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Biophysique
UE3 PACESBiophysique
UE3 3 eédition
Salah Belazreg
Professeur agrégé et docteur en physique, il enseigne au lycée Camille Guérin à Poitiers. Il a enseigné la biophysique en classes préparatoires aux concours de Médecine. Il est aussi interrogateur en classes préparatoires scientiques.Rémy Perdrisot
Ancien élève de lENS-ULM, professeur de biophysique, assesseur du Doyen de la faculté de médecine de Poitiers, responsable du premier cycle.Jean-Yves Bounaud
Docteur en sciences, docteur en pharmacie
et maître de conférences à la faculté de médecine de Poitiers. PACES© EdiScience, 2006, 2009, 2010, 2014
EdiScience est une marque de
Dunod Éditeur, 5 rue Laromiguière, 75005 ParisISBN 978-2-10-071225-0
Table des matières
Partie 1 - Biophysique des solutions
Chapitre 1. Généralités sur les solutions aqueuses........................11.1 Étudedessolutions............................................ 2
1.2 Électrolytes.................................................. 5
QCMetexercices................................................... 11 Corrigés........................................................... 14 Chapitre 2. Thermodynamique chimique..................................192.1 Leséquilbresphysico-chimiques............................... 20
2.2 Fonctions thermodynamiques .................................. 21
2.3 Expressionsdupotentielchimique.............................. 25
QCMetexercices................................................... 25 Corrigés........................................................... 28 Chapitre 3. Propriétés acido-basiques des solutions......................323.1 Acidesetbasesensolutionaqueuse............................. 32
3.2 pHd"unesolutionaqueuse..................................... 35
3.3 Réactions acide-base : courbes de titrages ....................... 41
3.4 Les systèmes tampons......................................... 43
3.5 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques.............. 44
QCMetexercices................................................... 48 Corrigés........................................................... 52 Chapitre 4. Oxydo-réduction.............................................594.1 Définition .................................................... 60
?Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit viTable des matières4.2 Potentiel d"oxydo-réduction.................................... 62
QCMetexercices................................................... 68 Corrigés........................................................... 71 Chapitre 5. Transports transmembranaires................................745.1 Généralités sur les phénomènes de transport ..................... 74
5.2 Propriétés colligatives ......................................... 80
5.3 Phénomènesélectriques....................................... 88
5.4 Ultrafiltration................................................. 92
QCMetexercices................................................... 94 Corrigés........................................................... 99 Chapitre 6. Propriétés mécaniques des solutions..........................1076.1 Statiquedesfluides............................................ 107
6.2 Dynamiquedesfluides........................................ 110
6.3 Dynamiquedesfluidesréels.................................... 111
6.4 Lesphénomènesdesurface.................................... 117
QCMetexercices................................................... 122 Corrigés........................................................... 130Partie 2 - Biophysique cardiaque
Chapitre 7. Biophysique cardiaque.......................................1427.1 Biomécanique cardiaque....................................... 143
7.2 Contrôle automatique biophysique du débit cardiaque - loi de
starling...................................................... 1467.3 La mesure des paramètres hémodynamiques ..................... 149
7.4 Lesbruitsducur............................................ 157
QCMetexercices................................................... 160 Corrigés........................................................... 162 Chapitre 8. L"activité électrique du cur - ECG............................1658.1 Cellulemyocardiqueisolée.................................... 165
8.2 Auniveauducurentier...................................... 170
8.3 Lesdérivationsdel"ECG...................................... 173
8.4 L"axeélectriqueducur....................................... 178
8.5 L"interprétationdel"ECG...................................... 180
QCMetexercices................................................... 181 Corrigés........................................................... 185Table des matièresvii
Partie 3 - Les radiations ionisantes
Chapitre 9. Le noyau et les transformations nucléaires....................1879.1 Lenoyauatomique............................................ 188
9.2 Stabilité des noyaux........................................... 192
9.3 Laradioactivité............................................... 194
9.4 Lesréactionsnucléairesprovoquées............................ 206
QCMetexercices................................................... 207 Corrigés........................................................... 216 Chapitre 10. Interactions des rayonnements avec la matière..............23110.1 Les interactions des particules chargées avec la matière ........... 232
10.2 Atténuation des photons x etγ................................. 237
10.3 Application : la production des rayons x......................... 243
QCMetexercices................................................... 247 Corrigés........................................................... 250 Chapitre 11. La détection des rayonnements ionisants....................26011.1 Émulsion photographique - autoradiographie.................... 261
11.2 La thermoluminescence....................................... 261
11.3 La calorimétrie ............................................... 261
11.4 L"effet cerenkov.............................................. 261
11.5 Les compteurs à gaz ou compteurs à décharge ................... 262
11.6 Les compteurs à scintillation ................................... 263
11.7 Les détecteurs à semi-conducteurs .............................. 264
11.8 Principe d"une chaîne de détection.............................. 264
11.9 Le comptage................................................. 265
11.10 La spectrométrie.............................................. 269
QCMetexercices................................................... 272 Corrigés........................................................... 278 Chapitre 12. Effets biologiques des rayonnements ionisants..............28612.1 Dosimétrie des faisceaux de photons (x etγ)..................... 287
12.2 Cas des faisceaux de particules chargées......................... 290
12.3 Doses équivalente et efficace ................................... 290
12.4 Effets biologiques des rayonnements ionisants ................... 292
12.5 Les effets déterministes........................................ 294
12.6 Les effets stochastiques........................................ 299
QCMetexercices................................................... 299 Corrigés........................................................... 303 ?Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit viiiTable des matièresPartie 4 - Biophysique sensorielle
Chapitre 13. Ondes sonores et audition..................................31013.1 Propriétés des ondes sonores................................... 310
13.2 L"audition subjective .......................................... 320
13.3 L"audition objective ........................................... 323
QCMetexercices................................................... 328 Corrigés........................................................... 334 Chapitre 14. Optique et anomalies de la vision...........................33814.1 Les troubles dioptriques des yeux............................... 338
14.2 Méthodes d"examen des caractéristiques oculaires................ 350
14.3 Le rôle de la rétine dans la vision des couleurs ................... 352
QCMetexercices................................................... 355 Corrigés........................................................... 359Partie 5 - Imagerie
Chapitre 15. Imagerie par isotopes radioactifs............................36115.1 Radiopharmaceutiques........................................ 362
15.2 Appareillages de détection ..................................... 363
15.3 Réalisation des examens scintigraphiques....................... 365
15.4 Traitement mathématique des images numériques ................ 367
QCMetexercices................................................... 369 Corrigés........................................................... 371 Chapitre 16. Bases physiques de l"échographie, applications..............37316.1 Propriétés physiques des ultrasons - physique acoustique.......... 374
16.2 Formation des échos - impédance acoustique .................... 377
16.3 Atténuation du faisceau ultrasonore............................. 381
16.4 Imagerie médicale à l"aide des ultrasons......................... 382
16.5 L"échographie doppler......................................... 384
QCMetexercices................................................... 387 Corrigés........................................................... 389 Chapitre 17. Résonance magnétique nucléaire Imagerie RMN..............39117.1 Les nombres quantiques ....................................... 392
17.2 Électromagnétisme............................................ 395
17.3 Les bases physiques de la RMN................................ 396
17.4 Notions d"imagerie RMN...................................... 403
Table des matièresix
QCMetexercices................................................... 407 Corrigés........................................................... 408 Annales 1. Poitiers - Janvier 2011.......................................411 Corrigés........................................................... 420 Annales 2. Poitiers - Juin 2011..........................................421 Corrigés........................................................... 424 Annales 3. Poitiers - Janvier 2012.......................................425 Corrigés........................................................... 433Avant-propos
Cette 3
e édition du manuel de biophysique, de la collection Concours PCEM1, paru en janvier 2006 a été complètement revue et corrigée. Certains chapitres ont été réhaussés par des paragraphes traitant des applications médicales de la physique. Cet ouvrage destiné principalement aux étudiants de première année de médecine et de pharmacie est le complément au manuel de physique de la même collection. L"ensemble recouvre ainsi la majeure partie du programme de l"épreuve de Physique-Biophysique.
Il intéressera également les étudiants de Licence de 1 er cycle.Chaque chapitre propose :
un cours exposé de façon détaillée, des exemples concrets et quelques applications médicales pour mieux approfondir le cours, des exercices et QCM de difficultés variées, des corrections détaillées et comprenant de nombreuses illustrations, enfin, des épreuves issues des concours de PCEM1 et PH1. On espère que cet ouvrage, fruit d"une longue expérience, rédigé avec beaucoup d"at- tention, apporte une aide efficace aux étudiants dans la préparation de leurs examens et concours.Remerciements
Nous remercions tout particulièrement monsieur Marc Violino, ancien professeur en classes préparatoires aux grandes écoles au lycée Camille Guérin, ainsi que le Dr Frédérique Belazreg, médecin gériatre, pour leur relecture attentive de la plupart des chapitres de cet ouvrage et leurs remarques judicieuses. ?Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit xiiAvant-propos Nos remerciements vont également au Pr Laurence Bordenave, de la faculté de méde- cine de Bordeaux, au Dr Damien Huglo, de la faculté de médecine de Lille, pour les annales qu"ils nous ont fournies, ainsi qu"au Dr Laurent Vervueren, médecin nucléaire au CHU de Poitiers, pour l"iconographie IRM. Que toutes les personnes des éditions Dunod, et plus particulièrement Monsieur Éric d"Engenières,quiontcru en cet ouvrageet apportébeaucoupde soinsà sa réalisation, en soient chaleureusement remerciés. Que les lecteurs, collègues enseignants et étudiants, qui voudront bien nous formu- ler leurs remarques constructives et critiques, ou nous présenter leurs suggestions susceptibles d"améliorer cet ouvrage, en soient par avance remerciés.Poitiers, avril 2014.
Généralités
sur les solutions aqueuses 1Plan Objectifs
Cours1.1Étude des solutions
1.2Électrolytes
QCM et exercices
CorrigésReconnaître un électrolyte fort d"un électrolyte faibleSavoir calculer :
- un taux de dissociation, - un coefficient d"ionisation, - les différentes concentrations molaires, particulaires, équi- valentes, ... Cours L"eau est le constituant fondamental de la matière vivante; elle est indispensable à la vie. La teneur en eau d"un tissu atteste de sa vitalité et la déshydratation est un des signes les plus nets du veillissement. D"un point de vue pondéral, un adulte renferme70 à 75 % d"eau alors que chez l"enfant jeune cette valeur peut dépasser 80 %.
Les propriétés physicochimiques particulières de la molécule d"eau en font un bon solvant biologique des composés ioniques et moléculaires.On traitera dans ce chapitre :
les diverses façons d"exprimer la concentration d"un constituant dans une solu- tion;les électrolytes forts et faibles.
2Chap. 1. Généralités sur les solutions aqueuses
1.1 ÉTUDE DES SOLUTIONS
1.1.1 Étude structurale de l"eau
Structuredelamoléculed"eau
La molécule d"eauH
2 Oest une molécule coudée et l"angle de liaison estHOH=104,5
.La longueur d"une liaisonO-Hestd=0,96Å. 3.10 -29 C.m) (Fig. 1.1). H H OFigure 1.1
La liaison hydrogène
Laliaisonhydrogène(Fig. 1.2)estuneliaisonintermoléculaireattractiveetbeaucoup plus puissante que la force de Van der Waals. Sa longueur est de l"ordre de 2,5à3Å. H O H H OH liaison hydrogèneFigure 1.2
Elle est de nature électrostatique, environ 20 fois supérieure à une liaison de Van der Waals mais 20 fois inférieure à une liaison covalente.Les trois états de l"eau
L"eau existe sous les trois états : l"état solide, liquide et gazeux. L"existence d"une liaison hydrogène intermoléculaire entraîne des anomalies sur les propriétés physiques de l"eau. En effet, on observe une élévation des températures de fusion et d"ébullition. Les graphes de lafigure 1.3donnent les évolutions des températures de fusion et d"ébullition de quelques composés hydrogénés de typeH 2 X.1.1 Étude des solutions3
-80-60-40-20020406080100120 H2O H 2SH 2SeH 2Te qf (°C)qe (°C) -90-80-70-60-50-40-30-20-100H2O H 2SH 2SeH 2TeEvolution de la température d'ébullition Evolution de la température de fusion
Figure 1.3
?Concentrations Une solution est obtenue par dissolution d"une ou plusieurs espèces chimiques, appe- lées solutés, dans un solvant (généralement l"eau). Le soluté peut être solide, liquide ou gazeux, moléculaire ou ionique.Concentration massique d"une espèce chimique
Elle représente la masse de soluté par litre de solution, soit c=m V (men g,Ven L etcen g.L -1 (1.1) Concentration molaire d"une espèce chimique - molaritéElle est numériquement égale à la quantité de matière de l"espèce chimique dissoute
par litre de solution, soit C=n V (nen mol,Ven L etCen mol.L -1 (1.2) SiMreprésente la masse molaire moléculaire du soluté, alors : c=C×M (c:eng.L -1 ,Cen mol.L -1 etMen g.mol -1 (1.3)