FR3124937A1

FR3124937A1 - Dispositif de détermination d’une réponse cérébrale à un stimulus sensoriel

Info

Publication number: FR3124937A1
Application number: FR2107558A
Authority: FR
Inventors: Angélique Rascle; Stéphane Bonnet; Anne Planat-Chretien
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2023-01-13
Also published as: WO2023285360A1

Abstract

Dispositif d’analyse d’une réponse cérébrale générée par un utilisateur en réponse à une stimulation sensorielle. Le dispositif comporte un système de réalité étendue pour générer le stimulus sensoriel ainsi que des électrodes, une source de lumière et au moins un photodétecteur destinés à être disposés contre la peau du crâne de l’utilisateur. figure 1.

Description

Dispositif de détermination d’une réponse cérébrale à un stimulus sensoriel

Le domaine technique de l’invention est un dispositif pour collecter, de façon non invasive et synchronisée, des signaux corticaux optiques et électriques, de façon à mesurer une réponse cérébrale à des stimuli adressés à un utilisateur.

ART ANTERIEUR

Il existe plusieurs façons d’estimer, de façon non invasive, un état mental d’un utilisateur. Actuellement, les systèmes d’estimation de l’état mental les plus courants sont basés sur des mesures électriques de l’activité cérébrale, en utilisant des électrodes de type « EEG » (ElectroEncéphaloGraphie) réparties sur le crâne d’un utilisateur. Ces mesures permettent d’obtenir une information exploitable sur l’activité cérébrale. Des produits à destination du grand public, basés sur des électrodes EEG, sont à présent disponibles, notamment dans le domaine du divertissement.

Récemment, des techniques optiques de type spectroscopie fonctionnelle en proche infrarouge (functional Near Infrared Spectroscopy – fNIRS) ont été développées, de façon à former une autre modalité d’analyse de l’activité cérébrale. Ce type de technique permet d’évaluer une variation locale de l’oxygénation du sang au niveau du cortex. Le principe est basé sur une illumination du cortex, dans une longueur d’onde proche infrarouge, et sur une détection d’un signal optique rétrodiffusé par le cortex, à quelques centimètres du point d’illumination. Le signal détecté dépend de l’atténuation induite au niveau du cortex mais également au niveau des autres tissus traversés.

Les longueurs d’onde utilisées exploitent la forte absorption de la désoxyhémoglobine ou de l’oxyhémoglobine dans le proche infrarouge. On utilise le fait que l’activité cérébrale est corrélée au taux d’oxygénation du sang pour quantifier des variations d’activité cérébrales à partir des mesures optiques effectuées à différents instants. Ce type de méthode est par exemple décrit dans les publications suivantes :

[1] P Pinti, The present and future use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for cognitive neuroscience. Ann N Y Acad Sci. 2020 Mar;1464(1):5-29 ;
[2] L Lim et al.,AUnified Analytical Framework With Multiple fNIRS Features for Mental Workload Assessment in the Prefrontal Cortex, IEEE Trans.on Neural Systems and Rehabilitation Engineering,vol. 28, no. 11, pp. 2367-2376, Nov. 2020.

Le recours à des techniques de type fNIRS reste à présent cantonné à des usages dans le domaine de la recherche ou dans des environnements de laboratoire. Les inventeurs proposent un dispositif intégré permettant un couplage entre des modalités électriques et optiques, d’analyse de l’activité cérébrale, et un système de réalité virtuelle, de réalité augmentée ou de réalité mixte.

Un premier objet de l’invention est un dispositif d’analyse de la réponse cérébrale d’un utilisateur, le dispositif étant configuré pour adresser un stimulus sensoriel à l’utilisateur et à enregistrer une réponse cérébrale suite au stimulus, le dispositif comportant :

un support, configuré pour être porté par l’utilisateur ;

un système de réalité étendue, relié au support, et destiné à émettre le stimulus sensoriel;
des électrodes, destinées à être appliquées sur la peau recouvrant le crâne de l’utilisateur, chaque électrode étant configurée pour enregistrer un signal cortical électrique généré par une zone corticale de l’utilisateur située en regard des électrodes ;

le dispositif étant caractérisé en ce qu’il comporte

une source de lumière, agencée pour illuminer la peau recouvrant le crâne de l’utilisateur, en formant une zone d’illumination, la source de lumière étant agencée pour émettre une lumière dans une bande spectrale comprise entre 650 nm et 1350 nm ;
au moins un photodétecteur, configuré pour détecter une lumière rétrodiffusée par le cortex, sous l’effet de l’illumination par la source de lumière, la lumière détectée émanant d’une zone de détection sur la peau recouvrant le crâne, la distance entre la zone de détection et la zone d’illumination étant de préférence comprise entre 1 mm et 7 cm, la lumière détectée formant un signal cortical optique ;
une unité de traitement, programmée pour établir :
- une variation d’un signal cortical électrique détecté par au moins une électrode suite à l’émission du stimulus sensoriel, ladite variation formant une réponse cérébrale électrique au stimulus sensoriel ;
- une variation d’au moins un signal cortical optique détecté par au moins un photodétecteur suite à l’émission du stimulus sensoriel, ladite variation formant une réponse cérébrale optique au stimulus sensoriel.

Selon un mode de réalisation, l’unité de traitement est configurée pour estimer un état mental de l’utilisateur à partir des réponses cérébrales optique et électrique. L’unité de traitement peut être configurée pour ajuster le stimulus sensoriel, à un instant, en fonction de l’état mental de l’utilisateur estimé à un instant précédent. Le dispositif peut comporter un capteur de mouvement, configuré pour générer un signal d’actimétrie représentatif d’un mouvement de l’utilisateur, l’unité de traitement étant configurée pour prendre en compte le signal d’actimétrie lors de l’estimation de l’état mental de l’utilisateur.

La source de lumière peut être une source de lumière continue ou modulée en fréquence.

Au moins deux électrodes, au moins une source de lumière et au moins un photodétecteur sont de préférence disposés à moins de 5 cm les uns des autres, de façon à adresser une même zone corticale.

Selon une possibilité, le dispositif comporte une fibre optique d’illumination, s’étendant à partir d’une source d’illumination, jusqu’à une extrémité d’illumination, l’extrémité d’illumination étant destinée à être disposée au contact du crâne de l’utilisateur, la fibre optique d’illumination formant la source de lumière.

Selon une possibilité, le dispositif comporte une fibre optique de détection, s’étendant à partir d’un détecteur de lumière, jusqu’à une extrémité de détection, l’extrémité de détection étant destinée à être disposée au contact du crâne de l’utilisateur, la fibre optique de détection formant le photodétecteur.

Avantageusement, chaque électrode, la ou chaque source de lumière, le ou chaque photodétecteur, est relié au support, formant ainsi un dispositif monolithique.

Le support peut être une monture d’une lunette. La lunette peut être une lunette de réalité virtuelle ou de réalité augmentée, formant le système de réalité étendue.

Le système de réalité étendue peut comporter:

une surface de projection, configurée pour projeter une information visuelle, formant un stimulus visuel ;
et/ou un générateur de son, configuré pour générer un son formant un stimulus auditif.

Le système de réalité étendue peut comporter :

un générateur de vibrations, configuré pour générer un stimulus tactile ;
un générateur d’électrostimulation, configuré pour générer un stimulus musculaire.

Un deuxième objet de l’invention est un procédé d’analyse d’une réponse cérébrale d’un utilisateur suite à la génération d’un stimulus sensoriel, à l’aide d’un dispositif selon le premier objet de l’invention, le procédé comportant :

génération d’un stimulus sensoriel par le système de réalité étendue ;
suite à l’étape a) :
- détection d’au moins un signal cortical électrique par une électrode du dispositif ;
- activation d’au moins une source de lumière et détection d’un signal cortical optique par un photodétecteur du dispositif;
à l’aide de l’unité de traitement, prise en compte des signaux détectés lors de l’étape b) et détermination de la réponse cérébrale de l’utilisateur suite au stimulus sensoriel généré dans l’étape a).

Les étapes a) à c) peuvent être effectuées de façon itérative, le procédé étant tel que suite à une première itération, le stimulus sensoriel généré lors de l’étape a) est adapté en fonction de la réponse cérébrale déterminée lors d’une itération précédente.

Le stimulus sensoriel peut être destiné à engendrer l’exécution d’une tâche cognitive par l’utilisateur.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous.

FIGURES

La représente un exemple de dispositif selon l’invention.

La montre le trajet d’un photon à travers différentes structures recouvrant le cortex et à travers le cortex, entre une zone d’illumination et une zone de détection située à distance de la zone d’illumination. La zone d’illumination et la zone de détection sont situées sur la peau recouvrant le crâne.

La schématise les différents capteurs du dispositif décrite en lien avec la .

La montre les principales étapes d’un procédé mettant en œuvre le dispositif.

EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

La représente un mode de réalisation de l’invention. Le dispositif 1 comporte un support 10, destiné à être maintenu au niveau de la tête d’un utilisateur. Le support porte un système de réalité étendue 11, prenant ici la forme d’une lunette. Le terme réalité étendue regroupe la réalité virtuelle, la réalité augmentée et la réalité mixte. La lunette de réalité étendue 11 comporte une surface de projection, destinée à afficher une scène virtuelle à l’attention de l’utilisateur.

La lunette de réalité étendue est destinée à adresser un stimulus sensoriel ou plusieurs stimuli sensoriels à l’utilisateur. Par stimulus sensoriel, on entend un stimulus visuel et/ou un stimulus sonore. Les stimuli visuel et sonore peuvent être combinés. La lunette de réalité étendue peut être destinée à plonger l’utilisateur dans un environnement virtuel. Le système de réalité étendue 11 peut générer d’autres types de stimulus, par exemple un stimulus haptique ou un stimulus musculaire, de type électrostimulation.

Le dispositif 1 est destiné à capter et à analyser une réponse cérébrale de l’utilisateur à la scène virtuelle affichée. Il comporte des électrodes 12, de type électroencéphalographie (EEG), destinées à être disposées sur la peau recouvrant le crâne (cuir chevelu ou front). De façon connues, les électrodes de type EEG permettent de capter une activité électrique du cortex. Le signal collecté par chaque électrode forme un signal cortical électrique. Le nombre d’électrodes peut être compris entre deux et quelques dizaines. Le diamètre d’une électrode peut être de quelques millimètres ou de l’ordre de 1 cm.

Le dispositif 1 comporte au moins une source de lumière 13, destinée à illuminer une zone d’illumination 14 sur la peau recouvrant le crâne. La source de lumière, ou chaque source de lumière, émet dans une bande spectrale comprise entre 650 nm et 1350 nm. Cette bande spectrale permet une profondeur de pénétration élevée de la lumière dans les tissus, en l’occurrence la peau, le crâne et la dure-mère. Les propriétés d’absorption des photons sont principalement gouvernées par l’hémoglobine présente dans le cortex. Chaque source de lumière peut être une diode électroluminescente, ou une extrémité d’une fibre optique d’illumination reliée à une source d’illumination située sur le support 10. Dans ce cas, la fibre optique d’illumination ou l’extrémité de la fibre optique d’illumination est assimilée à la source de lumière. La bande spectrale d’émission d’une source de lumière est de préférence inférieure à 100 nm ou inférieure à 50 nm. De préférence, le dispositif comporte :

une source de lumière, dont la longueur d’onde d’émission est inférieure à 800 nm, ce qui correspond à une bande spectrale dans laquelle l’absorption de la désoxyhémoglobine est plus importante que l’absorption de l’oxyhémoglobine ;
une source de lumière, dont la longueur d’onde d’émission est supérieure à 800 nm, ce qui correspond à une bande spectrale dans laquelle l’absorption d’oxyhémoglobine est plus importante que l’absorption de la désoxyhémoglobine;

De préférence, deux sources de lumière émettant dans deux bandes spectrales différentes sont proches l’une de l’autre, de façon que la zone d’illumination de chacune des sources de lumière puisse être considérée comme confondue. De façon alternative, chaque source de lumière peut émettre successivement dans plusieurs bandes spectrales.

Le dispositif comporte au moins un photodétecteur 15, configuré pour détecter une lumière rétrodiffusée par les tissus de l’utilisateur illuminés par la source de lumière. Le photodétecteur 15 peut être une photodiode, directement au contact de l’utilisateur. Il peut également s’agir d’une extrémité d’une fibre optique de détection, dont l’autre extrémité est reliée à un détecteur de lumière situé sur le support 10. Dans ce cas, la fibre optique de détection ou l’extrémité de la fibre de détection est assimilée au photodétecteur 15. Cette possibilité est illustrée sur la figure 2. Chaque photodétecteur 15 est configuré pour collecter une lumière émanant de la peau recouvrant le crâne de l’utilisateur au niveau d’une zone de détection 16. La zone de détection 16 est située à une distance de la zone d’illumination 14. La distance entre la zone d’illumination 14 et la zone de détection 16 est appelée distance de rétrodiffusion. De préférence, le dispositif est configuré pour que pour une zone d’illumination 14, différentes zones de détection 16 sont agencées respectivement à différentes distances de rétrodiffusion. Chaque distance de rétrodiffusion est comprise entre 1 mm et 30 mm, voire 70 mm.

Sur la figure 2, on a schématisé des exemples chemins moyens statistiques suivis par des photons pénétrant dans le tissu au niveau d’une zone d’illumination 14, et émanant, par rétrodiffusion, d’une zone de détection 16 située à une distance de rétrodiffusion de la zone d’illumination 14. Les photons se propagent à travers la peau A, le crâne B, la dure-mère D et le cortex C. On considère que plus la distance de rétrodiffusion est importante, plus le signal lumineux collecté au niveau de la zone de détection est représentatif de couches profondes des tissus de l’utilisateur. Dans le cas présent, compte tenu de l’épaisseur de la peau et de l’os, dans le cas d’un adulte, le cortex se trouve à une profondeur comprise entre 1 cm et 2 ou 3 cm de la peau. Il est préférable que la distance de rétrodiffusion soit environ de 3-3.5cm pour un adulte.

La source de lumière 13 peut être continue ou modulée en fréquence.

Sous l’effet d’un stimulus sensoriel, généré par le système de réalité étendue 11, certaines parties du cortex de l’utilisateur peuvent réagir. Un objectif de l’invention est de détecter la réponse cérébrale, qu’il s’agisse d’une réaction électrique et/ou d’une réaction optique, cette dernière traduisant des effets hémodynamiques induits par l’activité corticale.

La réponse électrique peut être captée par les électrodes déposées sur la peau recouvrant le crâne de l’utilisateur. D’une manière connue en soi, la réponse du cortex se traduit par une variation de l’activité électrique, cette dernière pouvant être enregistrée par les électrodes 12. Le dispositif comporte une unité de traitement 20, destinée à collecter et analyser les signaux électriques détectés par les électrodes ou les signaux optiques issus de chaque photodétecteur. L’unité de traitement 20 comporte différents modules.

Un premier module 21 est programmé pour effectuer une analyse des signaux électriques collectés par les électrodes. De façon usuelle, le premier module 21 peut effectuer une analyse de la puissance spectrale dans différentes bandes spectrales, par exemple une ou plusieurs des bandes spectrales connues dans le domaine de l’analyse fréquentielle des signaux EEG : bande δ, bande θ, bande α ou bande β. Selon une possibilité, l’analyse fréquentielle peut sélectionner une bande spectrale dont la puissance subit une variation temporelle considérée comme significative sous l’effet du stimulus sensoriel puis quantifier la variation temporelle de puissance spectrale dans la bande spectrale ainsi sélectionnée. Cette variation temporelle correspond à la réponse électrique du cortex au stimulus adressé à l’utilisateur. Une seconde manière d’analyser les signaux EEG est de moyenner plusieurs réponses cérébrales en se synchronisant sur l’instant d’apparition des stimuli : cette technique d’analyse dite de potentiels évoqués est particulièrement robuste car le bruit de mesure va diminuer lors du processus de moyenne.

Un deuxième module 22 est programmé pour effectuer une analyse des signaux optiques émanant de chaque zone de détection 16 et détectés par chaque photodétecteur 15. On met alors en œuvre des principes connus de la spectroscopie fonctionnelle proche infra-rouge fNIRS, évoquée dans l’art antérieur. La modalité fNIRS permet de détecter une réponse hémodynamique du cortex, suite à la perception du stimulus sensoriel . Le recours à différentes longueurs d’onde permet d’estimer une variation de la concentration d’oxyhémoglobine et de désoxyhémoglobine sous l’effet du stimulus. Certains stimuli peuvent en effet déclencher une activité neuronale induisant un accroissement de la demande d’oxygène. Cet accroissement local se traduit par une augmentation, au niveau de la zone corticale concernée, de la concentration d’oxyhémoglobine, et d’une diminution de la concentration de désoxyhémoglobine.

Le deuxième module 22 est configuré pour quantifier les variations de signaux optiques détectés avant et après le stimulus. Ces variations constituent la réponse optique de l’utilisateur au stimulus.

Le deuxième module 22 peut être configuré pour estimer un rythme cardiaque ou une rythme respiratoire. Pour cela, on met en œuvre un photodétecteur situé à courte distance d’une source de lumière, typiquement moins d’1 cm. S’agissant de l’estimation du rythme cardiaque, on peut mettre en œuvre les principes décrits dans la demande de brevet français FR2014157. S’agissant de l’estimation du rythme respiratoire, on peut mettre en œuvre les principes décrits dans Charlton PH, Bonnici T, Tarassenko L, Clifton DA, Beale R, Watkinson PJ. An assessment of algorithms to estimate respiratory rate from the electrocardiogram and photoplethysmogram. Physiol Meas. 2016 Apr;37(4):610-26.

Les premier et deuxième modules sont configurés pour établir une réponse cérébrale, respectivement électrique et optique, dans la zone corticale considérée, résultant de la perception du stimulus par l’utilisateur. Par zone corticale, on entend la zone du cortex dont l’activation forme une réponse détectable par les électrodes et les photodétecteurs disposés face à cette dernière. Afin d’adresser la même zone corticale, au moins deux électrodes, au moins une source de lumière et au moins un photodétecteur, formant deux couples source-détecteur, sont de préférence regroupés dans un périmètre dont le diamètre est inférieur à 5 cm.

Selon une possibilité, le dispositif 1 comporte un capteur de mouvement 17, destiné à détecter un mouvement de l’utilisateur. Il peut par exemple s’agir d’un accéléromètre. Le capteur de mouvement 17 génère un signal d’actimétrie représentatif du mouvement de l’utilisateur. L’utilisation d’un tel signal permet d’éviter l’interprétation d’artéfacts dans les réponses cérébrales de l’utilisateur, en particulier la réponse électrique, l’analyse par EEG pouvant être sensible aux mouvements de l’utilisateur. Le capteur de mouvement 17 est relié à un module d’actimétrie, permettant d’enregistrer le signal d’actimétrie et de détecter un éventuel mouvement susceptible d’entraîner une perturbation de la réponse électrique ou optique.

Le système de réalité étendue 11 peut être équipé d’une centrale inertielle. Le capteur de mouvement 17 peut être un des capteurs de la centrale inertielle.

Selon une possibilité, le dispositif comporte un capteur d’activité électrodermale 18. Un tel capteur est configuré pour estimer une variation d’impédance de la peau. Une variation d’impédance peut survenir lorsque l’utilisateur est dans un état de stress. Le capteur d’activité électrodermale est formé de deux électrodes, d’une source de courant ou de tension, et d’un circuit d’impédancemétrie.

Selon une possibilité, le dispositif comporte un capteur d’oculométrie 19, disposé sur la surface de projection, de façon à suivre le mouvement oculaire de l’utilisateur. Un tel capteur peut comporter une ou plusieurs caméras infra-rouge visant à suivre le mouvement de l’œil.

Les réponses cérébrales électriques et optiques, résultant des modules 21 et 22, sont utilisées par l’unité de traitement 20 pour estimer un état mental de l’utilisateur et/ou une évolution de l’état mental suite à l’émission successive de différents stimuli. L’unité de traitement 20 comporte un module d’analyse 23, configuré pour estimer l’état mental de l’utilisateur. L’état mental de l’utilisateur peut être un niveau de stress, de fatigue, de concentration, ou d’émotion, ou, de façon plus générale, une charge cognitive. Les capteurs de mouvement 17, d’activité électrodermale 18 ou d’oculométrie 19 peuvent être reliés au module d’analyse 23, de façon que leurs mesures soient prises en compte dans la détermination de l’état mental de l’utilisateur. Il s’agit de supprimer des artéfacts pouvant être liés à des mouvements de l’utilisateur ou à des mouvements des yeux. Il peut également s’agir d’obtenir des mesures complémentaires, tendant à confirmer l’estimation de l’état mental. C’est par exemple le cas lorsque les mesures d’activité électrodermales sont utilisées pour confirmer la survenue d’un état de stress. Un exemple de détermination de l’état mental d’un utilisateur est décrit dans la publication [2] citée dans l’art antérieur.

L’unité de traitement peut comporter un ou plusieurs microprocesseurs.

Un exemple de combinaison de mesures optiques et EEG corticales est décrit dans la publication Mahmoudzadeh M« Usefulness of stimultaneous EEG-NIRS recording in language studies », Brain and Language, May 2011.

La illustre la liaison entre les différents composants précédemment décrits. De préférence, le dispositif est monobloc, les différents composants étant reliés et / ou intégrés au support 10.

Un aspect intéressant du dispositif est qu’en fonction de l’état mental estimé par l’unité de traitement 20, une rétroaction peut être effectuée, de façon à adapter chaque stimulus. Par exemple, un stimulus visuel, à un instant, peut être adapté en fonction de l’état de l’utilisateur estimé à un instant précédent. Lorsque l’utilisateur est plongé dans une scène virtuelle, le contenu de la scène virtuelle, qui forme le stimulus adressé à l’utilisateur, peut ainsi varier en fonction de l’évolution de l’état mental de l’utilisateur. Par exemple, lorsque l’utilisateur est sollicité par l’environnement virtuel pour effectuer des tâches, la difficulté des tâches peut varier en fonction de l’état mental de l’utilisateur, par exemple son état de stress ou de fatigue.

L’unité de traitement 20 peut estimer un score, quantifiant l’état mental de l’utilisateur, par exemple un niveau de stress ou un niveau de relaxation. Le score peut être communiqué à l’utilisateur, par l’intermédiaire du système de réalité étendue, de façon visuelle ou sonore. Cela permet à l’utilisateur de s’entraîner à faire évoluer son état mental. Un tel mode de réalisation est adapté à la pratique d’activités de relaxation de l’utilisateur.

Sur la , les flèches en traits pleins illustrent des transmissions de signaux par liaison filaire ou sans fil. Les flèches en pointillés correspondent à l’action du cortex de l’utilisateur, qui, sous l’effet de la scène affichée par le système de réalité étendue 11, génère une réponse cérébrale pouvant être mesurée par les électrodes 12 ou les photodétecteurs 15.

Le stimulus peut être adressé sans que l’utilisateur soit concentré sur ce dernier. Le stimulus peut être une partie de la scène virtuelle, pas forcément directement perceptible par l’utilisateur, et qui permet d’entraîner une évolution de l’état mental de l’utilisateur, par exemple engendrer un stress ou, au contraire, une relaxation. Ainsi, il est possible d’estimer un état mental de l’utilisateur sans que ce dernier soit conscient des stimuli appliqués, ces derniers étant noyés dans l’environnement virtuel dans lequel l’utilisateur est plongé. Par exemple, l’utilisateur peut être placé dans une ambiance musicale apaisante, alors que des stimulus visuels lui sont adressés.

Un avantage du dispositif est qu’il permet d’obtenir une bonne synchronisation entre l’application des stimuli successifs et les mesures des réponses cérébrales, et cela en utilisant un dispositif intégré.

L’état mental de l’utilisateur peut être transmis à une unité distante 30, de façon à effectuer un suivi temporel et des corrélations entre les stimuli appliqués et l’évolution de l’état mental. Il peut également s’agir d’identifier des situations auxquelles l’utilisateur est sensible.

Lors de la mise en œuvre du dispositif, l’utilisateur est par exemple soumis à une ambiance musicale continue, de type musique de fond, et/ou à des bruits discontinus: dans ce cas, le dispositif comporte une source d’émission sonore, par exemple un casque auditif. Le bruit discontinu peut être un signal donné à l’utilisateur de démarrer ou de cesser l’exécution d’une consigne particulière, de façon à moduler la charge cognitive. Le bruit discontinu peut également être destiné à générer un effet de stress à l’utilisateur, par exemple un bruit aigu.

De façon complémentaire ou alternative à un stimulus visuel et/ou auditif, le dispositif peut soumettre l’utilisateur à un autre stimulus sensoriel. Il peut notamment s’agir :

d’un stimulus appliqué sur une partie du corps l’utilisateur : dans ce cas, le dispositif comporte un générateur de stimulus haptique, par exemple un générateur de vibration ;
d’un stimulus musculaire, appliqué à un muscle de l’utilisateur : dans ce cas, le dispositif peut comporter par exemple un module d’électrostimulation ;

L’utilisateur peut ainsi être simultanément exposé à des stimuli de différents types : par exemple visuel + auditif, visuel + haptique.

Selon une possibilité, le stimulus visuel et sonore vise à engendrer une tâche cognitive de l’utilisateur. Il peut par exemple s’agir de demander, de façon sonore ou visuelle, à l’utilisateur d’effectuer une tâche entraînant une charge cognitive ou un certain état de stress. Il peut par exemple s’agir d’effectuer un comptage croissant ou décroissant, en prenant en compte une incrémentation (ou une décrémentation) prédéfinie. Par exemple, on demande, de façon visuelle ou sonore, à l’utilisateur d’effectuer un comptage décroissant à partir d’une valeur, par exemple 1000, par décréments successifs de 13. L’utilisateur effectue cette tâche cognitive après l’émission d’un signal de consigne sonore ou visuel. Comme précédemment évoqué, la complexité de la tâche cognitive peut être ajustée en fonction de l’état mental de l’utilisateur, en l’occurrence la charge cognitive de l’utilisateur.

Dans un mode de réalisation, le dispositif de réalité étendue est une lunette de réalité augmentée. Dans ce cas, l’utilisateur perçoit l’environnement réel dans lequel il se trouve et des indications visuelles sont affichées par réalité augmentée. Ces indications peuvent constituer un stimulus. Par exemple, l’utilisateur peut pratiquer une activité physique. Les indications affichées sont des consignes adressées à l’utilisateur pour moduler son activité physique : changement de mouvement, accélération…En fonction de l’état mental de l’utilisateur, les consignes, qui forment les stimuli, sont adaptées, en ajustant le niveau de difficulté.

La représente les principales étapes d’un procédé d’estimation d’un état mental d’un utilisateur en utilisant le dispositif précédemment décrit.

Etape 100 : affichage d’une scène à l’utilisateur par la lunette de réalité étendue 11. Comme précédemment indiqué, il peut s’agir d’une scène virtuelle ou d’une scène comportant des informations de type réalité augmentée.

Etape 110 : acquisition de mesures électriques par les électrodes 12.

Etape 120 : acquisition de mesures optiques par les photodétecteurs 15.

Etape 130 : acquisition de mesures issus d’autres capteurs : capteur de mouvement 17 et/ou capteur d’activité électrodermale 18 et/ou capteur de suivi oculaire 19.

Etape 140 : quantification, par le premier module 21, de la réponse électrique à la scène affichée, à partir des mesures électriques résultant de l’étape 110 et de mesures électriques antérieures.

Etape 150 : quantification, par le deuxième module 22, de la réponse optique à la scène affichée, à partir des mesures optiques résultant de l’étape 120 et de mesures optiques antérieures.

Etape 160 : estimation de l’état mental de l’utilisateur à partir de la réponse optique et de la réponse électrique résultant respectivement des étapes 140 et 150.

Etape 170 : à partir de l’état mental de l’utilisateur, formation d’un signal de rétroaction de façon à ajuster la scène observée. Cette étape est optionnelle.

Etape 180 : transmission de l’état mental de l’utilisateur à l’unité distante 30. Cette étape est également optionnelle.

Les étapes 100 à 180 peuvent ensuite être réitérées.

Un avantage notable de l’invention est de faciliter la synchronisation temporelle entre la génération du stimulus sensoriel et la détermination de la réponse cérébrale de l’utilisateur suite à la génération du stimulus. La synchronisation permet une meilleure maîtrise de l’effet du stimulus sensoriel sur l’utilisateur. Le dispositif est configuré pour être porté par l’utilisateur : il est donc particulièrement adapté à une utilisation nomade.

A partir de la réponse cérébrale mesurée, le dispositif permet de rétroagir sur la génération du stimulus, et d’adapter le stimulus en fonction de la réponse cérébrale. Le stimulus peut ainsi être adapté en fonction de l’état mental de l’utilisateur, en particulier la charge cognitive de l’utilisateur.

Le dispositif pourra être utilisé pour des analyses effectuées à des fins de diagnostic, ou à des fins de rééducation fonctionnelle. Par exemple, il peut s’agir de piloter un programme de rééducation de la motricité de l’utilisateur, le programme indiquant des tâches motrices à effectuer par l’utilisateur Le dispositif permet d’adapter le programme de rééducation, notamment la fréquence et/ou la difficulté des tâches motrices, à la charge mentale de l’utilisateur.

Le dispositif peut être également utilisé pour tester des aptitudes psychiques d’utilisateurs susceptibles d’effectuer certaines opérations pouvant s’avérer stressante. Le dispositif peut par exemple être utilisé pour suivre l’évolution de la charge mentale d’un pilote soumis à un environnement virtuel, simulant des situations de vol difficiles. Le principe peut être étendu à tout opérateur amené à effectuer des opérations précises dans un environnement de travail pouvant être stressant.

Bien que décrit en lien avec une lunette, le dispositif de réalité étendue peut prendre d’autres formes. Il peut par exemple s’agir d’une visière attachée à un support relié à la tête de l’utilisateur.

Claims

Dispositif (1) d’analyse de la réponse cérébrale d’un utilisateur, le dispositif étant configuré pour adresser un stimulus sensoriel à l’utilisateur et à enregistrer une réponse cérébrale suite au stimulus, le dispositif comportant :
un support (10), configuré pour être porté par l’utilisateur ;

un système de réalité étendue (11), relié au support, et destiné à émettre le stimulus sensoriel;

des électrodes (12), destinées à être appliquées sur la peau recouvrant le crâne de l’utilisateur, chaque électrode étant configurée pour enregistrer un signal cortical électrique généré par une zone corticale de l’utilisateur située en regard des électrodes ;
le dispositif étant caractérisé en ce qu’il comporte
une source de lumière (13), agencée pour illuminer la peau recouvrant le crâne de l’utilisateur, en formant une zone d’illumination (14), la source de lumière étant agencée pour émettre une lumière dans une bande spectrale comprise entre 650 nm et 1350 nm ;

au moins un photodétecteur (15), configuré pour détecter une lumière rétrodiffusée par le cortex, sous l’effet de l’illumination par la source de lumière, la lumière détectée émanant d’une zone de détection (16) sur la peau recouvrant le crâne, la distance entre la zone de détection et la zone d’illumination étant comprise entre 1 mm et 7 cm, la lumière détectée formant un signal cortical optique ;

une unité de traitement (20), programmée pour établir :

une variation d’un signal cortical électrique détecté par au moins une électrode suite à l’émission du stimulus sensoriel, ladite variation formant une réponse cérébrale électrique au stimulus sensorial;

une variation d’au moins un signal cortical optique détecté par au moins un photodétecteur suite à l’émission du stimulus sensoriel, ladite variation formant une réponse cérébrale optique au stimulus.
Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’unité de traitement (20) est configurée pour estimer un état mental de l’utilisateur à partir des réponses cérébrales optique et électrique.
Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l’unité de traitement est configurée pour ajuster le stimulus sensoriel, à un instant, en fonction de l’état mental de l’utilisateur estimé à un instant précédent.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, comportant un capteur de mouvement (17), configuré pour générer un signal d’actimétrie représentatif d’un mouvement de l’utilisateur, l’unité de traitement (20) étant configurée pour prendre en compte le signal d’actimétrie lors de l’estimation de l’état mental de l’utilisateur.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source de lumière (13) est une source de lumière continue ou modulée en fréquence.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins deux électrodes, au moins une source de lumière et au moins un photodétecteur sont disposés à moins de 5 cm les uns des autres, de façon à adresser une même zone corticale.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une fibre optique d’illumination, s’étendant à partir d’une source d’illumination, jusqu’à une extrémité d’illumination, l’extrémité d’illumination étant destinée à être disposée au contact du crâne de l’utilisateur, la fibre optique d’illumination formant la source de lumière (13).
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une fibre optique de détection, s’étendant à partir d’un détecteur de lumière, jusqu’à une extrémité de détection, l’extrémité de détection étant destinée à être disposée au contact du crâne de l’utilisateur, la fibre optique de détection formant le photodétecteur (15).
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque électrode, la ou chaque source de lumière, le ou chaque photodétecteur, est relié au support (10), formant un dispositif monolithique.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le support (10) comporte une monture d’une lunette, la lunette étant une lunette de réalité virtuelle ou de réalité augmentée, formant le système de réalité étendue (11).
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système de réalité étendue (11) comporte:
une surface de projection, configurée pour projeter une information visuelle, formant un stimulus visuel ;

et/ou un générateur de son, configuré pour générer un son formant un stimulus auditif.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système de réalité étendue comporte :
un générateur de vibrations, configuré pour générer un stimulus tactile ;

un générateur d’électrostimulation, configuré pour générer un stimulus musculaire.
Procédé d’analyse d’une réponse cérébrale d’un utilisateur suite à la génération d’un stimulus sensoriel, à l’aide d’un dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le procédé comportant :
génération d’un stimulus sensoriel par le système de réalité étendue (11);

suite à l’étape a) :

détection d’au moins un signal cortical électrique par une électrode (12) du dispositif ;

activation d’au moins une source de lumière et détection d’un signal cortical optique par un photodétecteur (15) du dispositif;

à l’aide de l’unité de traitement, prise en compte des signaux détectés lors de l’étape b) et détermination de la réponse cérébrale de l’utilisateur suite au stimulus sensoriel généré dans l’étape a).
Procédé selon la revendication 13, dans lequel les étapes a) à c) sont effectuées de façon itérative, le procédé étant tel que suite à une première itération, le stimulus sensoriel généré lors de l’étape a) est adapté en fonction de la réponse cérébrale déterminée lors d’une itération précédente.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 ou 13, dans lequel le stimulus sensoriel est destiné à engendrer l’exécution d’une tâche cognitive par l’utilisateur.