identifier: Dalil, M. (2015). Dehydration of Glycerol to Acrolein in Fluidized Bed Reactor  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'acroléine, un intermédiaire d'importance pour l'industrie chimique, peut-être produite par déshydratation du glycérol. Son procédé commercial de production est actuellement l'oxydation du propylène, en une seule étape, dans un réacteur multitubulaire à lit fixe. Des considérations écologiques alliées aux réserves limitées de carburants fossiles ont toutefois encouragé les chercheurs à développer des substituts et/ou des additifs à ces derniers comme le biodiésel, le bioéthanol ou le biokérosène. Le biodiésel est produit par transestérification d'huiles végétales et de graisses animales. Le principal coproduit du procédé est le glycérol (10% massiques) dont le degré de pureté dépend du procédé employé. Les impuretés comprennent notamment de l'eau et du méthanol ainsi que des traces d'acides gras et de différents composés organiques et inorganiques. La purification du glycérol, par distillation, est l'étape préalable à toutes ses applications, lesquelles sont nombreuses du fait de sa structure multifonctionnelle. Toutefois, l'augmentation rapide de la production de biodiésel n'a pas coïncidé avec celle de ces applications et l'absence de débouchés en volumes suffisants a fait chuter considérablement le cours du glycérol ces dernières années. Cela s'est traduit par une augmentation du ratio en glycérol brut/purifié à cause du coût élevé de la distillation. La déshydratation du glycérol en acroléine constitue ainsi l'une des nombreuses réactions dont le développement vise à transformer un produit chimique bon marché en composé valorisé. Provenant de la biomasse, le glycérol a de plus une empreinte carbone plus faible que les hydrocarbures fossiles. La déshydratation du glycérol a déjà été largement étudiée en phase gaz et liquide. Plusieurs classes de catalyseurs incluant des zéolites, des métal-oxydes mixtes et des hétéropolyacides ont ainsi été décrites sous différentes conditions opératoires. Malgré le développement de systèmes catalytiques très efficaces, la désactivation rapide du catalyseur et le faible rendement en acroléine restent les principaux obstacles à la commercialisation d'un procédé de déshydratation du glycérol. La formation de coke ayant un impact décisif sur la longévité du catalyseur, différentes stratégies ont été proposées pour sa régénération. Jusqu'à présent, peu d'études se sont concentrées sur la désactivation du catalyseur au cours d'une réaction en lit fluidisé. Nous avons évalué la performance catalytique du WO3-TiO2 pour la déshydratation du glycérol dans un réacteur à lit fluidisé de 4.6 cm de diamètre. La solution aqueuse de glycérol a été directement pulvérisée sur le lit de catalyseur sous forme liquide. Les conditions optimales de réaction ont été évaluées en vue d'une étude ultérieure sur la formation de coke. Parmi les facteurs testés, la température de réaction, la fraction molaire d'oxygène dans l'influx gazeux et la concentration de glycérol se sont révélées être les plus influents. L'objectif était vi de maximiser la production d'acroléine tout en réduisant celle de coproduits. Dépendamment des conditions opératoires employées, les principaux coproduits furent l'acétone, le propionaldéhyde, l'acétaldéhyde et l'hydroxyacétone (acétol), l'acide acétique et l'acide formique. Le catalyseur de WO3-TiO2 a conservé toute son activité pendant 6 h continues de réaction au terme desquelles il déshydratait le glycérol en acroléine avec une sélectivité supérieure à 73%. Celle-ci n'était cependant que de 55% après une heure de réaction à une température de 280 �C. Le dépôt de coke sur le catalyseur s'accroit avec le temps : la fraction massique de carbone passe de 2.2% après une heure de réaction au double cinq heures plus tard. Cela améliore graduellement la production d'acroléine tout en réduisant d'autant la sélectivité en coproduits et en coke. Sur la base de la distribution en produits et des intermédiaires détectés, un mécanisme de réaction possible a été proposé pour la déshydratation du glycérol. Un modèle cinétique du premier ordre décrit le taux de réaction de l'oxygène sur les espèces carbonées liées au catalyseur avec une énergie d'activation de 100 kJ mol−1 (R2 > 0.997). Le modèle a été validé à différentes températures, en conditions isothermes et avec des rampes de température. L'oxydation partielle de la coke, en tant que nouvelle stratégie de régénération pour le catalyseur, a amélioré la sélectivité pour l'acroléine de 10% à 25% dans les 15 premières minutes suivant l'injection du glycérol. La conversion de glycérol en coke a dans le même temps été réduite de 34% à 6%. Puisqu'après 6 h de réaction, la production d'acroléine est toujours en régime transitoire, nous avons allongé nos tests jusqu'à atteindre le régime permanent. Celui-ci est atteint pour la conversion en acroléine après 14 h de fonctionnement au terme desquelles la déshydratation du glycérol atteint les 100% de conversion. La sélectivité en acroléine est minimale (5%) en début de réaction et augmente graduellement pour atteindre 73% après 6 h et se maintenir à ce niveau par la suite. Il y a une baisse majeure dans la sélectivité en coproduits (acétone et coke) tout du long des 14 h de réaction. La sélectivité pour la coke passe ainsi de 85% après 5 min à 9% après 14 h. Des échantillons de catalyseur, extraits à une heure d'intervalle, ont été analysés par différentes techniques de caractérisation. Les variations dans la force et le nombre de sites acide/base ont montré une réduction du nombre de sites moyennement ou faiblement acides sur le catalyseur. Le nombre de sites fortement acide n'a en revanche pas varié entre le catalyseur fraichement préparé et celui après 14 h de réaction, ce qui suggère que ces sites sont responsables de l'activité catalytique et de la haute sélectivité en acroléine. Les sites basiques disparaissent après 2 h. Une spectroscopie IFTR-pyridine des catalyseurs frais et usagés ne révèle pas de différence dans l'intensité des bandes d'absorption entre l'échantillon à 6 h et celui à 14 h. La production d'acroléine en régime permanent pourrait donc être attribuée à l'acidité stable (en force et en type) du catalyseur. Le ratio molaire H/C du catalyseur usagé est de 0.26, ce qui suggère que la coke est sous forme polyaromatique. vii Finalement la formation de coke réduit la surface spécifique du catalyseur de 30.5m2/g à 23m2/g après 14 h. Les dépôts de coke n'obstruent donc pas l'orifice des pores du catalyseur mais se déposent plutôt sous forme d'une monocouche le long des parois internes des pores. Des charges d'acid phosphotungstic (HPW) de 10, 20 et 30 wt% massiques été déposées par imprégnation sur deux types de support d'oxide de titane. Les performances des catalyseurs ont été examinées dans les mêmes conditions opératoires dans un microréacteur à lit fluidisé. Les catalyseurs d'oxide de titane pur ont montré la plus faible sélectivité envers l'acroléine et la plus forte pour l'acétol. La sélectivité pour l'acétol diminue ensuite à mesure que la charge en tungstène augmente. D'un autre côté, pour les deux types de supports, 20% s'est révélé être la charge massique optimale d'acid phosphotungstic pour la production d'acroléine (48% de sélectivité) à 280 �C. Une diminution des pores du TiO2 de 17.3nm à 5.6nm fait chuter la sélectivité en acroléine de 48% à 35% tout en triplant la formation de coke. Finalement, nous avons examiné les effets de l'addition de promoteurs de coke tels que la tétraline et la décaline sur les catalyseurs de WO3-TiO2. La forte formation de coke en début de réaction est attribuée à la présence de sites non sélectifs à la surface du catalyseur frais. Les promoteurs de coke couvrent ces sites et augmentent ainsi la sélectivité en acroléine de 10% à 30% dans les 30 premières minutes de la réaction.  ABSTRACT: Acrolein as an important intermediate for the chemical industry can be produced via dehydration of glycerol. Current process for the commercial production of acrolein is a single step propylene oxidation in multi-tubular fixed-bed reactors. The finite reserves of fossil-fuel feedstocks and environmental issues have encouraged researchers to develop substitutes and/or additives for fuels such as biodiesel, bioethanol or biokerosene. Biodiesel is produced through transesterification of vegetable oil and animal fats. The major (10 wt% ) co-product in this process is glycerol which contains impurities such as water, methanol, traces of fatty acids as well as various inorganic and organic compounds. Depending on the type of processes employed for the synthesis of biodiesel, the purity of glycerol could be different. Because of its multifunctional structure, glycerol is used as feedstock or additives in a variety of applications. Prior to any application, however, crude glycerol has to be purified by a distillation step. The value of glycerol has dropped considerably due to a rapid increase in the production of biodiesel and a lack of market for such an enormous production capacity. Regarding the costs of distillation, the ratio of crude/purified glycerol has increased. Therefore, the dehydration of glycerol to acrolein is one of the many reactions under development which aims at converting low cost feedstocks into more value-added products. Moreover, due to its origin from biomass, glycerol exhibits a lower carbon footprint compared to fossil-fuel resources. Dehydration of glycerol has been widely studied in both liquid and gas-phase. Several classes of catalysts including zeolites, mixed metal oxides and heteropolyacids have been previously examined under various reaction conditions. Although very efficient catalytic systems have been developed for the dehydration of glycerol, rapid deactivation of the catalyst and lack of high acrolein yields, are the main obstacles for commercializing this process. Considering the crucial impact of coke formation, several strategies for catalyst regeneration have been proposed. To date, only few studies have focused on catalyst deactivation nor have performed the reaction in fluidized-bed reactors. We have evaluated the catalytic performance of WO3-TiO2 for the dehydration of glycerol in a 4.6 cm diameter fluidized-bed reactor. The aqueous solution of glycerol was directly sprayed on the catalyst bed in liquid form. The optimal reaction conditions were evaluated for further study on coke formation. Reaction temperature, oxygen molar fraction in the gas feed and glycerol concentration were the most effective parameters. The goal was to maximize acrolein selectivity while reducing the formation of by-products. Depending on the operating conditions, the major by-products were acetone, propionaldehyde, acetaldehyde, ix hydroxyacetone (acetol), acetic acid and formic acid. WO3-TiO2 catalyst retained its full activity during the 6 h of the continuous reaction. The catalyst dehydrated glycerol to acrolein at a selectivity exceeding 73% after 6 h time-onstream. However, after 1 h, the acrolein selectivity was only 55% at the reaction temperature of 280 �C. The mass fraction of carbon was 2.2 wt% at 1 h, which doubled after an additional five hours into the reaction. While the acrolein selectivity increased with reaction time, the selectivity of by-products and coke formation decreased. Based on the product distribution and detected intermediates, a possible mechanism has been suggested for the dehydration of glycerol. A first order kinetic model characterizes the rate of carbon oxidation on the catalyst surface with an activation energy of 100 kJ mol−1 (R2 > 0.997). The model was validated at different temperatures, heating ramps and isothermal condition. Partial oxidation of coke, as a new strategy for catalyst regeneration, enhanced the selectivity towards acrolein from 10% to 25% in the first 15 min of reaction. The conversion of glycerol to coke, on the other hand, reduced from 34% down to 6%. As the 6 h long experiment was not sufficient for the selectivity of acrolein to achieve steady state, the reaction time was extended to 14 h. The selectivity of acrolein was minimal (5%) in the fifth minute of reaction; after 6 h it increased to 70% and remained constant. There was a major drop in the selectivity of by-products from the beginning up to 14 h into the reaction. The selectivity towards coke reduced from 85% at 5 min to 9% after 14 h. The catalyst samples withdrawn at one hour intervals, were analysed by various characterization techniques. The number of medium and weak acid sites of the catalyst reduced. However, the number of strong acid sites did not vary from fresh to 14 h samples. The basic sites disappeared after 2 h indicating that by-products formation including 1,2-propanediol and acetone is correlated to these sites. FTIR-pyridine of fresh and used catalysts, revealed no difference in the band intensity between 6 h and 14 h samples. Thus the steady-state production of acrolein could be attributed to the stable acid types of the catalyst. The H/C ratio for the used catalyst was 0.26 suggesting that these compounds were in the form of polyaromatic coke. Finally, coke formation reduced the surface area of the fresh catalyst from 30.5m2/g to 23m2/g after 14 h. Coke deposits entered the pores and established a monolayer on the internal walls of the catalyst pores rather than blocking the entrance. We synthesized catalysts by impregnating 10, 20 and 30 wt% phosphotungstic acid (HPW) on two types of titania supports. The performance of the catalysts was examined under the same conditions in a micro fluidized-bed reactor. Pure titania catalysts showed the lowest selectivity towards acrolein and the highest towards acetol. As the tungsten loading increased, selectivity of acetol decreased. On the other hand, for both supports, 20 wt% was the optimal loading for the maximum production of acrolein (48%) at 280 �C. x Consequently, the effect of pore size of the titania supports on acrolein selectivity and coke formation was studied. The selectivity of acrolein for the pore sizes of 17.3nm and 5.6nm was 48% and 35%, respectively. Coke formation, on the other hand, was three times higher for the smaller pore diameter. At the end, we examined the effect of adding hydrogen rich coke promoters such as tetralin and decalin to the prepared catalysts. Severe coke formation in the first 30 min of reaction is attributed to the presence of non-selective sites on the surface of the fresh catalyst. Coke promoters covered these sites and increased the selectivity of acrolein from 10% to 30% in the first 30 min of reaction.


identifier: Hernandez, S. (2015). Développement d'une méthode d'apprentissage par projet pour l'enseignement de la modélisation multicorps appliquée au corps humain  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La modélisation multicorps est un outil d'ingénierie très utilisé à travers le monde pour résoudre des problèmes de cinématique et de dynamique de divers mécanismes. Son application au corps humain a vécu une grande révolution au cours des dernières décennies dans le milieu de la recherche, permettant notamment d'estimer les forces musculaires et les couples articulaires de manière non invasive. Le recours à des modèles humains est donc devenu de plus en plus populaire et pertinent pour l'industrie des produits de santé et les applications cliniques. En outre, la modélisation multicorps s'intègre de plus en plus dans les processus de décision pour la conception de produits tels que les exosquelettes, les prothèses, les orthèses ou encore l'évaluation fonctionnelle du corps humain. En particulier, beaucoup d'efforts ont été effectués dans les dernières années pour combiner cet outil avec d'autres outils tels que les logiciels de conception assistée par ordinateur et d'éléments finis afin de pouvoir faire des études plus complètes de conception et d'analyse. Or, malgré le fait que la modélisation multicorps est très complexe, cette matière est relativement peu enseignée de manière systématique, et généralement apprise sur le tas en recherche ou en industrie, limitant grandement les capacités d'utilisation et de développement des ingénieurs. Par conséquent, il est nécessaire de mettre en place une méthodologie d'apprentissage permettant d'intégrer cette matière dans la formation des ingénieurs en biomédical et en mécanique. Ainsi, le but de cette thèse de maitrise est de proposer une méthodologie d'apprentissage par projet pour faciliter l'enseignement des bases de la modélisation multicorps appliquée au corps humain, afin que les étudiants puissent ensuite envisager des développements plus avancés sur base d'un socle de compétences solide et standardisé. La méthode générale a consisté à identifier le matériel, les méthodologies et les défis des milieux professionnels de la modélisation multicorps. Ensuite, un projet pilote a été proposé à une classe de cycles supérieurs de génie biomédical, suivi d'une étape d'identification des difficultés et des défis de l'apprentissage de la modélisation multicorps dans la littérature et par le biais d'entrevues. Enfin, une méthodologie d'apprentissage par projet a été construite en se basant sur les méthodologies et matériels identifiés dans le milieu professionnel et répondant aux difficultés identifiées. Les résultats principaux de cette étude permettent (1) d'identifier les difficultés principales relatives à l'apprentissage et à l'utilisation de la modélisation multicorps appliquée au corps humain (2) de conclure que la méthodologie de projet ne doit pas seulement utiliser de la simulation mais doit s'accompagner d'un dispositif physique. En particulier, les résultats montrent que l'utilisation de prototypage rapide permet de proposer un projet simplifié tout en restant concret et en répondant aux difficultés identifiées.Les perspectives de cette étude sont de développer une méthodologie avancée augmentant la complexité du projet et du dispositif physique pour atteindre des modèles d'une sophistication semblable aux modèles utilisés dans l'industrie et la clinique.  ABSTRACT: Multibody modeling is an engineering tool widely used to solve kinematics and dynamics problems for various mechanisms. Its application to the human body modeling by the research community has gone through a revolution in the last decades, enabling to estimate muscle forces and joint torques in a non-invasive way. Therefore, the use of human-like models has become increasingly popular and very relevant to the health industry and for clinical applications. In addition, multibody modeling is more and more involved in the decision-making process for the design of products interacting closely with the human body such as exoskeletons or prosthetics. Particularly, many efforts have been made recently to combine this tool with other tools such as computer-aided design software packages and finite elements analysis in order to make more thorough design and analysis studies. However, despite the complexity inherent to learning of multibody modeling, it is rarely taught in a systematic way, and is usually learned in ad-hoc manner in both research and or industry, thus limiting greatly the capacity of cooperation and development for engineers. Therefore, it is necessary to develop a learning methodology allowing one to incorporate this material in the training of engineers and more particularly biomedical and mechanical engineers. Therefore, the aim of this Masters thesis is to provide a project based learning methodology to facilitate the teaching of the basics of multibody modeling applied to the human body, so that students could then consider more advanced developments on the basis of stronger and better standardized skills. The general approach proposed in this master thesis is to build on the methodology of real-world project development in the field of biomedical and mechanical engineering involving multibody modeling steps, to offer a project using professional tools and techniques. Then a step of identification of the difficulties and challenges for learning multibody modeling is carried out using data collected from literature and from semi-structured interviews leading to a proposed project-based learning methodology meeting the identified challenges. The main results of this master project allow (1) to identify the main difficulties in learning and using multibody modeling applied to the human body (2) to conclude that the proposed methodology should not only use simulation but must be accompanied by a physical prototype. In particular, the results show that the use of rapid prototyping enables one to offer a simplified project while still addressing the identified challenges. The prospects of this study are to develop a methodology increasing both the project and the physical device complexity to reach a similar sophistication compared with models used in the industry and by clinicians.


identifier: Berton, F. (2015). Analyse automatique des images échographiques de la colonne vertébrale  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'échographie est une modalité d'imagerie médicale généralement utilisée pour visualiser les tissus mous dans différentes applications cliniques. Cette technique est très avantageuse étant donné son faible coût, sa portabilité et surtout l'absence de rayons ionisants pour former des images. Cependant, le contenu de ces images est complexe et peut être difficile à interpréter même pour un expert. De plus, afin d'obtenir des images échographiques exploitables, un positionnement adéquat de la sonde est nécessaire lors de l'acquisition. Ces deux inconvénients sont encore plus importants lors de l'acquisition d'images de structures osseuses. Ces structures réfléchissent entièrement les ondes ultrasonores, créant ainsi des surfaces très brillantes et des ombres acoustiques en dessous d'elles, rendant ainsi leur interprétation encore plus complexe. Dans le cas d'une vertèbre, la surface de l'apophyse épineuse est tellement petite que sa brillance est particulièrement dépendante de l'orientation et de la position de la sonde. D'autre part, la forme complexe de la vertèbre rend la frontière de son ombre acoustique plus  difficile à définir. Cependant l'utilisation de l'échographie de la colonne vertébrale à la place de radiographies lors du suivi clinique de patients atteints de scoliose pourrait réduire le cumul de radiation. Plusieurs méthodes utilisant l'échographie ont été développées ces dernières années afin d'évaluer la scoliose ou de réajuster le corset pour des patients atteints de scoliose idiopathique adolescente (SIA). Ces méthodes requièrent des images de bonne qualité et une segmentation manuelle du contenu. Dans ce projet, nous proposons d'effectuer une analyse automatique des images échographiques vertébrales afin de comprendre le modèle de formation de ces images et de segmenter automatiquement les structures d'intérêt. Dans un premier temps, nous avons développé une méthode de segmentation automatique de l'apophyse épineuse et de l'ombre acoustique dans les images échographiques vertébrales afin d'aider l'utilisateur à interpréter ce type d'images. Cette méthode s'appuie, tout d'abord, sur l'extraction de différentes caractéristiques et leur validation afin de sélectionner l'ensemble le plus pertinent. Puis un classifieur est utilisé afin d'associer chaque pixel de l'image à une des trois régions suivantes : apophyse épineuse, ombre acoustique ou autres tissus. Finalement, une étape de régularisation est appliquée afin de prendre en compte les différentes propriétés des vertèbres. Nous avions une base de données contenant 181 images échographiques, mais nous n'en avons utilisé que 107, car seules celles-ci avaient une qualité acceptable. Un taux de classification de 84% pour l'apophyse épineuse et de 92% pour l'ombre acoustique ont été obtenus. De plus, le centroïde de l'apophyse épineuse segmentée se trouvait en  moyenne à 0.38 mm de celui de la vérité terrain, provenant d'une segmentation manuelle validée par un radiologue. Nous avons aussi évalué la précision de la méthode proposée en comparant les régions segmentées automatiquement à celles délimitées manuellement et avons obtenu un coefficient de similarité DICE de 0.88 pour l'ombre acoustique et de 0.72 pour l'apophyse épineuse.  ABSTRACT: Ultrasound (US) imaging is a medical imaging modality that is often used to visualize soft tissues in the human body in various clinical applications. This technique has several important advantages, in particular its low cost, portability, and the fact that it is radiation-free. However, the content of US images is rather complex and can be hard to interpret even for an expert. Furthermore, the quality of the content of US images will depend of the positioning of the probe during the acquisition. When measuring bone surfaces, these two disadvantages are accentuated. Indeed, the acoustic waves are entirely reflected by these hard structures, thereby creating bright surfaces with acoustic shadows below them, which make the interpretation of such images even more challenging. In the case of a vertebra, the surface of the spinous process is so small that its appearance in US images will strongly depend on the orientation and position of the probe. Moreover, it can be difficult to determine the boundary of the acoustic shadow created by the bone structure given the complicated shape of the vertebra. Nevertheless, in the clinical monitoring of scoliosis, using US images of the spine instead of X-rays could be very useful to reduce the cumulative radiation received by patients. In recent years, several methods using US imaging to evaluate scoliosis, or to adjust the brace in the treatment of adolescent idiopathic scoliosis (AIS), have been developed. These methods require good quality images and use manual segmentation of the image content. In this project, we propose a framework for the automatic analysis of US images of the spine (vertebrae) that utilizes an image formation model and an automatic segmentation of the regions of interest. First, we developed an automatic segmentation method to detect the spinous process and the acoustic shadow in the US images, aimed at helping the end user interpret the images. This method uses feature extraction and selection process in order to determine the most relevant set of features. The aim of the classification task is to discriminate three different regions: spinous process, acoustic shadow and other tissues. An LDA classifier is used to assign each image pixel to one of the three regions. Finally, we apply a regularization step which exploits several properties of vertebrae. Using a database of 107 US images, we obtained a classification rate of 84% for the spinous process and 92% for the acoustic shadow. In addition, the centroid of the automatically segmented spinous process was located 0.38 mm on average from that of the ground truth, as provided by a manual labelling that was validated by a radiologist. We also compared the automatically and manually segmented regions and obtained DICE similarity coefficients of 0.72 and 0.88 for the spinous process and acoustic shadow respectively.


identifier: Kaviani, R. (2015). Effect of Dynamic Loading Parameters on the Biomechanics and Biology of in Vitro Modulated Growth Plate Explants  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La croissance longitudinale des os est gouvernée par l'ossification endochondrale, un processus pouvant être affecté par les chargements mécaniques. La régulation de la croissance osseuse par l'environnement mécanique réfère à la modulation mécanique de la croissance. Ce processus est considéré comme un facteur clé de la progression des déformations angulaires pendant le développement, comme la scoliose juvénile et adolescente. Récemment, le concept de modulation mécanique a été exploité pour le développement des traitements sans fusion de la scoliose en modulant localement la croissance vertébrale. La croissance longitudinale des os s'opère au droit des plaques de croissance situées aux extrémités des os longs et des vertèbres. Elle résulte d'une séquence spatio-temporelle contrôlée des chondrocytes à travers les trois zones (réserve, proliférative, hypertrophique) de la plaque de croissance.  Le processus commence par la prolifération des chondrocytes à la limite de la zone de réserve, puis les chondrocytes se divisent et prolifèrent rapidement en formant des colonnes verticales. Après prolifération, les chondrocytes s'hypertrophient; leur volume est augmenté jusqu'à 7 fois. Enfin, le cartilage se calcifie et est envahi par les vaisseaux sanguins. La forme, la taille et l'organisation des chondrocytes ainsi que la composition de la matrice extracellulaire sont différentes dans les trois zones de la plaque de croissance. Dans cette étude, les effets des paramètres de chargement statiques et dynamiques sur les réponses biomécaniques et biologiques de la plaque de croissance ont été étudiés à trois niveaux. Tout d'abord, la viabilité des chondrocytes a été étudiée en réponse à différents paramètres. Cette étape a permis d'identifier l'ensemble des paramètres les moins dommageables pour la viabilité. D'autre part, les caractéristiques mécaniques des explants de la plaque de croissance ont été caractérisées en termes de patrons de déformation du tissu. Enfin, dans le but de trouver les relations entre les propriétés biomécaniques et les protéines structurales principales de la plaques de croissance, les contenus de protéines clés de la matrice extracellulaire ainsi que leur localisation ont été évalués. Dans ce projet, des explants de plaques de croissance porcines de quatre semaines ont été utilisés. Les explants ont été divisés en dix groupes expérimentaux: 1) référence, 2) contrôle, 3) trois groupes statiques et cinq groupes dynamiques. La modulation mécanique a été effectuée en utilisant un bioréacteur sous des conditions standard de culture.  ABSTRACT: Longitudinal bone growth is mediated through endochondral ossification, a process that can be affected by mechanical loading. The regulation of bone growth by mechanical loading is referred to as mechanical modulation of bone growth and is considered to be the underlying factor for the progression of angular developmental deformities, such as juvenile and adolescent scoliosis. Recently, the concept of mechanical modulation has been exploited for development of fusionless treatments of scoliosis by locally modulating vertebral bone growth. Longitudinal bone growth occurs in growth plate cartilage located at the extremities of long bones and vertebrae. Bone growth is the result of a precisely controlled sequence of cell proliferation and differentiation. The growth process starts with chondrocytes at the end of reserve zone of growth plate, which start to divide and proliferate rapidly in a vertical columnar arrangement. After their proliferation stage, chondrocytes undergo hypertrophy, where their volume is increased up to 7 folds. Finally, the cartilage is calcified and invaded by blood vessels. Not only the shape, size and arrangement of chondrocytes are different in the three growth plate zones but the composition of extracellular matrix is also different. To date, many studies have evaluated the effects of different types of loading on growth plate responses with the purpose of finding the optimal loading condition for fusionless treatments. However still the effects of static vs. dynamic loading and dynamic loading parameters on biomechanical responses and biological responses of growth plate have not been fully identified. The goal of this thesis was to evaluate the effects of static vs. dynamic and dynamic loading parameters on growth plate biomechanical and biological responses. This has been investigated at three levels. First, chondrocytes viability was evaluated in response to each set of parameters. This step allowed identifying the most detrimental sets of parameters. Secondly, the mechanical characteristics of growth plate explants were characterized in terms of tissue strain patterns. Finally, in order to find the relationships between biomechanical properties and main structural proteins of growth plates, the protein content quantification and localization were performed.  Growth plate explants from 4-week old swine were used in this project. The explants were divided into ten experimental groups: 1) baseline, 2) control, 3) three static groups and five dynamic groups. Mechanical modulation was performed using a bioreactor maintained in standard culture conditions. After mechanical modulation and culturing or right after dissection for baseline samples, each sample was divided into three parts for the three different levels of study.


identifier: Akhiate, A. (2015). Effet de la teneur en carbone sur la résistance du CA6NM à la propagation des fissures de fatigue  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'amélioration des performances des roues de turbines hydrauliques a fait l'objet de plusieurs études. Dans ce mémoire, on s'est intéressé à l'effet de la teneur en carbone du matériau de base de type CA6NM des aubes de turbines sur la microstructure et les propriétés mécaniques en général et en particulier sur le comportement en fatigue propagation. De manière à bien atteindre cet objectif, on a choisi trois différentes nuances d'acier à faible 0.018% C, moyenne 0.033% C et élevée 0.067% C teneurs en carbone. Le 0.018% C et 0.067% C ont été fabriqués par le même facturier et ils ont subi des traitements thermiques différents. De même, le 0.033% C a subi des traitements thermiques différents des deux autres après avoir été coulé par un autre fabricant. Afin d'effacer l'historique des traitements thermiques préalablement effectués et d'avoir la même taille de grains parents austénitiques (GPA), on a austénitisé les trois nuances d'acier à la même température 1040°C, à différentes périodes suivant la teneur en carbone. Après avoir homogénéisé la GPA, on a entamé le revenu. Le carbone a une influence sur la microstructure revenue notamment la quantité d'austénite de réversion ainsi que sur sa stabilité thermique et mécanique. Pour mettre en évidence l'effet de la teneur en carbone, on a trouvé raisonnable d'isoler les effets reliés à la température de revenu, en particulier la formation d'austénite de réversion. En effet, on a choisi deux températures de revenu. La première température est à 550°C pendant 2h imposée aux trois matériaux afin d'avoir une microstructure sans austénite de réversion. La deuxième température choisie est à 610°C pour avoir un maximum et une identique quantité d'austénite de réversion sans présence de martensite fraîche. À la lumière de ces deux microstructures, nous pouvons établir une relation entre les propriétés mécaniques du CA6NM et la teneur en carbone, ainsi qu'entre les effets de la présence ou non d'austénite de réversion sur les propriétés mécaniques. Les résultats montrent que l'effet de la teneur en carbone est plus significatif sur les propriétés mécaniques monotones de traction et de résilience des alliages sans austénite de réversion. En effet, la limite d'élasticité, la résistance à la traction et la dureté augmentent avec la teneur en carbone par contre l'allongement diminue. D'autre part, l'augmentation de la température et de la durée de revenu diminuent leur dureté.  ABSTRACT: The improved performance of hydraulic turbine runners was the subject of several studies. In this paper we are interested in the effect of the carbon content of CA6NM type of base material turbine blades on the microstructure and mechanical properties in general and in particular on the fatigue propagation behavior. In order to achieve this well, we chose three different grades of steel low 0.018% C, 0.033% C average and 0.067% C high carbon content. The 0.018% C and 0.067% C were manufactured by the same factory and have undergone different heat treatments. Similarly, the 0.033% C has undergone different thermal treatments of the other two having been cast by another manufacturer. To clear the history of thermal treatments previously performed and have the same size of the prior austenite grains (GPA) .We have three austenitized steel grade at the same temperature 1040°C at different period depending of the carbon quantity. After homogenizing the GPA, the tempering was started. Carbon has an effect on the microstructure tempering including the amount of austenite reversion as well as its thermal and mechanical stability. To highlight the effect of the carbon content, we found reasonable to isolate the effects related to the tempering temperature, especially formation of austenite reversion. Indeed we chose two tempering temperatures: the first temperature to 550°C for 2 hours to three materials to have a microstructure without austenite reversion. The second selected temperature is tempering at 610°C for a maximum and the same amount of austenite reversion without the presence of fresh martensite. In light of these microstructures, we can establish a relationship between the mechanical properties of CA6NM and the carbon content and the effects of the presence or absence of austenite reversion on the mechanical properties. The effect of carbon content is more significant on the monotonous mechanical properties of tensile strength and toughness of the alloys without reversion austenite. Indeed the limit of elasticity and the tensile strength and the hardness increases with carbon content against the elongation decreases. On the other hand, the increase in temperature and lasted income decreased hardness. In CA6NM microstructure income at 610 ° C for 8 hours, it is the effect of the austenite reversion is dominant.


identifier: Mousavi Eshkevari, L. (2015). Automatic Detection and Classification of Identifier Renamings  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le lexique du code source joue un rôle primordial dans la maintenabilité des logiciels. Un lexique pauvre peut induire à une mauvaise compréhension du programme  et  à l'augmentation des erreurs du logiciel. Il est donc important que les développeurs maintiennent le lexique de leur code source en renommant les identifiants afin qu'ils reflètent les concepts qu'ils expriment. Dans cette thèse, nous étudions le lexique et proposons une approche  pour détecter et classifier les renommages des identifiants dans le code source. La détection des renommages est basée sur la combinaison de deux techniques: la différenciation des codes sources et l'analyse de flux de données. Tandis que le classificateur de renommage utilise une base de données ontologique et un analyseur syntaxique du langage naturel pour classer les renommages selon la taxonomie que nous avons défini. Afin d'évaluer l'exactitude et l'exhaustivité du détecteur de renommage, nous avons réalisé une étude empirique sur  l'historique de cinq programmes  Java open-source. Les résultats de cette étude rapportent  une précision de 88% et un rappel 92%.   Nous avons également mené une étude exploratoire qui analyse et  discute comment les identifiants sont renommés, selon la taxonomie proposée, dans les cinq programmes Java de l'étude précédente. Les résultats de cette étude exploratoire montrent qu'il existe des renommages dans chaque dimension de notre taxonomie. Afin d'appliquer l'approche proposée aux programmes PHP, nous avons adapte notre détecteur de renommages pour prendre en compte les caractéristiques inhérentes  à  ces programmes.  Une étude préliminaire effectuée sur trois programmes PHP montre que  notre approche est applicable aux programmes PHP. Cependant, ces programmes ont des tendances de renommages différentes de celles observées dans les programmes Java.   Cette thèse propose deux résultats. Tout d'abord, la détection et la classification des renommages et un outil, qui peut être utilisé pour documenter les renommages. Les développeurs seront en mesure de, par exemple, rechercher  des méthodes qui font partie de l'interface de programmation car celles-ci impactent les applications clientes. Ils pourront également identifier les incohérences entre le nom et la fonctionnalité d'une entité en cas de renommage dit risqué comme lors d'un renommage vers un antonyme. Deuxièmement, les résultats de nos études nous fournissent des leçons qui constituent une base de connaissance et de conseils pouvant aider les développeurs à éviter des renommages inappropriés ou inutiles et ainsi maintenir la cohérence du lexique de leur code source.  ABSTRACT: Source code lexicon plays a paramount role in software maintainability: a poor lexicon can lead to poor comprehensibility and increase software fault-proneness. For this reason, developers should maintain their source code lexicon by renaming identifiers when they do not reflect the concepts that they should express. In this thesis, we study lexicon and propose an approach to detect and classify identifier renamings in source code. The renaming detection is based on a combination of source code differencing and data flow analysis, while the renaming classifier uses an ontological database and a natural language parser to classify renamings according to a taxonomy we define. We report a study—conducted on the evolution history of five open-source Java programs—aimed at evaluating the accuracy and completeness of the renaming detector. The study reports a precision of 88% and a recall of 92%. In addition, we report an exploratory study investigating and discussing how identifiers are renamed in the five Java programs, according to our taxonomy. Moreover, we report the challenges and applicability of the proposed approach to PHP programs and report our preliminary results of renaming detection and classification for three programs. This thesis provides two outcomes. First, the renaming detection and classification approach and tool, which can be used for documenting renamings. Developers will be able to, for example, look up methods that are part of the public API (as they impact client applications), or look for inconsistencies between the name and the implementation of an entity that underwent a high risk renaming (e.g., towards the opposite meaning). Second, pieces of actionable knowledge, based on our qualitative study of renamings, that provide advice on how to avoid some unnecessary renamings.


identifier: Bonguet, A. (2015). Déni-de-service: Implémentation d'attaques XML-DOS et évaluation des défenses dans l'infonuagique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'infonuagique est un paradigme informatique dont la popularité et les usages n'ont fait que croître ces dernières années. Il doit son succès à sa grande adaptabilité et capacité de mise à l'échelle, ainsi qu'à sa facilité d'utilisation. Son but est de permettre à l'individu ou à l'entreprise d'utiliser des ressources informatiques qu'il ou elle ne possède pas physiquement, en utilisant des techniques déjà connues et éprouvées comme la virtualisation et les services web. Plusieurs modèles d'infonuagique existent, selon la fonctionnalité recherchée. Par exemple, déposer, partager et accéder depuis n'importe quel terminal un fichier sur Dropbox, et exécuter une application extrêmement gourmande en ressources sur une machine louée le temps de l'exécution sont deux exemples d'utilisation de l'infonuagique. Le modèle d'infonuagique influe sur la portion des ressources gérées par l'utilisateur, en comparaison des ressources gérées par le fournisseur. Dans le cas de Dropbox, l'utilisateur n'a pas besoin de se soucier des ressources allouées à sa requête ni de savoir quel système d'exploitation a servi ou encore comment est gérée la base de données, alors que dans l'autre cas tous ces paramètres rentreront probablement en compte et seront donc à la charge de l'utilisateur. Un réseau d'infonuagique peut tout autant être un réseau public accessible de tous moyennant finances, qu'un réseau privé bâti et utilisé seulement par une entreprise pour ses propres besoins. L'attrait considérable de l'infonuagique, pour les particuliers comme pour les entreprises, augmente par le fait même les risques liés à la sécurité de ces réseaux, ceux-ci devenant une cible de choix pour les attaquants. Ce risque accru allié à la confiance que l'utilisateur doit porter au fournisseur pour gérer et protéger ses données explique que nombreux sont ceux encore réticents à utiliser l'infonuagique, que ce soit pour des questions de confidentialité pour une entreprise ou de vie privée pour un particulier. La diversité des technologies utilisées implique une grande variété d'attaques possibles. Notamment, les réseaux d'infonuagique pâtissent des mêmes vulnérabilités que les réseaux conventionnels, mais également des failles de sécurité liées à l'utilisation de machines virtuelles. Cependant, ces menaces sont dans l'ensemble bien connues et la plupart du temps des mesures sont mises en place pour les contrer. Ce n'est pas le cas des vulnérabilités liées à l'utilisation des services web, utilisés abondamment dans le cas de l'infonuagique.  Les réseaux d'infonuagique se donnent pour but d'être accessibles depuis n'importe où et n'importe quel appareil, ce qui passe nécessairement par l'utilisation de services web. Or les serveurs web sont extrêmement vulnérables aux attaques de type XML-DoS, mettant à profit des requêtes SOAP (Simple Object Access Protocol) utilisant un message XML malveillant. Ces attaques ont pour but d'utiliser une très grande partie si ce n'est pas toutes les ressources CPU et mémoire de la machine hébergeant le serveur web victime, la rendant indisponible pour des utilisateurs légitimes, ce qui est le but recherché lors d'une attaque de déni de service. Ces attaques sont extrêmement intéressantes d'un double point de vue. Elles sont tout d'abord très difficiles à détecter, car l'utilisateur qui en est à l'origine est perçu comme un utilisateur légitime (attaque au niveau de la couche application, donc impossible de la détecter au niveau de la couche TCP/IP). De plus, elles présentent une dissymétrie importante entre les ressources dont l'attaquant a besoin pour monter l'attaque, et les ressources nécessaires pour traiter la requête. En effet, une requête SOAP mal formée bien que très basique peut déjà demander des ressources considérables au serveur web victime. Ce type d'attaques ayant été assez peu étudié, malgré son efficacité et l'omniprésence des services web dans l'infonuagique, nous nous sommes proposé de démontrer et de quantifier l'impact que peuvent avoir ces attaques dans le cadre de l'infonuagique, pour ensuite proposer des solutions possibles pour s'en défendre. Nous avons jugé qu'il était plus approprié de recourir à des outils de simulation pour mener nos travaux, pour plusieurs raisons comme notamment la possibilité de suivre de façon précise l'évolution des ressources des différents serveurs du réseau, et la plus grande liberté qui nous était laissée de construire notre propre topologie.  Notre première contribution est de mettre en avant les équipements vulnérables dans un réseau d'infonuagique, et les différentes façons de les attaquer, ainsi que les différents types d'attaques XML-DoS. Cette analyse nous a permis d'apporter notre deuxième contribution, qui consiste à utiliser et à modifier en profondeur un simulateur d'infonuagique (le simulateur GreenCloud, basé sur le simulateur NS2) afin de le rendre apte à l'étude des attaques XML-DoS et plus réaliste. Une fois ces changements effectués, nous montrons l'efficacité des attaques XML-DoS et les répercussions sur les usagers légitimes. Par ailleurs, nous réalisons une comparaison critique des principales défenses contre les attaques XML-DoS et contre les services web en général, et sélectionnons celle qui nous semble la plus pertinente, afin de la mettre à l'épreuve de la simulation et de mesurer son efficacité. Cette efficacité doit être démontrée aussi bien en terme de capacité à déjouer l'attaque menée à l'étape précédente, que de précision en terme de "false positives" et "false negatives". Un des défis majeurs consiste en effet à concilier une défense qui se veut universelle pour toutes les machines du réseau, tout en étant capable de s'adapter à la grande hétérogénéité des services web qui cohabitent au sein d'un réseau d'infonuagique. Ces expérimentations sont alors l'objet de discussions et de conclusions sur la position à adopter quant aux attaques XML-DoS dans les réseaux d'infonuagique, notamment les défenses à adopter et les pratiques à observer, la défense choisie à l'étape précédente ayant montré quelques limitations. Nous sommes partis de l'hypothèse que chacun des modèles d'infonuagique pouvait être touché par ce type d'attaques, bien que de façons différentes. Quel que soit le modèle d'infonuagique, il peut en effet avoir recours à des services web et se retrouve donc vulnérable d'une façon ou d'une autre, qu'il s'agisse d'un serveur web gérant toutes les requêtes entrantes des utilisateurs, ou un serveur web qu'un utilisateur a lui-même installé sur une machine virtuelle qu'il loue au fournisseur. Nous avons aussi jugé essentiel d'introduire les spécificités liées à l'utilisation de machines virtuelles, comme la compétition pour les ressources entre machines virtuelles situées sur une même machine physique.  ABSTRACT: Cloud Computing is a computing paradigm that has emerged in the past few years as a very promising way of using highly scalable and adaptable computing resources, as well as accessing them from anywhere in the world and from any terminal (mobile phone, tablet, laptop...). It allows companies or individuals to use computing infrastructures without having to physically own them, and without the burden of maintenance, installations, or updates. To achieve that, Cloud Computing uses already known and tested technologies such as virtualization and web services. Several Cloud Computing models exist, divided by how much of the infrastructure the user is in charge of, ranking from nothing at all (the provider is in charge of everything, from the operating system to the applications installed) to managing a whole virtual machine without even an operating system preinstalled. For instance, sharing and accessing a document on Dropbox, or running a resource intensive application on a rented machine, are both exemples of what can be done with Cloud Computing. In the case of Dropbox, the user doesn't care what resources are allocated for his requests, no more than he needs to know on what operating system the request was run or how the database was accessed. But all those aspects will be part of what the user has to know and adjust in the second case. A Cloud Computing network can be public, as it is the case for Amazon, which allows you to access its resources if you pay for it, or private, if a company decides to build a cluster for its own needs. The strong appeal of Cloud Computing, for both businesses and individuals, dramatically increases the security risks, because it becomes a key target for attackers. This increased risk, added to the confidence the users must have in their services provider when it comes to managing and protecting their data, may explain why many are still reluctant to take the leap to Cloud Computing. For instance, a company may be reluctant for confidentiality reasons, while individuals may hesitate for privacy concerns. The broad range of technologies used in Cloud Computing makes it at risk for a wide variety of attacks, since it already comes with all the vulnerabilities associated with any conventional network, and all the security breaches that affect virtual machines. However, those threats are usually well documented and easily prevented. But this is not the case of the vulnerabilities that come from the use of web services, that are heavily used in Cloud Computing.  Cloud Computing networks aim at being accessible from all over the world and on almost any device, and that implies using web services. Yet, web services are extremely vulnerable to XML-DoS type of attack. Those attacks take advantage of Simple Object Access Protocol (SOAP) requests using a malicious XML content. Those requests can easily deplete a web server from its resources, be it CPU or memory, making it unavailable for legitimate users; this is exactly the goal of a denial-of-service attack. The XML-DoS attacks are extremely interesting in two ways. First, they are very hard to detect, since the attack takes place on the application layer, so the user appears to be legitimate (it's impossible to detect it on the TCP/IP layer). Second, the resources needed to mount the attack are very low compared to what is needed on the web server side to process even a basic but malformed request. This type of attack has been surprisingly left quite aside, despite its efficiency and the omnipresence of web services in Cloud Computing networks. This is the reason why we decided to prove and quantify the impact such attacks can have on Cloud Computing networks, to later propose possible solutions and defenses. We estimated that using a simulated environment was the best option for various reasons, like the possibility to monitor the resources of all the servers in the network, and the greater freedom we had to build our own topology.  Our first contribution is to emphasize the vulnerable equipments in a Cloud Computing network, and the various ways to attack them, as well as the various forms an XML-DoS attack can take. Our second contribution is then to use, modify and improve a Cloud Computing simulator (the GreenCloud simulator, based on NS2), in order to make the study of XML-DoS attacks possible. Once the changes are made, we show the efficiency of XML- DoS attacks, and the impact they have on legitimate users. In addition, we compare the main existing defenses against XML-DoS attacks and web services attacks in general, and pick the one that seems to be best suited to protect Cloud Computing networks. We then put this defense to the test in our simulator, to evaluate its efficiency. This evaluation must take into consideration not only the ability to mitigate the attack we led in the previous step, but also the number of false positives and false negatives. One of the major challenges is to have a defense that will conciliate the ability to protect all the machines in the network, while still being able to adapt to the great heterogeneity of the various web services hosted at the same time in a Cloud Computing network. Those experimentations are then subjected to discussions and conclusions on the decisions to take when it comes to XML-DoS attacks. In particular, what defenses should be adopted and what practices should be followed, because the evaluation of the defense at the previous step will show that it may not be the optimal solution; this will be our final contribution. We made the assumption that all the Cloud Computing models could be the target of a XML-DoS attack in some way. No matter the model, it can actually use web services and is then vulnerable to those attacks, whether it is a web server handling incoming requests for all the users, or a web server a user installed on the virtual machine he rents. We thought it was essential to take into consideration the specificity of virtual machines, such as the contention for resources when they are located on the same physical machine.


identifier: Lemyre Garneau, M. (2015). Modelling of a Solar Thermal Power Plant for Benchmarking Blackbox Optimization Solvers  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: On propose une famille de problèmes d'optimisation originaux pouvant servir de banc d'essai pour les algorithmes d'optimisation de boîtes noires. Les problèmes proposés varient en terme de nombre de variables (5 à 29), de leur type (discrètes, continues, de catégories), du nombre et du type de contraintes (de 5 à 17 contraintes binaires ou continues) ainsi qu'au niveau du nombre de fonctions objectif et de leur nature. Le but étant de tester la performance d'algorithmes d'optimisation pour des problèmes réels d'ingénierie, un modèle numérique d'une centrale électrique solaire thermique avec système de stockage de chaleur à sel fondu a été développé et implémenté. Le modèle simule le fonctionnement des principales composantes d'une telle centrale, soit un champs d'héliostats, un récepteur solaire à cavité, un système de stockage thermique, un échangeur de chaleur et une turbine à vapeur reliée à un alternateur. Afin d'éviter un trop grand nombre de variables, le champs d'héliostats est généré selon une stratégie gloutonne qui consiste à choisir les positions au plus haut rendement individuel en tenant compte de l'efficacité de surface, de  l'atténuation atmosphérique et des effets de dépassement. La performance de l'ensemble du champs d'héliostats est calculée par une méthode de Monte-Carlo afin de tenir compte des effets d'ombrage. Les résultats de cette évaluation sont utilisés comme valeurs d'entrées afin de calculer l'évolution du niveau et de la température des unités de stockage au cours de la période simulée. La méthode NUT (nombre d'unité de transfert) est utilisée afin de simuler la performance de l'échangeur de chaleur pour transférer l'énergie du stockage vers le cycle thermique servant à alimenter la turbine de façon à répondre à un profil de demande variable. Quelques modèles auxiliaires sont utilisés afin de générer des contraintes d'optimisation sur le budget, les pertes d'opération et les défaillances. Des résultats sommaires d'optimisation réalisés à l'aide des paramètres par défaut du logiciel NOMAD sont fournis afin de démontrer la validité des problèmes proposés.  ABSTRACT: A new family of problems is provided to serve as a benchmark for blackbox optimization solvers. The problems are single or bi-objective and vary in complexity in terms of the number of variables used (from 5 to 29), the type of variables (integer, real, category), the number of constraints (from 5 to 17) and their types (binary or continuous). In order to provide problems exhibiting dynamics that reflect real engineering challenges, they are extracted from an original numerical model of a concentrated solar power (CSP) power plant with molten salt thermal storage. The model simulates the performance of the power plant by using a high level modeling of each of its main components, namely, an heliostats field, a central cavity receiver, a molten salt heat storage, a steam generator and an idealized powerblock. The heliostats field layout is determined through a simple automatic strategy that finds the best individual positions on the field by considering their respective cosine efficiency, atmospheric scattering and spillage losses as a function of the design parameters. A Monte-Carlo integral method is used to evaluate the heliostats field's optical performance throughout the day so that shadowing effects between heliostats are considered, and the results of this evaluation provide the inputs to simulate the levels and temperatures of the thermal storage. The molten salt storage inventory is used to transfer thermal energy to the powerblock, which simulates a simple Rankine cycle with a single steam turbine. Auxiliary models are used to provide additional optimization constraints on the investment cost, parasitic losses or components failure. The results of preliminary optimizations performed with the NOMAD software using default settings are provided to show the validity of the problems.


identifier: Ghane Motlagh, B. (2015). High-Density 3D Pyramid-Shaped Microelectrode Arrays for Brain-Machine Interface Applications  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les dispositifs médicaux dédiés aux enregistrements des activités neuronales et à la stimulation de tissus nerveux sont  appelés interfaces cerveau-machines.  Ils offrent un potentiel important pour restaurer diverses fonctions neurologiques perdues. Un élément clé dans la mise en œuvre des dispositifs est le réseau de microélectrodes (MEAs pour MicroElectrode Arrays en anglais) servant d'interface avec les tissus nerveux. Les MEA jouent un rôle important dans les implants lors d'expérimentations chroniques, ils doivent être fiables, stables et efficaces pour l'enregistrement et la stimulation à long terme. Les propriétés électrochimiques et la compatibilité biologique des microélectrodes sont des facteurs essentiels qui doivent être prises en compte lors de leur conception et fabrication. La présente thèse traite de la conception et la fabrication de MEA en silicium micro-usiné à haute densité et en forme de pyramides qui sont destinés à l'enregistrement et la stimulation intracorticals 3D. Nous nous concentrons principalement sur les techniques de microfabrication des électrodes et le développement de procédure du revêtement de matériaux nécessaires pour la biocompatibilité et protection des dispositifs implantables. Nous élaborons des microélectrodes à hauteur variable pour enregistrer des signaux neuronaux, sans perdre la capacité de microstimulation et tout en maintenant des impédances de faibles valeurs. Cette caractéristique  est obtenue en modifiant la géométrie et la composition de matériaux utilisés, ce qui facilite l'injection de charge et la résolution spatiale élevée. Nous présentons une nouvelle technique de micro-usinage 3D à nombre réduit de masques comparé aux techniques existantes. Nous décrivons la mise en œuvre d'un MEA à haute densité (25 électrodes / 1,96 mm2) et à différentes longueurs d'électrodes. En outre, une nouvelle technique de masquage à base de film sec a été développée pour obtenir de très petites surfaces actives pour les microélectrodes qui sont à hauteur variable. Nous avons réduit les étapes du procédé de masquage de 14 à 6 par rapport à la méthode classique de masquage utilisé dans la littérature. Nous avons ensuite effectué, pour la première fois, une croissance directe sélective de nanotubes de carbone sur les têtes de microélectrodes de longueurs variables en utilisant la technique du dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition - PECVD).  ABSTRACT: Neuroprosthetic devices that can record neural activities and stimulate the central nervous system (CNS), called brain-machine interfaces (BMI), offer significant potential to restore various lost neurologic functions. A key element in functions restoration is Microelectrode arrays (MEAs) implanted in neural tissues. MEAs, which act as an interface between bioelectronic devices and neural tissues, play an important role in chronic implants and must be reliable, stable, and efficient for long-term recording and stimulation. Electrochemical properties and biological compatibility of chronic microelectrodes are essential factors that must be taken into account in their design and fabrication. The present thesis deals with the design and fabrication of silicon micromachined, high-density, pyramid-shaped neural MEAs for intracortical 3D recording and stimulation. The focused is mainly on the MEAs fabrication techniques and development of coating materials process required with implantable devices with an ultimate purpose: elaborate variable-height microelectrodes to obtain consistent recording signals from small groups of neurons without losing microstimulation capabilities, while maintaining low-impedance pathways for charge injection, high charge transfer, and high-spatial resolution by altering the geometries and material compositions of the array. In the first part of the thesis, we present a new 3D micromachining technique with a single masking step in a time and cost effective manner. A high density 25 electrodes/ 1.96 mm2 MEA with varying lengths electrodes to access neurons that are located in different depths of cortical tissue was designed and fabricated. Furthermore, a novel dry-film based masking technique for procuring extremely small active area for variable-height electrodes has been developed. With this technology, we have reduced the masking process steps from 14 to 6 compared to the conventional masking method. We have then reported for the first time a selective direct growth of carbon nanotubes (CNTs) on the tips of 3D MEAs using Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) that could enhance electrical properties of the electrodes significantly. The CNT coating led to a 5-fold decrease in impedance and a 600-fold increase in charge transfer compared with Pt electrode. Finally, we have highlighted the importance of the coating MEAs with bioactive molecules (Poly-D-lysine) and polyethylene glycol (PEG) hydrogels to minimize the immune response of the neural tissue to implanted MEAs by in vitro cell-culture tests.


identifier: Mercier, J. (2015). Système spectroscopique multimodal pour la caractérisation intra-opératoire des tissus cérébraux  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La précision de l'excision complète d'une tumeur est un bon indicateur du pronostic du patient. En effet, des traces de cellules cancéreuses restantes peuvent compromettre la rémission du patient ou encore augmenter les risques de récurrence du cancer. Particulièrement en neurochirurgie, il faut donc retirer complètement la tumeur sans toutefois toucher au tissu sain qui l'entoure pour éviter le risque de dommages irréversibles. Les techniques utilisées actuellement pour guider les résections de tumeurs au cerveau comportent plusieurs lacunes : manque de précision, aucun suivi en temps-réel durant la chirurgie, complexité d'utilisation et/ou emploi d'agents de contraste externes. Un système optique jumelant spectroscopie Raman, fluorescence et réflectance diffuse est développé, caractérisé et testé. La conception du système est faite en vue d'une utilisation en salle d'opération, avec une sonde maniable permettant une acquisition de données ponctuelle à la surface du tissu. Sa caractérisation détaillée démontre que son utilisation est pertinente avec des tissus biologiques. De plus, son efficacité de détection spécifique des marges des tumeurs cérébrales durant une chirurgie de résection est vérifiée en salle d'opération. Pour ce faire, des mesures spectrales sont prises dans la cavité chirurgicale afin d'obtenir cinq spectres, dont un de diffusion inélastique (Raman, excitation à 785 nm), un de réflectance diffuse et trois de fluorescence (excitations à 365, 405 et 455 nm). Ces spectres sont combinés dans un algorithme de classification par apprentissage machine afin de déterminer la nature cancéreuse ou non du tissu biologique étudié de manière automatique. Les résultats obtenus avec 12 patients (142 mesures et échantillons de biopsie) démontrent que la technique de spectroscopie combinée (exactitude, sensibilité et spécificité de 98,6 %, 100 % et 97,2 % respectivement) est supérieure à la spectroscopie Raman seule (89,4 %, 97,2 % et 81,7 % respectivement), et de loin supérieure au seul diagnostic du neurochirurgien (83,1 %, 84,3 % et 81,9 % respectivement). La nouvelle technologie contenue dans la sonde en tant que telle procure déjà plusieurs avantages : en effet, elle est maniable, peu encombrante, simple d'utilisation et n'utilise que des marqueurs intrinsèques au tissu. Le fait de combiner l'autofluorescence, la réflectance diffuse et la spectroscopie Raman dans un même système utilisable en salle d'opération est innovateur, cela n'ayant jamais été fait à ce jour. À long terme, ce projet a donc le potentiel d'améliorer de manière significative le pronostic de patients atteints de cancer au cerveau.  ABSTRACT: The standard of care for brain tumors is open cranium surgery in order to directly remove the cancer cells. However, the imaging technologies currently used to guide the surgeon, including preoperative MRIs and the state-of-the-art neurosurgical microscope, are unable to fully detect low-grade tumors. More importantly, the most common types of brain cancer are characterized by invasive cancer cells, which can be seen as a gradient of cancer cells extending from the main cancer mass into the normal brain. To this day, these infiltrations also cannot be detected during the surgery and their remaining in the brain results in a poor prognosis for the patient. Therefore, there is a pressing need for a new technique that would allow surgeons to detect and safely remove previously undetectable cancer tissue without removing useful healthy parts. With this goal in mind, a single-point detection system is conceived that combines near-infrared Raman spectroscopy, intrinsic fluorescence spectroscopy (excitation at 365 nm, 405 nm, and 455 nm) and diffuse reflectance spectroscopy. This system is first developed, characterized and tested (with fluorescent dilutions, biological tissues analysis, in vivo experiments with xenograft mice, etc.) before it is optimized to integrate the workflow of the operating room. In this next step, 12 patients undergoing cerebral tumor resection were assessed using this technology. Five spectra (one for each modality) were acquired covering different areas of the tumor and of the normal brain. A biopsy sample is then taken at each acquisition site and sent to histopathology where the standard information about its nature is determined. Later, we proceeded to a multiple machine-learning classification analysis in order to discriminate between normal and cancerous and infiltrated tissues. Accuracy, sensitivity and specificity respectively of 98.6 %, 100 % and 97.2 % were obtained with 71 series of normal data and 71 series of tumor data (main tumor mass and infiltrated tissue), compared with 89.4 %, 97.2 %, and 81.7 % for the Raman spectroscopy system alone and with 83.1 %, 84.3 %, and 81.9 % for the neurosurgeon's assessment. Results show that the multimodal spectroscopic system provides reliable information about the cerebral tissue's nature, which can help guide the neurosurgeon through a more complete and selective tumor resection.


identifier: Foias, A. (2015). Design and Construction of a Highly Sensitive Coil for MRI of the Spinal Cord  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un grand nombre de pathologies (sclérose en plaque, lésions, etc.) peuvent toucher la moelle épinière, des techniques non invasives de diagnostic tel que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont généralement utilisées pour les dépister. Les antennes commerciales pour l'IRM sont conçues pour accommoder une large population, mais elles ne sont pas optimisées pour le rapport signal sur bruit (S/B). L'objectif principal de ce mémoire a été de concevoir et de construire une antenne radiofréquence (RF) en réseau phasé avec six bobines en réception pour l'IRM de la moelle épinière cervicale chez des sujets humains. La configuration optimale de l'antenne avec six canaux a été déterminée à l'aide de simulations électromagnétiques pour modéliser l'antenne en réception. L'antenne a été conçue et construite pour s'ajuster au plus près du sujet humain tout en étant compatible avec l'interface du scanner IRM. Les performances de l'antenne ont été évaluées sur le banc à l'aide d'un fantôme, ainsi que dans l'IRM sur des sujets humains. Les résultats montrent une amélioration moyenne du rapport S/B par un facteur 2 par rapport à l'antenne commerciale. Cette amélioration permet d'avoir une haute résolution qui facilite la représentation des fins détails comme les petites lésions présentes dans la sclérose en plaques. De plus, la géométrie optimisée de l'antenne permet d'utiliser de hauts facteurs d'accélération (par exemple 3), réduisant considérablement le temps d'acquisition. Pour conclure, l'antenne en réseau phasé avec six bobines pourrait servir à l'imagerie anatomique de haute résolution (0,3 mm dans le plan), l'IRM fonctionnelle (IRMf), IRM de diffusion et dans études par spectroscopie pour caractériser le métabolisme des tissus présents dans la moelle épinière et les sections inférieures du cerveau.  ABSTRACT: Spinal cord injuries affect a large number of people, therefore a non-invasive technique such as magnetic resonance imaging (MRI) can be used for diagnosis purposes. While current commercial coils are designed to fit a diverse population, they are not optimized for signal-to-noise ratio (SNR). The major objective of this thesis was to design and construct a six-channel radio-frequency (RF) receive-only phased array coil for MRI of the cervical spinal cord in human subjects. The optimal configuration of the six-channel coil array was determined using electromagnetic simulations framework for modelling the array behavior in the receiving mode. The design and construction of the coil array were focused on offering a tight fit of the human subject, while being compatible with the scanner interface. The RF coil performances were evaluated at the bench using a phantom. Furthermore, it was validated in the MRI on human subjects. The results show an average improvement in SNR by a factor of two compared to the commercial coil. This enhancement enables higher resolution and therefore better depiction of small pathologies such as small lesions in multiple sclerosis. Moreover, the optimized geometry of the RF coil enables the use of aggressive acceleration factors (e.g., 3), which reduces significantly the acquisition time. In conclusion, the six-channel coil array could be used in high resolution anatomical imaging (0.3mm in-plane), functional MRI (fMRI), diffusion tensor imaging (DTI) and spectroscopy studies for characterizing the metabolism of different tissues present in the spinal cord and lower brain sections.


identifier: Hussain, W. (2015). Providing Bi-Directional, Analog, and Differential Signal Transmission Capability to an Electronic Prototyping Platform  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réseaux d'interconnexions programmables (FPIN) se retrouvent largement utilisés dans plusieurs structures bien connues telles que les FPGA, les plateformes de prototypages ainsi que dans plusieurs architectures de réseaux intégrés. Le but de la présente thèse est d'améliorer la structure actuelle des FPIN ainsi que les plateformes de prototypages se basant sur cette technologie afin d'y intégrer d'autres fonctionnalités telles que des interfaces pour les signaux bidirectionnels de type drain-ouvert, les signaux analogiques ou bien les signaux diﬀérentiels. Cette thèse présente trois diﬀérents circuits qui ont été implémentés dans cette optique. Les interconnexions de ces trois circuits peuvent être reconfigurées pour supporter une interface de type bidirectionnelle drain-ouvert, de type analogique ou diﬀérentielle, le tout au travers un réseau d'interconnexions configurable numérique unidirectionnel, ou FPIN. Le besoin d'une telle interface fut tout d'abord envisagé dans le contexte du WaferBoard, qui consiste en une plateforme reconfigurable de prototypage pour les systèmes électroniques. Le cœur de ce WaferBoard consiste en un circuit intégré à l'échelle d'une tranche entière de silicium, qui est constitué d'une matrice bidimensionnelle de cellules. Une large partie de la surface disponible s'en retrouve déjà utilisée par des plots configurables (CIO), l'aiguillage des multiplexeurs du FPIN, des registres dédiés à la chaine JTAG et d'autres circuiteries de contrôle. De ce fait, il en devient primordial que les interfaces bidirectionnelle drain-ouvert, analogique et diﬀérentielle soit les plus compactes possibles. Puisque ces circuits d'interfaces seront dédiés pour une plateforme utilisant une tranche de silicium (wafer-scale), l'architecture de ces derniers doit être robuste en regard des variations de procédé, de la température ainsi que de l'alimentation. La première contribution de cette thèse est l'élaboration et la conception d'une interface de type drain-ouvert ainsi que de son support d'interconnexion bidirectionnel utilisant un réseau numérique unidirectionnel à signalisation asymétrique (à l'opposé de la signalisation diﬀérentielle) FPIN. L'interface proposée peut interconnecter plusieurs nœuds d'un FPIN. À l'aide de cette interface, le réseau d'interconnexions peut imiter le comportement et le fonctionnement d'un bus de type drain-ouvert (ou collecteur-ouvert) (tel qu'utilisé par le protocole I2C). De ce fait, plusieurs plots de type drain-ouvert provenant d'une multitude de circuits-intégrés (ICs) diﬀérents peuvent y être connectés au travers le FPIN à l'aide de l'interface proposée.  ABSTRACT: Field programmable interconnection networks (FPINs) are ubiquitously found embedded in field-programmable gate arrays (FPGAs), in prototyping platforms, and in many Network-on-Chip architectures. The aim of this research was to augment the application domains of current FPIN-based prototyping and emulation platforms by supporting open-drain bi-directional signals, analog signals or diﬀerential signals. Three interface circuits have been elaborated and developed to that end in this thesis. These three interface circuits can support reconfigurable routing of open-drain bi-directional, analog and diﬀerential signals through an uni-directional digital FPIN. The need for such interface circuits were originally conceived in the context of the WaferBoard, a system prototyping platform. The core of the WaferBoard is a wafer-scale IC that is composed of a two dimensional array of unit cells. Available area was already over-utilized by the configurable I/O (CIO) buﬀers, crossbar multiplexers of the FPIN, registers of the JTAG chain, and other control circuits. Thus, the interface circuits for open-drain bi-directional, analog and diﬀerential signaling had to be made very compact. As the implementation of these interface circuits target “wafer-scale” integration, these interface circuits had to be very robust to parametric variations (process, temperature, power supply). The first contribution of this thesis is the elaboration and development of an open-drain interface circuit and a corresponding interconnect topology to support bi-directional communication through the uni-directional digital FPIN of prototyping platforms. The proposed interface can interconnect multiple nodes in a FPIN. With that interface, the interconnection network imitates the behavior of open-drain (or open-collector) buses (e.g., those following the I2C protocol). Thus, multiple open-drain I/Os from external integrated circuits (ICs) can be connected together through the FPIN by the proposed interface circuit. The interface that has been fabricated in a 0.13 µm CMOS technology takes 65 µm × 22 µm per pin. Test results show that several instances of this interface can be interconnected through the proposed interconnect topology.


identifier: Cossin, M. (2015). Mesure des efforts dynamiques dans les agrès de cirque  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Actuellement, les charges générées par les artistes de cirque sur les agrès et les accrochages sont méconnues par la plupart des professionnels du milieu, qu'ils soient artistes, gréeurs, directeurs techniques ou concepteurs. Peu de mesures ont été diffusées au grand public ou dans la communauté scientifique. En ayant une meilleure connaissance des efforts dynamiques imposés aux appareils et aux structures d'accrochage, les professionnels auront une idée plus réaliste des besoins en sécurité. Le projet vise à mesurer les efforts générés au point d'accrochage lors de mouvements effectués par les artistes de cirque dans cinq disciplines aériennes que sont le cerceau, la corde lisse, les sangles, le tissu et le trapèze danse. La prise de mesure s'est effectuée à l'École nationale de cirque (ÉNC) et à la Tohu avec la participation de 16 étudiants de l'ÉNC. En plus de former une banque de données sur le sujet, le projet vise à répondre à plusieurs objectifs spécifiques. Le premier objectif est de mesurer les forces maximales et de les caractériser selon les différentes situations suivantes : les cinq disciplines, les trois niveaux scolaires, la masse des artistes, le sexe, les différents types de mouvements et des conditions d'entrainement et de spectacle. Les sangles sont la discipline ayant généré les forces maximales les plus élevées. La force maximale mesurée représente 7.9 fois le poids de l'artiste effectuant le mouvement. Jusqu'à présent, la force maximale mesurée sur un agrès de cirque accroché en un point était une force qui vaut 4.94 fois le poids de la personne (Vogel, 2014). Les pratiques sécuritaires en conception et en accrochage doivent donc être adaptées aux nouvelles mesures apportées par le projet. Il a de plus été montré que certains types de mouvements génèrent des forces plus élevées selon les disciplines. En corde lisse et en tissu, ce sont des chutes libres qui ont généré les forces les plus élevées. En trapèze danse, en sangles et en cerceau, ce sont des mouvements contenant du ballant qui ont généré les forces les plus élevées. Le deuxième objectif du projet est de comparer la variabilité entre des débutants et des professionnels. La variabilité des efforts mesurés en fonction du temps a été analysée pour des artistes effectuant plusieurs fois le même mouvement. Il s'est avéré que la variabilité est inhérente à certains types de mouvement. Les mouvements où l'artiste a une action concrète à effectuer a une variabilité plus élevée que les mouvements où il n'a pas d'action à effectuer et où la force ne dépend que de la réaction de l'équipement.  ABSTRACT: At present the forces generated by circus artists are unknown by professionals from the circus world. Few data are available to the general public or to the scientific community. By knowing the dynamic forces experienced by equipment and hanging structure, professionals will have a real sense of the security needs. The project aims to measure forces at the hanging point while circus artists perform acrobatic movement. Five disciplines are considered: aerial hoop, aerial silk, aerial straps, dance trapeze and rope. Measurements were done at the National Circus School of Montréal and at the Tohu with the participation of 16 students of the National Circus School. The main purpose is to create a large data base. The project also has many specific purposes. The first one is to measure maximal forces and to characterize them by the different inputs: discipline, scholar level, artist's mass, gender, type of movement and training or show situation. Aerial straps is the discipline which generated the highest maximal forces. The maximal force represents 7.9 times the body weight of the artist. So far, the maximal force measured represented 4.94 time the body weight of the artist (Vogel, 2014). Safety practices in hanging and design have to be modified based on the new data provided by the project. It was showed that some types of movement generate higher maximal forces depending on the discipline. In rope and silk, free falls generated the higher forces. In dance trapeze, aerial hoop and straps, movements containing swinging generated the higher forces. The second purpose of the project is to compare variability of beginners and professionals. Variability of the force signals has been analysed for artists performing many times the same movement. Variability is strongest for some types of movement in which the artist has an action to do. Variability decreases when the artist does not have an action to do and there only is the reaction of the equipment which influences the force. For a movement in which the artist has an action to do, it has been shown that variability decreases with the skills level. Influencing factors have been analysed for a specific movement in straps. An analysis reveals that the most influencing factors are the artist's mass and if the movement is well executed, and not gender or straps length or initial position.


identifier: Abdellaoui, A. (2015). Processus de modélisation et étude des orages géomagnétiques dans les réseaux électriques : impact sur le réseau de transport d'Hydro-Québec  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet de recherche présente un processus de modélisation complet des effets des courants géomagnétiques induits (GIC) sur le réseau d'Hydro-Québec (HQ) à des fins de planification et d'exploitation. L'avantage de cette méthode est de permettre aux ingénieurs en planification de simuler les effets des orages géomagnétiques sur le réseau d'Hydro-Québec sous différentes conditions et avec différentes contingences et ce, avec des temps de calcul très raisonnables. Cette démarche de modélisation des courants GIC dans les réseaux électriques a été appliquée sur un modèle du réseau d'Hydro-Québec. Un modèle DC équivalent du réseau Hydro-Québec a été réalisé. Une méthode de calcul numérique des tensions DC, à partir d'un champ géoélectrique non uniforme a été développée puis implémentée dans le modèle DC. Les harmoniques et les pertes en puissance réactive des transformateurs saturés ont été déterminés en fonction du courant GIC par un algorithme utilisant une courbe de magnétisation choisie pour représenter les transformateurs d'Hydro-Québec. L'évolution dans le temps de la saturation de chaque transformateur en fonction de son courant GIC efficace a été déterminée par des formules analytiques. Les pertes en puissance réactive des transformateurs saturés sont modélisées dans le réseau PSS/E [1] d'Hydro-Québec comme étant une charge réactive à courant constant localisée à la barre du transformateur correspondant. Finalement, des simulations dans le domaine du temps sont effectuées avec PSS/E en considérant les temps d'établissement de la saturation des transformateurs. Ceci est réalisé en intégrant les résultats du modèle DC et les résultats des calculs analytiques des temps d'établissement de la saturation des transformateurs dans un modèle de charge EMTP qui sera lié au réseau PSS/E via une interface. Grâce à cette méthodologie, différents aspects des effets des courants GIC sur le réseau modèle d'Hydro-Québec ont été étudiés notamment, l'influence des champs géoélectriques uniforme et non uniforme, les pertes en puissance réactive du réseau 735kV comparées à celles du sous réseau de Montréal, les effets sur la tenue en tension ainsi que l'importance des réserves dynamiques de puissance réactive. Ce mémoire présente une nouvelle approche de modélisation des courants GIC dans les réseaux électrique dans une perspective de planification et d'exploitation.  ABSTRACT: This research project presents a complete modelling process of the effects of GIC on Hydro-Quebec power system network for system planning studies. The advantage of the presented method is that it enables planning engineers to simulate the effects of geomagnetic disturbances on the Hydro-Quebec System under different conditions and contingencies within reasonable calculation time frame. This modelling method of GIC in electric power systems has been applied to the Hydro-Quebec System. An equivalent HQ DC model has been achieved. A numerical calculation method of DC sources from a non-uniform geoelectric field has been developed and implemented on HQ DC model. Harmonics and increased reactive power losses of saturated transformers have been defined as a function of GIC through a binary search algorithm using a chosen HQ magnetization curve. The evolution in time of each transformer saturation according to its effective GIC has been evaluated using analytical formulas. The reactive power losses of saturated transformers have been modeled in PSS/E[1] HQ network as constant reactive current loads assigned to the corresponding transformer buses. Finally, time domain simulations have been performed with PSS/E taking into account transformer saturation times. This has been achieved by integrating HQ DC model results and analytical calculations results of transformer saturation times into an EMTP load model. An interface has been used to link EMTP load model to HQ PSS/E network. Different aspects of GIC effects on the Hydro-Quebec system have been studied, including the influence of uniform and non-uniform geoelectric fields, the comparison of reactive power losses of the 735kV HQ system with those of Montreal network, the risks to voltage levels and the importance of reactive power dynamic reserve. This dissertation presents a new GIC modelling approach for power systems for planning and operations purposes.


identifier: Taherkhani, S. (2015). Attachment of Therapeutic and Imaging Agents to Magnetotactic Bacteria Acting as Self-Propelled Bio-Carriers for Cancer Treatment  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Malgré les progrès de la médecine moderne, les traitements anticancéreux actuels n'arrivent toujours pas à vaincre le cancer. Seulement une fraction des doses de médicaments administrées parvient à la tumeur en raison d'un ciblage non spécifique, de barrières physiologiques au niveau du système vasculaire ainsi que de l'élimination immédiate de médicaments par le système immunitaire. Des dosages fréquents de médicaments deviennent nécessaires afin de surmonter ces obstacles, entraînant une toxicité systémique, des effets secondaires et un échec thérapeutique. De plus, les systèmes actuels d'imagerie médicale sont incapables de produire des images de haute qualité des structures tumorales pour les diagnostiques et les traitements. Ceci est dû aux restrictions de la résolution spatiale et de l'incapacité des agents de contraste à pénétrer dans les zones tumorales afin de générer un signal suffisamment intense. Le développement de nouveaux agents thérapeutiques ainsi que de nouvelles techniques de ciblage thérapeutique sont donc requis afin d'améliorer l'efficacité des traitements actuels. Pour ce projet de recherche doctorale, l'attachement de charges utiles à la surface de bactéries magnétotactiques flagellées Magnetococcus Marinus MC-1 (BMT) a été mise en place pour transporter de façon ciblée une quantité optimale de médicaments profondément dans les zones tumorales. Ces bio-robots autopropulsés de dimensions adéquates sont équipés d'un système de propulsion dirigeable, d'un système de navigation, et de capacités sensorielles. Divers types de complexes BMT ont été fabriquées en attachant aux BMT (i) des liposomes vides (BMT-LP), (ii) des liposomes contenant un agent anticancéreux SN38 (BMT-LSC), et (iii) des nanoparticules superparamagnétiques de magnétite (BMT-S200). L'efficacité de l'attachement des charges et du comportement des bactéries soumises à un champ magnétique directionnel ont été étudiés. Par la suite, la capacité des complexes BMT à naviguer le long d'une trajectoire prédéterminée, à infiltrer profondément l'espace interstitiel, et à cibler des zones tumorales inaccessibles, ont été étudiés dans un modèle animal soumis à un champ magnétique externe. Pour parvenir à des complexes BMT aptes à transporter suffisamment de produits pharmaceutiques et de s'accumuler préférentiellement dans les régions affectées, il faut assurer un attachement solide et stable qui ne compromet pas la motilité des BMT.  ABSTRACT: Despite the substantial achievements of modern medicine, current medical therapies cannot eradicate cancer. Due to nonspecific targeting, the multiple physiological barriers that blood-borne agents must encounter, and the rapid sequestration of drugs by the immune system, a suboptimal fraction of the total injected dose reaches the intended target. These obstacles necessitate frequent dosing to compensate therapeutic effects, resulting in systemic toxicity, undesirable side effects, and treatment failure. In addition, existing medical imaging modalities struggle to provide high quality clinical images of tumor structures for treatment purposes due to limitations in spatial resolution and lack of penetration of contrast agents into tumoral regions to induce sufficient signal intensity. To address these issues, the development of new therapeutic agents alongside improved strategies for targeting therapy with the ability to control their fate is required. The attachment of payloads to the flagellated Magnetococcus Marinus MC-1 magnetotactic bacteria (MTB) to directly transport optimal quantities of pharmaceutical agents to regions located deep in tumors is what has been proposed during the accomplishment of this PhD project. These engineered self-propelled bio-robots with an appropriate dimension are equipped with steerable propulsion, navigation system, and onboard sensory capabilities. MTB complexes were fabricated by attaching the MTB to (i) empty liposomes (MTB-LP), (ii) SN38 anticancer drug encapsulated in liposomes (MTB-LSC), and (iii) 200 nm superparamagnetic magnetite nanoparticles (MTB-S200). The attachment efficacy and magnetic response behavior from the influence of a directional magnetic field of loaded bacteria with therapeutic or imaging agents were studied. Subsequently, results showed that the attachment method was suitable to allow MC-1 MTB to transport therapeutic and imaging agents along a planned trajectory prior to penetrate deep through the interstitial space in order to reach the hypoxic regions of a tumor in an animal model. To achieve MTB complexes capable of carrying sufficient pharmaceutical agents and accumulating preferentially at disease sites, the attachment must be strong and stable without compromising the natural motility of MTB. The MTB-LP were prepared by direct covalent attachment of functionalized liposomes to the amine groups naturally presented on the surface of MTB using carbodiimide (EDC/NHS) chemistry.


identifier: Haddad, E. (2015). A Functional Reasoning Framework and Dependency Modeling Scheme for Mechatronics Conceptual Design Support  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La conception mécatronique est un processus de design pluridisciplinaire, il repose sur l'intégration synergique des domaines d'ingénierie mécanique, électrique, contrôle et logiciel pour concevoir des produits qui surpassent les autres produits en termes d'efficacité, de précision, de coût et de fiabilité. Toutefois, cela a un coût, la conception de systèmes multidisciplinaire est une tâche ardue qui exige beaucoup de coordination et de coopération entre les ingénieurs concepteurs. Beaucoup de ces difficultés ont été reportées dans les domaines académique et industriel. Il en ressort que la communication technique entre les concepteurs appartenant à diverses disciplines d'ingénierie se fait très difficilement et ce en raison de l'absence d'un langage commun pour représenter les différents concepts. Ceci entraîne des difficultés majeures à transférer les modèles et les informations pertinentes entre les domaines ce qui entrave la possibilité d'appliquer un processus de développement intégré (concurrent). Pourtant, d'une part, un processus de conception intégré et dynamique doit être suivi pour réduire le temps de conception du projet et ainsi réduire les couts et supporter l'innovation. D'autre part, la conception multidisciplinaire se traduit par l'introduction d'un grand nombre de dépendances durant la conception, rendant ainsi les activités de conception difficile à synchroniser entravant le processus intégré. En raison de l'absence d'outil de support informatique pour le design conceptuel, et l'importance de considérer les dépendances le plus tôt possible dans le processus de conception, un cadre de raisonnement fonctionnel en conjonction avec un système de modélisation des dépendances (liées au produit) ont été développés dans ce mémoire de maîtrise. Le cadre de raisonnement fonctionnel a été réalisé par la personnalisation du langage SysML (Systems Modeling Language), et par le développement d'un module d'extension (plug-in) dans l'outil de modélisation MagicDraw (No Magic, Inc.). Le plug-in intègre un système expert à base de règles (CLIPS : C Language Integrated Production System - NASA) qui permet d'encapsuler les connaissances d'ingénierie sous la forme de règles pour analyser et effectuer des tâches sur des diagrammes fonctionnels. Une nouvelle approche d'acquisition et une représentation schématique de dépendances ont été proposées. La notion de "méta-dépendances» a été introduite pour modéliser les dépendances qui sont partagées par un grand nombre d'éléments dans un même système.  ABSTRACT: Mechatronics is a multidisciplinary design process that relies on the synergic integration of mechanical, electrical, control, and software engineering to deliver products that outperform their competitors in terms of efficiency, precision, cost and reliability. However, this comes at a cost, designing multi-disciplinary systems is a challenging task that requires a lot of coordination and cooperation between designers. Several challenges are reported by both academic and industry-related literature. One of the most important is the tedious communication between engineering designers from various disciplines due to a lack of a common language to represent concepts. This leads to difficulties in transferring models and pertinent information between domains. To succeed in nowadays competitive markets, a concurrent and dynamic design process should be followed to reduce the project lead-time and spark innovation. However, such a process results in many dependencies as a consequence of multi-disciplinary design and it is often difficult to streamline the design activities. Due to the lack of existing computational support tools for conceptual design of mechatronics and the importance of taking dependencies (product related) into account as early as possible in the design process, a functional reasoning framework as well as a dependency modeling scheme were developed in this master thesis. The functional reasoning framework was realised by customizing the SysML (Systems Modeling Language) language and developing a plug-in in the modeling tool MagicDraw (No Magic, Inc.). The plug-in integrates the rule-based expert system CLIPS (C Language Integrated Production System - NASA) that allows encapsulating engineering knowledge in the form of rules to analyze and perform tasks on functional diagrams. A new acquisition method and representation scheme of dependencies was proposed in this master thesis. The concept of “meta-dependency” was introduced to model dependencies shared by a large number of elements in a same mechatronic system or sub-system. It allows engineering designers to efficiently and abstractly capture dependencies early in the deign process and reduces the number of relationships to be built manually between dependent elements in the system.