Brevet FR3130971A1 — publié le 20230623

Procédé et appareil de sélection, détection, comptage et identification de pollens et/ou de moisissures initialement en suspension dans l’air atmosphérique. L’invention consiste essentiellement en un appareil qui permet l’aspiration de l’air, la concentration des particules de pollen et/ou de moisissure en suspension dans l’air, la détection du passage de chaque particule de pollen et/ou de moisissure, le déclenchement de la prise d’image du pollen et/ou de la moisissure avec un microscope sans lentille, un comptage du nombre de pollens et/ou de moisissures et une identification des pollens et/ou de moisissures grâce à l’analyse des images dynamiques acquises. . Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Procédé et appareil de sélection, détection, comptage et identification de pollens et/ou de moisissures initialement en suspension dans l’air atmosphérique. La présente invention concerne le domaine de la détection et de l’identification de pollens et/ou de moisissures susceptibles d’être présentes en suspension dans l’air atmosphérique. Par « pollen», on entend ici et dans le cadre de l’invention, tout grain ou particule de taille microscopique produit(e) par les étamines et qui représente un élément des végétaux à fleurs. Par « moisissure », on entend ici et dans le cadre de l’invention, tout spore issu d’une moisissure biologique constituée par un champignon de taille microscopique qui pousse dans une forme de filaments multicellulaires ou unicellulaires. On utilise ci-après indifféremment le terme « grain » ou « particule » pour désigner un pollen ou un spore de moisissure. L’invention vise en premier lieu à proposer un appareil qui permettre de détecter, compter et identifier les pollens et/ou de moisissures présents dans l’air atmosphérique, quel que soit leur type et ce en temps réel, c’est-à-dire une identification sans attente, immédiate. Bien que décrite en référence avec les pollens, l’invention peut tout aussi bien être mise en œuvre pour la sélection, la détection le comptage et l’identification de moisissures. Depuis les années 1970, la prise de conscience des effets environnementaux et sanitaires engendrés par les aérosols a été à l’origine de développements technologiques nouveaux, afin de mieux évaluer les risques associés. Les particules d’origine biologique transportées par le vent, comme les pollens et les moisissures, sont présentes dans l’air atmosphérique. Selon leur potentiel allergisant, ces particules peuvent provoquer des symptômes d’allergie chez les personnes sensibles. En Europe, on estime que 20% de la population souffre d’allergie aux pollens et/ou aux moisissures. Les allergies saisonnières aux pollens sont donc un problème de santé public. En disposant d’une information fiable en temps réel sur les pollens présents dans l’air atmosphérique, il serait possible de mieux adapter les traitements des personnes souffrant des allergies afférentes. La mesure de particules de pollens dans l’air atmosphérique est une mesure très particulière de par leurs tailles (diamètre en général de l’ordre de 20 à 40 μm), leurs morphologies (formes très variées) et leurs faibles concentrations dans l’air relativement aux particules plus fines notamment les particules, appelées PM2.5, dont le diamètre aérodynamique est inférieur à 2,5 μm. Typiquement, sur ce dernier point, la concentration de pollens dans l’air atmosphérique peut être de l’ordre de 500 pollens/m 3 au plus fort de la saison pollinique, tandis que celle des PM2.5 est de 10 6 /m 3 . Il existe actuellement plusieurs méthodes et systèmes afférents permettant l’identification de grains de pollens. Depuis de nombreuses années, la méthode de référence pour mesurer les concentrations de particules biologiques est la méthode dite Hirst : des capteurs volumétriques, aspirent un flux d’air en continu, les particules biologiques aspirées dont les pollens venant impacter une bande sous la forme d’un disque adhésif tournant. La collecte dure en moyenne 1 semaine. Le disque adhésif est ensuite récupéré par un opérateur et l’identification est réalisée exclusivement par l’observation au microscope optique par un opérateur formé à la reconnaissance des pollens. Il y a donc en moyenne 10 jours de délai pour obtenir la concentration des pollens à un moment donné. Cette méthode Hirst souffre donc d’un délai trop long et elle nécessite d’avoir recours à un technicien expérimenté ce qui augmente les coûts et introduit potentiellement des erreurs de mesure. D’autres méthodes et systèmes afférents permettant des mesures automatisées à des fins de numération et identification de pollens avec des temps de réponse beaucoup plus courts voient actuellement le jour. On peut classer essentiellement en trois catégories les solutions déjà existantes pour réaliser la numération et identification de pollens. La première solution consiste essentiellement à aspirer l’air ambiant, à collecter par impact sur un disque adhésif des particules de pollens puis à faire une analyse d’images de ce disque, obtenues par microscope optique et une reconnaissance par traitements d’images automatiques à base de reconnaissance de formes. On peut citer par exemple le détecteur de pollens commercialisé sous la dénomination «BAA500 » par la société Hund, qui comprend une caméra à capteur CCD (acronyme anglo-saxon pour « Charge Coupled Device » et une unité de traitement d’images qui extrait les paramètres morphologiques de chaque particule collectée. Ce détecteur peut analyser jusqu’à un disque par heure. La deuxième solution consiste également à aspirer l’air ambiant et à caractériser chimiquement les particules aspirées à partir de techniques spectrométriques Raman et spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier ou spectroscopie IRTF (acronyme anglo-saxon FTIR pour « Fourier Transform InfraRed spectroscopy »). On peut citer par exemple l’appareil commercialisé sous la dénomination « Rapid-E » par la société PLAIR, dans lequel les particules aspirées passent une à une devant deux lasers dont un infrarouge et un ultraviolet. L’illumination infrarouge permet d’étudier la diffusion élastique pouvant varier entre deux espèces de pollens. Les ultra-violets permettent l’excitation d’éléments fluorescents endogènes. Un spectre est mesuré ainsi qu’une mesure du temps de vie de la fluorescence. L’appareil commercialisé sous la dénomination «KH300 » par la société SHINYEI, est analogue mais exclusivement destiné à la détection des pollens de cèdre japonais : il comprend un laser devant lequel chaque particule de pollen aspirée passe. L’intensité de la lumière diffusée par celle-ci est mesurée par deux photodétecteurs agencés sous deux angles différents. Le rapport des intensités mesurées permet de différencier les pollens de cèdre des autres particules. La demande de brevet WO 2021/136889 A1 divulgue une méthode consistant à aspirer l’air ambiant puis à mesurer, sous différents angles, au moyen de photodétecteurs, l’intensité de diffusion de la lumière engendrée par le passage d’une particule aspirée de pollen dans un faisceau lumineux. Pour un angle donné, la diffusion est dominée par certaines caractéristiques de la particule telle que sa taille, son indice de réfraction, sa morphologie... Une comparaison des rapports de valeurs mesurées entre elles à une base de données permet la discrimination des différentes espèces de pollens. Enfin, les pollens peuvent être identifiés par une caractérisation biomoléculaire et identification de séquences d’ADN. Toutefois cette approche est plus complexe que les analyses purement optiques précitées en ce que l’ADN des pollens doit être extrait puis mélangé à des réactifs, coûteux et conservés à basse température, en des quantités très précises puis chauffés pendant au moins 10 minutes. Ces caractérisations sont ainsi plutôt menées en laboratoire par du personnel qualifié. Toutes les solutions évoquées nécessitent l’utilisation d’appareils coûteux. Soit les échantillons sont analysés en laboratoire diminuant la fréquence d’échantillonnage, soit les appareils sont installés en extérieur dans des boîtiers très volumineux et très coûteux. Il existe par conséquent un besoin d’améliorer les méthodes existantes et appareils afférents pour détecter, compter et identifier de manière automatique les pollens et/ou les moisissures présents dans l’air atmosphérique, quel que soit leur type et ce en temps réel, et à moindre coût. Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin. Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, un appareil de sélection, détection, comptage et identification de pollens et/ou de moisissures initialement en suspension dans l’air atmosphérique comprenant : - un conduit pour faire circuler un flux d’air atmosphérique susceptible de contenir des particules de pollens depuis une entrée d’air jusqu’à une sortie d’air; - un dispositif de concentration des particules de pollens, relié à l’entrée d’air et adapté pour concentrer des particules présentes dans l’air atmosphérique et laisser circuler en aval dans le conduit les particules de pollens dans une gamme de taille sélectionnée; - un dispositif de détection de particules de pollens, agencé autour du conduit et en aval du dispositif de concentration , comprenant : une source d’illumination à laser(s), adaptée pour illuminer le flux d’air circulant dans le conduit, au moins un photodétecteur adapté pour détecter par diffusion ou par fluorescence le passage de chaque particule de pollen et/ou de moisissure dans le flux d’air illuminé par la source d’illumination; - un microscope sans lentille, agencé autour du conduit et en aval du dispositif de détection, comprenant : une source d’illumination à diode(s), adaptée pour illuminer le flux d’air circulant dans le conduit, au moins un capteur d’image de type CMOS, agencé en regard de la source à diode(s) et relié au photodétecteur de sorte à déclencher la prise d’un nombre N d’images holographiques produites par la lumière diffractée par chaque particule de pollen et/ou de moisissure illuminée et détectée, le capteur d’image étant adapté pour enregistrer les N images holographiques; - une unité de traitement d’images, reliée au capteur d’image CMOS, adaptée pour respectivement reconstruire numériquement les N images, sélectionner parmi les N images reconstruites celle sur laquelle est présente chaque particule de pollen et/ou de moisissure détectée puis identifier, à partir de l’image sélectionnée, chaque particule de pollen et/ou de moisissures en fonction de sa taille et/ou sa morphologie. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de concentration des particules est un impacteur virtuel. Pour rappel, un impacteur fonctionne en accélérant les particules en suspension dans l’air au moyen d’une buse calibrée pour les projeter sur une plaque de collection intercalée face au jet d’air. Les particules les plus grosses, dont l’inertie dépasse une certaine valeur seuil, ne peuvent pas suivre les filets d’air et impactent la plaque de collection. Les particules plus fines contournent la plaque en suivant le flux d’air. Un impacteur virtuel met en œuvre le même principe mais sans plaque de collection solide. Cette plaque solide est généralement remplacée par un tube calibré dans lequel le débit est inférieur au débit entrant. Selon une variante, de l’air peut être injectée à contre-courant de l’écoulement entrant. De préférence, l’impacteur virtuel est adapté pour réduire le débit d’air dans le conduit entre l’entrée d’air et la sortie d’air d’un facteur au moins égal à 5, de préférence de l’ordre de 10. De préférence encore, l’impacteur virtuel est adapté pour laisser circuler en aval dans le conduit des particules de taille supérieure à 5 µm. Selon une caractéristique avantageuse, le(s) laser(s) de la source d’illumination du dispositif de détection est(sont) à émission dans le visible, par exemple dans le rouge. Selon une variante de réalisation avantageuse, le(s) photodétecteur(s) du dispositif de détection est(sont) une(des) photodiode(s), en face de laquelle (chacune desquelles) est agencée un miroir parabolique. Selon une autre variante de réalisation avantageuse, la(les) diode(s) de la source d’illumination du microscope sans lentille est(sont) une(des) diode(s) électroluminescente(s) à émission dans le bleu. Avantageusement, le(s) capteur(s) d’image CMOS du microscope sans lentille est(sont) intégré(s) dans une caméra haute vitesse ou une caméra adaptée pour réaliser une multi-acquisition d’images. Selon un mode de réalisation avantageux, l’unité de traitement est en outre adaptée pour fusionner les données des N images holographiques avec les signaux d’intensité de diffusion de chaque particule fournis par le(s) photodétecteur(s). Selon un autre mode de réalisation avantageux, l’appareil comprend un boitier portable logeant au moins le conduit, le dispositif de concentration des particules de pollens et/ou de moisissures, le dispositif de détection de particules de pollens et/ou de moisissures, et le microscope sans lentille. L’invention a également pour objet un procédé de sélection, détection, comptage et identification de pollens et/ou de moisissures initialement en suspension dans l’air atmosphérique, notamment mis en œuvre par l’appareil qui vient d’être décrit, comprenant les étapes suivantes : a/ aspiration dans un conduit, de préférence agencé à la verticale, depuis une entrée jusqu’à une sortie d’un flux d’air atmosphérique susceptible de contenir des pollens et/ou des moisissures ; b/ sélection d’une gamme donnée de particules de pollens parmi les particules aspirées dans le flux d’air ; c/ illumination du flux d’air et détection par diffusion ou par fluorescence du passage de chaque particule de pollen et/ou de moisissure sélectionnée ; d/ enregistrement d’un nombre N d’images holographiques produites par la lumière diffractée par chaque particule de pollen et/ou de moisissure illuminée et détectée ; e/ reconstruction numérique des N images, sélection parmi les N images reconstruites de celle sur laquelle est présente chaque particule de pollen et/ou de moisissure détectée puis identification, à partir de l’image sélectionnée, de chaque particule de pollen et/ou de moisissure en fonction de sa taille et/ou sa morphologie. De préférence, la détection selon l’étape c/ est réalisée à 90° de la source lumineuse illuminant le flux d’air. De préférence encore, la détection selon l’étape c/ permet de déclencher l’acquisition des N images holographiques. Selon une variante avantageuse, l’étape e/ comprend la fusion des données des N images holographiques avec les signaux d’intensité de diffusion de chaque particule fournis par le(s) photodétecteur(s). Selon un mode de réalisation avantageux, l’identification de l’image sélectionnée selon l’étape e/ est réalisée par un dispositif d’apprentissage profond, de préférence un réseau de neurones convolutifs. Selon ce mode et une variante avantageuse, l’étape e/ comprend les étapes suivantes : e1/ création d’une base d’apprentissage comportant des images de pollens et/ou de moisissures, ou « images connues», chaque image connue étant celle d’un pollen et/ou d’une moisissure connu(e); e2/ entraînement du dispositif d’apprentissage profond, au moyen de la base d’apprentissage; e3/ soumission de l’image sélectionnée audit au moins un dispositif d’apprentissage profond de manière qu’il détermine au moins une probabilité relative à l’image sélectionnée; e4/ détermination, en fonction de ladite probabilité, de l’appartenance du pollen et/ou de la moisissure de l’image sélectionnée au pollen et/ou de la moisissure connu(s). Ainsi, l’invention consiste essentiellement en un appareil qui permet l’aspiration de l’air, la concentration des particules de pollen et/ou de moisissure en suspension dans l’air, la détection du passage de chaque particule de pollen et/ou de moisissure, le déclenchement de la prise d’image du pollen et/ou de la moisissure avec un microscope sans lentille, un comptage du nombre de pollens et/ou de moisissures et une identification des pollens et/ou de moisissures grâce à l’analyse des images dynamiques acquises. Au final, l’invention apporte de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer: - du fait de la combinaison de ses composants technologiques (impacteur virtuel, détection à photodiode, microscope sans lentille), l’appareil selon l’invention surmonte les différentes limitations (temps de réponse, automatisme, coût, encombrement) des systèmes selon l’état de l’art rendant possible la mesure en continu de la concentration des différentes familles de pollens et/ou de moisissures (numération et identification) ; - par-là, réponse au problème de santé public majeur que sont les allergies saisonnières aux pollens et/ou de moisissures. D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes. la est une vue schématique d’un appareil de sélection, détection, comptage et identification de pollens et/ou de moisissures initialement en suspension dans l’air atmosphérique, selon l’invention. la est une vue schématique montrant plus en détail la partie de détection, comptage et identification de l’appareil selon la . la illustre le signal de diffusion détecté par un photodétecteur de la partie de détection de l’appareil, avec des pics correspondant au passage d’un grain de pollen. la illustre la conversion des pics analogiques du signal brut détecté de la en signaux logiques. la illustre un exemple d’image holographique brute d’un grain de pollen donné enregistrée par la caméra de l’appareil. la illustre un exemple d’image reconstruite par l’unité de traitement d’images de l’appareil à partir de l’image holographique brute de la . Appareil (1) de sélection, détection, comptage et identification de pollens et/ou de moisissures initialement en suspension dans l’air atmosphérique comprenant : - un conduit (10) pour faire circuler un flux d’air atmosphérique susceptible de contenir des particules de pollens et/ou de moisissures depuis une entrée d’air (11) jusqu’à une sortie d’air (12); un dispositif de concentration (2) des particules de pollens et/ou de moisissures, relié à l’entrée d’air et adapté pour concentrer des particules présentes dans l’air atmosphérique et laisser circuler en aval dans le conduit les particules de pollens et/ou de moisissures dans une gamme de taille sélectionnée; un dispositif de détection (3) de particules de pollens et/ou de moisissures, agencé autour du conduit et en aval du dispositif de concentration , comprenant : une source d’illumination à laser(s) (30), adaptée pour illuminer le flux d’air circulant dans le conduit, au moins un photodétecteur (31) adapté pour détecter par diffusion ou par fluorescence le passage de chaque particule de pollen et/ou de moisissure dans le flux d’air illuminé par la source d’illumination ; un microscope sans lentille (4), agencé autour du conduit et en aval du dispositif de détection, comprenant : une source d’illumination à diode(s) (40), adaptée pour illuminer le flux d’air circulant dans le conduit, au moins un capteur d’image de type CMOS (41), agencé en regard de la source à diode(s) et relié au photodétecteur de sorte à déclencher la prise d’un nombre N d’images holographiques produites par la lumière diffractée par chaque particule de pollen et/ou de moisissure illuminée et détectée, le capteur d’image étant adapté pour enregistrer les N images holographiques; une unité de traitement d’images (5), reliée au capteur d’image CMOS, adaptée pour respectivement reconstruire numériquement les N images, sélectionner parmi les N images reconstruites celle sur laquelle est présente chaque particule de pollen et/ou de moisissure détectée puis identifier, à partir de l’image sélectionnée, chaque particule de pollen et/ou de moisissure en fonction de sa taille et/ou sa morphologie. Appareil selon la revendication 1, le dispositif de concentration étant un impacteur virtuel. Appareil selon la revendication 2, l’impacteur virtuel étant adapté pour réduire le débit d’air dans le conduit entre l’entrée d’air et la sortie d’air d’un facteur au moins égal à 5, de préférence de l’ordre de 10. Appareil selon la revendication 2 ou 3, l’impacteur virtuel étant adapté pour laisser circuler en aval dans le conduit des particules de taille supérieure à 5 µm. Appareil selon l’une des revendications précédentes, le(s) laser(s) de la source d’illumination du dispositif de détection étant à émission dans le visible, par exemple dans le rouge. Appareil selon l’une des revendications précédentes, le(s) photodétecteur(s) du dispositif de détection étant une(des) photodiode(s), en face de laquelle (chacune desquelles) est agencée un miroir parabolique. Appareil selon l’une des revendications précédentes, la(les) diode(s) de la source d’illumination du microscope sans lentille étant une(des) diode(s) électroluminescente(s) à émission dans le bleu. Appareil selon l’une des revendications précédentes, le(s) capteur(s) d’image CMOS du microscope sans lentille étant intégré dans une caméra haute vitesse ou une caméra adaptée pour réaliser une multi-acquisition d’images. Appareil selon l’une des revendications précédentes, l’unité de traitement étant en outre adaptée pour fusionner les données des N images holographiques avec les signaux d’intensité de diffusion de chaque particule fournis par le(s) photodétecteur(s). Appareil selon l’une des revendications précédentes, comprenant un boitier portable (100) logeant au moins le conduit, le dispositif de concentration des particules de pollens et/ou de moisissures, le dispositif de détection de particules de pollens et/ou de moisissures, et le microscope sans lentille. Procédé de sélection, détection, comptage et identification de pollens et/ou de moisissures initialement en suspension dans l’air atmosphérique, notamment mis en œuvre par l’appareil selon l’une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes : a/ aspiration dans un conduit, de préférence agencé à la verticale, depuis une entrée jusqu’à une sortie d’un flux d’air atmosphérique susceptible de contenir des pollens et/ou de moisissures; b/ sélection d’une gamme donnée de particules de pollens et/ou de moisissures parmi les particules aspirées dans le flux d’air ; c/ illumination du flux d’air et détection par diffusion ou par fluorescence du passage de chaque particule de pollen et/ou de moisissure sélectionnée ; d/ enregistrement d’un nombre N d’images holographiques produites par la lumière diffractée par chaque particule de pollen et/ou de moisissure illuminée et détectée ; e/ reconstruction numérique des N images, sélection parmi les N images reconstruites celle sur laquelle est présente chaque particule de pollen et/ou de moisissure détectée puis identification, à partir de l’image sélectionnée, de chaque particule de pollen et/ou de moisissure en fonction de sa taille et/ou sa morphologie. Procédé selon la revendication 11, la détection selon l’étape c/ étant réalisée à 90° de la source lumineuse illuminant le flux d’air. Procédé selon la revendication 11 ou 12, la détection selon l’étape c/ permettant de déclencher l’acquisition des N images holographiques. Procédé selon l’une des revendications 11 à 13, l’étape e/ comprenant la fusion des données des N images holographiques avec les signaux d’intensité de diffusion de chaque particule fournis par le(s) photodétecteur(s). Procédé selon l’une des revendications 11 à 14, l’identification de l’image sélectionnée selon l’étape e/ étant réalisée par un dispositif d’apprentissage profond, de préférence un réseau de neurones convolutifs. Procédé selon la revendication 15, l’étape e/ comprenant les étapes suivantes : e1/ création d’une base d’apprentissage comportant des images de pollens et/ou de moisissures, ou « images connues», chaque image connue étant celle d’un pollen et/ou d’une moisissure connu(e); e2/ entraînement du dispositif d’apprentissage profond, au moyen de la base d’apprentissage ; e3/ soumission de l’image sélectionnée audit au moins un dispositif d’apprentissage profond de manière qu’il détermine au moins une probabilité relative à l’image sélectionnée; e4/ détermination, en fonction de ladite probabilité, de l’appartenance du pollen et/ou de la moisissure de l’image sélectionnée au pollen et/ou de la moisissure connu(s).