Brevet FR3161846A1 — publié le 20251107

Module photopléthysmographique comprenant au moins une LED et un photodétecteur caractérisé en ce qu’il comprend au moins deux sous-ensembles constitués par un alignement d’un photodétecteur associé de part et d’autre à deux LEDs vertes, et un capteur infrarouge. Figure 1 Module photopléthysmographique Domaine de l’invention La présente invention concerne le domaine de la détection d'activités physiologiques d'un individu, notamment pour la captation, l'identification et l'analyse des émotions de cet individu afin de permettre une caractérisation automatique par exemple en vue d'une amplification d'émotions chez une personne, ou pour interagir avec un système externe interactif fournissant une expérience immersive pour un utilisateur. Le principe est décrit par exemple dans le brevet FR3100972B1 ou la demande de brevet FR3123487A1 de la demanderesse Les signaux électro-physiologiques exploités pour déduire des corrélations avec l'état émotionnel sont acquis par des capteurs cutanés, souvent sous la forme d’un bracelet photopléthysmographique dont le principe général est le suivant : des leds vertes envoient un faisceau lumineux au travers de la peau. Une partie de cette lumière est absorbée par l'artère. Le reste est renvoyé vers la montre et capturé par les photodiodes situées sur le dos de la toquante. Plus la quantité de lumière récupérée sera faible, plus l'artère sera dilatée. À l'inverse, au moment de la vasoconstriction, beaucoup de lumière est renvoyée vers la montre. Le cardiofréquencemètre enregistre alors le temps écoulé entre chaque battement du cœur, un intervalle nommé R-R dans le jargon médical. Grâce à ces informations vasculaires brutes, un algorithme est alors capable de calculer la fréquence cardiaque de l'utilisateur et de la suivre dans la durée. Etat de la technique On connaît dans l’état de la technique la demande de brevet EP3964127 qui décrit un composant de capteur d'impulsion photoélectrique, capable de réduire l'angle de divergence de la lumière émise par un composant électroluminescent comprenant un substrat ; au moins un composant électroluminescent configuré pour émettre de la lumière d'au moins une bande d'onde lumineuse ; au moins une lentille disposé sur le côté émetteur de lumière d'au moins un composant électroluminescent ; chaque lentille correspond à au moins un composant électroluminescent, et chaque lentille peut réduire l'angle de divergence de la lumière émise par l'au moins un composant électroluminescent auquel correspond la lentille. Le composant capteur d'impulsion photoélectrique peut être monté dans l'article pouvant être porté, de telle sorte que l'article pouvant être porté, lorsqu'il est porté sur un organisme cible, peut mesurer la fréquence cardiaque et la saturation en oxygène du sang de l'organisme cible. Le brevet US10420470B2 décrit un autre exemple de capteur d'informations biologiques comprenant une partie d'émission de lumière et un photodétecteur, la partie d'émission de lumière comprenant au moins deux éléments d'émission de lumière ayant des angles d'émission de lumière de tailles différentes, le photodétecteur étant configuré pour détecter la lumière générée par la partie d'émission de lumière et modulée par un sujet, et un processeur de données configuré pour extraire et analyser les informations biologiques du sujet à partir des données mesurées par l'unité de mesure de signaux biologiques. Le brevet EP3057138B1 décrit un module de capteur optique qui comprend un substrat, une source de lumière disposée sur le substrat, un premier encapsulant formé sur la source de lumière, un photodétecteur disposé sur le substrat, un second encapsulant formé sur le photodétecteur, et une cloison couplée à le substrat et situé entre la source lumineuse et le photodétecteur. Les deux encapsulants sont séparés de la cloison. Chacun du premier et du second agent d'encapsulation comprend une surface médiane s'étendant respectivement directement à partir du substrat et faisant face à la cloison. Au moins une des surfaces médianes possède une composante directionnelle optique. Le composant directionnel optique du premier agent d'encapsulation est configuré pour diriger la lumière provenant de la source de lumière vers une direction prévue vers le photodétecteur. Le composant directionnel optique du premier agent d'encapsulation est configuré sous la forme d'un plan incliné ; le plan incliné définit une interface de réfraction réfractant une lumière incidente émise par la source lumineuse. Un angle fait face à la source de lumière et est formé entre une surface supérieure du substrat et la surface médiane du premier agent d'encapsulation ; l'angle est supérieur à 20 degrés et inférieur à 90 degrés. La lumière incidente projetée sur l'interface de réfraction de la surface médiale est concentrée au-dessus de la cloison. La cloison est configurée pour bloquer une lumière parasite directement de la source lumineuse au photodétecteur. La demande de brevet US20170311856 décrit un capteur comprenant un élément de guidage de lumière comportant une structure de diffraction conçue pour diriger la lumière incidente vers un objet, et un élément de détection optique conçu pour détecter la lumière réfléchie par ledit objet. La demande de brevet EP3954274 décrit un capteur photopléthysmographie comprend un logement, un trou de montage formé sur le logement ; un dispositif optique, logé dans le trou de montage ; et un élément de transmission de lumière, comprenant une partie centrale et une partie circonvoisine encerclant la partie centrale. La partie circonvoisine comprend au moins une face d'extrémité ayant une couche de texture, la couche de texture étant utilisée pour diffuser et/ou absorber la lumière. La partie centrale présente une face d'extrémité fournie sans couche de texture. L'élément de transmission de lumière est relié au logement et est positionné à l'extérieur du dispositif optique. La face d'extrémité de la partie centrale est configurée pour correspondre au dispositif optique, et la face d'extrémité de la partie circonvoisine est configurée pour correspondre à la surface fournie sans dispositif optique. La face d'extrémité de la partie centrale qui est proche du dispositif optique fait saillie depuis la face d'extrémité de la partie circonvoisine qui est proche du dispositif optique. On connait aussi le document “GUIDELINES FOR THE OPTO-MECHANICAL INTEGRATION OF HEART-RATE MONITORS IN WEARABLE EARBUD DEVICES AN6847 » de la société Maxim Integrated ™ décrivant l'intégration opto-mécanique d'un moniteur de fréquence cardiaque, par exemple un module MAX86160 ou MAX86161 (noms commerciaux). La qualité du signal peut être influencée par le choix de conceptions qui minimisent la diaphonie et maximisent le signal. Inconvénients de l’art antérieur Les capteurs de l’art antérieur ne permettent pas de réaliser un couplage totalement satisfaisant avec l’épiderme du porteur, ce qui conduit à des faisceaux lumineux parasites et des fluctuations de la source lumineuse. La peau est constituée de trois couches principales à partir de la surface : la couche d'épiderme exsangue (100 µm d'épaisseur), la couche de derme vascularisée (1 mm à 2 mm d'épaisseur) et le tissu adipeux sous-cutané (1 mm à 10 mm d'épaisseur selon la zone corporelle). Généralement, les propriétés optiques de ces couches sont caractérisées par l'absorption (µa), les coefficients de diffusion µs et le facteur d'anisotropie (g). Le coefficient d'absorption caractérise le nombre moyen d'événements d'absorption par unité de longueur de trajet des photons voyageant dans le tissu. Les principaux absorbeurs dans la gamme spectrale visible sont la mélanine, qui est le sang composé d'oxyhémoglobine (Hb), de désoxyhémoglobine (HbO 2 ) et de lipides. Dans la gamme spectrale IR, l’absorption de l’eau domine les propriétés d’absorption du derme cutané. Pour acquérir de manière fiable le signal lumineux interagissant avec le flux sanguin, il est nécessaire d’améliorer le couplage entre le couple « LED – Photodétecteur » et la peau de patient, notamment dans le cas d’un capteur monté sur un bracelet, pour réduire au maximum les réflexions parasites dans la partie opto-mécanique du capteur, et pour assurer une interaction intradermique optimale pour prendre en compte la variation de l’indice de profusion vasculaire au niveau du poignet, d’un individu à l’autre. Solution apportée par l’invention Pour remédier à ces inconvénients, l’invention concerne un module photopléthysmographique comprenant au moins une LED et un photodétecteur caractérisé en ce qu’il comprend au moins deux sous-ensembles constitués par un alignement d’un photodétecteur associé de part et d’autre à deux LEDs vertes et un capteur infrarouge. Selon des variantes : lesdits deux sous-ensembles comportent une LED vertes commune lesdits deux sous-ensembles sont activés alternativement la durée d’activation d’un sous-ensembles est de 10 ms ±5ms la durée d’un cycle est de 40 ms±10 ms une barrière opaque est placée entre chaque photodétecteur et les LEDs adjacentes. Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant des exemples non limitatifs de réalisation illustrés par les dessins annexés où : FIG. 1 la FIG. 1 représente une vue de face d’un capteur photopléthysmographique selon l’invention FIG. 2 la FIG. 2 représente le chronogramme du cycle de fonctionnement d’un capteur photopléthysmographique selon l’invention FIG. 3 la FIG. 3 représente une vue en coupe d’un couple « led/photodétecteur » d’un premier exemple d’un capteur photopléthysmographique selon l’invention FIG. 4 la FIG. 4 représente une vue en coupe d’un couple « led/photodétecteur » d’un deuxième exemple d’un capteur photopléthysmographique selon l’invention. FIG. 5 la FIG. 5 représente une vue de coupe d’un capteur photopléthysmographique selon l’invention. Principes généraux de l’invention L’invention concerne un module photopléthysmographique comportant une alternance de diodes électroluminescentes vertes (3, 4, 5) et de photodétecteurs (6, 7), ainsi qu’un capteur de température infrarouge (1) alignés derrière une vitre transparente (25) d’une longueur comprise entre 15 et 20 mm. Ce module peut être disposé sur la surface intérieur d’un bracelet pour que la vitre transparente (25) vienne en contact avec la peau du poignet. Le principe de l’invention est de commander cycliquement l’allumage et l’extinction des LEDs pour alterner les sous-ensembles formés par un photodétecteur entouré de deux LEDs, avec une fréquence au moins dix fois supérieure au rythme cardiaque typique de 70 à 75 battements par secondes. Une autre caractéristique concerne le traitement des réflexions lumineuses parasites afin d’améliorer le rapport signal sur bruit ; Pour cela, chaque LED (10) est entourée par des cloisons opaques masquant latéralement la LED (12), et formant une fenêtre découpée dans la surface supérieure (12) pour colimater la lumière émise par la LED. Le photodétecteur (20) est également entouré par des cloisons opaques (21) et une séparation opaque (15) empêchant la transmission directe de la lumière émise par la LED (10) vers le photodétecteur (20). Cette barrière opaque est avantageusement prolongée (16) jusqu’à la vitre transparente (25) pour éviter les perturbations par les réflexions à l’interface air-vitre. Description détaillée du module photopléthysmographique Le module selon l’exemple décrit en relation avec les figures 1 et 2 est constitué par un composant formé par un boîtier (8) fermé par une vitre (1). La vitre (1) présente une transmission élevée (supérieure à 90 %) dans les longueurs d'onde utilisées (le vert et l’infrarouge) afin de maximiser la lumière émise dans la peau et le signal renvoyé par la peau. Pour minimiser la perte de transmission, la vitre (1) transparente doit être aussi fine que possible tout en étant suffisamment robuste pour résister à l'usure normale. En outre, elle doit avoir un indice de réfraction proche de celui de la peau humaine (environ 1,4) afin de minimiser les pertes de transmission dues aux réflexions de Fresnel. Le verre Corning® Gorilla® constitue un exemple de matériau pour la réalisation de la vitre (1). Son indice de réfraction est de 1,5, la transmission aux longueurs d'onde de fonctionnement du module (532nm et 880nm) est supérieure à 91%, et le verre fournit une couverture structurellement saine avec une épaisseur aussi fine que 200µm. D'autres matériaux possibles sont les acryliques, les silicones et les polycarbonates. Une autre méthode d'intégration du module dans le design industriel consiste à encapsuler le module dans un matériau transparent. Un tel produit offre en outre une certaine "souplesse" qui augmente la zone de contact et la pression avec la peau. Le module comporte un circuit imprimé (9) sur lequel sont implanté un capteur infrarouge (2), et un alignement comportant une première LED verte (3), un premier photodétecteur (6) et une LED verte médiane (4), puis un second photodétecteur (7) et une troisième LED (5). On forme ainsi deux sous-ensembles qui sont activés alternativement, le premier étant constitué par la première LED verte (3), le premier photodétecteur (6) et la LED verte médiane (4), le second sous-ensemble étant constitué par la troisième LED verte (5), le second photodétecteur (7) et la LED verte médiane (4). Ces deux sous-ensembles sont alternativement activés pendant des durées de 10 ms, comme illustré par la FIG. 2 pour former des cycles d’alternance fournissant des informations sur les caractéristiques d’absorption de la lumière par les tissus du poignet, permettant une meilleure compensation de la lumière ambiante et des artefacts de mouvement. Cela permet également d’améliorer la qualité et la précision du signal lors de la mesure de paramètres physiologiques tels que la fréquence cardiaque ou l’onde de pouls, en raison d’une fréquence d’échantillonnage au moins dix fois supérieure au rythme cardiaque usuel. La FIG. 2 illustre un mode de fonctionnement où chaque couple de diodes LED entourant un photodétecteur est alternativement activé, avec des périodes d’extinction de toutes les LED. Le cycle est : Allumage du premier couple (3, 4) de diodes LED pendant 10 ms Extinction de toutes les diodes LED pendant 10 ms Allumage du second couple (4, 6) de diodes LED pendant 10 ms Extinction de toutes les diodes LED pendant 10 ms Etc... Description détaillée de la protection des photodétecteurs Afin d’améliorer le rapport signal sur bruit des photodétecteurs (20), ils sont protégés par une enveloppe opaque (21) fermée par un opercule (22) s’ouvrant par une fenêtre présentant la taille de la zone sensible du photodétecteur (20). Une barrière (15) opaque empêche la propagation directe de lumière parasite provenant d’une LED (10) adjacente. Cette barrière (15) peut être prolongée par une barrière (16) s’étendant jusqu’à la vitre (25). La vitre (25) est éloignée de la surface des LED (10) et photodétecteurs (20) par une lame d’air. Variante de réalisation La FIG. 5 représente une vue en coupe d’une variante de réalisation. Le module comporte un circuit imprimé (9) sur lequel est implanté un capteur infrarouge (2), et un alignement comportant une première LED verte (3), un premier photodétecteur (6) et une LED verte médiane (4), puis un second photodétecteur (7) et une troisième LED (5). On forme ainsi deux sous-ensembles qui sont activés alternativement, le premier étant constitué par la première LED verte (3), le premier photodétecteur (6) et la LED verte médiane (4), le second sous-ensemble étant constitué par la troisième LED verte (5), le second photodétecteur (7) et la LED verte médiane (4). Des cloisons (18) s’étendant entre le circuit imprimé (9) et la vitre transparente (1) forment des barrières lumineuses empêchant la transmission directe de la lumière entre une diode LED (3, 4, 6) et les photodétecteurs (5, 7). Le boîtier (8) est monté sur un bracelet de montre (19) appliquant la vitre transparente (1) contre la peau du porteur. Module photopléthysmographique comprenant au moins une LED (10) et au moins un photodétecteur (20) caractérisé en ce qu’il comprend au moins deux sous-ensembles constitués par un alignement d’un photodétecteur (6, 7) associé de part et d’autre à deux LEDs vertes (3, 4 ; 4, 5), et un capteur infrarouge (1). Module photopléthysmographique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits deux sous-ensembles comportent une LED vertes commune (4). Module photopléthysmographique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits deux sous-ensembles sont activés alternativement, le premier desdits sous-ensembles étant constitué par une première LED verte (3), un premier photodétecteur (6) et une LED verte médiane (4), le second desdits sous-ensembles étant constitué par une troisième LED verte (5), un second photodétecteur (7) et une LED verte médiane (4). Module photopléthysmographique selon la revendication précédente caractérisé en ce que la durée d’activation d’un sous-ensembles est de 10 ms ±5ms. Module photopléthysmographique selon la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits deux sous-ensembles sont alternativement activés pendant des durées de 10 ms ±5ms pour former des cycles d’alternance, la durée desdits cycle étant de 40 ms±10 ms. Module photopléthysmographique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’une barrière opaque est placée entre chaque photodétecteur (20) et les LEDs (10) adjacentes.