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" Détecteur d'une signature volatile et procédés associés "
La présente invention concerne un détecteur pour une signature volatile
d'une substance, par exemple une signature du cannabis dans l'haleine d'un
fumeur. Elle concerne aussi un procédé pour l'étalonnage du détecteur, un
procédé pour y implanter des capteurs et un procédé pour détecter et évaluer
une molécule de la substance avec un tel détecteur.
On connaît plusieurs types de détecteurs pour déterminer la présence
d'une molécule ou d'un ensemble de molécules dans un mélange gazeux.
1o Certains de ces détecteurs utilisent des capteurs spécialisés et ces
capteurs
sont parfois à usage unique.
Un dëtecteur du type spécialisé est, par exemple, un éthylotest (ou
Alcootest~) qui utilise en ° tant que capteur des cristaux
réagissant
chimiquement avec des vapeurs éthyliques comprises dans l'haleine. Cette
réaction est irréversible et le détecteur est à usage unique.
II existe aussi des capteurs pérennes utilisés pour la détection de
composés volatils en phase gazeuse, par exemple, dans les domaines de la
sécurité pour détecter la présence de gaz nocifs ou polluants, par exemple du
monoxyde de carbone dans l'air. Certains de ces capteurs sont des semi-
2o conducteurs ou des polymères conducteurs. lis sont aussi utilisés dans des
nez électroniques pour la détection de composés aromatiques. Les capteurs
semi-conducteurs comprennent une zone sensiblé constituée d'une matière
semi-conductrice en couche mince et maintenue ~ à une température de
fonctionnement, par exemple 350°C, par une résistance chauffante.
L'adsorption de certains composânts du gaz à la surface de la matiére semi-
conductrice fait varier la conductivité de cette dernière. La mesure de ta
variation de conducfiivité permet de détecter la présence du gaz et d'en
évaluer
la concentration. On peut utiliser pour la matiére semi-conductrice un cristal
d'oxyde d'étain (Sn02 par exemple) qui peut être dopé par l'adjonction au
3o réseau cristallin de composés atomiques susceptibles de modifier la réponse
du capteur. Les capteurs polymères conducteurs comprennent une zone
sensible constituée d'un réseau de polymères conducteurs dont on mesure la
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conductivité lorsqu'ils sont en contact avec le mélange gazeux. Les capfieurs
polymères ont en outre l'avantage de fonctionner à température ambiante et
d'être de très petite taille, par exemple trente deux capteurs sur quelques
millimètres carrés.
II existe aussi d'autres types de capteurs connus pour la détection de
composés volatils en phase gazeuse qui sont les cristaux piézo-électriques et
les résonateurs à onde acoustique de surface.
Pour utiliser des "nez électroniques", c'est à dire des capteurs d'arômes,
on prélève l'échantillon, par exemple un parfum, que l'on introduit dans une
1o cellule d'échantillonnage. L'échantillon est ensuite analysé simultanément
par
une pluralité de capteurs non spécifiques, c'est à dire non spécialisés dans
ia
détection de certaines molécules. Ces capteurs sont de sensibilité ou de types
différents. Les réponses de ces capteurs sont ensuite traitées pour fournir
une
signature (ou empreinte) visualisée sur un ordinateur. La signature est
ensuite
comparëe à des signatures d'échantillons de référence pour en déduire la
composition de l'échantillon. .Cependant, ces matériels sont des matériels de
laboratoire, lourds, coûteux et demandent une grande compétence à leurs
utilisateurs.
Par exemple, des capteurs semi-conducteurs utilisés dans des nez
2o peuvent être sensibles aux gaz en général, au propane et au butane, au
méthane au propane et au butane, aux solvant organiques (alcool, toluène,
xylène...), et la matière semi-conductrice d'un capteur peut former un plan ou
un tube.
En particulier, pour les capteurs semi-conducteurs et les capteurs
polymères, il est important de té~nir compte de plusieurs paramètres internes
susceptibles d'influer sur la qualité de l'analyse par le détecteur. Un
paramètre
est le temps de réponse nécessaire à une réponse optimale du capteur à partir
d'un état premier stable, la ligne de base, et lié à un temps d'adsorption. La
ligne de base est la valeur de la résistance du capteur placé dans un mélange
3o gazeux considéré comme neutre, par exemple de l'air à l'état pur. Un autre
paramètre est un temps de reconditionnement pour le capteur, c'est à dire son
retour à sa ligne de base après l'analyse. Un autre paramètre est encore un
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risque de saturation des capteurs si la concentratiori des molécules
adsorbablés est trop grande. La précision de la température de fonctionnement
et la précision dans la réalisation du capteur ont aussi une influence notable
sur la qualité de l'analyse.
II apparaît aussi que des conditions extérieures de l'analyse influent aussi
sur la fiabilité de l'analyse par le détecteur. Ainsi, il n'est pas facile de
déterminer la ligne de base d'un appareil qui doit pouvoir analyser une
haleine
dans tous les types d'environnements, par exemple aussi différents qu'une
ville et un bord de mer. La présence dans le mélange gazeux de certaines
1o molécules ou de certains composés peut aussi influencer l'analyse.
L'haleine
est un mélange gazeux particulier du fait de sa forte charge en vapeur d'eau.
Ainsi, La détection de la signature du cannabis dans l'haleine d'un fumeur
peut
être masquée par des molécules d'eau, donc par de la vapeur d'eau dont
l'haleine est saturée. En effet, la vapeur d'eau sature généralement
rapidement
les capteurs qui ne sent alors plus fonctionnels. La grande sensibilité de
capteurs à certaines molécules, par exemple les alcools, peut aussi masquer la
signature du produit à détecter.
Le comportement d'un opérateur, par exemple un automobiliste, peut être
affectë par des substances qu'il a absorbées. Cela représente un danger dans
i=
l'accomplissement de tâches à risque. Seule la consommation d'alcool est
couramment contrôlée. Cependant, certaines études aux Etats-Unis ont permis
d'établir que la consommation de cannabis était une cause d'un tiers des
accidents de la route; c'est le THC qui bloque le fonctionnement de certains
neurones, les neurones à Anandamide. D'autres drogues ou médicaments
peuvent aussi affecter le comportement. 1l est à noter que des consommateurs
pour d'autres drogues sont souvent aussi des consommateurs de cannabis. Le
cannabis est ainsi un traceur pour la détection de consommateurs de drogues
autres que le cannabis, d'autant que le temps de rémanence dans le corps de
composés issus de la consommation du cannabis est de plusieurs jours.
3o Alors que dans de nombreux pays la légalisation de l'usage du cannabis
est évoquée, que l'on prend par ailleurs conscience des effets de certaines
substances sur le comportement, on manque d'outils pour contrôler etlou
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évaluer la consommation de telles substances, par exemple par un conducteur
automobile. Des moyens connus permettent de détecter et de doser des
substances telles les drogues ou les médicaments dans des mélanges en
solution liquide, et donc la plupart du temps ces moyens sont mieux adaptés
aux analyses de laboratoire. Or, avant de faire des analyses plus précises des
produits issus de ces substances et présents dans l'organisme, par exemple à
l'aide d'une prise de sang, il est important de pouvoir faire un test peu
agressif, tel l'éthylotest. C'est l'analyse de l'haleine qui est ressentie
comme la
moins agressive et la mieux admise.
~.o Le but de l'invention . est donc de proposer un dispositif simple
d'utilisation et d'entretien, fiable, peu coûteux, et qui peut être si
nécessaire
d'encombrement réduit, pour évaluer la présence et/ou la concentration d'une
substance dans une haleine, d'un homme ou d'un autre animal, sans les
inconvénïents précédemment cités.
l5 Selon l'invention, pour détecter dans l'haleine une signature volatile
d'une
substance, on utilise un détecteur qui comprend:
- une pluralité de capteurs de gaz ;
- des moyens pour stocker des coefficients d'étalonnage du détecteur; et,
- des moyens pour combiner des réponses des capteurs avec les
~o coefficients, ces mêmes moyens permettant ainsi de délivrer des
informations sur une présence de ladite substance,
Un tel détecteur permet notamment de détecter une substance
préalablement inhalée par l'animal, par exemple par un être humain en fumant.
Le détecteur peut en outre comprendre des moyens pour filtrer l'haleine.
25 En particulier, ces moyens pour fiòtrer peuvent permettre d'éliminer de
l'haleine
une partie importante, ou fa totalité, de certains gaz ou de certaines
molécules
qui pourraient perturber la détection ou masquer Ia signature recherchée. On
peut ainsi filtrer l'haleine pour piéger de la vapeur d'eau ou des vapeurs
d'alcool contenues dans l'haleine.
3o Avantageusemént, un détecteur selon l'invention comprend un nombre de
capteurs compris entre 4 et 25. Ce nombre varie selon le type de capteurs
utilisés et selon le type de la signature recherchée. On peut ainsi utiliser,
parmi
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les capteurs, certains dont une zone sensible comprend principalement une
substance semi-conductrice etlou d'autres dont une zone sensible comprend
principalement un polymère conducteur.
La mémoire utilisée pour conserver les coefficients d'étalonnage sera
préférablement comprise dans une mémoire électronique qui pourra être
changée simultanément à la pluralité des capteurs. Pour des capteurs dont le-
coût est élevé, on pourra préférer ne changer qu'un ou certains capteurs de la
pluralité, effectuer un nouvel étalonnage et modifier les coefficients de la
mémoire. On peut aussi être amené à ëtalonner périodiquement une pluralité
1o de capteurs dont certaines caractéristiques varient en fonction du temps,
et si
le coût de cette pluralité justifie un étalonnage périodique plutôt qu'un
changement par une pluralité nouvelle.
Un détecteur selon l'invention peut être conçu pour détecter fa signature
d'une substance alcoolïque ou d'une substance dérivée du cannabis. Il peut
z5 être aussi conçu pour discriminer et reconnaître les signatures de
plusieurs
substances, simultanément ou non. II peut aussi être portable.
Un procédé pour étalonner un détecteur selon l'invention comprend les
étapes suivantes:
- on calibre chacun des capteurs dans la pluralité;
20 - on détermine, à partir d'une banque de données, pour chaque capteur et
pour chaque substance dont on veut détecter la signature, des coefficients
à appliquer aux réponses desdits capteurs;
- on associe une mémoire à la pluralité de capteûrs;
- on introduit les coefficients dans la mémoire.
25 Pour créer la base de donnéés, on peut
- définir des types pour les capteurs à utiliser dans le détecteur ;
- pour des pluralités de capteurs de calibres différents dans chaque type,
apprendre, avec l'aide d'un réseau de neurones formels, à détecter la
signature dans des conditions de mélange variables ; et,
30 - emmagasiner des données issues de cet apprentissage.
D'autres particularités et avantages de l'invention réssortiront encore de
la description ci-après, relative à des exemples non limitatifs.
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Aux dessins annexés
- la figure 1 est une représentation schématique et simplifiée d'étapes
possibles pour la mise au point et l'utilisation d'un détecteur selon
l'invention;
- fa figure 2 est une représentation de réponses de capteurs projetées
selon deux axes après une analyse en composante principale.
Le dëtecteur D, dont le fonctionnement est schématisé à la figure 1, est
prévu pour dëtecter la signature d'une ou plusieurs substances SDD à
détecter. La mise au point d'un tel détecteur commence dans le laboratoire LB.
11 s'agit d'abord de déterminer un champ d'action pour le détecteur. ici il
est
Zo prévu de contrôler la consommation par des conducteurs automobiles de
substances susceptibles de modifier son comportement au volant, par exemple
l'alcool et le cannabis. Pour cela on choisit de prélever un mélange gazeux
qui
est l'haleine d'un conducteur et d'en faire un test rapide grâce au détecteur
D.
Ce test, s'il est positif, c'est à dïre si la substance est détectëe et si
5 particulièrement son taux est supérieur à un taux N au-delà duquel la
conduite
est considérée comme dangereuse, une analyse plus précise pourra étre faite,
par exemple à partir d'un prélèvement sanguin.
On ne peut cependant pas se contenter de prendre en compte seulement
les substances recherchées mais aussi d'autres substances de l'haleine du
2o conducteur. Ainsi, le cannabis est consommé en association avec du tabac;
il
est donc important de distinguer les consommateurs de tabac seul de ceux
ayant consommé du cannabis. On doit pouvoir, parmi des substances S.1-Sz
comprenant plusieurs types d'alcool, plusieurs types 'de tabac, plusieurs
types
de cannabis et d'autres substances associées, discriminer la signature d'un
25 alcool ou d'un cannabis. D'a~i~tres paramètres peuvent aussi influencer
l'analyse, en particulier, l'atmosphère A respirée par le conducteur P, c'est
à
dire l'air ambiant, mais aussi le corps du conducteur lui-même. Un paramètre
important est aussi la variabilité dans les capteurs utilisés. C'est à dire
que
pour conserver des coûts faib'¿es pour les détecteurs il est important
d'utiliser
3o des capteurs courants du commerce et cela peut conduire à accepter une
certaine variabilité dans ia rëponse individuelle de chaque capteur à une
sollicitation donnée.
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La figure 2 est une représentation avec analyse en composante
principale, c'est à dire une projection en plan d'un espace comprenant un
nombre supérieur de dimensions. Ainsi, pour un détecteur comprenant n
capteurs, un axe différent est affecté à une représentation des réponses de
chacun des n capteurs. L'ensemble de ces n axes définit un espace à n
dimensions dans lequel une réponse du détecteur lors d'une détection est
représentée par des coordonnées qui sont les réponses individuelles des
.i,
capteurs pour cette même détection. On choisit alors dans cet espace deux
axes afin que les projections de réponses du détecteur sur chacun de ces axes
Zo présentent une dispersion maximale. Des projections des réponses du
dëtecteur, dans le plan défini par ces deux axes, en forment une
représentation en composante principale.
Dans l'étude illustrée à la figure 2, des réponses simultanées de capteurs
forment, pour des paramètres variables, des nuages de points. Ainsi, les
coordonnées issues des réponses des capteurs définissent des groupes de
mesures sensiblement distincts pour des mélanges gazeux à discriminer. Les
points sont principalement groupés en trois nuages G 1,G2,G3. Le nuage G 1
correspond à l'analyse d'un mélange gazeux MG qui n'est constitué que d'air;
c'est la ligne de base. Le nuage G2 correspond à l'analyse d'air contenant des
2o fumëes de tabac seulement Le nuage G3 correspond à l'analyse d'air
contenant des fumées de cannabis mélangé à du tabac et dont le taux
d'humidité relative est maintenu inférieur à 20%. Ces nuages sont
suffisamment distincts pour considérer les capteu''rs discriminants pour le
cannabis. Cette étude a été faite avec des machines à fumer.
Ainsi, une signature d'une àubstance est assimilée à des combinaisons
possibles pour des réponses des capteurs. I! n'importe pas de savoir quelles
molécules issues de la substance réagissent avec un capteur. Ce peut étre
aussi une molécule qui n'est pas issue de la substance mais, par exemple, qui
est ëmise dans l'haleine d'une personne en réaction à l'absorption de cette
3o substance. La signature est donc une représentation abstraite déduite des
éléments volatiles issus, par exemple, de la consommation de la substance
recherchée.
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Dans l'exemple de la figure 1 on a choisi, en faisant une étude telle celle
illustrée à la figure 2, trois types de capteurs T1,T2,T3. On constitue ainsi
des
pluralités de trois capteurs. Chaque pluralité PC est constituée par une
combinaison unique de trois capteurs choisis chacun dans un type. Ces
s capteurs, mis en combinaison en présence de l'haleine à analyser, permettent
de distinguer les substances S1-Sz à discriminer. II est possible en
laboratoire
de reproduire sur un écran d'ordinateur un espace à deux dimensions du type
de celui de la figure 2 et d'y identifier (a position de points correspondant
à
une analyse. Un utilisateur peut alors en déduire l'évaluation de la présence
1o d'une substance. Cependant, on l'a dit, cela demande un matériel important,
et une expertise certaine de la'part de l'utilisateur.
Lors du développement du détecteur au sein du laboratoire LB, on
constitue des pluralités de trois capteurs, chacun d'un type différent, parmi
des capteurs C1T1-CiT1 d'un premier type T1, des capteurs C1T2-CjT2 d'un
1~ deuxième type T2 et des capteurs C1T3-CkT3 d'un troisième type T3. Au
cours de séances successives on met chacune de ces pluralités en présence
d'haleines provenant de différents sujets P1-Px ayant respiré différentes
atmosphères A1-Ay et consommé différentes substances ou différents
mélanges de substances parmi les substances S1-Sz à détecter. Les sujets
2o peuvent être des personnes physiques pour des substances à détecter S1-Sz
ne présentant pas de risque pour la santé de ces personnes ou bien des
machines, par exemple des machines à fumera Les séances successives
servent à l'apprentissage progressif de l'évaluatibn de la présence des
substances ou mélanges de substances dans une haleine en fonction des
2s pluralités utilisées. Cet apprentissage est réalisé avec l'aide d'un réseau
de
neurones formels RN c'est à dire un traitement du signal qui mime
l'apprentissage du cerveau humain. Cet apprentissage est poursuivi jusqu'à ce
que !'évaluation soit suffisamment précise. Dans le cadre d'essais de
laboratoire on a constaté qu'après moins de 150 cycles d'apprentissage, dans
3o moins de un pour cent des cas, une substance n'était pas reconnue, c'est à
dire qu'il y a erreur de détection. Au bout de moins dé 2000 cycles cette
erreur était infërieure à un pour mille. Les connaissances issues de
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l'apprentissage sont ensuite stockées sous la forme d'une base de données
BD. Cette base de données doit permettre l'étalonnage de n'importe quelle
pluralité PC de capteurs CT1,CT2,CT3 destinés à équiper le détecteur D.
Un module de captage MC destiné à équiper le détecteur est fabriqué
dans une unité de fabrication UF. Les trois capteurs CT1,CT2,CT3 sont
respectivement des types T1,T2,T3. On détermine le calibre respectif de
chacun des capteurs, c'est à dire que l'on observe, avec les moyens de
calibrage MK, la réponse de chacun des capteurs respectivement à une
sollicitation connue et choisie pour le calibrer. On choisit parmi les
substances
1o S1-Sz ayant servi à établir la base de données des substances évaluables SE
par le capteur lorsqu'il sera équipé du module de captage MC. Dans l'exemple,
les substances évaluables sont l'alcool et le cannabis. On consûlte alors la
base de données BD pour déterminer à partir des calibres des capteurs et des
substances évaluables choisies des coefficients K. Ces coefficients sont
m stockés dans une mémoire électronique ME. Ils sont spécifiques de la
pluralité
des capteurs et des substances évaluables choisies. La mémoire électronique
est donc intégrée conjointement à la pluralité PC des capteurs au sein du
module de détection MD. Le module est ensuite implanté dans le détecteur D,
soit lors de la fabrication du détecteur, soit en remplacement d'un précédent
2o module de détection. Le module MC est changeable. Il peut être changé
lorsqu'un capteur est défectueux ou bien si l'on veut pouvoir évaluer de
nouvelles substances SE. Les coefficients K étant strictement liés à une
pluralité de capteurs PC donnée et à des substances' évaluables SE données il
convient de changer le module MC dans son ensemble. C'est à dire de changer
2s simultanément l'ensemble des ôapteurs CT1,CT2,CT3 et la mémoire ME
associée.
Lors de l'utilisation du détecteur D par un opérateur OP, par exemple un
agent des forces de l'ordre, celui-ci choisit une ou plusieurs substances à
évaluer SEE, par exemple le cannabis, parmi les substances évaluables SE,
3o c'est à dire l'alcool et le cannabis. II choisit en outre le niveau N,
correspondant à une concentration du cannabis dâns l'organisme du
conducteur P contrôlé, au-delà duquel la conduite est dangereuse, c'est
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l'ivresse cannabique, et au-delà duquel le conducteur sera présumé
contrevenant à une règle de sécurité.
L'opérateur OP prélève de l'haleine MG du conducfieur P à l'aide de
moyens de prélèvement MP. Cetfie haleine est ensuifie filtrée par un filtre F
s pour en éliminer la vapeur d'èau en excès, avant d'être mise en contact avec
les capteurs CT1,CT2,CT3. Ce filtre peut être un tamis moléculaire. Au
contact avec l'haleine, les capteurs CT1,CT2,CT3 émettent respectivement
des réponses R1,R2,R3. Ces réponses sont traitées par une unité de
traitement T en combinaison avec les coefficients K de fa mémoire ME et les
1o choix de la substance à évaluer SEE et du niveau N. L'unité de traitement
en
déduit une évaluation E qui esfi transmise à des moyens de visualisation V
pour
l'opérateur OP.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être
décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples
15 sans sortir du cadre de l'invention.
Ainsi, l'opérateur peut ne pas avoir le choix de la substance SEE à
évaluer ni du niveau N. Un détecteur selon l'invenfiion n'est pas non plus
limité
à la détection de l'ivresse cannabique ou alcoolique. II peut servir à
détecter
des polluants dans l'atmosphère à l'aide de types de capfieurs non spécialisés
2o ayant appris à reconna>tre ces polluants. Au lieu de capteurs ayant une
forte
variabilité on peut aussi utiliser des capteurs dont les caractéristiques de
fabrication sont très stables si le coût de fabricafiion est acceptable au vu
de
l'utilisation souhaitée. Le nombre des capfieurs d'une même pluralité peut
être
inférieur ou supérieur à trois. En particulier dans le cas de l'utilisation de
25 capteurs polymères il est préférable d'avoir un plus grand nombre de
capteurs.
Le nombre de capteurs peut aussi être fonction du nombre des substances à
discriminer ou d'une substance ayant une signature moins lisible parmi
d'autres substances.
