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WO2023187547A1 - Dispositif et procédé de mesure multivariée d'une présence de composés dans un fluide - Google Patents

Dispositif et procédé de mesure multivariée d'une présence de composés dans un fluide Download PDF

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Publication number
WO2023187547A1
WO2023187547A1 PCT/IB2023/052715 IB2023052715W WO2023187547A1 WO 2023187547 A1 WO2023187547 A1 WO 2023187547A1 IB 2023052715 W IB2023052715 W IB 2023052715W WO 2023187547 A1 WO2023187547 A1 WO 2023187547A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fluid
signals
interval
amplitude
compounds
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/IB2023/052715
Other languages
English (en)
Inventor
Pierre MAHO
Yanis Caritu
Romain Dubreuil
Etienne BULTEL
Thierry Livache
Cyril HERRIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aryballe SA
Original Assignee
Aryballe SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aryballe SA filed Critical Aryballe SA
Publication of WO2023187547A1 publication Critical patent/WO2023187547A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0031—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector comprising two or more sensors, e.g. a sensor array
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0073—Control unit therefor

Definitions

  • the present invention relates to an electronic device for multivariate measurement of the presence of compounds in a liquid or gaseous fluid. It also relates to a method implemented by such a device and a corresponding computer program.
  • NeOse Pro registered trademark
  • SPR type imaging system from the English “Surface Plasmon Resonance”
  • M is less than or equal to the number of reactive sites of the olfactory sensor(s).
  • These sensorgrams thus generally comprise a first portion corresponding to a first reference state of exposure of the reactive sites to a reference fluidic environment with a carrier fluid without the presence of the target compounds, that is to say without the presence of the fluid to be analyzed, followed by a second portion corresponding to a second analytical state of exposure of the reactive sites to the fluid to be analyzed by injection of the latter into a measuring chamber, followed by a third portion corresponding to a third final state, called desorption, re-exposure of the reactive sites to the reference fluidic environment by evacuation of the fluid to be analyzed outside the measuring chamber.
  • each reactive site of each olfactory sensor presents a linear response over a certain range of concentrations of target compounds in the fluid to be analyzed.
  • this linearity range is known and the concentration of compounds, independently of their identification, in the fluid to be analyzed is also measurable, those skilled in the art know how to use methods to vary this concentration, in particular dilution methods for lower the concentration when it goes above the linearity range.
  • these methods are restrictive because they make the measurements longer and more complex.
  • the linearity range depends on each compound and each reactive site, i.e. the initial affinities of each reactive site with each compound. Since the target compounds are not always known, and the dilution methods are not effective in certain measurement circumstances, particularly in ambient air, this results in standardized olfactory signatures which can vary significantly depending on the concentrations of the same combination of compounds to be identified.
  • the characterization of the composition of the fluid is no longer indexed on the temporal axis of each of the distinct temporal signals but on the axis of the amplitudes of a common aggregated temporal signal resulting from these temporal signals.
  • This original and unusual approach makes the characterization insensitive to the previously mentioned linearity ranges. This results in descriptive values which remain insensitive to the concentration of target compounds in the fluid to characterize it, even outside these linearity ranges, hence an optimized characterization, in particular by standardized olfactory signature.
  • the aggregated time signal results from a combination, in particular of an average calculated at each instant, of the distinct time signals.
  • said at least one amplitude interval is selected from a set of amplitude values taken by the aggregated time signal.
  • At least one interpolation is carried out between successive samples of distinct temporal signals in or near said at least one deduced temporal interval for the calculation of said at least one descriptive value if said at least one deduced temporal interval contains a number of samples below a predetermined threshold.
  • the calculation of the descriptive value comprises the calculation of at least one average or median value of the set of amplitude values that it takes in said at least one time interval deduced.
  • obtaining the characterization of the composition of the fluid involves the calculation of at least one vector digital signature, called an olfactory signature, in particular the calculation of at least one standardized olfactory signature.
  • several different amplitude intervals are respectively selected for several groups of different olfactory sensors.
  • a computer program downloadable from a communications network and/or recorded on a computer-readable medium and/or executable by a processor capable of processing several distinct temporal signals representative of a presence of compounds in a fluid provided by an electronic multivariate measuring device for obtaining a characterization of the composition of the fluid, comprising instructions for executing the steps of a multivariate measuring method according to the invention, when said program is executed on a computer
  • the electronic device 10 for multivariate measurement of the presence of compounds present in a fluid represented schematically on the is a non-limiting example of a measuring device according to a first embodiment of the present invention for a non-limiting application of odor identification.
  • It comprises a measuring chamber 12 intended to receive a fluid, for example a gas such as ambient air. To do this, it includes a suction device 14 designed to suck the air located inside the measuring chamber 12 and let it exit outside. It further comprises an air inlet 16 which can be selectively closed to keep the ambient air in the measuring chamber 12 or open to allow the evacuation of the ambient air from the measuring chamber 12 and its renewal by the activation of the suction device 14. It is thus equipped with means for controlling incoming and outgoing flows.
  • the electronic multivariate measuring device 10 comprises several olfactory sensors 18, distributed respectively over as many reactive sites, for example around sixty, designed to interact with compounds likely to be present in the measuring chamber 12.
  • the device 10 when the device 10 is placed near a fluid to be analyzed emitting these compounds, in particular when the air inlet 16 is near the fluid considered.
  • the compounds emitted are generally volatile organic compounds but the present invention is not limited to such compounds.
  • Each olfactory sensor 18 is itself, for example, a biosensor designed to interact with compounds from a particular family of volatile organic compounds.
  • each olfactory sensor 18 may comprise a molecule, such as a peptide immobilized on a substrate or a polymer covering a surface, complementary to the compounds of the family associated with this olfactory sensor 18.
  • the multivariate measuring device 10 could be adapted to be brought into contact with any other fluid, liquid or gas, than ambient air. According to a particularly simple version, it could also not include the suction device 14 and the air inlet 16, or even the measuring chamber 12. In this simple version, the olfactory sensors 18 are then capable of being directly placed in contact with the fluid to be analyzed without flow control.
  • the olfactory sensors 18 are associated with at least one transducer 20 with which they interact.
  • This transducer 20 is arranged and configured to measure any change in physical property caused by an interaction of the olfactory sensors 18 with the fluid to be analyzed. It provides a sequence of electrical measurement signals S which characterizes this fluid since it is representative of the volatile organic compounds with which the olfactory sensors can interact in the measuring chamber 12.
  • the transducer 20 may be a surface plasmon resonance imaging system, that is to say an SPR (Surface Plasmonic Resonance) type imaging system configured to measure all change in a refractive index due to an interaction of the fluid studied with at least one of the olfactory sensors thanks to a plasmonic effect.
  • SPR Surface Plasmonic Resonance
  • Such a transducer comprises: a metal layer of which a first face with reactive sites serves as a support for the olfactory sensors 18; an optical prism placed against a second face, opposite the first, of the metal layer; a collimated and polarized light lighting device for this second face of the metal layer via a light entry face of the optical prism; and a camera arranged at the light output of the optical prism for supplying the sequence of measurement signals S in the form of a sequence of grayscale images of the reactive sites on which the olfactory sensors 18 are arranged.
  • the sites reagents of the first face of the metal layer are for example organized in a positioning matrix grid.
  • the transducer 20 can be an optical index variation amplification system by Mach-Zehnder interferometry, for example according to a Mach-Zehnder interferometer matrix technology, called MZI technology (from the English "MZI”). Mach-Zehnder Interferometer”), or more precisely an MZI technology with multimodal interference, called MZI/MMI technology (from the English "Multi Mode Interference").
  • MZI Mach-Zehnder Interferometer matrix technology
  • MZI/MMI technology from the English "Multi Mode Interference”
  • Such a system is configured to measure any change in a refractive index due to an interaction of the fluid studied with at least one of the olfactory sensors thanks to a detectable phase shift between a reference arm of the interferometer and a detection arm on which this arbitrary reactive site is arranged.
  • the resulting transducer provides the sequence of measurement signals S which is in the form of a sequence of phase shift images, expressed in Radian, of the olfactor
  • the transducer 20 could be a nano- or micro-electromechanical amplification system NEMS (from the English “Nano Electro-Mechanical System”) or MEMS (from the English “Micro Electro-Mechanical System”). .
  • NEMS nano- or micro-electromechanical amplification system
  • MEMS from the English “Micro Electro-Mechanical System”.
  • Such a system is configured to measure any change in resonance frequency of a vibrating membrane on which any one of the olfactory sensors is arranged.
  • the reactive sites on which the olfactory sensors are placed are for example arranged in a matrix of NEMS or MEMS vibrating membranes for supplying the sequence of measurement signals S which is in the form of a sequence of frequency shift signals resonance of olfactory sensors 18.
  • any other equivalent physical transduction device ie optical, mechanical, etc.
  • the electronic multivariate measuring device 10 which will not be described because it is within the reach of the skilled person.
  • the general idea remains to functionalize reactive sites using olfactory sensors 18 (ie biosensors, polymers, carbon nanotubes, etc.) in such a way that they adsorb and desorb differentiated manner volatile organic compounds, forming a differentiated molecular interaction response of the olfactory sensors, and amplifying the response in the form of a sequence of electrical measuring signals S using a physical transduction device.
  • olfactory sensors 18 ie biosensors, polymers, carbon nanotubes, etc.
  • the electronic multivariate measuring device 10 further comprises several functional modules which will be described below.
  • these modules are software in nature.
  • the device 10 comprises a computer type element 22 comprising a processing unit 24 and an associated memory area 26 in which several computer programs or several functions of the same computer program are recorded.
  • These computer programs include instructions designed to be executed by the processing unit 24 in order to carry out the functions of the software modules. They are presented as distinct, but this distinction is purely functional. They could just as easily be grouped in all possible combinations into one or more software programs. Their functions could also be at least partly micro-programmed or micro-wired into dedicated integrated circuits, such as digital circuits.
  • the computer 22 could be replaced by an electronic device composed solely of digital circuits (without a computer program) for carrying out the same functions.
  • the multivariate measuring device 10 thus comprises first of all a software module 28, intended to be executed by the processing unit 24, for controlling the suction device 14 (if it is provided in the device 10), the air inlet 16 (if it is also provided in device 10) and the transducer 20.
  • a software module 30, intended to be executed by the processing unit 24, for selection, among the olfactory sensors 18 of the multivariate measurement measuring device 10, of a subset of sensors sensitive to volatile components characteristic of a desired olfactory imprint. These characteristic volatile components can vary from one application or fluid studied to another so that the selection of olfactory sensors made by the software module 30 can also vary and be parameterized.
  • the selected subset comprises for example M ⁇ 1 olfactory sensor(s), in particular advantageously several olfactory sensors (M ⁇ 2).
  • the multivariate measuring device 10 further comprises a software module 32, intended to be executed by the processing unit 24, to extract M sensorgrams respectively representative of the interactions of the M olfactory sensors selected with the volatile organic compounds concerned from the values specific to these M olfactory sensors in the sequence of measurement signals S provided by the transducer 20.
  • These sensorgrams are for example reflectance signals expressed as a percentage according to a ratio of luminance values obtained with transverse polarized light to luminance values obtained with the same light polarized at 90 degrees for each of the M olfactory sensors selected when the transducer 20 is a SPR type imaging system. They take the form of phase shift signals and are expressed in Radian when the transducer is an MZI or MZI/MMI amplification system. They take the form of frequency shift signals and are expressed in Hertz when the transducer is a NEMS or MEMS amplification system.
  • the multivariate measuring device 10 further comprises an optional software module 34, intended to be executed by the processing unit 24, to carry out possible prior processing on the M sensorgrams provided by the software module 32.
  • This prior processing includes, for example, low-pass filtering implemented in the form of a digital filter with finite or infinite impulse response. This involves filtering the high-frequency measurement noise in the raw signals as provided by the software module 32.
  • a Butterworth filter with finite impulse response of the first order and cut-off frequency normalized to 0.45 i.e. value of ratio between the cutoff frequency and the sampling frequency equal to 0.45) is suitable.
  • This prior processing for example also includes a standard calculation within the meaning of patent document WO 2020/141281 A1 on the M sensorgrams filtered or not to obtain M filtered and/or standardized sensorgrams .
  • the multivariate measuring device 10 further comprises several software modules 36 to 44, intended to be executed by the processing unit 24, to obtain a GIS characterization of the composition of the fluid to be analyzed from the M sensorgrams Or .
  • This GIS characterization can take the form of a standardized olfactory signature as mentioned previously and as illustrated in the in the form of a circular diagram.
  • the SG 100% sensorgram is obtained for a 100% concentration of the compound in the fluid.
  • the three other sensorgrams SG 70% , SG 50% and SG 30% are respectively obtained for concentrations of 70%, 50% and 30% of the same compound in the fluid.
  • the software modules 36 to 44 are designed to obtain a GIS characterization of the composition of a fluid to be analyzed from the M sensorgrams Or which is significantly more identifying whatever the concentration of target compound in the fluid to be analyzed.
  • the software module 36 intended to be executed by the processing unit 24, produces a combination of M sensorgrams Or , or a selection of a sensorgram that can be judged according to one or more predetermined criteria as representative of the M sensorgrams Or , for obtaining a new single aggregated time signal, or aggregated sensorgram, denoted SG ag in Figure 1.
  • This combination is for example simply an average at each instant of the M sensorgrams Or . But more generally it may be another statistical value such as a maximum, minimum, median or other, or any desired combination of statistical values.
  • the selection of a representative sensorgram can also be considered itself as a combination in which all the weighting coefficients are zero except that of the selected sensorgram.
  • the software module 38 intended to be executed by the processing unit 24, performs a selection of at least one amplitude interval ⁇ I in a set of amplitude values taken by the M sensorgrams Or . More precisely and advantageously, the selection is made from the set of amplitude values taken by the aggregated sensorgram SG ag .
  • any other type of interval to be defined in a manner well known to those skilled in the art can also be suitable, as can the selection of several amplitude intervals which may or may not be disjoint.
  • several different amplitude intervals can be respectively selected for several groups of different olfactory sensors 18 among the olfactory sensors selected by the software module 30.
  • the software module 40 intended to be executed by the processing unit 24, deduces at least one time interval ⁇ T in which the aggregated sensorgram SG ag takes its amplitude values in the selected amplitude interval ⁇ I. This involves for example determining all the temporal values, represented in the form of at least one interval, for which the aggregated sensorgram SG ag has an amplitude included in said at least one interval ⁇ I which itself has been defined previously regardless of time.
  • Sensorgrams Or being generally provided in the form of digital signals sampled at a predetermined temporal sampling frequency, the aggregated sensorgram SG ag is also sampled at the same frequency and said at least one temporal interval ⁇ T can be defined in the form of a set of successive and/or disjoint temporal samples. If ⁇ T contains too few samples, that is to say less than a predetermined threshold, at least one interpolation, linear or not, can be carried out by the software module 40 in or near ⁇ T between successive samples .
  • the software module 42 intended to be executed by the processing unit 24, takes up each of the M sensorgrams Or and performs for each of them the calculation of at least one descriptive value DSCR i of the set of amplitude values that its samples take in said at least one time interval ⁇ T, with or without interpolation. It may be a mean, median or resulting from any appropriate statistical treatment.
  • the software module 44 intended to be executed by the processing unit 24, obtains the characterization of the composition of the fluid on the basis of the descriptive values thus calculated.
  • This characterization is done for example by estimating a GIS olfactory signature of the M sensorgrams Or .
  • the aggregated sensorgram SG ag is obtained by combination, for example an average, of the M sensorgrams Or .
  • the aggregated sensorgram SG ag is obtained by combination, for example an average, of the M sensorgrams Or .
  • the resulting aggregated SG ag sensorgram in the upper right part is the average at each time of these three sensorgrams.
  • the interval ⁇ I is selected.
  • I can be defined by learning on a database according to a predetermined performance criterion for the olfactory signature envisaged: for example the minimization of an error on a criterion of discriminability of the signature in a base of samples of learning.
  • the time interval ⁇ T is deduced from the interval ⁇ I.
  • M descriptive values DSCRi, , amplitudes respectively taken by the M sensorgrams Or in the time interval ⁇ T are calculated.
  • M descriptive values DSCRi, , amplitudes respectively taken by the M sensorgrams Or in the time interval ⁇ T are calculated.
  • DSCR 1 , DSCR 2 and DSCR 3 of the amplitudes respectively taken by the three sensorgrams SG 1 , SG 2 and SG 3 are illustrated in the .
  • a SIG standardized olfactory signature is obtained from the M descriptive values DSCRi, .
  • the circular diagram shown in the lower right part of the comprises four resulting standardized olfactory signatures with 64 components corresponding to the aforementioned four different concentrations of the same target compound in the fluid to be analyzed.
  • SIG 10 0% , SIG 70% , SIG 50% and SIG 30% overlap almost perfectly so that it is very difficult to separate them. distinguish.
  • the electronic device 10' for multivariate measurement of the presence of compounds present in a fluid represented schematically on the differs from that of the in that the air inlet 16 is connected to a thermodesorber concentrator 46 through which it receives the fluid to be analyzed. All the other constituent elements of the electronic device 10' remain identical to those of the electronic device 10 so that they retain the same references.
  • the thermodesorber concentrator 46 is a known device which will not be detailed. Its operation consists of accumulating the compounds of a fluid by adsorption on a resin. This is then heated to a certain set temperature, for example 200°C, to trigger the desorption of these compounds from the resin. Once the set temperature is reached, the compounds are injected into the electronic device 10'.
  • Figure 8 thus illustrates the superimposed temporal diagrams of around sixty sensorgrams obtained using an MZI or MZI/MMI amplification system over a short period of approximately 1.5 seconds according to a well-controlled measurement protocol using the thermodesorber concentrator 46, for a fluid comprising water and an odorous agrunitrile compound.
  • Two successive peaks are obtained for each sensorgram, one P1 for water and the other P2 for the odorous compound agrunitrile.
  • Each peak has an ascending adsorption slope and a descending desorption slope of the compound that it characterizes.
  • the aggregated sensorgram SG ag is always obtained by combination, for example an average, of the M sensorgrams Or .
  • the aggregated sensorgram SG ag represented in black line is the average at each moment of these three sensorgrams.
  • the interval ⁇ I is selected.
  • the interval 1 +/- 0.1 Radian is relevant to include the two successive peaks of the aggregated SG ag sensorgram.
  • step 104 described previously and applying without particular adaptation to this second embodiment, several time intervals are deduced from the interval ⁇ I.
  • four time intervals ⁇ T 1 , ⁇ T 2 , ⁇ T 3 and ⁇ T 4 are obtained by the form of two successive peaks of the aggregated sensorgram SG ag , the first two intervals ⁇ T 1 and ⁇ T 2 being very narrow, or even almost punctual, taking into account the very strong ascending (adsorption) and descending (desorption) slopes of the first peak.
  • M descriptive values DSCRi, , amplitudes respectively taken by the M sensorgrams Or in the time intervals ⁇ T 1 , ⁇ T 2 , ⁇ T 3 and ⁇ T 4 are calculated.
  • DSCR 1 , DSCR 2 and DSCR 3 of the amplitudes respectively taken by the three sensorgrams SG 1 , SG 2 and SG 3 are illustrated in the .
  • These descriptive values are for example vector, that is to say a priori with four components (or by generalization to 2N components), ie one component per time interval ⁇ T 1 , ⁇ T 2 , ⁇ T 3 and ⁇ T 4 .
  • each component of each descriptive value it may be a mean, median or result of any appropriate statistical treatment in the interval ⁇ T 1 , ⁇ T 2 , ⁇ T 3 or ⁇ T 4 .
  • the successive time intervals can be grouped two by two so that each pair of successive time intervals is relative to one of the N peaks and thus form descriptive values with N components, one component per peak.
  • a vector olfactory signature with M components can be obtained for each of the components of the descriptive values DSCRi, : for example four signatures (or by generalization 2N signatures), ie one signature per time interval ⁇ T 1 , ⁇ T 2 , ⁇ T 3 and ⁇ T 4 in the example of the and Figures 9A to 9D.
  • N SIG standardized olfactory signatures are obtained, one signature per peak, each of these N signatures representing an invariant compound identifier.

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Abstract

Ce dispositif électronique (10) de mesure multivariée d'une présence de composés dans un fluide comporte au moins un capteur olfactif (18), un transducteur (20) fournissant une séquence de signaux (S) de mesure et un processeur (24, 28-44) de traitement de cette séquence pour fournir plusieurs signaux temporels distincts (SGi ' SGi') et en obtenir une caractérisation (SIG) de la composition du fluide. Le processeur est programmé pour : obtenir un signal temporel agrégé (SGag) à partir des signaux temporels distincts; sélectionner au moins un intervalle d'amplitudes (ΔI) parmi les amplitudes prises par les signaux temporels distincts; en déduire au moins un intervalle temporel (ΔT) correspondant; calculer des valeurs descriptives (DSCRi) d'amplitudes prises par les signaux temporels distincts dans ledit au moins un intervalle temporel déduit; et obtenir la caractérisation de la composition du fluide sur la base des valeurs descriptives ainsi calculées.

Description

Dispositif et procédé de mesure multivariée d’une présence de composés dans un fluide
La présente invention concerne un dispositif électronique de mesure multivariée d’une présence de composés dans un fluide liquide ou gazeux. Elle concerne également un procédé mis en œuvre par un tel dispositif et un programme d’ordinateur correspondant.
L'invention s’applique plus particulièrement à un dispositif électronique de mesure multivariée d’une présence de composés dans un fluide, comportant :
  • au moins un capteur olfactif conçu pour interagir avec plusieurs composés susceptibles d’être présents dans le fluide ;
  • un transducteur conçu pour fournir, en interaction avec ledit au moins un capteur olfactif , une séquence de signaux de mesure ; et
  • un processeur de traitement de la séquence de signaux de mesure pour fournir plusieurs signaux temporels distincts, chacun étant représentatif d’une présence de ces composés dans le fluide, et en obtenir une caractérisation de la composition du fluide.
Il est bien entendu que l’interaction avec les composés, la fourniture de la séquence de signaux de mesure et son traitement sont des opérations qui peuvent s’effectuer en parallèle au cours du temps. En variante, le traitement peut être exécuté a posteriori.
Ce type de dispositif est parfois appelé capteur multivarié (de l’anglais « multivariate sensor »). Il peut être envisagé pour des applications variées d’estimations olfactives et est généralement, dans ce cas, qualifié de « nez électronique » (en milieu gazeux) ou « langue électronique » (en milieu liquide). Il est alors utilisé pour détecter, discriminer, identifier et quantifier des composés organiques volatils dans un fluide gazeux à analyser, ou des composés présents dans un liquide. Il peut être exploité dans différents domaines industriels tels que :
  • l’industrie du parfum, par exemple pour comparer, étudier ou concevoir des compositions olfactives pures ou mélangées,
  • la protection de l’environnement, en particulier pour détecter les pollutions odorantes ou la surveillance de la qualité d’environnements plus ou moins confinés,
  • la surveillance de sites industriels présentant un risque de contamination par des matériaux volatils ou solubles dans un solvant potentiellement dangereux ou odorants,
  • la santé, par exemple pour proposer un substitut d’odorat à des personnes souffrant d’anosmie ou pour détecter des marqueurs biologiques volatils tels que les émanations d’une activité microbiologique infectieuse,
  • l’industrie alimentaire, par exemple pour détecter des contaminations dans une chaîne de fabrication et/ou distribution de nourriture,
  • n’importe quel autre domaine industriel dans lequel le contrôle d’un produit odorant quelconque peut s’avérer utile.
Un exemple est connu et décrit dans les documents de brevets WO 2018/158458 A1 et WO 2019/053366 A1. Cet exemple, appelé NeOse Pro (marque déposée), est commercialisé par la société Aryballe depuis 2018. Il est basé sur une technologie de détection par résonance de plasmons de surface, c’est-à-dire un système d’imagerie de type SPR (de l’anglais « Surface Plasmon Resonance ») et comporte un processeur capable de fournir une signature numérique vectorielle à M composantes à partir des signaux de mesure fournis par le transducteur, chaque signature étant spécifique à une odeur détectée et pouvant être qualifiée de signature olfactive. En général, M est inférieur ou égal au nombre de sites réactifs du ou des capteurs olfactifs. Par un apprentissage mené sur plusieurs échantillons de fluides et sous différentes conditions, il est potentiellement possible d’identifier toutes les odeurs.
Pour assurer le bon fonctionnement d’un tel dispositif, il est généralement avantageux de maîtriser le plus possible les moments de contact avec le fluide à analyser et ceux de contact avec un milieu de référence. On obtient ainsi plusieurs signaux temporels distincts exploitables appelés « sensorgrammes » caractéristiques d’une cinétique d’interactions entre les composés cibles du fluide et les sites réactifs du dispositif électronique de mesure, à partir desquels il est possible de caractériser la composition du fluide. Ces sensorgrammes comportent ainsi généralement une première portion correspondant à un premier état référentiel d’exposition des sites réactifs à un environnement fluidique de référence à fluide porteur sans présence des composés cibles, c’est-à-dire sans la présence du fluide à analyser, suivie d’une deuxième portion correspondant à un deuxième état analytique d’exposition des sites réactifs au fluide à analyser par injection de ce dernier dans une chambre de mesure, suivie d’une troisième portion correspondant à un troisième état final, dit de désorption, de réexposition des site réactifs à l’environnement fluidique de référence par évacuation du fluide à analyser hors de la chambre de mesure.
C’est à partir de descripteurs généralement temporels de la deuxième ou troisième portion des sensorgrammes que sont extraites les M composantes de la signature olfactive. Ces descripteurs sont par exemple des constantes de temps de montée mesurables dans la deuxième portion des sensorgrammes, des amplitudes différentielles maximales stables mesurables dans la deuxième portion des sensorgrammes en référence à une amplitude minimale stable de leur première portion ou des constantes de temps de descente mesurables dans la troisième portion des sensorgrammes, comme par exemple rappelé dans l’article de Distante et al, intitulé « On the study of feature extraction methods for an electronic nose », publié dans Sensors and Actuators B Chemical, volume 87, n° 2, pages 274-288, en décembre 2002. Il peut également s’agir d’autres valeurs stationnaires ou maximales, intégrales ou moyennes, dérivées, résultant de changements de représentation temps-fréquence, etc., toutes mesurables temporellement à l’aide des sensorgrammes, soit directement, soit à partir de modèles fonctionnels de ces sensorgrammes.
Or en ce qui concerne la forme générale de l’évolution temporelle des sensorgrammes, il a été remarqué que chaque site réactif de chaque capteur olfactif présente une réponse linéaire sur une certaines plage de concentrations en composés cibles dans le fluide à analyser. Ainsi, en restant dans cette plage de linéarité, il est possible de rendre la signature olfactive indépendante de ces concentrations en la normalisant. Si cette plage de linéarité est connue et que la concentration en composés, indépendamment de leur identification, dans le fluide à analyser est également mesurable, l’homme du métier sait recourir à des méthodes pour faire varier cette concentration, notamment des méthodes de dilution pour faire baisser la concentration lorsque celle-ci sort par le haut de la plage de linéarité. Ces méthodes sont cependant contraignantes parce qu’elles rendent les mesures plus longues et plus complexes.
De plus, la plage de linéarité dépend de chaque composé et de chaque site réactif, i.e. des affinités initiales de chaque site réactif avec chaque composé. Les composés cibles n’étant pas toujours connus, et les méthodes de dilution n’étant pas opérantes dans certaines circonstances de mesures, notamment dans l’air ambiant, il en résulte des signatures olfactives normées qui peuvent varier significativement en fonction des concentrations d’une même combinaison de composés à identifier.
Il peut ainsi être souhaité de prévoir un dispositif de mesure multivariée qui permette de s’affranchir d’au moins une partie des problèmes et contraintes précités, notamment en permettant l’obtention de signatures olfactives normées insensibles aux plages de linéarité précitées.
Il est donc proposé un dispositif électronique de mesure multivariée d’une présence de composés dans un fluide, comportant :
  • au moins un capteur olfactif conçu pour interagir avec plusieurs composés susceptibles d’être présents dans le fluide ;
  • un transducteur conçu pour fournir, en interaction avec ledit au moins un capteur olfactif , une séquence de signaux de mesure ; et
  • un processeur de traitement de la séquence de signaux de mesure pour fournir plusieurs signaux temporels distincts, chacun étant représentatif d’une présence de ces composés dans le fluide, et en obtenir une caractérisation de la composition du fluide ;
dans lequel le processeur est plus précisément programmé pour :
  • obtenir un signal temporel agrégé résultant des signaux temporels distincts ;
  • sélectionner au moins un intervalle d’amplitudes dans un ensemble de valeurs d’amplitude prises par le signal temporel agrégé ;
  • en déduire au moins un intervalle temporel dans lequel le signal temporel agrégé prend ses valeurs d’amplitude dans l’intervalle d’amplitudes sélectionné ;
  • pour chacun des signaux temporels distincts, calculer au moins une valeur descriptive d’un ensemble de valeurs d’amplitude qu’il prend dans ledit au moins un intervalle temporel déduit ; et
  • obtenir la caractérisation de la composition du fluide sur la base des valeurs descriptives ainsi calculées.
Ainsi, la caractérisation de la composition du fluide n’est plus indexée sur l’axe temporel de chacun des signaux temporels distincts mais sur l’axe des amplitudes d’un signal temporel agrégé commun résultant de ces signaux temporels. Cette approche originale et inhabituelle rend la caractérisation insensible aux plages de linéarité précédemment mentionnées. Il en résulte des valeurs descriptives qui restent insensibles à la concentration en composés cibles dans le fluide pour le caractériser, même en dehors de ces plages de linéarité, d’où une caractérisation optimisée, notamment par signature olfactive normée.
Il est également proposé un procédé de mesure multivariée d’une présence de composés dans un fluide, à l’aide d’un dispositif électronique comportant :
  • au moins un capteur olfactif conçu pour interagir avec plusieurs composés susceptibles d’être présents dans le fluide ;
  • un transducteur conçu pour fournir, en interaction avec ledit au moins un capteur olfactif, une séquence de signaux de mesure ;
  • un processeur de traitement de la séquence de signaux de mesure pour fournir plusieurs signaux temporels distincts, chacun étant représentatif d’une présence de ces composés dans le fluide, et en obtenir une caractérisation de la composition du fluide ;
le procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes, réalisées par exécution du processeur :
  • obtenir un signal temporel agrégé résultant des signaux temporels distincts ;
  • sélectionner au moins un intervalle d’amplitudes dans un ensemble de valeurs d’amplitude prises par les signaux temporels distincts ;
  • en déduire au moins un intervalle temporel dans lequel le signal temporel agrégé prend ses valeurs d’amplitude dans l’intervalle d’amplitudes sélectionné ;
  • pour chacun des signaux temporels distincts, calculer au moins une valeur descriptive d’un ensemble de valeurs d’amplitude qu’il prend dans ledit au moins un intervalle temporel déduit ; et
  • obtenir la caractérisation de la composition du fluide sur la base des valeurs descriptives ainsi calculées.
De façon optionnelle, le signal temporel agrégé résulte d’une combinaison, notamment d’une moyenne calculée à chaque instant, des signaux temporels distincts.
De façon optionnelle également, ledit au moins un intervalle d’amplitudes est sélectionné dans un ensemble de valeurs d’amplitude prises par le signal temporel agrégé.
De façon optionnelle également, au moins une interpolation est réalisée entre échantillons successifs des signaux temporels distincts dans ou au voisinage dudit au moins un intervalle temporel déduit pour le calcul de ladite au moins une valeur descriptive si ledit au moins un intervalle temporel déduit contient un nombre d’échantillons inférieur à un seuil prédéterminé.
De façon optionnelle également, pour chacun des signaux temporels distincts, le calcul de la valeur descriptive comporte le calcul d’au moins une valeur moyenne ou médiane de l’ensemble de valeurs d’amplitude qu’il prend dans ledit au moins un intervalle temporel déduit.
De façon optionnelle également :
  • plusieurs intervalles temporels dans lesquels le signal temporel agrégé prend ses valeurs d’amplitude dans l’intervalle d’amplitudes sélectionné sont déduits ; et
  • le calcul de la valeur descriptive comporte le calcul de plusieurs valeurs moyennes ou médianes de l’ensemble de valeurs d’amplitude qu’il prend dans lesdits intervalles temporels déduits.
De façon optionnelle également, l’obtention de la caractérisation de la composition du fluide comporte le calcul d’au moins une signature numérique vectorielle, dite signature olfactive, notamment le calcul d’au moins une signature olfactive normée.
De façon optionnelle également, plusieurs intervalles d’amplitudes différents sont respectivement sélectionnés pour plusieurs groupes de capteurs olfactifs différents.
Il est également proposé un programme d’ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un processeur apte à traiter plusieurs signaux temporels distincts représentatifs d’une présence de composés dans un fluide fournis par un dispositif électronique de mesure multivariée pour l’obtention d’une caractérisation de la composition du fluide, comprenant des instructions pour l’exécution des étapes d’un procédé de mesure multivariée selon l’invention, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur
L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
  • la représente schématiquement la structure générale d’un dispositif électronique de mesure multivariée de présence de composés présents dans un fluide, selon un premier mode de réalisation de l’invention,
  • la illustre un exemple de superposition de diagrammes temporels de signaux de réponse, ou sensorgrammes, pouvant être obtenus par le dispositif électronique de mesure de la , dans des conditions maîtrisées de mesure multivariée,
  • la illustre, sous la forme d’un diagramme circulaire, un exemple de signature olfactive normée pouvant être calculée par le dispositif de la à partir de sensorgrammes tels que ceux de la ,
  • la illustre quatre sensorgrammes pouvant être obtenus par le dispositif électronique de mesure de la pour un même composé cible à quatre concentrations différentes dans un fluide à analyser,
  • la illustre, sous la forme d’un diagramme circulaire, un exemple de quatre signatures olfactives normées pouvant être calculées à partir de sensorgrammes tels que ceux de la , pour les quatre concentrations différentes de la , à l’aide d’un premier descripteur temporel bien connu de l’état de la technique,
  • la illustre, sous la forme d’un diagramme circulaire, un autre exemple de quatre signatures olfactives normées pouvant être calculées à partir de sensorgrammes tels que ceux de la , pour les quatre concentrations différentes de la , à l’aide d’un deuxième descripteur temporel bien connu de l’état de la technique,
  • la illustre les étapes successives d’un procédé de mesure multivariée de présence de composés présents dans un fluide pouvant être mis en œuvre par le dispositif électronique de mesure de la ,
  • la représente schématiquement la structure générale d’un dispositif électronique de mesure multivariée de présence de composés présents dans un fluide, selon un deuxième mode de réalisation de l’invention,
  • la illustre un exemple de superposition de diagrammes temporels de signaux de réponse, ou sensorgrammes, pouvant être obtenus par le dispositif électronique de mesure de la , dans des conditions maîtrisées de mesure multivariée,
  • la illustre le résultat intermédiaire d’une première étape du procédé de mesure de la lorsqu’il est mis en œuvre par le dispositif électronique de mesure de la ,
  • la illustre le résultat intermédiaire d’une deuxième étape du procédé de mesure de la lorsqu’il est mis en œuvre par le dispositif électronique de mesure de la ,
  • la illustre le résultat intermédiaire d’une troisième étape du procédé de mesure de la lorsqu’il est mis en œuvre par le dispositif électronique de mesure de la , et
  • la illustre le résultat intermédiaire d’une quatrième étape du procédé de mesure de la lorsqu’il est mis en œuvre par le dispositif électronique de mesure de la .
Le dispositif électronique 10 de mesure multivariée de présence de composés présents dans un fluide représenté schématiquement sur la est un exemple non limitatif de dispositif de mesure selon un premier mode de réalisation de la présente invention pour une application non limitative d’identification d’odeurs. Il comporte une chambre de mesure 12 destinée à recevoir un fluide, par exemple un gaz tel que de l’air ambiant. Pour ce faire, il comporte un dispositif d’aspiration 14 conçu pour aspirer l’air situé à l’intérieur de la chambre de mesure 12 et le faire sortir à l’extérieur. Il comporte en outre une entrée d’air 16 pouvant être sélectivement fermée pour garder l’air ambiant dans la chambre de mesure 12 ou bien ouverte pour permettre l’évacuation de l’air ambiant de la chambre de mesure 12 et son renouvellement par l’activation du dispositif d’aspiration 14. Il est ainsi doté de moyens de maîtrise des flux entrant et sortant.
Dans sa chambre de mesure 12, Le dispositif électronique de mesure multivariée 10 comporte plusieurs capteurs olfactifs 18, répartis respectivement sur autant de sites réactifs, par exemple une soixantaine, conçus pour interagir avec des composés susceptibles d’être présents dans la chambre de mesure 12 lorsque le dispositif 10 est placé à proximité d’un fluide à analyser émetteur de ces composés, notamment lorsque l’entrée d’air 16 est à proximité du fluide considéré. Les composés émis sont généralement des composés organiques volatils mais la présente invention ne se limite pas à de tels composés.
Chaque capteur olfactif 18 est lui-même par exemple un biocapteur conçu pour interagir avec les composés d’une famille particulière de composés organiques volatils. En pratique, chaque capteur olfactif 18 peut comporter une molécule, telle qu’un peptide immobilisé sur un substrat ou un polymère recouvrant une surface, complémentaire des composés de la famille associée à ce capteur olfactif 18.
En variante, le dispositif de mesure multivariée 10 pourrait être adapté pour être mis en contact avec tout autre fluide, liquide ou gazeux, que de l’air ambiant. Il pourrait également selon une version particulièrement simple ne pas comporter le dispositif d’aspiration 14 et l’entrée d’air 16, voire même la chambre de mesure 12. Dans cette version simple, les capteurs olfactifs 18 sont alors susceptibles d’être directement mis au contact du fluide à analyser sans maîtrise de flux.
Les capteurs olfactifs 18 sont associés à au moins un transducteur 20 avec lequel ils interagissent. Ce transducteur 20 est arrangé et configuré pour mesurer tout changement de propriété physique provoqué par une interaction des capteurs olfactifs 18 avec le fluide à analyser. Il fournit une séquence de signaux électriques de mesure S qui caractérise ce fluide puisqu’elle est représentative des composés organiques volatils avec lesquels les capteurs olfactifs peuvent interagir dans la chambre de mesure 12.
Plus précisément, le transducteur 20 peut être un système d’imagerie par résonance de plasmons de surface, c’est-à-dire un système d’imagerie de type SPR (de l’anglais « Surface Plasmonic Resonance ») configuré pour mesurer tout changement d’un indice de réfraction dû à une interaction du fluide étudié avec au moins l’un quelconque des capteurs olfactifs grâce à un effet plasmonique. Un tel transducteur comporte : une couche métallique dont une première face à sites réactifs sert de support aux capteurs olfactifs 18 ; un prisme optique disposé contre une deuxième face, opposée à la première, de la couche métallique ; un dispositif d’éclairage à lumière collimatée et polarisée de cette deuxième face de la couche métallique via une face d’entrée de lumière du prisme optique ; et une caméra disposée en sortie de lumière du prisme optique pour la fourniture de la séquence de signaux de mesure S sous la forme d’une séquence d’images en niveaux de gris des sites réactifs sur lesquels sont disposés les capteurs olfactifs 18. Les sites réactifs de la première face de la couche métallique sont par exemple organisés en une grille matricielle de positionnement.
En variante, le transducteur 20 peut être un système d’amplification de variation d’indice optique par interférométrie de Mach-Zehnder, par exemple selon une technologie à matrice d’interféromètres de Mach-Zehnder, dite technologie MZI (de l’anglais « Mach-Zehnder Interferometer »), voire plus précisément une technologie MZI à interférences multimodales, dite technologie MZI/MMI (de l’anglais « Multi Mode Interference »). Un tel système est configuré pour mesurer tout changement d’un indice de réfraction dû à une interaction du fluide étudié avec au moins l’un quelconque des capteurs olfactifs grâce à un décalage de phases détectable entre un bras de référence de l’interféromètre et un bras de détection sur lequel ce site réactif quelconque est disposé. Le transducteur résultant fournit la séquence de signaux de mesure S qui se présente sous la forme d’une séquence d’images de décalages de phases, exprimés en Radian, des capteurs olfactifs 18.
Selon une autre variante, le transducteur 20 pourrait être un système d’amplification nano- ou micro-électromécanique NEMS (de l’anglais « Nano Electro-Mechanical System ») ou MEMS (de l’anglais « Micro Electro-Mechanical System »). Un tel système est configuré pour mesurer tout changement de fréquence de résonance d’une membrane vibrante sur laquelle est disposé l’un quelconque des capteurs olfactifs. Les sites réactifs sur lesquels sont placés les capteurs olfactifs sont par exemple arrangés en une matrice de membranes vibrantes NEMS ou MEMS pour la fourniture de la séquence de signaux de mesure S qui se présente sous la forme d’une séquence de signaux de décalages de fréquences de résonance des capteurs olfactifs 18.
D’autres variantes sont envisageables par implémentation de tout autre dispositif de transduction physique (i.e. optique, mécanique, etc.) équivalent, en opérant une adaptation simple du dispositif électronique de mesure multivariée 10 qui ne sera pas décrite parce qu’à la portée de l’homme du métier. Quel que soit le choix du transducteur 20, l’idée générale reste de fonctionnaliser des sites réactifs à l’aide de capteurs olfactifs 18 (i.e. biocapteurs, polymères, nanotubes de carbones, etc.) de telle sorte qu’ils adsorbent et désorbent de manière différenciée les composés organiques volatils, de former une réponse d’interaction moléculaire différenciée des capteurs olfactifs, et d’amplifier la réponse sous la forme d’une séquence de signaux électriques de mesure S à l’aide d’un dispositif de transduction physique.
Le dispositif électronique de mesure multivariée 10 comporte en outre plusieurs modules fonctionnels qui vont être décrits ci-dessous. Dans l’exemple décrit, ces modules sont de nature logicielle. Ainsi, le dispositif 10 comporte un élément de type ordinateur 22 comportant une unité de traitement 24 et une zone de mémoire associée 26 dans laquelle plusieurs programmes d’ordinateurs ou plusieurs fonctions d’un même programme d’ordinateur sont enregistrés. Ces programmes d’ordinateurs comportent des instructions conçues pour être exécutées par l’unité de traitement 24 afin de réaliser les fonctions des modules logiciels. Ils sont présentés comme distincts, mais cette distinction est purement fonctionnelle. Ils pourraient tout aussi bien être regroupés selon toutes les combinaisons possibles en un ou plusieurs logiciels. Leurs fonctions pourraient aussi être au moins en partie micro programmées ou micro câblées dans des circuits intégrés dédiés, tels que des circuits numériques. Ainsi, en variante, l’ordinateur 22 pourrait être remplacé par un dispositif électronique composé uniquement de circuits numériques (sans programme d’ordinateur) pour la réalisation des mêmes fonctions.
Le dispositif de mesure multivariée 10 comporte ainsi tout d’abord un module logiciel 28, destiné à être exécuté par l’unité de traitement 24, de commande du dispositif d’aspiration 14 (s’il est prévu dans de dispositif 10), de l’entrée d’air 16 (si elle est également prévue dans de dispositif 10) et du transducteur 20.
Il comporte en outre de façon optionnelle mais avantageuse un module logiciel 30, destiné à être exécuté par l’unité de traitement 24, de sélection, parmi les capteurs olfactifs 18 du dispositif de mesure de mesure multivariée 10, d’un sous-ensemble de capteurs sensibles à des composants volatils caractéristiques d’une empreinte olfactive recherchée. Ces composants volatils caractéristiques peuvent varier d’une application ou d’un fluide étudié à l’autre de sorte que la sélection de capteurs olfactifs réalisée par le module logiciel 30 peut varier elle aussi et être paramétrée. Le sous-ensemble sélectionné comporte par exemple M ≥ 1 capteur(s) olfactif(s), notamment avantageusement plusieurs capteurs olfactifs (M ≥ 2).
Le dispositif de mesure multivariée 10 comporte en outre un module logiciel 32, destiné à être exécuté par l’unité de traitement 24, pour extraire M sensorgrammes respectivement représentatifs des interactions des M capteurs olfactifs sélectionnés avec les composés organiques volatils concernés à partir des valeurs propres à ces M capteurs olfactifs dans la séquence de signaux de mesure S fournie par le transducteur 20. Ces sensorgrammes sont par exemple des signaux de réflectance exprimés en pourcentage selon un ratio de valeurs de luminance obtenues avec une lumière polarisée transversale sur des valeurs de luminance obtenues avec une même lumière polarisée à 90 degrés pour chacun des M capteurs olfactifs sélectionnés lorsque le transducteur 20 est un système d’imagerie de type SPR. Ils prennent la forme de signaux de décalages de phases et sont exprimés en Radian lorsque le transducteur est un système d’amplification MZI ou MZI/MMI. Ils prennent la forme de signaux de décalages de fréquences et sont exprimés en Hertz lorsque le transducteur est un système d’amplification NEMS ou MEMS.
La figure 2 illustre ainsi les diagrammes temporels superposés d’une soixantaine de sensorgrammes obtenus à l’aide d’un système d’amplification MZI ou MZI/MMI sur une durée d’environ 190 secondes selon un protocole de mesure bien maîtrisé, impliquant une commande du dispositif d’aspiration 14 et de l’entrée d’air 16, dans lequel :
  • les sites réactifs 18 sont tout d’abord exposés à un environnement fluidique de référence à fluide porteur sans présence des composés cibles d’un fluide à analyser au cours d’un premier état de référence identifiable par une première portion PH1 des sensorgrammes,
  • ils sont ensuite exposés au fluide à analyser au cours d’un deuxième état analytique d’adsorption déclenché par une injection maîtrisée de ce fluide dans la chambre de mesure 12, ce deuxième état étant identifiable par une deuxième portion PH2 des sensorgrammes, et
  • ils sont finalement exposés de nouveau à l’environnement fluidique de référence au cours d’un troisième état final de désorption par une évacuation maîtrisée du fluide à analyser hors de la chambre de mesure 12, ce troisième état étant identifiable par une troisième portion PH3 des sensorgrammes.
De retour à la figure 1, le dispositif de mesure multivariée 10 comporte en outre un module logiciel 34 optionnel, destiné à être exécuté par l’unité de traitement 24, pour opérer un traitement préalable éventuel sur les M sensorgrammes fournis par le module logiciel 32.
Ce traitement préalable comporte par exemple un filtrage passe-bas implémenté sous la forme d’un filtre numérique à réponse impulsionnelle finie ou infinie. Il s’agit de filtrer le bruit de mesure à hautes fréquences dans les signaux bruts tels que fournis par le module logiciel 32. Un filtre de Butterworth à réponse impulsionnelle finie du premier ordre et fréquence de coupure normalisée à 0,45 (i.e. valeur du ratio entre la fréquence de coupure et la fréquence d’échantillonnage égale à 0,45) convient.
Ce traitement préalable comporte par exemple en outre un calcul de norme au sens du document de brevet WO 2020/141281 A1 sur les M sensorgrammes filtrés ou non pour l’obtention de M sensorgrammes filtrés et/ou normés .
Le dispositif de mesure multivariée 10 comporte en outre plusieurs modules logiciels 36 à 44, destinés à être exécutés par l’unité de traitement 24, pour obtenir une caractérisation SIG de la composition du fluide à analyser à partir des M sensorgrammes ou . Cette caractérisation SIG peut prendre la forme d’une signature olfactive normée telle que mentionnée précédemment et telle qu’illustrée dans la sous la forme d’un diagramme circulaire.
Dans l’état de la technique, il est connu de considérer un descripteur temporel de la deuxième ou troisième portion des sensorgrammes, PH2 ou PH3, pour en extraire les M composantes de la signature olfactive. Mais comme l’illustrent les figures 4, 5A et 5B, un tel descripteur peut conduire à une signature olfactive dont la forme générale varie fortement en fonction de la concentration en composés à identifier dans le fluide à analyser, même lorsque cette signature est normée. Deux descripteurs temporels bien connus et généralement appréciés sont choisis à titre d’exemple : une valeur d’amplitude maximale stable obtenue en fin de deuxième portion PH2 ( ) et une valeur de pente à l’origine obtenue en début de deuxième portion PH2 ( ).
La illustre ainsi quatre sensorgrammes issus d’un même capteur olfactif pour quatre concentrations différentes d’un même composé cible dans un fluide à analyser. Le sensorgramme SG100% est obtenu pour une concentration à 100% du composé dans le fluide. Les trois autres sensorgrammes SG70%, SG50% et SG30% sont respectivement obtenus pour des concentrations à 70%, 50% et 30% du même composé dans le fluide.
La illustre, pour ces quatre concentrations et pour M = 64 sensorgrammes à chacune de ces quatre concentrations, quatre signatures olfactives normées résultantes SIG10 0%, SIG70%, SIG50% et SIG30% lorsque le descripteur choisi est la valeur d’amplitude maximale stable obtenue en fin de deuxième portion PH2 des sensorgrammes. Il apparaît clairement que ces quatre signatures normées sont visuellement bien distinctes alors qu’elles portent sur le même composé. Elles ne sont donc pas très identifiantes puisqu’elles dépendent manifestement de la concentration en composé qu’il n’est pas toujours possible de connaître.
La illustre, pour ces quatre concentrations et pour M = 64 sensorgrammes à chacune de ces quatre concentrations, les mêmes quatre signatures olfactives normées résultantes SIG10 0%, SIG70%, SIG50% et SIG30% lorsque le descripteur choisi est la valeur de pente à l’origine obtenue en début de deuxième portion PH2 des sensorgrammes. Il apparaît clairement de nouveau que ces quatre signatures normées sont visuellement bien distinctes alors qu’elles portent sur le même composé. Elles ne sont donc pas non plus identifiantes puisqu’elles dépendent toujours de la concentration en composé.
Conformément aux principes généraux de la présente invention, les modules logiciels 36 à 44 sont conçus pour obtenir une caractérisation SIG de la composition d’un fluide à analyser à partir des M sensorgrammes ou qui soit nettement plus identifiante quelle que soit la concentration en composé cible du fluide à analyser.
A cet effet le module logiciel 36, destiné à être exécuté par l’unité de traitement 24, réalise une combinaison des M sensorgrammes ou , ou une sélection d’un sensorgramme pouvant être jugé selon un ou plusieurs critères prédéterminés comme représentatif des M sensorgrammes ou , pour l’obtention d’un nouveau signal temporel agrégé unique, ou sensorgramme agrégé, noté SGag dans la figure 1. Cette combinaison est par exemple tout simplement une moyenne à chaque instant des M sensorgrammes ou . Mais il peut s’agir plus généralement d’une autre valeur statistique telle qu’un maximum, minimum, médiane ou autre, ou de toute combinaison souhaitée de valeurs statistiques. La sélection d’un sensorgramme représentatif peut d’ailleurs être considérée elle-même comme une combinaison dans laquelle tous les coefficients de pondération sont à zéros sauf celui du sensorgramme sélectionné.
Le module logiciel 38, destiné à être exécuté par l’unité de traitement 24, réalise une sélection d’au moins un intervalle d’amplitudes ΔI dans un ensemble de valeurs d’amplitude prises par les M sensorgrammes ou . Plus précisément et avantageusement, la sélection se fait dans l’ensemble des valeurs d’amplitude prises par le sensorgramme agrégé SGag. Il peut s’agir d’un intervalle défini à +/- près autour d’une valeur prédéfinie I d’amplitude, c’est-à-dire ΔI = [I -  ; I + ]. Mais tout autre type d’intervalle à définir de façon bien connue de l’homme du métier peut également convenir, de même que la sélection de plusieurs intervalles d’amplitudes disjoints ou non. Notamment, plusieurs intervalles d’amplitudes différents peuvent être respectivement sélectionnés pour plusieurs groupes de capteurs olfactifs 18 différents parmi les capteurs olfactifs sélectionnés par le module logiciel 30.
Le module logiciel 40, destiné à être exécuté par l’unité de traitement 24, en déduit au moins un intervalle temporel ΔT dans lequel le sensorgramme agrégé SGag prend ses valeurs d’amplitude dans l’intervalle d’amplitudes sélectionné ΔI. Il s’agit par exemple de déterminer toutes les valeurs temporelles, représentées sous la forme d’au moins un intervalle, pour lesquelles le sensorgramme agrégé SGag a une amplitude comprise dans ledit au moins un intervalle ΔI qui, lui, a été défini préalablement indépendamment du temps. Les sensorgrammes ou étant généralement fournis sous la forme de signaux numériques échantillonnés à une fréquence d’échantillonnage temporel prédéterminée, le sensorgramme agrégé SGag est lui aussi échantillonné à la même fréquence et ledit au moins un intervalle temporel ΔT peut être défini sous la forme d’un ensemble d’échantillons temporels successifs et/ou disjoints. Si ΔT contient un nombre trop faible d’échantillons, c’est-à-dire inférieur à un seuil prédéterminé, au moins une interpolation, linéaire ou non, peut être réalisée par le module logiciel 40 dans ou au voisinage de ΔT entre échantillons successifs.
Le module logiciel 42, destiné à être exécuté par l’unité de traitement 24, reprend chacun des M sensorgrammes ou et réalise pour chacun d’entre eux le calcul d’au moins une valeur descriptive DSCRi de l’ensemble de valeurs d’amplitude que ses échantillons prennent dans ledit au moins un intervalle temporel ΔT, avec ou sans interpolation. Il peut s’agir d’une valeur moyenne, médiane ou résultant de tout traitement statistique approprié.
Enfin, le module logiciel 44, destiné à être exécuté par l’unité de traitement 24, obtient la caractérisation de la composition du fluide sur la base des valeurs descriptives ainsi calculées. Cette caractérisation se fait par exemple par estimation d’une signature olfactive SIG des M sensorgrammes ou . Dans la variante la plus simple, il s’agit par exemple tout simplement de définir la signature olfactive SIG comme un vecteur dont les M composantes sont les M valeurs descriptives DSCRi, , calculées par le module logiciel 42. Comme évoqué précédemment, ce vecteur peut ensuite être normé pour rendre la signature olfactive plus générique.
Le procédé de mesure multivariée d’une présence de composés dans un fluide correspondant à l’exécution des modules logiciels 36 à 44 va maintenant être détaillé conformément à la succession d’étapes de la .
Au cours d’une étape 100 réalisée par exécution du module logiciel 36, le sensorgramme agrégé SGag est obtenu par combinaison, par exemple une moyenne, des M sensorgrammes ou . Par souci de clarté et de simplicité, seuls trois sensorgrammes SG1, SG2 et SG3 sont illustrés en partie supérieure gauche de la et le sensorgramme agrégé SGag résultant en partie supérieure droite est la moyenne à chaque instant de ces trois sensorgrammes.
Au cours d’une étape 102 suivante réalisée par exécution du module logiciel 38, l’intervalle ΔI est sélectionné. Dans l’exemple de la figure 6 où les sensorgrammes SG1, SG2 et SG3 prennent leurs valeurs d’amplitude entre 0 et 7 Radian et où le sensorgramme agrégé SGag prend plus précisément ses valeurs entre 0 et 6 Radian, l’intervalle 4 +/- 0,2 Radian est pertinent. D’une façon plus générale, il peut être considéré que lorsque les valeurs d’amplitudes minimale et maximale prises par le sensorgramme agrégé SGag sont respectivement IM IN et IMAX, l’intervalle ΔI = [I -  ; I + ] avec I compris entre IMIN -  et IMAX + et compris entre 5% et 10% de I est pertinent. En pratique, I peut être défini par apprentissage sur une base de données selon un critère de performance prédéterminé pour la signature olfactive envisagée : par exemple la minimalisation d’une erreur sur un critère de discriminabilité de la signature dans une base d’échantillons d’apprentissage.
Au cours d’une étape 104 suivante réalisée par exécution du module logiciel 40, l’intervalle temporel ΔT est déduit de l’intervalle ΔI.
Au cours d’une étape 106 suivante réalisée par exécution du module logiciel 42, M valeurs descriptives DSCRi, , des amplitudes respectivement prises par les M sensorgrammes ou dans l’intervalle temporel ΔT sont calculées. Par souci de clarté et de simplicité, seules trois valeurs descriptives DSCR1, DSCR2 et DSCR3 des amplitudes respectivement prises par les trois sensorgrammes SG1, SG2 et SG3 sont illustrées dans la .
Enfin, au cours d’une dernière étape 108 réalisée par exécution du module logiciel 44, une signature olfactive normée SIG est obtenue à partir des M valeurs descriptives DSCRi, . Le diagramme circulaire illustré en partie inférieure droite de la comporte quatre signatures olfactives normées résultantes à 64 composantes correspondant aux quatre concentrations différentes précitées du même composé cible dans le fluide à analyser. Par comparaison avec les figures 5A et 5B, il est remarquable de constater que ces quatre signatures olfactives normées SIG10 0%, SIG70%, SIG50% et SIG30% se superposent quasiment parfaitement de sorte qu’il est très difficile de les distinguer.
Selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention, le dispositif électronique 10’ de mesure multivariée de présence de composés présents dans un fluide représenté schématiquement sur la diffère de celui de la en ce que l’entrée d’air 16 est raccordée à un concentrateur thermodésorbeur 46 par l’intermédiaire duquel elle reçoit le fluide à analyser. Tous les autres éléments constitutifs du dispositif électronique 10’ restent identiques à ceux du dispositif électronique 10 de sortent qu’ils conservent les mêmes références. Le concentrateur thermodésorbeur 46 est un appareil connu qui ne sera pas détaillé. Son fonctionnement consiste à accumuler les composés d’un fluide par adsorption sur une résine. Celle-ci est ensuite chauffée à une certaine température de consigne, par exemple 200°C, pour déclencher la désorption de ces composés de la résine. Une fois la température de consigne atteinte, les composés sont injectés dans le dispositif électronique 10’.
Il en résulte l’injection rapide d’un pic de concentration plutôt que l’injection en continu des composés dans le contexte d’une mesure telle qu’elle a été décrite dans le mode de réalisation précédent. Ce pic de concentration engendre alors des signaux temporels distincts eux aussi en forme de pics, plutôt qu’avec la forme temporellement étendue des sensorgrammes de la . Mais par un abus de langage tout à fait légitime, ces signaux temporels distincts peuvent eux aussi être appelés sensorgrammes puisqu’ils restent malgré tout une réponse du transducteur 20 à l’introduction d’un fluide à analyser dans la chambre de mesure 12, même si cette introduction se fait différemment. Lorsque le fluide à analyser comporte des composés relevant de plusieurs espèces chimiques différentes, on peut noter l’apparition, non pas d’un seul pic par sensorgramme, mais de plusieurs pics successifs résultant de propriétés physico-chimiques différentes de chacune des espèces en présence.
Selon ce deuxième de mode de réalisation, il est encore plus difficile de maîtriser la concentration injectée que dans le mode de réalisation précédent, ce qui rend encore plus appropriée l’approche originale proposée dans la présente demande de brevet.
La figure 8 illustre ainsi les diagrammes temporels superposés d’une soixantaine de sensorgrammes obtenus à l’aide d’un système d’amplification MZI ou MZI/MMI sur une durée courte d’environ 1,5 secondes selon un protocole de mesure bien maîtrisé à l’aide du concentrateur thermodésorbeur 46, pour un fluide comportant de l’eau et un composé odorant d’agrunitrile. Deux pics successifs sont obtenus pour chaque sensorgramme, l’un P1 pour l’eau et l’autre P2 pour le composé odorant d’agrunitrile. Chaque pic présente une pente ascendante d’adsorption et une pente descendante de désorption du composé qu’il caractérise.
Au cours de l’étape 100, décrite précédemment et s’appliquant sans adaptation particulière à ce deuxième mode de réalisation, le sensorgramme agrégé SGag est toujours obtenu par combinaison, par exemple une moyenne, des M sensorgrammes ou . Par souci de clarté et de simplicité, seuls trois sensorgrammes SG1, SG2 et SG3 sont de nouveau illustrés dans la en traits grisés et le sensorgramme agrégé SGag représenté en trait noir est la moyenne à chaque instant de ces trois sensorgrammes.
Au cours de l’étape 102, décrite précédemment et s’appliquant sans adaptation particulière à ce deuxième mode de réalisation, l’intervalle ΔI est sélectionné. Dans l’exemple de la où les sensorgrammes SG1, SG2 et SG3 prennent leurs valeurs d’amplitude entre 0 et 3,5 Radian et où le sensorgramme agrégé SGag prend plus précisément ses valeurs entre 0 et un peu plus de 3 Radian, l’intervalle 1 +/- 0,1 Radian est pertinent pour inclure les deux pics successifs du sensorgramme agrégé SGag.
Au cours de l’étape 104, décrite précédemment et s’appliquant sans adaptation particulière à ce deuxième mode de réalisation, plusieurs intervalles temporels sont déduits de l’intervalle ΔI. Comme illustré dans la , quatre intervalles temporels ΔT1, ΔT2, ΔT3 et ΔT4 sont obtenus par la forme en deux pics successifs du sensorgramme agrégé SGag, les deux premiers intervalles ΔT1 et ΔT2 étant très étroits, voire quasiment ponctuels, compte tenu des pentes ascendante (adsorption) et descendante (désorption) très fortes du premier pic. Plus généralement, lorsque le sensorgramme agrégé SGag est à N pics successifs, 2N intervalles temporels ΔT1, …, ΔT2N sont obtenus, les intervalles temporels impairs pour les pentes ascendantes et les intervalles temporels pairs pour les pentes descendantes.
Au cours de l’étape 106, décrite précédemment et s’appliquant sans adaptation particulière à ce deuxième mode de réalisation, M valeurs descriptives DSCRi, , des amplitudes respectivement prises par les M sensorgrammes ou dans les intervalles temporels ΔT1, ΔT2, ΔT3 et ΔT4 sont calculées. Par souci de clarté et de simplicité, seules trois valeurs descriptives DSCR1, DSCR2 et DSCR3 des amplitudes respectivement prises par les trois sensorgrammes SG1, SG2 et SG3 sont illustrées dans la . Ces valeurs descriptives sont par exemple vectorielles, c’est-à-dire a priori à quatre composantes (ou par généralisation à 2N composantes), i.e. une composante par intervalle temporel ΔT1, ΔT2, ΔT3 et ΔT4. Par extension directe du premier mode de réalisation, pour chaque composante de chaque valeur descriptive, il peut s’agir d’une valeur moyenne, médiane ou résultant de tout traitement statistique approprié dans l’intervalle ΔT1, ΔT2, ΔT3 ou ΔT4. En variante, les intervalles temporels successifs peuvent être regroupés deux à deux pour que chaque paire d’intervalles temporels successifs soit relative à l’un des N pics et former ainsi des valeurs descriptives à N composantes, une composante par pic.
Enfin, au cours de la dernière étape 108, décrite précédemment et s’appliquant sans adaptation particulière à ce deuxième mode de réalisation, plusieurs signatures olfactives normées SIG peuvent être obtenues à partir des M valeurs descriptives DSCRi, . Comme pour le diagramme circulaire illustré en partie inférieure droite de la figure 6, on peut aisément montrer que ces signatures olfactives normées SIG sont invariantes en fonction de la concentration du fluide à analyser. Compte tenu du fait que les valeurs descriptives sont vectorielles dans ce deuxième mode de réalisation, une signature olfactive vectorielle à M composantes peut être obtenue pour chacune des composantes des valeurs descriptives DSCRi, : par exemple quatre signatures (ou par généralisation 2N signatures), i.e. une signature par intervalle temporel ΔT1, ΔT2, ΔT3 et ΔT4 dans l’exemple de la et des figures 9A à 9D. En variante, lorsque les intervalles temporels successifs sont regroupés deux à deux pour que chaque paire d’intervalles temporels successifs soit relative à l’un des N pics, N signatures olfactives normées SIG sont obtenues, une signature par pic, chacune de ces N signatures représentant un identifiant invariant de composé.
Il apparaît clairement qu’un dispositif électronique de mesure multivariée d’une présence de composés dans un fluide tel que l’un quelconque des deux décrits précédemment en référence aux figures 1 et 7 permet d’améliorer significativement l’identification de ces composés par l’extraction astucieuse d’une caractérisation obtenue sans indexation temporelle à partir de plusieurs signaux temporels distincts représentatifs d’une présence de ces composés dans le fluide, ce qui permet de s’affranchir des plages de linéarité habituellement dépendantes des concentrations de composés dans le fluide.
On notera par ailleurs que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans la présentation détaillée de l’invention qui est faite précédemment, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant l’invention aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.

Claims (10)

  1. Dispositif électronique (10, 10’) de mesure multivariée d’une présence de composés dans un fluide, comportant :
    • au moins un capteur olfactif (18) conçu pour interagir avec plusieurs composés susceptibles d’être présents dans le fluide ;
    • un transducteur (20) conçu pour fournir, en interaction avec ledit au moins un capteur olfactif (18), une séquence de signaux (S) de mesure ; et
    • un processeur (24, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42,44) de traitement de la séquence de signaux (S) de mesure pour fournir plusieurs signaux temporels distincts (SGi, SGi’), chacun étant représentatif d’une présence de ces composés dans le fluide, et en obtenir une caractérisation (SIG) de la composition du fluide ;
    caractérisé en ce que le processeur (24, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42,44) est plus précisément programmé pour :
    • obtenir un signal temporel agrégé (SGag) résultant des signaux temporels distincts (SGi, SGi’) ;
    • sélectionner au moins un intervalle d’amplitudes (ΔI) dans un ensemble de valeurs d’amplitude prises par les signaux temporels distincts (SGi, SGi’) ;
    • en déduire au moins un intervalle temporel (ΔT) dans lequel le signal temporel agrégé (SGag) prend ses valeurs d’amplitude dans l’intervalle d’amplitudes (ΔI) sélectionné ;
    • pour chacun des signaux temporels distincts (SGi, SGi’), calculer au moins une valeur descriptive (DSCRi) d’un ensemble de valeurs d’amplitude qu’il prend dans ledit au moins un intervalle temporel (ΔT) déduit ; et
    • obtenir la caractérisation (SIG) de la composition du fluide sur la base des valeurs descriptives (DSCRi) ainsi calculées.
  2. Procédé de mesure multivariée d’une présence de composés dans un fluide, à l’aide d’un dispositif électronique (10, 10’) comportant :
    • au moins un capteur olfactif (18) conçu pour interagir avec plusieurs composés susceptibles d’être présents dans le fluide ;
    • un transducteur (20) conçu pour fournir, en interaction avec ledit au moins un capteur olfactif (18), une séquence de signaux (S) de mesure ; et
    • un processeur (24, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42,44) de traitement de la séquence de signaux (S) de mesure pour fournir plusieurs signaux temporels distincts (SGi, SGi’), chacun étant représentatif d’une présence de ces composés dans le fluide, et en obtenir une caractérisation (SIG) de la composition du fluide ;
    le procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes, réalisées par exécution du processeur :
    • obtenir (100) un signal temporel agrégé (SGag) résultant des signaux temporels distincts (SGi, SGi’) ;
    • sélectionner (102) au moins un intervalle d’amplitudes (ΔI) dans un ensemble de valeurs d’amplitude prises par les signaux temporels distincts (SGi, SGi’) ;
    • en déduire (104) au moins un intervalle temporel (ΔT) dans lequel le signal temporel agrégé (SGag) prend ses valeurs d’amplitude dans l’intervalle d’amplitudes (ΔI) sélectionné ;
    • pour chacun des signaux temporels distincts (SGi, SGi’), calculer (106) au moins une valeur descriptive (DSCRi) d’un ensemble de valeurs d’amplitude qu’il prend dans ledit au moins un intervalle temporel (ΔT) déduit ; et
    • obtenir (108) la caractérisation (SIG) de la composition du fluide sur la base des valeurs descriptives (DSCRi) ainsi calculées.
  3. Procédé de mesure multivariée selon la revendication 2, dans lequel le signal temporel agrégé (SGag) résulte d’une combinaison, notamment d’une moyenne calculée à chaque instant, des signaux temporels distincts (SGi, SGi’).
  4. Procédé de mesure multivariée selon la revendication 2 ou 3, dans lequel ledit au moins un intervalle d’amplitudes (ΔI) est sélectionné (102) dans un ensemble de valeurs d’amplitude prises par le signal temporel agrégé (SGag).
  5. Procédé de mesure multivariée selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel au moins une interpolation est réalisée entre échantillons successifs des signaux temporels distincts (SGi, SGi’) dans ou au voisinage dudit au moins un intervalle temporel (ΔT) déduit pour le calcul (106) de ladite au moins une valeur descriptive (DSCRi) si ledit au moins un intervalle temporel (ΔT) déduit contient un nombre d’échantillons inférieur à un seuil prédéterminé.
  6. Procédé de mesure multivariée selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel, pour chacun des signaux temporels distincts (SGi, SGi’), le calcul de la valeur descriptive (DSCRi) comporte le calcul d’au moins une valeur moyenne ou médiane de l’ensemble de valeurs d’amplitude qu’il prend dans ledit au moins un intervalle temporel (ΔT) déduit.
  7. Procédé de mesure multivariée selon la revendication 6, dans lequel :
    • plusieurs intervalles temporels (ΔT1, ΔT2, ΔT3, ΔT4) dans lesquels le signal temporel agrégé (SGag) prend ses valeurs d’amplitude dans l’intervalle d’amplitudes (ΔI) sélectionné sont déduits ; et
    • le calcul de la valeur descriptive (DSCRi) comporte le calcul de plusieurs valeurs moyennes ou médianes de l’ensemble de valeurs d’amplitude qu’il prend dans lesdits intervalles temporels (ΔT1, ΔT2, ΔT3, ΔT4) déduits.
  8. Procédé de mesure multivariée selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel l’obtention (108) de la caractérisation (SIG) de la composition du fluide comporte le calcul d’au moins une signature numérique vectorielle, dite signature olfactive, notamment le calcul d’au moins une signature olfactive normée.
  9. Procédé de mesure multivariée selon l’une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel plusieurs intervalles d’amplitudes (ΔI) différents sont respectivement sélectionnés pour plusieurs groupes de capteurs olfactifs (18) différents.
  10. Programme d’ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur (22) et/ou exécutable par un processeur (24, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42,44) apte à traiter plusieurs signaux temporels distincts (SGi, SGi’) représentatifs d’une présence de composés dans un fluide fournis par un dispositif électronique (10, 10’) de mesure multivariée pour l’obtention d’une caractérisation de la composition du fluide, caractérisé en ce qu’il comprend des instructions pour l’exécution des étapes d’un procédé de mesure multivariée selon l’une quelconque des revendications 2 à 9, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur ou par un processeur.
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