Brevet FR2822952A1 — publié le 20021004

'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. Certains de ces détecteurs utilisent des capteurs spécialisés et ces capteurs sont parfois à usage unique. Un détecteur 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. Il 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 semiconducteurs ou des polymères conducteurs. Ils sont aussi utilisés dans des nez électroniques pour la détection de composés aromatiques. Les capteurs semi-conducteurs comprennent une zone sensible constituée d'une matière semi-conductrice en couche mince et maintenue à une température de fonctionnement, par exemple 350oC, par une résistance chauffante. L'adsorption de certains composants du gaz à la surface de la matière semiconductrice fait varier la conductivité de cette dernière. La mesure de la variation de conductivité permet de détecter la présence du gaz et d'en évaluer la concentration. On peut utiliser pour la matière semi-conductrice un cristal d'oxyde d'étain (SnOz par exemple) qui peut être dopé par l'adjonction au 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 conductivité lorsqu'ils sont en contact avec le mélange gazeux. Les capteurs 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. Il 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 cellule d'échantillonnage. L'échantillon est ensuite analysé simultanément par une pluralité de capteurs non spécifiques, c'est à dire non spécialisés dans la 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 comparée 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 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 tenir 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 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 risque de saturation des capteurs si la concentration des molécules adsorbables 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. Il 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 molécules ou de certains composés peut aussi influencer l'analyse. 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. 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 affecté par des substances qu'il a absorbées. Cela représente un danger dans 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. Il 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. 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 et/ou évaluer la consommation de telles substances, par exemple par un conducteur automobile. 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. 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, sans les inconvénients précédemment cités. Selon l'invention, pour détecter dans un mélange gazeux 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 coefficients, ces mêmes moyens permettant ainsi de délivrer des informations sur une présence de ladite substance, Le détecteur peut en outre comprendre des moyens pour filtrer le mélange gazeux. En particulier, ces moyens pour filtrer peuvent permettre d'éliminer du mélange gazeux une partie importante, ou la totalité, de certains gaz ou de certaines molécules qui pourraient perturber la détection ou masquer la signature recherchée. On peut ainsi filtrer le mélange gazeux pour piéger de la vapeur d'eau ou des vapeurs d'alcool contenues dans le mélange gazeux. Avantageusement, 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 les capteurs, certains dont une zone sensible comprend principalement une substance semi-conductrice et/ou 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 étalonner périodiquement une pluralité 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 la signature d'une substance alcoolique ou d'une substance dérivée du cannabis. Il peut être aussi conçu pour discriminer et reconnaître les signatures de plusieurs substances, simultanément ou non. Il 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 ; - 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 capteurs ; - on introduit les coefficients dans la mémoire. Pour créer la base de données, 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 gazeux variables ; et, - emmagasiner des données issues de cet apprentissage. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après, relative à des exemples non limitatifs. 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 ; - la figure 2 est une représentation de réponses de capteurs projetées selon deux axes après une analyse en composante principale. Le détecteur D, dont le fonctionnement est schématisé à la figure 1, est prévu pour détecter la signature d'une ou plusieurs substances SDD à détecter. La mise au point d'un tel détecteur commence dans le laboratoire LB. Il s'agit d'abord de déterminer un champ d'action pour le détecteur. Ici il est 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 dire si la substance est détectée et si particulièrement son taux est supérieur à un taux N au-delà duquel la conduite est considérée comme dangereuse, une analyse plus précise pourra être 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 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 S1-Sz comprenant plusieurs types d'alcool, plusieurs types de tabac, plusieurs types de cannabis et d'autres substances associées, discriminer la signature d'un alcool ou d'un cannabis. D'autres 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 faibles pour les détecteurs il est important d'utiliser des capteurs courants du commerce et cela peut conduire à accepter une certaine variabilité dans la réponse individuelle de'chaque capteur à une sollicitation donnée. 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 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 présentent une dispersion maximale. Des projections des réponses du détecteur, 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 G1, G2, G3. Le nuage G1 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 fumées 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 capteurs discriminants pour le cannabis. Cette étude a été faite avec des machines à fumer. Ainsi, une signature d'une substance est assimilée à des combinaisons possibles pour des réponses des capteurs. Il n'importe pas de savoir quelles molécules issues de la substance réagissent avec un capteur. Ce peut être aussi une molécule qui n'est pas issue de la substance mais, par exemple, qui est émise dans l'haleine d'une personne en réaction à l'absorption de cette substance. La signature est donc une représentation abstraite déduite des éléments volatiles issus, par exemple, de la consommation de la substance recherchée. 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 capteurs, mis en combinaison en présence de l'haleine à analyser, permettent de distinguer les substances S1-Sz à discriminer. Il 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 la position de points correspondant à une analyse. Un utilisateur peut alors en déduire l'évaluation de la présence 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 ClT2-CjT2 d'un 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 A 1-Ay et consommé différentes substances ou différents mélanges de substances parmi les substances S1-Sz à détecter. Les sujets 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 fumer. Les séances successives servent à l'apprentissage progressif de l'évaluation de la présence des substances ou mélanges de substances dans une haleine en fonction des 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 l'évaluation soit suffisamment précise. Dans le cadre d'essais de laboratoire on a constaté qu'après moins de 150 cycles d'apprentissage, dans 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 de 2000 cycles cette erreur était inférieure à un pour mille. Les connaissances issues de 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 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 consulte 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 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 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 simultanément l'ensemble des capteurs 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, c'est à dire l'alcool et le cannabis. Il choisit en outre le niveau N, correspondant à une concentration du cannabis dans l'organisme du conducteur P contrôlé, au-delà duquel la conduite est dangereuse, c'est 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 conducteur P à l'aide de moyens de prélèvement MP. Cette haleine est ensuite filtrée par un filtre F pour en éliminer la vapeur d'eau 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 la mémoire ME et les choix de la substance à évaluer SEE et du niveau N. L'unité de traitement en déduit une évaluation E qui est 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 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'invention n'est pas non plus limité à la détection de l'ivresse cannabique ou alcoolique. Il peut servir à détecter des polluants dans l'atmosphère à l'aide de types de capteurs non spécialisés ayant appris à reconnaître 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 fabrication est acceptable au vu de l'utilisation souhaitée. Le nombre des capteurs d'une même pluralité peut être inférieur ou supérieur à trois. En particulier dans le cas de l'utilisation de 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. REVENDICATIONS 1. Détecteur (D), dans un mélange gazeux (MG) d'une signature volatile pour une substance (SEE), comprenant une pluralité (PC) de capteurs de gaz (CT1, CT2, CT3), caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - des moyens pour stocker (ME) des coefficients (K) d'étalonnage du détecteur ; - des moyens (T) pour combiner des réponses des capteurs avec lesdits coefficients et pour délivrer des informations sur une présence de ladite substance. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (F) pour filtrer le mélange gazeux. 3. Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour filtrer comprennent un filtre pour piéger de la vapeur d'eau contenue dans le mélange gazeux. 4. Détecteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens pour filtrer comprennent un filtre pour piéger des vapeurs d'alcool contenues dans le mélange gazeux. 5. Détecteur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens pour filtrer comprennent un tamis moléculaire. 6. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre de capteurs compris entre 4 et 32. 7. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que certains parmi les capteurs comprennent une zone sensible constituée principalement d'une substance semi-conductrice et/ou une zone sensible constituée principalement d'un polymère conducteur. 8. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la mémoire est comprise dans une mémoire électronique et que ladite mémoire électronique est changeable simultanément à la pluralité des capteurs. 9. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour discriminer et reconnaître dans un mélange gazeux les signatures de plusieurs substances. 10. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour détecter la signature d'une substance alcoolique. 11. Détecteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour détecter la signature d'une substance dérivée du cannabis. 12. Appareil portable comprenant un détecteur selon l'une des revendications 1 à 11. 13. Procédé pour étalonner un détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que : on calibre chacun des capteurs dans la pluralité ; on détermine, à partir d'une banque de données (BD), pour chaque capteur et pour chaque substance dont on veut détecter la signature, des coefficients à appliquer aux réponses (R1, R2, R3) desdits capteurs ; on associe une mémoire à la pluralité de capteurs ; on introduit les coefficients dans la mémoire. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que pour créer la base de donnée, on définit d'abord des types (T1, T2, T3) pour les capteurs utilisés dans le détecteur, puis on emmagasine des données issues de l'apprentissage, avec l'aide d'un réseau de neurones formels (RN), de la détection de la signature dans des conditions de mélange gazeux variables et pour des pluralités de capteurs de calibres différents dans chaque type. 15. Procédé pour implanter des capteurs sur un détecteur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'on implante simultanément une pluralité de capteurs et une mémoire électronique associée à ladite pluralité. 16. Procédé pour détecter, dans un mélange gazeux une signature volatile pour une substance, avec un détecteur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'on filtre le mélange gazeux pour piéger une molécule gênante contenue dans le mélange gazeux, puis on fait la détection dans le mélange gazeux filtré. 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour détecter une molécule recherchée issue de la substance. 18. Procédé selon la revendication 16 caractérisé en ce que pour évaluer la concentration de la molécule issue de la substance, on évalue la signature de la substance dans le mélange gazeux au moins partiellement issu de ladite substance.