identifier: Mangeat, G. (2021). Development of in-Vivo Histology with Quantitative Magnetic Resonance Imaging to Resolve Fine Neurodegenerative Features  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La sclérose en plaques (SEP) est une maladie dévastatrice qui touche 2 à 3 millions de personnes dans le monde. La SEP se caractérise par la formation d'inflammations ou de plaques, qui endommagent la gaine de myéline, un composant clé des cellules neuronales. Ces dommages perturbent la capacité des régions du cerveau et de la moelle épinière à communiquer entre elles, ce qui entraîne des déficits fonctionnels tels que la paralysie et la douleur chronique, affectant les activités sociales et professionnelles des patients atteints de SEP. Alors que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) a été le principal outil de diagnostic et d'étude de la progression de la SEP, l'IRM actuellement utilisé en cliniques ne peut pas mesurer le contenu en myéline ou l'intégrité des neurones. Des méthodes avancées d'IRM quantitative (IRMq) nous permettent de caractériser plus précisément les tissus microstructuraux. Par exemple, "l'IRM de diffusion" permet d'étudier la perte ou les dommages subis par les axones, tandis que "l'IRM de transfert de magnétisation" (MT) permet d'étudier la perte de myéline. Toutefois, lorsque chacune de ces techniques est utilisée séparément, elles sont souvent entravées par une faible spécificité. L'IRMq montre toute sa puissance lorsque plusieurs de ces techniques sont combinées pour examiner et caractériser le même tissu.   Au cours de ma maîtrise, j'ai proposé une méthode permettant de combiner plusieurs méthodes d'IRM afin de gagner en spécificité dans l'estimation de la myéline et j'ai démontré le potentiel de cette approche chez les patients atteints de SEP.   Bien que ces travaux passés fussent prometteurs, ils avaient plusieurs limites : 1) Ils ne comprenaient que des mesures quantitatives dans la matière grise corticale dont les caractéristiques neurodégénératives sont différentes de celles de la matière blanche. 2) La méthode n'était pas applicable en clinique car elle nécessitait des scanners IRM de pointe (7 teslas), de longues acquisitions (~2 h) et un post-traitement complexe. 3) Enfin, l'étude a été entravée par l'absence d'un étalon : nous n'avons pu obtenir que des mesures relatives, et non absolues, de la teneur en myéline.   L'objectif de ce projet de doctorat était de s'attaquer à ces limites et, plus généralement, d'étudier le potentiel de l'IRMq pour caractériser les mécanismes neurodégénératifs du système nerveux central. Pour ce faire, j'ai mis au point des méthodes permettant de combiner et plusieurs séquences d'IRMq dans un contexte académique et dans un contexte clinique axés sur la SEP. Ensuite, j'ai validé la précision des biomarqueurs quantitatifs dans des conditions cliniques réelles. Finalement, j'ai développé un protocole basé sur la microscopie optique pour valider la précision des biomarqueurs IRMq proposés. Plus précisément, la question générale de recherche de ce projet était "Quel est le potentiel de l'IRM quantitative multimodale pour étudier les mécanismes neurodégénératifs subtils de la SEP, dans un contexte de recherche et clinique. Et quels sont les défis pour passer de l'IRM quantitative multimodale à l'histologie in-vivo ?”  La première contribution de ce projet est le développement d'un cadre algorithmique permettant de combiner plusieurs techniques d'IRMq de pointe afin de détecter des caractéristiques pathologiques subtiles chez des patients récemment atteints de SEP. J'ai combiné les cartographies haute résolution (7 teslas) T1 et T2* afin d'estimer un marqueur de myélinisation corticale (CME). En plus de ces mesures de relaxométrie dans le cortex, j'ai traité, sur la même cohorte de sujets, les données d'IRM de diffusion à haute résolution angulaire d'un scanner Connectome (300 mT/m) et modélisé la tractographie de la matière blanche afin de calculer des métriques de connectivité neuronale issues de la théorie des graphs. Cette étude a permis de découvrir une nouvelle association entre la pathologie corticale et la réorganisation du réseau cérébral à un stade précoce de la SEP. Plus précisément, des co-variations significatives entre l'estimation de la myéline et les mesures de connectivité dans matière blanche ont été observées : Les coefficients de corrélation Rho de Spearman étaient de 0,52 (p=0,0003), 0,55 (p=0,0001) et 0,53 (p=0,0001) pour l'intensité de connexion, l'efficacité locale et le regroupement neuronal, respectivement. Ce travail a été publié dans la revue Human Brain Mapping (Gabriel Mangeat et al., 2018) et j'ai ensuite été invité à la conférence ARSEP 2019 à Paris (Fondation pour l'aide à la recherche sur la sclérose en plaques) pour présenter ces résultats.  La deuxième contribution de ce projet est le développement d'une approche d'apprentissage machine capable de distinguer deux maladies neurodégénératives radiologiquement similaires : la SEP et la leucoencéphalopathie héréditaire. La leucoencéphalopathie héréditaire est une maladie rare par rapport à la SEP et est souvent diagnostiquée à tort comme une SEP. Cette situation est très problématique car le pronostic et le traitement de la SEP et de la HDLS diffèrent largement. Mon modèle est basé sur une nouvelle technique d'IRMq, appelée IRM synthétique (SyMRI) qui a récemment été certifiée (marquage CE) pour un usage clinique en Suède. J'ai démontré que combinaison des outils cliniques d'IRMq et de l'apprentissage machine est pertinente pour faciliter le difficile diagnostic différentiel de la HDLS par rapport à la SEP. Le modèle développé atteint une classification 100% correcte des données brutes, en validation croisée. Lorsque le bruit d'incertitude maximum a été inséré dans le modèle, le taux de vrais positifs de leucoencéphalopathie héréditaire était de 97,2%, tandis que le taux de vrais positif de SEP était de 99,6%. Ce travail a été publié dans le Journal of Neuroimaging (Gabriel Mangeat et al., 2020).  La troisième contribution de ce projet est l'évaluation de la répétabilité et la reproductibilité des biomarqueurs utilisés dans l'étude précédente. Au cours d'un stage de recherche à Stockholm, en Suède, j'ai recruté 5 sujets témoins sains et effectué plus de 165 acquisitions avec le protocole SyMRI, en utilisant 9 IRM différentes provenant de 3 fournisseurs (Siemens, GE et Phillips) et 2 puissances de champ (1,5 teslas et 3 teslas). Les cartes quantitatives de densité de protons (PD), T1, T2 et d'estimation rapide de myéline (REMyDI) ont été extraites et moyennées dans la matière grise et blanche du cerveau. Nous avons constaté que le coefficient de variation intra-scanner variait de 0,10 % pour PD à 1,97 % pour T1 dans la matière blanche et de 0,10 % pour PD à 3,38 % pour la REMyDI dans la matière grise. Les coefficients de variation inter-scanner étaient plus grands, allant de 1,60% et 1,08% pour PD dans la matière blanche et grise respectivement à 4,84% et 20,2% pour REMyDI dans matière blanche et grise respectivement. Ce travail permet aux cliniciens d'évaluer la possibilité de comparer les images et les biomarqueurs provenant de différents scanners. Par exemple, il montre que les algorithmes aidant au diagnostic différentiel de la leucoencéphalopathie héréditaire par rapport à la SEP peuvent être, sous certaines mesures, utilisés à partir de données multicentriques. Ce travail a été soumis dans la revue Neuroimage.   Enfin, la quatrième contribution de ce projet est le développement d'un protocole basé sur l'histologie pour calibrer des techniques d'IRMq avec un biais minimum. Pour cela, j'ai étudié trois techniques d'histologie notables, dont deux techniques sans marqueurs : la microscopie CARS (Raman Scattering Coherent Anti-Stokes) et l'auto-fluorescence hyperspectrale, et une technique utilisant des marqueurs fluorescents. En outre, j'ai proposé et testé un protocole impliquant l'imagerie IRMq in-vivo et ex-vivo de la moelle épinière d'un cochon, suivie d'une extraction de tissus et d'une étude histologique. Une partie de cette étude a été publiée dans la conférence internationale ISMRM 2019 (G. Mangeat et al., 2019). Les résultats montrent que l'histologie d'auto-fluorescence hyperspectrale corrèle avec MTR, MTsat et qT1 (r = 0,64, 0,62 et 0,51 respectivement). Mon expérience avec des protocoles d'histologie m'a amené à collaborer avec des collègues travaillant sur d'autres études de validation d'IRMq via l'histologie. Par exemple, j'ai contribué à une étude visant à valider l'estimation rapide de la myéline REMyDI, dérivée du protocole SyMRI. Cette étude a été publiée dans la revue Annals of Neurology (Ouellette et al., 2020).  L'impact de ce projet de Ph.D. est triple : pour les chercheurs en SEP, l'étude de l'interaction entre les mesures de la matière grise et blanche peut conduire à l'élaboration de biomarqueurs sensibles aux altérations précoces de la SEP dans le cerveau ; pour les médecins, les outils informatiques cliniques basés sur l'IRMq peuvent être utiles pour faciliter les diagnostics différentiels difficiles (par exemple leucoencéphalopathie héréditaire vs SEP), ce qui permet d'économiser du temps et des ressources, et pour les patients, un diagnostic plus précis et plus précoce pourrait être réalisé, ce qui ouvrirait la porte à des traitements plus personnalisés et plus efficaces.  ABSTRACT: Multiple Sclerosis (MS) is a devastating disease affecting 2-3 millions people in the world. MS is characterized by the formation of inflammations or plaques, damaging the myelin sheath, a key component of neuronal cells. This damage disrupts the ability of regions in the brain and spinal cord to communicate with each other, resulting in functional deficits such as paralysis and chronic pain, affecting the social and professional activities of MS patients. While Magnetic Resonance Imaging (MRI) has been the main tool for diagnosing and studying MS progression, MRI currently used in clinics cannot provide reliable measures of myelin content or neuronal health. Advanced quantitative MRI (qMRI) methods enable us to go deeper into the characterization of tissue microstructure. For example, “diffusion MRI” can probe axonal loss while “magnetization transfer” (MT) can probe myelin loss. However, this is not enough: when each of these techniques is used separately, they only provide minimum added information and are hampered by poor specificity. qMRI exhibits its full power when several of these techniques are combined to look at the same tissue.   During my master's, I proposed a method to combine several MRI methods to gain specificity in myelin estimation and demonstrated the potential of this approach in MS patients. While this past work showed promises, it had several limitations: 1) It only included quantitative measurements in the cortical grey matter (GM) in which the neurodegenerative features are different than in the white matter (WM). 2) The method was not applicable in clinics since it required state-of-the-art MRI scanners (7 tesla), long scanning procedures (~2 h) and complex post processing. 3) Finally, the study was hampered by the absence of a gold standard: we could only get relative, not absolute, measures of myelin content.   The objective of this PhD project was to tackle those limitations and more generally to investigate the potential of qMRI to characterize neurodegenerative mechanisms in the central nervous system. This was achieved by 1) developing methods to combine and analyze multimodal quantitative MRI in research and 2) clinical setups focused on MS, 3) validating the precision of the quantitative biomarkers in clinical conditions and 4) developing a microscopy-based protocol to validate the accuracy of the proposed qMRI biomarkers. More specifically, the general research question of the project was “What is the potential of multimodal quantitative MRI to decipher subtle neurodegenerative mechanisms of MS, in a research and clinical setups. And what does it take to bring multimodal quantitative MRI to in-vivo histology?”.   For the first contribution, I developed a framework that combines several qMRI techniques to detect subtle pathological features in early MS patients. I combined high resolution 7 tesla T1 and T2* mapping in order to extract a marker of cortical myelination (CME). In addition to these relaxometry measures in the cortex, I processed, on the same cohort of subjects, the high angular resolution diffusion MRI data of a Connectome scanner (300 mT/m), computed the white matter tractography and extracted several brain connectivity metrics from the graph theory. This study enabled us to discover a new association between cortical pathology and brain network reorganization at an early stage of MS. More specifically, significant co-variations between myelin estimation and white matter connectivity metrics were observed: Spearman's Rho correlation coefficients were 0.52 (p=0.0003), 0.55 (p=0.0001), and 0.53 (p=0.0001) for strength, local efficiency, and clustering, respectively. This work was published in the journal Human Brain Mapping (Gabriel Mangeat et al., 2018) and I was later invited to the ARSEP 2019 conference in Paris (equivalent of French MS society) to present these findings.  For the second contribution, I developed a machine learning approach capable of distinguishing two radiologically similar neurodegenerative conditions: MS and HDLS (Hereditary Diffuse Leukodystrophy with Spheroids). HDLS is a rare disorder compared to MS, which is often misdiagnosed as MS. This is highly problematic since the prognosis and treatment of MS and HDLS largely differ. My model was based on a new qMRI technique, called Synthetic MRI, which had recently been approved (CE-marked) for clinical use in Sweden. Combining clinical qMRI tools and machine learning prove to be relevant in aiding the challenging differential diagnosis of HDLS versus MS. The model gave a 100% correct classification of the raw cross-validation data. When the maximum uncertainty noise was inserted in the model, the true positive rate of HDLS was 97.2%, while the true positive rate of MS was 99.6%. This work was published in the Journal of Neuroimaging (Gabriel Mangeat et al., 2020).  The third contribution was to assess the repeatability and reproducibility of the synthetic MRI biomarkers used in the HDLS vs. MS study. During a research internship in Stockholm, Sweden, I recruited 5 healthy controls and performed about 165 acquisitions with the Synthetic MRI protocol, using 9 different MRI from 3 vendors (Siemens, GE and Phillips) and 2 field strengths (1.5 tesla and 3 tesla). The quantitative proton density (PD), T1, T2 and Rapid Estimation of Myelin (REMyDI) maps were extracted and averaged across the WM and GM. Results showed that intra-scanner coefficient of variation ranged from 0.10% for PD to 1.97% for T1 in the WM and 0.10% for PD to 3.38% for REMyDI in the GM. The inter-scanner coefficients of variations were larger, from 1.60% and 1.08% for PD in the WM and GM respectively to 4.84% and 20.2% for REMyDI in the WM and GM respectively. This work enables clinicians to assess the possibility to compare quantitative images and biomarkers acquired from different scanners. For example, it shows that the algorithms aiding the differential diagnosis of HDLS versus MS can be applied to multicentric data under certain conditions. This work has been submitted in the journal Neuroimage.   The fourth and last contribution focused on the development of a histology-based protocol to calibrate qMRI techniques with minimum bias. For this, I have investigated three histology techniques of interest: two stain-free techniques: Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) microscopy and hyperspectral auto-fluorescence, and one technique using fluorescent markers. In addition, I have proposed and tested a protocol involving in-vivo and ex-vivo qMRI imaging of a pig spinal cord, followed by tissues extraction and histology. A part of this study was published in the international conference ISMRM 2019 (G. Mangeat et al., 2019). I reported that hyperspectral auto-fluorescence histology correlates with MTR, MTsat and qT1 with r = 0.64, 0.62 and 0.51 respectively. My experience with histology protocols led me to collaborate with colleagues working on other histology validation studies. For example, I have contributed to a study aiming to validate the myelin estimation REMyDI, derived from SyMRI. This study was published in the journal Annals of Neurology (Ouellette et al., 2020).  The impact of this project is threefold: for researchers, investigating the interplay between WM and GM metrics can lead to sensitive and early biomarkers of MS alterations in the brain; for doctors, clinical qMRI based tools may be helpful in aiding challenging differential diagnoses, (e.g. HDLS vs MS) saving time and resources, and for patients, a more accurate and earlier diagnosis could be achieved, resulting in more personalized and effective treatments.


identifier: Liguori, V. (2021). Analysis and Implementation of the Coupled and Encapsulated Selective Frequency Damping Method  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Pour répondre aux exigences de sécurité et de performances dans une enveloppe de vol de plus en plus étendue, des analyses d'aérodynamique numérique doivent être réalisées par logiciels résolvant les équations RANS sur des cas pouvant causer l'apparition de phénomènes instationnaires. Pour éviter les coûts de calculs élevés liés à la simulation de phénomène instationnaire en temps réel, une analyse sur une solution stationnaire des équations peut être effectuée. Un solveur stationnaire itératif peut cependant être incapable d'obtenir une telle solution à cause de l'instabilité liée au phénomène étudié. L'objectif de ce projet est l'analyse et l'implémentation d'une méthode de stabilisation permettant d'obtenir une solution stationnaire quand ce problème est rencontré. Pour ce faire, la méthode "Selective Frequency Damping" (SFD) est utilisée. Deux formulations principales de cette méthode sont présentées, soit la formulation couplée et la formulation encapsulée. L'implémentation de chaque formulation est détaillée ainsi qu'une analyse mathématique simplifiée de leur effet sur une valeur propre du problème. La méthode de l'analyse de stabilité globale est également présentée comme méthode permettant d'identifier une valeur propre instable dans un écoulement. Un algorithme appelé "adaptive SFD" est finalement présenté pour stabiliser un écoulement et sélectionner les paramètres de la méthode automatiquement en utilisant la méthode de stabilité globale pour identifier un mode instable physiquement et en optimisant les paramètres en se basant sur un modèle simplifié. Des modifications sont proposées pour améliorer les méthodes existantes de la littérature, en particulier une correction périodique des variables filtrées pour accélérer la convergence du solveur et l'utilisation d'équations indépendantes du pas de temps pour optimiser les paramètres de façon à réduire le temps de calcul de cette étape. Les deux formulations de la méthode SFD sont implémentées dans le solveur CHAMPS. La comparaison de leur stabilité révèle des limitations liées aux simplifications utilisées dans le cas d'un large pas de temps. La formulation encapsulée, l'analyse de stabilité globale et une fonction d'optimisation des paramètres sont implémentées dans le solveur NSCODE formant un algorithme "adaptive SFD". Cet algorithme est testé sur un cas de tourbillons derrière un cylindre. L'accélération de la convergence liée à la correction périodique des variables filtrées est testée. La capacité de la méthode SFD implémentée dans CHAMPS à stabiliser des écoulements sur un profil multi-éléments en condition de décrochage est démontrée.  ABSTRACT: In order to meet the safety and performance requirements in an increasingly large flight envelope, numerical aerodynamic analyses must be performed by software solving the RANS equations on cases that may cause unsteady phenomena. To avoid the high computational cost of simulating unsteady phenomena in real time, an analysis on a stationary solution of the equations can be performed. However, an iterative stationary solver may not be able to obtain such a solution because of the instability of the studied phenomenon. The main goal of this project is the analysis and implementation of a stabilization method to obtain a stationary solution when this problem is encountered. To do this, the "Selective Frequency Damping" (SFD) method is used. Two main formulations of this method are presented, the coupled formulation and the encapsulated formulation. The implementation of each formulation is detailed along with a simplified mathematical analysis of their effect on an eigenvalue of the problem. The global stability analysis method is also presented as a method to identify an unstable eigenvalue in a flow field. An algorithm called "adaptive SFD" is finally presented to stabilize a flow field and select the parameters of the method automatically by using the global stability method to identify a physically unstable mode and by optimizing the parameters based on a simplified model. Improvements are proposed to the existing methods from the literature, in particular a periodic correction of the filtered variables to speed up the convergence of the solver and the use of equations that are not dependent on the time step to optimize the parameters in order to reduce the computational cost of this step. Both formulations of the SFD method are implemented in the CHAMPS solver. The comparison of their stability reveals limitations related to the simplifications of the mathematical analysis when using a large time step. The encapsulated formulation, the global stability analysis and a parameter optimization function are implemented in the NSCODE solver forming an "adaptive SFD" algorithm. This algorithm is tested on a case of vortex shedding behind a cylinder. The convergence acceleration due to the periodic correction of the filtered variables is tested. The ability of the SFD method implemented in CHAMPS to stabilize cases of a multi-element profile in stall condition is demonstrated.


identifier: Szymoniak, L. (2021). Role of MgO in the Remineralization and Removal of Manganese in Drinking Water  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le manganèse (Mn) est l'un des métaux les plus abondants dans la croûte terrestre. Dans les eaux souterraines, les taux de détection varient en fonction de la composition chimique des précipitations, du type de matériaux de l'aquifère, des différences dans les temps de résidence des eaux, et des conditions rédox dans l'aquifère. En général, les conditions anaérobies sont dominantes dans les eaux souterraines, ce qui peut entraîner des niveaux élevés de manganèse dissous. La réglementation concernant les concentrations de Mn dans l'eau potable est un sujet de préoccupation récent. Bien qu'il soit considéré comme un micro-nutriment essentiel au fonctionnement de nombreuses enzymes cellulaires, une surexposition au Mn peut causer des effets néfastes sur la santé. En particulier, il existe de plus en plus de preuves de la neurotoxicité de cet élément. Les données canadiennes font généralement état de valeurs inférieures à 100 μg/L de Mn dans l'eau du robinet, mais dans certains cas les niveaux atteignent des milliers de microgrammes par litre. La consommation quotidienne d'eau minérale a donc le potentiel de contribuer de manière significative à l'apport en manganèse. En outre, les problèmes esthétiques et opérationnels causés par une teneur élevée en Mn font en sorte que le traitement de ce métal est bien établi. À partir de 20 μg/L, la présence de manganèse a déjà donné lieu à des plaintes de consommateurs concernant la décoloration de l'eau, la coloration des appareils sanitaires et des tissus.» et  ABSTRACT: Manganese (Mn) is one of the most abundant metals in Earth's crust, and in groundwater (GW), detection rates vary in relation to rainfall chemistry, the type of aquifer materials, differences in GW residence times, and redox conditions in the aquifer. In general, anaerobic conditions are dominant in groundwater, which can cause elevated levels of dissolved manganese. Regulation of Mn concentrations in drinking water has been a recent topic of concern. While it is considered a micro-nutrient essential to the proper functioning of many cellular enzymes, adverse health effects can be caused by an overexposure of Mn. In particular, there is increased evidence of the neurotoxicity of the element. Canadian data typically reports values under 100 μg/L of Mn in tap water, however there are cases where levels may reach thousands of micrograms per liter. Drinking mineral water regularly therefore has the potential to add significantly to manganese intake. In addition, aesthetic and operational issues caused by high Mn content make the efficient removal of the metal from drinking water a common concern. At concentrations exceeding 20 μg/L, the presence of manganese has led to consumer complaints about water discoloration and staining of fixtures and laundry. Based on the above information and the GW conditions in Canada, Health Canada has updated the maximum acceptable concentration (MAC) of Mn in drinking water to 120 μg/L and the aesthetic objective (AO) to 20 μg/L. Residential scale treatments of Mn in GW commonly include catalytic filtration or cation exchange (IX) technologies coupled with point of use reverse osmosis. This Master's work investigates the operational capacity of a mixed media contactor using calcite (CaCO3) and magnesium oxide (MgO) as a polishing step following an alternative Mn removal process using a non-selective hollow fiber nanofiltration (HFNF) membrane.


identifier: Vincent, O. (2021). Impact of Rater Style on Deep Learning Segmentation in Medical Imaging  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La sclérose en plaques est la maladie auto-immune la plus courante du système nerveux central. Elle se caractérise par la présence de lésions dans le cerveau et la moelle épinière, visibles en imagerie par résonance magnétique (IRM). Cependant, pour extraire des infor-mations utiles des images, il est nécessaire de segmenter les lésions sur ces images, ce qui est un processus long et coûteux lorsqu'il est réalisé manuellement par un expert tel qu'un radiologue. L'objectif de ce projet est d'utiliser des méthodes innovantes d'apprentissage profond pour améliorer la segmentation des images médicales. Premièrement, pour aborder la généralisation à travers di˙érents contrastes dans la segmen-tation de la sclérose en plaques de la moelle épinière, nous mettons en œuvre la modula-tion linéaire par caractéristique (FiLM) pour tirer parti de la grande variété de paramètres d'acquisitions IRM dans le modèle de segmentation, en apprenant les caractéristiques de chaque contraste. Fait intéressant, un U-Net bien optimisé a atteint les mêmes performances que notre FiLMed-Unet sur un ensemble de données à contrastes multiples (0,72 de score Dice), ce qui suggère qu'il existe un goulot d'étranglement dans cette tâche, qui n'est pas la généralisation à travers di˙érents contrastes. Ce goulot d'étranglement provient probable-ment de la variabilité interexperts, qui est estimée à 0,61 de score Dice dans notre ensemble de données. Deuxièmement, afin de s'attaquer à ce goulot d'étranglement, nous quantifions le style des experts qui annotent les données sous forme de biais et de consistance. Cela nous permet ensuite d'explorer l'impact des styles d'annotations sur les modèles d'apprentissage profond. Deux ensembles de données publics multiévaluateurs et multicentriques sont utilisés, un de lésions de sclérose en plaques cérébrales et un de segmentation de la matière grise de la moelle épinière. Sur les deux ensembles de données, les résultats montrent une corrélation (R2 = 0, 60 et 0, 93) entre le biais de l'expert et l'incertitude du modèle d'apprentissage profond. L'impact de la fusion d'annotations des experts sur cette relation est également étudié, et nous montrons que les consensus multicentriques sont plus eÿcaces que les con-sensus monocentriques pour réduire l'incertitude, car le style de l'expert n'est pas spécifique à l'individu, mais principalement au centre.  ABSTRACT: Multiple sclerosis is the most common autoimmune disease of the central nervous system. It is characterized by the presence of lesions in the brain and spinal cord, which are visible in magnetic resonance imaging (MRI). However, to extract useful information from the images, it is necessary to segment the lesions on these images, which is a long and expensive process when performed manually by an expert such as a radiologist. The goal of this project is to use innovative deep learning methods to improve segmentation of medical images. First, to tackle generalization across imaging contrasts in spinal cord multiple sclerosis seg-mentation we implement Feature-wise Linear Modulation (FiLM) to leverage physics knowl-edge within the segmentation model and learn the characteristics of each contrast. Inter-estingly, a well-optimized U-Net reached the same performance as our FiLMed-Unet on a multi-contrast dataset (0.72 of Dice score), which suggests that there is a bottleneck in spinal MS lesion segmentation di˙erent from the generalization across varying contrasts. This bot-tleneck likely stems from inter-rater variability, which is estimated at 0.61 of Dice score in our dataset. Second, as a follow-up we quantify rater style in the form of bias and consistency and explore the impacts on deep learning models. Two multi-rater and multi-center public datasets are used, consisting of brain multiple sclerosis lesion and spinal cord grey matter segmentation. On both datasets, results show a correlation (R2 = 0.60 and 0.93) between rater bias and deep learning uncertainty. The impact of label fusion between raters' annotations on this relationship is also explored, and we show that multi-center consensuses are more e˙ective than single-center consensuses to reduce uncertainty, since rater style is not individual-specific but mostly center-specific.


identifier: Soltani Hosseini, M. (2021). Thermodynamic Model for Coal Tar Pitch and Carbonaceous Mesophase Present during Primary Carbonization: Thermal Treatment of Carbon Pastes in the Aluminum Industry  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Il est bien établi que le procédé de carbonisation des matériaux joue un rôle critique dans la production de matériaux à base de carbone. La carbonisation est définie par la transformation thermique d'une substance carbonée en charbon (« carbon material », CM). Les CMs ont plusieurs usages, par exemple : les électrodes en graphite pour les fours à arc électriques, les brosses de charbon pour moteurs électriques, les scellants, les roulements à bille en acier et carbone, les accumulateurs électriques, les anodes et cathodes des alumineries. Le brai provenant du goudron (« coal tar pitch », CTP) est par ailleurs très utilisé comme liant dans les procédés industriels mentionnés ci-dessus. Par exemple, le CTP est le principal matériau utilisé dans la fabrication du liant de la pâte de Söderberg, utilisée dans les anodes précuites du procédé Hall-Héroult des alumineries. Le CTP constitue entre 14 et 17% du poids total des blocs anodiques de coke vert. Les CTPs industriels ont une composition chimique extrêmement complexe, contenant des centaines, voire des milliers de composés, y compris des monomères, des oligomères et des polymères d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) avec une large gamme de poids moléculaires. Une meilleure compréhension des propriétés thermodynamiques et du comportement des phases des constituants des CTPs lors de la carbonisation, et ce à plusieurs températures, améliore les procédés de production de CMs et, par conséquent, les propriétés des CMs résultants. L'acquisition de connaissances sur la description thermodynamique et la configuration d'équilibre de la mésophase, qui apparait lors de la cuisson des blocs anodiques verts et des pâtes à enfoncer entre les blocs cathodiques, se traduira par une amélioration de l'efficacité du processus de production d'aluminium Hall-Héroult.  ABSTRACT: The critical technological role played by the carbonization process in the production of carbon-based materials is well established. Carbonization is formally defined as the thermal transformation of carbonaceous materials into carbon materials (CM). CMs are widely used to produce various materials ranging from needle coke for graphite electrodes used in electric-arc furnaces, electrical and mechanical carbon materials widely applied to electric motors brushes, sealing materials, carbon bearings, current collectors, pitch-based fibers to aluminum-smelting prebaked electrodes. Coal tar pitches (CTP) are of great interest as precursors (binders) in the above-mentioned industrial production processes. As a specific example, the major constituent of the binder of Soderberg paste used in carbon prebaked anodes in the Hall-Héroult process used for commercial plants of aluminum production is coal tar pitch, constituting between 14% and 17% (by mass) of the green anode blocks. Commercial CTPs are exceedingly complex materials containing hundreds to thousands of different constituents, including monomers, oligomers and polymers of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) and heterocyclic compounds with a wide range of molecular weights. A better understanding of the thermodynamic properties and phase behavior of the constituents of CTPs during carbonization over a wide range of temperatures will improve CM production processes and, consequently, the properties of the resultant CMs. Obtaining the knowledge about thermodynamic description and equilibrium configuration of mesophase-containing pitches, which appear during baking of green anode blocks and ramming paste between cathode blocks, will result in efficient Hall-Héroult aluminum production process.


identifier: Barzegar, A. (2021). A Differential Private Approach for Preserving the Privacy in Deep Learning Algorithms  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'apprentissage automatique a le potential de devenir une composante standard de chaque produit technologique et d'être utilisé par tous dans leur vie quotidienne dans un avenirproche. Bien que l'apprentissage machine nous offre de nouvelles capacités magnifiques, il a également des vulnérabilités qui peuvent être facilement exploitées par des attaquants. Il devient de plus en plus nécessaire d'étudier les implications de l'apprentissage automatique sur la sécurité et la vie privée à mesure que l'apprentissage automatique est plus largement utilisé. Les aspects de l'apprentissage automatique liés à la sécurité ont fait l'objet de nombreuses recherches et d'une grande publicité, comme les attaques contradictoires, et les attaques fondées sur la protection de la vie privée ont reçu moins d'attention. Cependant, malgré le fait qu'il y a eu un nombre croissant de travaux dans ce domaine, il n'y a pas eu d'analyse approfondie des attaques liées à la vie privée. Les données d'entraînement et les modèles sont des éléments essentiels des systèmes d'apprentissage automatique. Nous devons protéger la vie privée de ces deux parties afin d'avoir un système d'apprentissage automatique qui soit protégé contre les atteintes à la vie privée. Dans les systèmes d'apprentissage automatique, il y a trois parties vulnérables qui rendent les données et le modèle accessibles. Dans un premier temps, nous avons les données de formation elles-mêmes, puisque les utilisateurs malveillants peuvent accéder aux données de formation pour récupérer des informations sensibles. La deuxième étape est le modèle lui-même, car si l'utilisateur malveillant accède au modèle, il pourra récupérer le modèle et les données de d'entraînement qui sont deux parties sensibles de l'apprentissage automatique. Le dernier élément vulnérable des systèmes d'apprentissage automatique est l'API de prédiction, car si l'attaquant y a accès, il pourrait récupérer le modèle et les données de formation.  ABSTRACT: Machine learning has the potential and ability to become a standard component of every tech product and be used by anyone in their daily lives in the near future. Although machine learning provides us with some splendid new capabilities, it also has vulnerabilities that attackers can easily exploit. It becomes more and more necessary to study the implications of machine learning on security and privacy as machine learning is more widely used. There has been much research and publicity on the security aspects of machine learning, such as adversarial attacks, and less attention has been given to privacy-based attacks, which means having unauthorized access to information. However, despite the fact that there has been a growing body of work in this area, there has not been an extensive analysis of privacy-related attacks. Both training data and models are crucial elements of machine learning systems. We should protect these two parts' privacy from having a machine learning system that is privacy protected. In machine learning systems, there are three vulnerable parts that make the data and the model accessible. In the first step, we have the training data itself since adversarial users can access the training data to retrieve sensitive information. The second step is the model itself. If the adversarial user accesses the model, they will retrieve model and training data, two sensitive parts of the machine learning system. The last vulnerable component of machine learning systems is the prediction API, and if the attackers have direct access to this part of system, they can retrieve the model and training data.


identifier: Galmard, R. (2021). Cadre généralisé de planification tactique de projets de remise à niveau de navires  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Pour assurer une activité économique rentable, les chantiers navals sont des entreprises qui sont en mesure de traiter des projets de maintenance de navires de complexités différentes. L'un des enjeux de ce secteur est de pouvoir effectuer une étape de planification agrégée tôt dans le projet afin d'avoir une gestion efficace des ressources et d'éviter l'apparition de retards. Ces plans initiaux générés rapidement sont également utiles lors de l'élaboration de propositions en réponse à des appels d'offres. Cependant, le manque d'informations disponibles lors des phases de négociation induit des incertitudes sur la portée et les charges de travail des projets. Le contenu détaillé des activités n'est bien souvent connu qu'à l'inspection des navires. De plus, la diversité des clients, militaires et commerciaux, implique des contextes d'exécution et des objectifs recherchés différents. Malgré quelques recherches existantes sur les outils de planification tactique, aucun d'entre eux ne permet d'incorporer toutes les spécificités des situations pouvant être rencontrées dans ce secteur. L'objectif de ce mémoire est de développer un cadre généralisé de planification tactique adapté à la grande variabilité des projets de cette industrie. Un processus de planification tactique, un modèle de données et un outil de calcul générant des échéanciers adaptatifs en fonction d'objectifs spécifiques sont les trois éléments développés dans cette proposition. Après confirmation de la problématique à l'aide de la revue de littérature, la méthodologie de recherche pour développer le processus et le modèle de données repose sur l'analyse et la combinaison des processus d'affaires existants d'un chantier naval militaire, d'un chantier naval commercial et d'une description identifiée dans la littérature. Afin d'incorporer l'ensemble des bonnes techniques de gestion de projets, un guide provenant d'une organisation internationale spécifiant les bonnes méthodes à adopter a également été utilisée. L'outil de calcul développé est un modèle exact de programmation linéaire permettant de choisir les objectifs à atteindre en affectant certains niveaux à des coefficients. Une expérimentation est menée afin d'étudier le comportement de l'outil. Les temps de calculs enregistrés sont inférieurs à 25 minutes pour un projet comportant 50 lots de travaux et 20 groupes de ressources distincts malgré des variations plus ou moins importantes en fonction des objectifs recherchés. Enfin, une considération des incertitudes est proposée à l'aide d'une stratégie de conservation des ressources disponibles lors des résolutions afin d'améliorer la robustesse des solutions générées.  ABSTRACT: To ensure a profitable economic activity, shipyards must handle ship maintenance projects of varying complexities. One of the challenges of this sector is performing an early aggregate planning step during the project to ensure efficient resource management and avoid delays. These rapidly generated initial plans are also useful when developing proposals in response to tenders. However, the lack of information available during negotiation phases leads to uncertainties on projects' scope and workloads. The explicit content of activities is often only known once the vessels have been inspected. Also, the diversity of both military and commercial clients implies different execution contexts and desired objectives.  Despite some existing research on tactical planning tools, none of them allows incorporating all the specificities of situations that can be encountered in this sector. This thesis aims to develop a generalized tactical planning framework adapted to high variability projects of this industry. A tactical planning process, data model, and calculation tool that generates adaptive timelines based on specific objectives are the three elements developed in this proposal. After confirmation of the issue using the literature review, the research methodology to develop the process and data model is based on the analysis and combination of a military shipyard's existing business processes, a commercial shipyard, and a description identified in the literature. To be sure to incorporate all the advised project management techniques, an international review specifying the right methods to adopt was also used.  The calculation tool developed is a linear programming exact model allowing to define the objectives to be sought by assigning certain levels to coefficients. An experiment is conducted to study the tool's viability and behavior according to levels of importance allocated to each objective. The calculation times recorded are less than 25 minutes for a project with 50 work packages and 20 distinct resource groups, despite varying degrees of variation depending on the objectives sought. Finally, a consideration of uncertainties is proposed using a strategy associated with conserving part of the resources available during resolutions to improve the robustness of the solutions generated.


identifier: Van Engeland, C. (2021). Approche multi-échelles du séchage convectif des grains de levure : Séchage en présence d'un matériel de support solide et séchage en régime intermittent  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le séchage est une opération industrielle complexe faisant intervenir des phénomènes de transport de masse et de chaleur à différentes échelles. Bien que cette opération permette d'éviter le gaspillage alimentaire en augmentant la durée de conservation et la facilité de la manutention, elle est consommatrice d'énergie et mène à la détérioration de nombreux produits, particulièrement les produits alimentaires. La finalité de cette recherche est de proposer des améliorations technologiques qui ont pour but d'intensifier les procédés de séchage agro-alimentaire dans une optique de réduction de la consommation d'énergie et d'amélioration de la qualité des produits. Pour ce faire, la compréhension des phénomènes se déroulant au cours du séchage des grains de levure doit être améliorée. Les levures, organismes vivants séchés sous forme de grains sphériques ou cylindriques formant un réseau poreux, sont sensibles à la température de séchage et à la déshydratation. Deux techniques encourageantes qui pourraient augmenter conjointement l'efficacité énergétique et la qualité des levures sont investiguées : le séchage en présence de matériel de support solide, plus précisément de farine, et le séchage en régime intermittent.  ABSTRACT: Drying is a complex industrial operation involving mass and heat transport phenomena at various length scales in a multiphase system. Although this operation avoids food waste by increasing shelf life and ease of handling, it is energy consuming and leads to the deterioration of many products and particularly food products. The overall goal of this research is to propose technological improvements to intensify food drying processes in an effort to reduce energy consumption and to improve products quality. For this purpose, the understanding of the phenomena occurring during the drying of yeast pellets needs to be improved. Yeasts, living organisms dried in the form of spherical or cylindrical pellets forming a porous network, are sensitive to drying temperature and dehydration. Two promising techniques that could simultaneously increase energy efficiency and yeast quality are being investigated: drying in the presence of solid carrier, more precisely flour, and intermittent drying.


identifier: Vahedi, M. (2021). TechTube: Summarizing Relevant Parts from Technical Videos  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les développeurs de logiciels sont confrontés à plusieurs problèmes techniques indissociables de la programmation. L'approche la plus importante qu'ils utilisent pour faire face à de tels problèmes consiste à regarder des tutoriels en ligne.Les vidéos de didacticiel sont très diverses et toutes sortes d'entre elles peuvent être trouvées sur Internet. Par exemple, YouTube contient désormais des millions de vidéos de bonne qualité sur des sujets techniques, tels que la programmation. Cependant, malgré la richesse de leur contenu, ces vidéos sont parfois trop longues et tous les sujets couverts ne sont pas toujours pertinents pour les développeurs cherchant des réponses à des questions précises. Ainsi, identifier et résumer les fragments pertinents de ces vidéos pourrait faire gagner du temps et des e˙orts précieux aux développeurs. Dans ce mémoire, nous proposons une nouvelle technique appelée TechTube. Cette technique peut être utilisée pour trouver des segments vidéo pertinents pour une tâche technique donnée.TechTube permet aux développeurs de formuler l'objet de leur recherche sous forme de re-quêtes en langage naturel. Ces requêtes sont ensuite enrichies grâce aux techniques de re-formulation de requêtes, développées dans le domaine de la recherche d' information. La sortie de TechTube est une séquence de segments vidéo pertinents pour la tâche à accom-plir. Contrairement aux travaux de recherche précédents, notre approche divise la vidéo en détectant le silence dans les pistes audio de la vidéo.  ABSTRACT: During development and maintenance activities, developers often turn to technical online videos (i.e., tutorials) to learn new concepts and find solutions to some technical problems.Tutorial videos are extensively diverse and the number of online videos is growing at a very fast pace. For example, YouTube now contains millions of high-quality videos on technical topics, such as programming. However, despite the convenience and in some cases popularity, the audiovisual explanations of the videos might also claim more time from the developers than the text-only materials (e.g., programming Q&A threads). In fact, unlike the pro-gramming Q&A threads, programming videos might not be fully indexed or well organized e.g., structured as explicit questions and answers. They might also contain noisy, redun-dant information that might be of little interest to the developers. Thus, the developers often attempt to find out the relevant sections by skimming (i.e., forward and backward the video stream) through the videos. However, skimming through a video is often more time-consuming than scrolling through a regular text-based website. Thus, pinpointing the relevant sections within a technical video and guiding developers to these sections has the potential to save their valuable time and e˙ort.In this thesis, we propose a novel technique called TechTube. This technique can be used to find video segments that are relevant to a given technical task.


identifier: Ben Slimen, M. S. (2021). Une généralisation de l'analyse en composantes indépendantes pour le débruitage des signaux de parole  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes de reconnaissance vocale existants sont très précis et atteignent des performances élevées lorsqu'ils traduisent le signal de parole en une intention. Ces appareils nécessitent souvent la réception de signaux vocaux sans bruit afin de prédire avec précision l'intention du locuteur. La présence de bruit dans les signaux vocaux peut conduire à de fausses prédictions qui peuvent conduire le système à exécuter de fausses actions. La recherche effectuée fait partie des stages Mitacs Accelerate, qui ont été menés en collaboration avec Fluent.ai, une startup montréalaise spécialisée en intelligence artificielle, plus précisément dans la reconnaissance vocale pour des appareils utilisés dans les maisons intelligentes. L'objectif principal de la recherche est de développer un nouvel algorithme agissant comme front-end pour réduire le bruit des signaux vocaux en utilisant la séparation des sources. Le travail effectué introduit d'abord un examen critique des approches développées précédemment pour appliquer la séparation des sources et réduire le bruit des données. La revue de ces méthodes a permis de développer un algorithme capable de séparer les signaux en un signal de parole et un signal de bruit puis de reconstruire la source de parole débruitée. Deux méthodes ont été proposées aux deux situations possibles : avec ou sans la présence de délais entre les microphones. Les deux algorithmes ont été testés et validés à l'aide d'enregistrements contenant du bruit fournis par notre partenaire industriel Fluent.ai. L'algorithme a été implémenté en tant qu'interface pour l'algorithme de Fluent.ai qui utilise les réseaux de neurones artificiels pour comprendre l'intention du locuteur. Pour cela, nous avons utilisé le même environnement utilisé par Fluent.ai qui a été entièrement implémenté en langage de programmation Python.  ABSTRACT: The existing speech recognition systems reach high and precise performances when under-standing the intention of the speaker. These devices require often the reception of clean speech signals in order to accurately predict the intent of the speaker. The presence of noise in speech signals can lead to false predictions which can lead the system to execute false actions. The research done is part of the Mitacs Accelerate internships, which were conducted in col-laboration with Fluent.ai, a Montréalese startup specializing in speech recognition for smart home devices. The main purpose of the research is to develop a new front-end algorithm to help reducing the noise from speech signals using sources separation. The work done introduces first a critical review of approaches developed previously to apply source separation and reduce the noise from data. The review of those methods helped to develop an algorithm able to separate signals to a speech signal and a noise signal then re-construct a cleaner speech. Two methods were proposed to both possible situations: with or without the presence of delays between the microphones. Both algorithms were investigated and validated using recordings containing noise that were provided by our industrial partner Fluent.ai. The algorithm was implemented as a front-end for a software that uses deep learning neural networks to understand the intent of the speaker. For that we used the same environment used by Fluent.ai which was entirely implemented in Python language.


identifier: Mezheritsky, T. (2021). Modélisation du mouvement tridimensionnel du foie à partir d'images échographiques 2D par auto-encodeurs convolutionnels  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le mouvement engendré par la respiration est un facteur de complication pour les procédures de traitement du cancer du foie comme la radiothérapie externe. Afin d'assurer la livraison de l'irradiation au tissu cancéreux, la position en 3D de la tumeur et des structures à risque doit être suivie au cours de la procédure. Des solutions de guidage par imagerie ont été uti-lisées en clinique afin de compenser le mouvement respiratoire en ajustant la trajectoire du faisceau d'irradiation. Toutefois, la plupart des systèmes commerciaux utilisent des modalités d'imagerie telles que les rayons X ou la tomographie à faisceau conique qui appliquent une dose supplémentaire d'irradiation au patient en plus d'avoir des fréquences d'acquisition trop lentes pour les applications en temps réel. L'imagerie par US, quant à elle, permet d'e˙ectuer des acquisitions en 2D, 3D et 4D pour un coût relativement bas, le tout sans appliquer d'ir-radiation ionisante. Pour ces raisons, l'US est une modalité intéressante pour les systèmes de radiothérapie guidée par l'image. Cependant, l'US 2D ne permet pas de suivre les tumeurs qui se déplacent en 3D tandis que l'US 3D possède un temps d'acquisition et de traitement trop long. Par conséquent, une approche hybride qui permet de générer des volumes d'US 3D à partir d'images d'US 2D acquises en temps réel peut constituer une solution pour les systèmes de radiothérapie guidée par l'US. Les récents développements en apprentissage profond ont accéléré l'innovation dans le do-maine de l'analyse d'images médicales. Des approches de modélisation du mouvement basées sur l'apprentissage profond ont été développées pour des modalités telles que l'IRM et le CT. Toutefois, peu de travaux ont été axés sur la génération de volume d'US 3D. Dans le présent mémoire, nous présentons une méthode de modélisation du mouvement basée sur l'apprentissage profond qui permet de générer des volumes d'US 3D mis à jour à partir d'un nombre limité de volumes de prétraitement ainsi qu'une séquence d'images d'US 2D. L'étude de di˙érentes architectures a souligné le potentiel des autoencodeurs convolutionels pour accomplir notre tâche. Notre modèle apprend une représentation de basse dimension commune entre des champs de mouvement en 3D et des images d'US 2D correspondantes. Les champs de mouvements 3D générés à partir des images 2D permettent de déformer le volume de référence de prétraitement et d'obtenir un nouveau volume du foie en 3D, même pour de nouveaux sujets. Nous introduisons des améliorations à l'autoencodeur convolutionel qui l'adaptent pour la tâche de modélisation du mouvement respiratoire. Le modèle est validé sur un ensemble de données de 20 volontaires à l'aide de métriques de similarité d'image et de suivi de cibles. Une erreur de localisation de cible de 3.5 ± 2.4 mm est rapportée, montrant le fort potentiel de notre méthode pour les applications en radiothérapie guidée par l'US.  ABSTRACT: Respiratory motion is a complicating factor for liver cancer treatments such as external beam radiotherapy. In order to ensure proper delivery of radiation to the treatment site, the 3D position of the tumoral volume and organs at risk must be tracked at all times during the pro-cedure. Image-guided solutions have been used clinically to account for respiratory motion and adjust the beam trajectory to optimize treatment delivery. However, most commercial solutions rely on imaging modalities such as X-ray imaging or cone-beam computed tomogra-phy which apply an additional radiation dose to the patient and have acquisition times that are too long for real-time applications. Contrastingly, ultrasound (US) imaging o˙ers 2D, 3D and 4D imaging capabilities for a relatively low cost without imparting ionizing radiation to the patient. US imaging is therefore a viable candidate for image-guided radiation therapy systems. However, 2D US can only provide in-plane guidance while 3D US volumes provide complete spatial information but take longer to acquire and to analyze afterwards. Conse-quently, a hybrid approach which generates 3D US volumes from 2D US images acquired in real-time could constitute a viable solution for US-guided radiation therapy systems. In recent years, developments in deep learning for computer vision have accelerated innova-tion in the medical image analysis field. Approaches for deep learning based motion models have been proposed for modalities such as MRI and CT however very few works focus on 3D US generation from 2D images. In the present work, we propose a motion modelling method based on deep learning which allows to generate up-to-date 3D US volumes by using a limited number of pre-treatment vol-umes and a sequence of 2D US images. A study of di˙erent model architectures revealed the potential of convolutional autoencoder based models to complete the aforementioned task. Our proposed model learns a common low-dimensional representation between 3D US motion fields and corresponding 2D US images. The model is then able to generate a 3D motion field from an input 2D US image, even for previously unseen subjects. The generated motion field is used to deform a reference volume acquired before treatment, thus providing an updated 3D representation of the liver. We introduce improvements over the traditional convolutional autoencoder which adapt it to the specific task of respiratory motion modelling. We validate our method on a dataset of 20 healthy volunteers using image similarity and target tracking metrics achieving a mean target reconstruction error of 3.5 ± 2.4 mm. The reported results showcase the strong potential of our method for US guided radiotherapy applications.


identifier: Bonin, R. (2021). Caractérisation des effets des stratégies d'acquisition de nuages de points sur l'exactitude et la précision de mesures de géométries prismatiques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le besoin d'instruments de mesure capables de fournir des résultats fiables a longtemps été comblé par les Machines à Mesurer Tridimensionnelles (MMT), qui continuent encore de régner grâce à la qualité de leurs mesures. Néanmoins, de nouvelles technologies se présentent avec entre autres les scanners optiques sans contact. Ces appareils proposent généralement des mesures rapides, avec une haute densité de points mesurés, contrairement aux MMT très lentes. Dès lors, quel est le potentiel des scanners lorsqu'ils sont utilisés à des fins de métrologie dimensionnelle ? Leur nature fait intervenir des facteurs que les MMT n'avaient pas à considérer, ou différemment. Le manque de standard international rend difficile leur exploitation lors du contrôle de pièces manufacturées par exemple. La qualité des mesures à laquelle l'utilisateur est en droit de s'attendre est compliquée à évaluer. Les travaux présentés dans ce mémoire se concentrent sur le développement de méthodes de caractérisation et d'étude des scanners laser portatifs et à lumière structurée, deux technologies populaires. Ces méthodes utilisent différents artéfacts, ainsi que la mise au point d'un environnement de simulation de mesures par scanner et par MMT sur des géométries planes et cylindriques, afin d'estimer la précision et la répétabilité des mesures tout en proposant des procédures reproductibles. En particulier, l'utilisation d'un artéfact pseudo-3D développé à Polytechnique Montréal a permis d'évaluer l'impact de plusieurs paramètres d'acquisition du scanner laser portatif sur les erreurs de mesure. La distance d'acquisition affect de manière quadratique la précision des scans et interagit avec le temps d'exposition ; l'orientation du scanner par rapport au mouvement de balayage lors de l'acquisition a eu quant à lui un impact mineur. Les procédures développées sont facilement applicables à d'autres scanners laser portatifs ou montés sur bras robotique. Les simulations de mesure ont révélé des comportements intéressants concernant l'effet de la densité de points mesurés et du niveau de bruit contenu dans les mesures sur les erreurs de mesure. La précision des résultats de simulation de mesure bénéficie d'une densité de points plus élevée, tandis que la dispersion des résultats se dégrade lorsque la densité baisse et est également affectée par la parité du nombre de points mesurés.  ABSTRACT: Coordinate Measuring Machines (CMM) have been the go-to equipment to accurately and reliably measure manufactured parts for decades. However, emergent technologies are consistently challenging them, such as increasingly popular optical 3D scanners. These devices offer fast acquisitions with a high density of measured points, as opposed to the comparatively extremely slow CMMs that measure their target with a contact probe. 3D scanners and CMMs are not affected by the same factors, or differently. Moreover, CMMs are backed up by decades of experience and widely recognized standards. Scanners do not yet, which makes it difficult to evaluate the quality of their measurements. This thesis focuses on developing reproducible methods to characterize and study the performance of structured-light and handheld laser scanners, two of the most popular technologies. Various artifacts are used to test the devices and simulations of measurements are implemented to assess the accuracy and repeatability of the results. Specifically, a pseudo-3D artifact designed at Polytechnique Montreal was used to evaluate the impact of several acquisition parameters on the measurements with a handheld laser scanner. The scan distance quadratically affects the accuracy and interacts with the exposure time. The orientation of the scanner during the acquisition sweeps has a minor effect on the results. The procedures designed for the tests are easily reproducible for other devices based on the same technology. Simulated scanner and CMM measurements showed interesting phenomena related to the density of the measured points and the simulated noise. The accuracy benefits from an increased density, while it is negatively affected by noisier data. Odd or even numbers of measured points also interact with potential measured defects, resulting in more or less variance across the results.


identifier: Maschiella, A. (2021). Modélisation de l'allumage d'un carburant hypergolique pour la propulsion de fusées hybrides  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le borazane (AB pour 'ammonia borane' en anglais) a rapidement attiré l'attention de par sa capacité à pouvoir stocker le dihydrogène, car l'AB est composé à 19.6% en masse de H2. Avec l'acide nitrique, l'AB peut former un mélange hypergolique, c'est à dire permettant un allumage spontané sans dispositif particulier. Un carburant hybride, dont l'ergol solide est composé d'AB comme additif dans une matrice de paraffine et l'ergol liquide composé d'acide nitrique concentré (WFNA pour 'White Fuming Nitric Acid' en anglais) permettrait de ne plus utiliser les mélanges hypergoliques classiques contenant souvent de l'hydrazine et ses dérivés, des substances très toxiques. Afin que ce carburant hybride soit viable, son délai d'allumage (ID, de l'anglais 'Ignition Delay'), le temps au bout duquel le mélange hypergolique s'enflamme, doit être inférieur à 10 ms. Certains travaux montrent qu'il est possible de contrôler la valeur du délai d'allumage en ajoutant un polymère, l'alpha-oléfine, dans la paraffine, dont un des effets principaux semble être d'augmenter la viscosité de la paraffine fondue. Dans les travaux présentés ici, une simulation 1D multiphysique en différences finies a été implémentée afin de modéliser les réactions chimiques, transferts thermiques et transports de matière entre les trois phases en jeu : la phase solide composée d'AB dans une matrice de paraffine, la phase liquide composée de WFNA et de la paraffine fondue, et la phase gazeuse. Le manque de données dans la littérature a nécessité la réalisation d'expériences simples pour fournir de l'information sur la cinétique et la thermodynamique de la réaction initiale entre l'AB solide et le WFNA. Cela a permis de regrouper toutes les valeurs d'entrée pour la réalisation d'une première simulation numérique permettant le calcul des valeurs de délai d'allumage. Ces résultats de simulation ont ensuite été confrontés aux valeurs expérimentales obtenues par l'équipe de Elzein et al [1], dont les mesures ont aussi été prises à Polytechnique Montréal. Tout comme dans les tests expérimentaux, les résultats numériques montrent que le délai d'allumage semble décroître avec la viscosité de la paraffine fondue, liée à la concentration en alpha-oléfine. Cependant, la décroissance est beaucoup moins marquée pour les résultats numériques, qui varient de quelques millisecondes contrairement aux résultats expérimentaux pouvant varier de plusieurs dizaines de millisecondes. En revanche, la taille des grains d'AB a un impact beaucoup plus prononcé sur les résultats numériques. Plus les grains sont gros, plus l'ID diminue et moins celui-ci dépend de la viscosité de la paraffine, alors que cela n'est pas observé dans les résultats expérimentaux.  ABSTRACT: The storage of hydrogen is one of the main obstacles to the use of this energy carrier in different kinds of space propulsion, or even in the car industry. The Ammonia Borane (AB) quickly drew attention due to its ability to store hydrogen in solid state, as AB is composed of 19.6 wt.% of hydrogen. With nitric acid, AB forms a hypergolic mixture, allowing spontaneous ignition without ignition device. A hybrid fuel, with the solid propellant composed of AB as an additive in a matrix of paraffin, and the liquid propellant composed of White Fuming Nitric Acid (WFNA) would make it possible to get rid of classic toxic hypergolic mixture, usually containing hydrazine and its derivatives. To make this hybrid fuel viable, its Ignition Delay (ID), the time take by the mixture to spontaneously ignite, should be less than 10ms. Studies show that it's possible to control the value of the ID by adding a polymere additive in the paraffin, here the alpha-olefin (AO), to increase the viscosity of the molten paraffin. In this work, a 1D finite difference multiphysics has been implemented in order to model the chemical reactions, and physical phenomenona between the three phases involved: solid phase composed of AB in paraffin, liquid phase composed of WFNA and molten paraffin, and the gas phase, where the ignition occurs. Simple experiments were needed to provide data on the kinetic of the initial reaction between solid AB and WFNA, that was missing in the litterature. This allowed to regroup all the inputs for the realisation of a first numerical simulation allowing the calculation of numerical values of the ID. The results of the simulation were then compared with the experimental values obtained by Elzein and al., whose experiments were performed at Polytechnique Montreal. Just like the experimental data, the results from the numerical simulation shows that the value of ID seems to decrease with the viscosity of the molten paraffin, thus with the concen- tration of AO. However, this decrease is less important in the simulation, where there is only few milliseconds of variation of the value of the ID, whereas this variation is about tens of milliseconds in the experiments. In contrast, the effect of the size of the grains of AB seem to be overestimated in this numerical model. The bigger the grains of AB are, the lower the ID is, and the weaker is the dependance of the ID with respect to the viscosity, which is not seen in the experimental values.


identifier: Duong, T. L. (2021). Characterizing the Sacrificial Coating on Tools During Turning of TiMMCs  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les composites à matrice métallique de titane (Ti-MMC) sont connus comme étant l'un des matériaux les plus difficiles à usiner. Ces difficultés sont dues à la combinaison des problèmes d'usinabilité des alliages de titane et des composites à matrice métallique (MMC). Ces composites métalliques de titane offrent des propriétés mécaniques et physiques remarquables par rapport aux alliages de titane et aux MMC. Les Ti-MMC sont ainsi très attractifs pour une large gamme d'applications dans des domaines industriels importants, tels que : l'aéronautique (structure aéronautique, moteur aéronautique...), ou l'automobile (moteur, système de freinage, arbre de transmission...). Bien qu'un certain nombre d'études sur l'usinabilité de ces matériaux aient été réalisées, les mécanismes d'usure des outils ne sont pas encore clairement compris. En particulier, la durée de vie de l'outil lors de l'usinage ainsi que la mauvaise qualité de surface obtenue après usinage. Il a été rapporté que les mécanismes d'usure initiaux jouent un rôle clé dans la durée de vie de l'outil lors de l'usinage. En effet, le contrôle de ces mécanismes peut permettre de réguler la durée de vie de l'outil. Dans le but de changer les mécanismes d'usure initiaux, nous développons ici une nouvelle méthode pour ajuster l''usure chimique qui se produit dès les premiers moments de la coupe, par le biais d'une couche sacrificielle sur l'outil de coupe. C'est la première fois qu'un dépôt de nickel autocatalytique est appliqué sur des outils en carbure revêtus de nitrure de titane pour l'usinage. Afin de générer une couche sacrificielle mince, nous avons développé une nouvelle technique de dépôt du nickel-bore sans courant, sur des inserts revêtus par PVD de (Ti, Al) N + TiN. Notre placage qui ne nécessite pas de prétraitement de surface repose sur un processus chimique en une seule étape, à base de diazonium. Les caractéristiques du nickel-bore révèlent que les dépôts présentent tous la même quantité de bore, 9,3 ± 0,1% en poids. Une telle homogénéité est intéressante du point de vue industriel. La couche mince sacrificielle du Ni / B est donc déposée sur les inserts revêtus de (Ti, Al) N + TiN dans des conditions difficiles mais efficaces. En appliquant cette nouvelle méthode de placage sur les outils de coupe revêtus par PVD, un certain nombre de tests de tournage du matériau TiMMC ont été réalisés.  ABSTRACT: Titanium metal matrix composites (Ti-MMCs) has known as one of the most difficult to machine materials due to the combination of different difficulties in machinability from both titanium alloys and metal matrix composites. These metallic composites material possess several remarkable mechanical and physical properties of both titanium alloys and metal matrix composites (MMCs). Thus, the Ti-MMCs are increasingly attractive for a range of applications in industrial areas: aerospace (Aircraft structure, aero-engine...), automotive (engine, brake system, driveshaft...). Despite various studies on the machinability of these materials have been carried out, their tool wear behaviors are still not fully understood. Furthermore, the tool life when machining the TiMMCs is very short and poor machined surface quality. It has been reported that the initial wear mechanism plays a key role in the tool life during machining of TiMMCs, controlling the initial wear behavior can therefore solve the tool life problem. With an aim of changing the initial wear mechanism, we propose herein a simple and efficient electroless plating of a sacrificial coating nickel-boron (Ni/B) onto the cutting tool to adjust the chemical wear behavior at the first moment of cutting process. This is the first time an electroless nickel deposition has been applied to the titanium nitride coated carbide tools for a machining process. Indeed, a thin nickel-boron sacrificial coating can be easily deposited on the existing PVD coated inserts with (Ti,Al)N+TiN. Our electroless plating relies on a one-step diazonium induced anchoring process to graft the amine-terminated groups on the inserts without requiring any surface pre-treatment. The plated surface is fully covered by a homogenous and continuous metallic film. The characterization of our obtained nickel-boron films reveals that they all contain the same amount of boron, 9.3 ± 0.1 % in weight. Such homogeneity is interesting from the industrial point of view. In order to shed some light on the effect of our Ni-B sacrificial coating electrolessly plated onto the PVD coated cutting inserts, a number of turning tests of TiMMCs material have been conducted under different cutting conditions with both original PVD coated inserts and PVD coated inserts with a sacrificial coating of Ni/B.


identifier: Yanez Sachez, S. I. (2021). Experimental Protocols for Polymeric Binder Selection in the Binder Jetting of Metallic Particles in Three-Dimensional Printing  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'impression par jets de liant est une technique avancée de fabrication à base de poudres où un lit de poudre, puis un liant polymérique sont déposées de manière alternée jusqu'à ce qu'une pièce à trois dimensions soit formée. La pièce résultante est appelée un corps vert. Elle est composée de particules de poudre tenues ensemble par le liant. Pour obtenir une pièce purement métallique, la pièce doit être traitée thermiquement pour pyrolyser le polymère et fritter les particules de poudre. C'est l'une des techniques d'impression 3D de métaux les plus prometteuses. Cependant, la sélection des liants est souvent abordée par essai-erreur, ce qui mène à des corps verts avec une faible résistance, cause des pertes grandes de production et décroit la capacité du processus d'impression de produire des détails délicats.  ABSTRACT: Binder-jet printing is an advanced manufacturing technique where the alternating deposition of a metal powder bed, then printing of a polymeric binder are repeated until a three-dimensional part is formed. The resulting piece is called green body. It is composed of powder particles held together by the binder. To obtain a pure metallic part, the piece must be treated thermally to pyrolyze the polymer and to sinter the powder particles. It is one of the most promising metal 3D printing techniques. However, the selection of binders is often approached by trial and error, which leads to poor green bodies strength, causes high production loses and decreases the printing process capacity to produce delicate features.


identifier: Huo-Kang, J. (2021). Impact of Seismic Hazard on the Performance of an Earth Dike in Eastern North America  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Des analyses non-linéaires peuvent être réalisées pour évaluer la stabilité des digues contre les séismes. Il est d'abord nécessaire de sélectionner des scénarios sismiques représentant l'aléa sismique de la région et après, il est possible de procéder à l'étape de la sélection des accélérogrammes d'entrée pour chacun des scénarios. Par conséquent, la sélection des scénarios est une étape importante, car elle influence directement la sélection des mouvements d'entrée et par le fait même les résultats du modèle. Ce mémoire étudie l'impact de l'aléa sismique sur les performances d'une digue en terre dans le Nord-Est de l'Amérique. Le 2e objectif principal s'agit d'identifier des intensités de mesure (IM) capable de prédire efficacement les dommages (DM) d'une digue en terre. Alors que la sélection des accélérogrammes est basée sur la forme du spectre, l'utilisation d'un critère additionnel basé sur un IM qui peut prédire adéquatement les dommages recherchés pourrait permettre de réduire l'incertitude des résultats.  ABSTRACT: Nonlinear analyses can be performed to evaluate the stability of embankments against earthquakes. It first requires the selection of seismic scenarios that represent the seismic hazard of the region and the selection of input ground motions consistent with said seismic scenarios. Hence, the selection of seismic scenarios is an important step because it directly influences the selection of input ground motions and thus the results of the simulations. This thesis focuses on the impact of the seismic hazard scenarios on the performance of an earth dike in Eastern North America (ENA). The second main objective of this thesis is to find candidate alternative intensity measures (IM) capable of predicting damage measures (DM) of an earth dike. As the selection of input motions is in practice based on the shape of the spectrum, introducing an additional criteria based on an IM that showed good efficiency in the prediction of the sought DM should reduce the variability of the results.


identifier: Ouattara, J.-Y. S. (2021). Évaluation d'infrastructures sémantiques à large échelle pour la détection d'intrusion dans un centre d'opérations et de sécurité de l'information  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Pour répondre à la croissance de la menace en cybersécurité, les entreprises, particulièrement les institutions financières, centralisent les ressources humaines et technologiques de sécurité dans un Security Operations Center (SOC).Cependant, le volume important d'informations à traiter par les analystes ne fait que retarder le temps de réponse en cas d'incidents. Pour accompagner les analystes de sécurité dans leur investigation, de nombreux outils analytiques ont été développés. Néanmoins, ces outils n'o˙rent pas les meilleures performances quand il s'agit de nouvelles menaces.Une des solutions étudiées est l'utilisation d'ontologies pour renforcer les capacités analytiques des analystes de sécurité. En créant un système expert s'appuyant sur l'ontologie et ses propriétés sémantiques, on pourrait améliorer la mise en relation d'événements et d'entités dans le SOC et ainsi améliorer la corrélation d'événements.Cette approche serait prometteuse si les bases de données RDF (Resource Description Fra-mework) ont la capacité de traiter en temps raisonnable les volumes de données transitant dans le SOC. C'est le sujet de notre recherche. Nous avons d'abord répertorié les caracté-ristiques pertinentes des bases de données de graphe dans le contexte d'un SOC.  ABSTRACT: To respond to the growing cyber threat, companies, particularly financial institutions, are centralising human and technological security resources in a Security Operations Center (SOC).However, the large amount of information to be processed by the analysts only delays the incident response time. To assist security analysts in their investigation, many analytical tools have been developed. However, these tools do not o˙er the best performance when it comes to new threats.One of the solutions studied is the use of ontologies to reinforce the analytical capabilities of security analysts. By creating an expert system based on ontology and its semantic properties, one could improve the relationships between events and entities in the SOC and thus improve event correlation.This approach would be promising if RDF (Resource Description Framework) stores have the capacity to handle the volumes of data passing through the SOC in a reasonable time. This is the subject of our research. We first identified the relevant characteristics of graph databases in the context of a SOC. By relating these characteristics to the needs of di˙erent levels of security analysts in the SOC, we propose a decision guide for the choice of the RDF store according to the scenario.


identifier: Guieu, P. (2021). Développement et production d'un contenant alimentaire, recyclable et compostable à base de fibres naturelles  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La surconsommation du plastique est devenue un réel problème dans la société d'aujourd'hui. En 2015, 381 millions de tonnes de plastiques avaient été produites et 55% de cette production n'avait pas été revalorisée à sa fin de vie. De plus en plus de plastique s'accumule ainsi dans la nature. En 2010, entre 4,8 et 12,7 millions de tonnes de plastiques ont été retrouvées dans les océans. Ce matériau, ayant un faible taux de biodégradation, peut rester dans la nature des dizaines voire des centaines d'années. Cela engendre un nombre grandissant de problèmes au niveau de la qualité des écosystèmes. Pour pallier ce problème, les institutions décisionnelles du Canada ont décidé de passer à l'acte en interdisant les produits en plastique à usage unique. Les objets de plastique à usage unique sont notamment très utilisés en emballage alimentaire. Cette industrie travaille donc à trouver des solutions de remplacement de la vaisselle en polystyrène expansé (PSE). Ainsi, d'autres types de polymère sont utilisés et présentent des solutions potentielles, comme l'acide polylactique (PLA) et le poly(succinate de butyle) (PBS). Mais ces matériaux coûtent chers. Pour diminuer le coût de matière première de plus en plus de fibres naturelles sont utilisées pour la fabrication de vaisselle à usage unique. Les fibres les plus utilisées aujourd'hui sont les fibres de bagasse, majoritairement produites au Brésil et en Asie. En revanche, pour une production de vaisselle écologique à usage unique au Québec, une ressource provenant d'Amérique du Sud ou d'Asie ne semble pas un choix stratégique. Ainsi, lorsque les ressources locales sont analysées, la présence de forêts de bois de résineux nordiques présente un large potentiel.  ABSTRACT: The over-consumption of plastic has become a real problem today. In 2015, 381 million tons of plastics had been produced and 55% of this production had not been revalorised at the end of its life. More and more plastics are accumulating in nature. In 2010, between 4,8 and 12,7 million tons of plastics were found in oceans. These materials have a low rate of biodegradation and can remain in nature for tens or even hundreds of years. This creates a growing number of issues in terms of ecosystem quality. To mitigate this problem, Canada's decision-making institutions have decided to act by banning single-use plastic products. Single-use plastic products, most notably expanded polystyrene (EPS), are specially used in food packaging. This industry is therefore working to find alternatives to EPS tableware. Thus, other types of polymers are used and present potential solutions, such as polylactic acid (PLA) and poly(butyl succinate) (PBS). However, these materials are expensive. To reduce the cost of raw materials, more and more natural fibers are being used for the manufacturing of single-use tableware. Today, the most used fibers are bagasse fibers, mainly produced in Brazil and Asia. However, for an ecological production of single-use tableware in Quebec, a resource from South America or Asia does not seem to be a strategic choice. Moreover, when local resources are analyzed, the presence of northern softwood forests presents a large local potential.


identifier: Mechmachi, Y. (2021). Évaluation de la performance sismique en 3D d'un mur de refend en forme de U en béton armée par le biais des simulations expérimentales hybrides et des modèles numériques  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet de recherche a présenté une évaluation approfondie de la performance sismique d'un mur de refend en forme de U en béton armé, soumis à des excitations sismiques bidirectionnelles, par le biais d'essais hybrides et de modèles numériques. Ces murs sont généralement utilisés pour accueillir divers services dans des bâtiments de moyenne à grande hauteur, tels que des cages d'escaliers ou des assesseurs. Les noyaux sont également utilisés comme systèmes de résistance aux charges latérales dans ces immeubles. Ils doivent être conçus pour assurer une résistance adéquate lors d'un tremblement de terre, en ayant une grande capacité à subir des déformations inélastiques et en limitant les déplacements latéraux aux valeurs admissibles. Cependant, leur comportement sous l'effet des composantes sismiques bidirectionnelles est complexe et n'est pas encore bien maîtrisé. Les études réalisées à ce sujet restent très limitées et des investigations plus approfondies sont encore nécessaires. Cette thèse contribue à l'avancement des connaissances dans ce domaine.  ABSTRACT: This thesis presents a thorough assessment of the seismic performance of a reinforced concrete U-Shaped Wall (USW), subjected to bidirectional seismic loads, through hybrid tests and numerical models. It is considered as a new progress in seismic design and assessment of buildings located in eastern Canada, framed with U-shaped reinforced concrete cores. USws are generally used to accommodate various services in medium and high-rise buildings, such as stairwells or elevators. They are more importantly used as lateral load resistance systems in such buildings. They have to be designed to ensure appropriate resistance during an earthquake based on their high capacity to undergo inelastic deformations, while limiting lateral displacements. However, their behaviour under bidirectional seismic loads is complex and not yet well understood. Studies on this subject remain very limited and further investigations are still needed. This thesis contributes to advance knowledge in this field.


identifier: Abidi, M. (2021). Multi-Language Design Smells: Characteristics, Prevalence, and Impact  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nos jours, il est courant de voir des équipes de développement combiner plusieurs langages de programmation lors du développement d'un nouveau logiciel. Les sites Web populaires tels que Netflix, Facebook, Instagram et d'autres logiciels modernes sont construits à l'aide de plusieurs langages de programmation. Les avantages en termes de coût de la réutilisation et les avantages qu'offre chaque langage de programmation sont les deux principales raisons qui incitent à utiliser plusieurs langages dans le même système. Les développeurs tirent souvent parti des atouts de plusieurs langages pour faire face aux défis de la création de logiciels complexes. Cependant, malgré les nombreux avantages qu'offrent les systèmes multilangages, ils ne sont pas sans défis. En effet, la combinaison de langages de programmation avec différentes sémantiques et règles lexicales ajoute une complexité supplémentaire aux activités de maintenance et à la compréhension des systèmes multi-langages par rapport auxsystèmes mono-langage, i.e., des systèmes développés avec un seul langage de programmation. La qualité est l'une des préoccupations les plus importantes des logiciels afin de réduire les coûts de maintenance et d'évolution. La qualité du logiciel dépend en partie de l'adoption de directives de bonne pratiques, de patrons de conception et de l'identification et correction de mauvaises pratiques, i.e., des défauts de code et de conception. Ces directives représentent un moyen efficace d'améliorer la qualité des systèmes multi-langages. Elles capturent les bonnes pratiques à adopter et les mauvaises pratiques à éviter. Les patrons de conception décrivent de bonnes solutions aux problèmes de conception récurrents. Au contraire, les défauts de conception sont des symptômes de mauvais choix de conception. Ils représentent des violations des meilleures pratiques qui indiquent souvent la présence de problèmes plus importants. Cependant, pour les systèmes multi-langages, la littérature manque encore d'un ensemble établi de directives, patrons de conception et défauts de conception portant sur la manière de combiner différents langages de programmation afin de maximiser leurs avantages.  ABSTRACT: Nowadays, it is common to see software development teams combine multiple programming languages when developing a new software system. Popular websites such as Netflix, Facebook, Instagram, and other modern software systems are built using several programming languages and technologies. The cost benefits of reuse and advantages of each programming language are two main incentives for using multiple languages in the same system. Developers often leverage the strengths of multiple languages to cope with challenges of building complex software. By using programming languages that complement one another, performance, productivity, and agility may be improved. However, despite the numerous advantages of multi-language systems, they are not without some challenges. Indeed, combining programming languages with different semantics and lexical rules adds an extra complexity to the maintenance activities and comprehension of multi-language systems compared to mono-language systems, i.e., systems developed with one programming language. Software quality is one of the most important concerns for software systems to reduce maintenance, and evolution costs. Software quality partly depends on adopting guidelines, idioms, patterns, and avoiding design smells i.e., code smells and anti-patterns. These guidelines are an effective means of improving the quality of multi-language systems. They capture good practices to adopt and bad practices to avoid. Design patterns describe good solutions to recurring design problems. On the contrary, design smells are symptoms of poor design and implementation choices. They represent violations of best practices that often indicate the presence of bigger problems. However, for multi-language systems, the literature is still lacking an established set of guidelines, design patterns, and design smells on how to combine different programming languages in order to maximise their benefits.


identifier: Racine, I. (2021). Identification des obstacles socio-économiques aux technologies durables dans le domaine de la construction au Québec  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'importance des technologies ainsi que du développement durables est maintenant clairement reconnue auprès des grandes institutions et des différentes industries. L'un des leviers stratégiques les plus efficaces et permettant de favoriser les technologies ainsi que le développement durables (DD) est sans contredit l'économie circulaire (EC). C'est donc sans surprise que les concepts d'EC gagnent en popularité dans diverses industries, dont l'industrie de la construction. Cependant, malgré un nombre élevé de recherches qui ont permis l'aboutissement et la disponibilité de nouvelles technologies, peu d'entre elles réussissent à se tailler une place sur le marché de la construction. Ce mémoire se penche donc sur la question de recherche suivante: Quels sont les obstacles socio-économiques à une hausse de la demande de technologies durables dans le domaine de la construction du Québec ?  La recherche porte donc en premier lieu sur la question des obstacles sociaux, c'est-à-dire au niveau des acteurs de l'industrie de la construction. Une collecte de données a été réalisée via un questionnaire distribué dans l'industrie sur le thème du développement durable et d'une technologie développée à l'Université de Sherbrooke : la poudre de verre recyclé comme ajout cimentaire. À partir de ces données, une analyse économétrique a été réalisée via une régression binomiale de type probit. Les constats réalisés à partir de celle-ci suggèrent qu'un acteur du milieu sera moins enclin à utiliser cet ajout cimentaire lorsque ses connaissances sur le DD et l'EC sont faibles. De plus, la régression soutient qu'une mauvaise compréhension quant à cette technologie particulière amène plusieurs acteurs à ne pas percevoir son avantage environnemental. La seconde section de la recherche se penche sur les obstacles économiques à l'implantation de la poudre de verre recyclé comme ajout cimentaire. Deux scénarios de viabilité économique ont été établis et semblent suggérer qu'il est avantageux économiquement de produire cet ajout cimentaire. Toutefois, l'utilisation de cet ajout reste plus dispendieux pour ses utilisateurs comparé aux cendres volantes et légèrement plus dispendieux qu'un béton n'utilisant que du ciment. Ces deux analyses, mises en parallèle avec la littérature, permettent d'identifier des pistes de solutions pour contourner ces obstacles socio-économiques. Deux de ces solutions sortent du lot et semblent être des pistes cruciales. Soit, un support technique adéquat lors de l'introduction d'un nouveau matériau sur le marché. Ainsi qu'un soutien financier de la part du gouvernement, favorisant l'augmentation de la demande de la poudre de verre recyclé comme ajout cimentaire.  ABSTRACT: The importance of sustainable technologies and development is now clearly recognized by major institutions and various industries. One of the most effective strategic levers to promote sustainable technologies and development is without a doubt the circular economy. It is therefore no surprise that circular economy concepts are gaining popularity in various industries, including the construction industry. However, despite a large amount of research that has led to the development and availability of new technologies, few of these technologies have succeeded in making their way into the construction market. This dissertation therefore addresses the following research question: What are the socio-economic barriers to increasing the demand for sustainable technologies in the Quebec construction industry? The research focuses first on the issue of social barriers, i.e. at the level of the construction industry actors. Data was collected via a survey distributed in the industry on the theme of sustainable development and a technology developed at the University of Sherbrooke: recycled glass powder as a cement additive. From these data, an econometric analysis was performed using a probit binomial regression. The findings suggest that a stakeholder will be less inclined to use SCM when his knowledge of sustainable development and the circular economy in general is low. Furthermore, the regression argues that a lack of understanding about this particular technology leads many actors to fail to perceive its environmental benefit.  The second section of the research looks at the economic barriers to the implementation of recycled glass powder as a supplementary cementing material. Two economic viability scenarios have been established and seem to suggest that it is economically advantageous to produce this SCM. However, the use of this SCM remains more expensive for its users compared to the use of fly ash and also slightly more expensive than a concrete using only cement. These two analyses, when compared to the literature, allow us to identify possible solutions to overcome these socio-economic obstacles. Two of these solutions stand out and seem to be crucial. That is, adequate technical support for the introduction of a new material on the market. As well as financial support from the government to increase the demand for recycled glass powder as a supplementary cementing material.


identifier: Garoosi, F. (2021). Stability and Accuracy of Mesh-free Particle Methods for Free-surface and Multiphase Flows  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal de la thèse de doctorat actuelle est d'améliorer la cohérence et la précision de deux des méthodes de particules lagrangiennes sans maillage les plus largement utilisées, à savoir les modèles d'hydrodynamique des particules lissées (SPH) et les modèles semi-implicites de particules mobiles (MPS) pour simuler un large éventail de les écoulements multiphasiques et les problèmes de convection-diffusion impliquant un transfert de chaleur et de masse. À cette fin, quatre différents opérateurs gradient d'ordre élevé et laplaciens sont d'abord dérivés de l'expansion de la série de Taylor dans les contextes SPH et MPS et sont ensuite utilisés pour la discrétisation des termes de diffusion, l'équation de pression de Poisson (PPE) et la divergence de vitesse dans régir les équations. Afin de conserver la précision globale de la solution, un nouvel algorithme hybride de correction de prédicteur de pression est d'abord développé sur la base de la combinaison du schéma explicite TVD Runge-Kutta du troisième ordre et du modèle de projection en deux étapes, puis est utilisé pour le traitement. des termes transitoires dans les équations de Navier-stokes et de l'énergie et également la gestion du couplage pression-vitesse entre les équations de masse et de quantité de mouvement.  ABSTRACT: The main objective of the current Ph.D. thesis is to enhance consistency and accuracy of two of the most widely used mesh-free Lagrangian particle methods namely Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) and Moving Particle Semi-implicit (MPS) models for simulating a wide range of multiphase flows and convection-diffusion problems involving heat and mass transfer. To this end, four different high-order gradient and Laplacian operators are first derived from the Taylor series expansion in both SPH and MPS contexts and are then employed for the discretization of diffusion terms, Pressure Poisson's equation (PPE), and divergence of velocity in governing equations. In order to retain the overall accuracy of the solution, a novel hybrid predictor-correction solution algorithm is first developed based on the combination of the explicit Third-order TVD Runge-Kutta scheme and two-step projection model and then is employed for the treatment of the transient terms in the Navier-stokes and energy equations and also handling the pressure-velocity coupling between the mass and momentum equations. To enhance the stability of the models, a novel particle regularization scheme so-called Particle Shifting Technique (PST) is introduced in the context of the MPS model and is then applied to circumvent the shortcoming associated with particle clustering/bunching in the Lagrangian framework.