capacité à s’écouler. Elle caractérise la résistance d'un fluide à son écoulement lorsqu'il est soumis à l'application d'une force tangentielle au sens de son écoulement. En fonction de leur viscosité, les fluides peuvent être classés en deux grandes familles: Les fluides "newtoniens" (comme l'eau, l'air, le miel et la plupart des gaz) ayant une viscosité constante et qui ne peut varier qu'en fonction de la température. C’est la quantité de matière contenue dans une unité de volume de cette substance. On la note ρ et s'exprime en kg/m3 . La masse volumique Biophysique du système cardio-vasculaire Rappel sur les propriétés physiques des fluides 13 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT Etude de la viscosité d’un fluide La viscosité est une grandeur physico-chimique qui caractérise les frottements internes du fluide, autrement dit sa capacité à s’écouler. Elle caractérise la résistance d'un fluide à son écoulement lorsqu'il est soumis à l'application d'une force tangentielle au sens de son écoulement. En fonction de leur viscosité, les fluides peuvent être classés en deux grandes familles: "Les fluides "non newtoniens" (le sang, les gels, les boues, les pâtes, les suspensions, ) qui ont une viscosité variable non seulement avec la température mais aussi avec la vitesse et des contraintes qu'ils subissent durant leur écoulement. C’est la quantité de matière contenue dans une unité de volume de cette substance. On la note ρ et s'exprime en kg/m3 . La masse volumique Biophysique du système cardio-vasculaire Rappel sur les propriétés physiques des fluides 14 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT Biophysique du système cardio-vasculaire Rappel sur les propriétés physiques des fluides On peut aussi utiliser une autre classification selon la réaction à la pression : Fluide compressible: (masse volumique varie en fonction de la pression): air, hydrogène… Fluide incompressible: (masse volumique ne varie pas en fonction de la pression): eau, huile… F F 15 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT 1.1 Lois de Pascal Les lois de Pascal analysent les propriétés et les valeurs des pressions dans un liquide, en équilibre isotherme, soumis au champ de gravité d'intensité constante. Ce premier modèle ne correspond pas à la réalité globale du système cardio-vasculaire. Cependant il se révèle très important car son étude conduit aux notions fondamentales de pression et de tension. 1.1.2- Première loi. Premier modèle: hémostatique NB: Dans la pratique médicale, la pression est appelée « tension ». « La pression exercée par un liquide sur tout point A dune paroi solide (qui le limite et qui lui donne sa forme propre) a une direction normale à cette paroi et est appelé pression statique P en A ». A P P0 P0 air eau 3 v  1 v  2 v  La pression P est analogue à celle exercée par le sang sur les vaisseaux. 16 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT 1.1 Lois de Pascal 1.1.3- Deuxième loi. Premier modèle: hémostatique « En tout point à l'intérieur d'un liquide, la pression statique est une grandeur scalaire >>. Conséquence: un liquide incompressible et indéformable, transmet une pression et ses variations dans n’importe quelle direction. 1 l 1 s 2 s 2 l 1 F  2 F  Sur la surface S1 s’exerce: 1 1 1 1 1 1 S P F S F P     Le fluide étant incompressible, les modules des travaux sont égaux. 2 2 2 2 2 2 S P F S F P     Sur l1, 1 1 1 l F w   Sur la surface S1 s’exerce: Sur l2, 2 2 2 l F w   2 1 1 2 2 1 2 2 1 1 2 1 S S l l F F l F l F w w         17 Cours de Biophysique: Dr JW.PETIT 1.1 Lois de Pascal 1.1.3- Deuxième loi. Premier modèle: hémostatique Le liquide transmet intégralement dans toutes les directions toute variation de pression qu’il subit. ) ( ) ( 2 2 2 1 1 1 P S F P S F    2 1 2 1 2 1 uploads/Sante/ biophysique-du-systeme-cardiovasculaire.pdf