identifier: Luk-Cyr, J. (2017). Analyse et implantation d'un outil d'optimisation numérique des paramètres de martelage  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet de thèse propose une méthodologie d'analyse et d'optimisation des paramètres de martelage et vise ainsi l'amélioration de ce procédé de fabrication et réparation. Cette méthodologie a été développée afin d'aider dans le remplacement et la maintenance des installations vieillissantes du parc de production d'Hydro-Québec. Malgré tout, la méthode proposée peut s'avérer utile dans d'autres domaines, telle  l'aéronautique, où l'optimisation des paramètres d'un procédé est nécessaire. La méthode d'optimisation proposée est la méthode SAO (Sequential Approximate Optimization), qui consiste à combiner des concepts d'optimisation mathématique avec ceux des éléments finis. Ce mariage des domaines permet une économie importante en temps de calcul, ainsi qu'une réduction potentielle des coûts en réduisant le nombre d'itérations expérimentales nécessaires afin d'obtenir des paramètres de martelage optimaux. Plus important encore, la méthode proposée permet une exploration rigoureuse, mais efficace de l'espace des variables de design (paramètres de martelage). Ceci est un avantage important par rapport aux méthodes préalablement utilisées, car les simulations par éléments finis pour la modélisation du martelage sont coûteuses en temps de calcul et nécessitent des connaissances très avancées de la mise en oeuvre. Un des éléments importants dont traite ce projet est la nature des fonctions objectifs dans le cadre de l'optimisation. Sachant que l'état des contraintes résiduelles est un critère important dans la détermination de la qualité d'un martelage, des analyses préliminaires sont effectuées afin de trouver les candidats représentatifs qu'on dénote moniteurs de martelage. De manière connexe, ce projet traite des propriétés mécaniques macroscopiques du matériau martelé, le E309L. Étant donné le peu d'informations disponibles dans la littérature, une caractérisation en traction mécanique uniaxiale, cyclique et à haute température a été effectuée. Ceci a pour fin de déterminer le modèle constitutif adéquat pour la représentation numérique du comportement dudit matériau. Dans ce document, plusieurs modèles ont été développés dans le but de fournir (i) des outils convoités par Hydro-Québec dans leur modélisation actuelle du martelage, mais (ii) aussi dans leurs efforts d'incorporer des modèles plus complexes et représentatifs. On parle ici de modèles constitutifs élasto-plastiques à grandes déformations, de couplage thermo-mécanique et de plasticité unifiée. De par nos analyses, nous verrons aussi qu'il est possible qu'une nouvelle quantité, l'uniformité de martelage, soit plus appropriée que celle  conventionnellement utilisée pour caractériser la qualité du grenaillage, soit la couverture.  ABSTRACT: In this thesis, a methodology for analyzing and optimizing hammer peening parameters is presented. Said methodology has been developed in response to the need of Hydro-Québec to repair and maintain its current power-generating infrastructures. However, the proposed methodology is general in the sense that it can be applied to other industries such as the aerospace, automotive or manufacturing industries where process optimization is required. The Sequential Approximate Optimization (SAO) method is used in this thesis, which combines aspects of both mathematical optimization and finite elements. This allows for significant computational savings by reducing the need for costly, and time-consuming experimental measurements. Furthermore, the algorithm allows for a thorough exploration of the design space (for hammer peening parameters). This significant improvement compared to previously used methods is essential since finite element simulations of hammer peening are more often than not time-consuming. An important contribution of this thesis is the determination of the objective variables underlying the hammer peening process. As residual stress is known to play an important role in stress-inducing process such as shot- and hammer-peening, our analysis have found ideal objective variables, which we denote hammer peening monitors. This thesis also addresses the mechanical properties of the hammer peened material, the austenitic stainless steel E309L. Given the lack of information available in the literature, experimental measurements were carried in order to obtain room temperature tension, elevated temperature tension and cyclic responses. Thereafter, multiple constitutive models were developed in order to: (i) provide Hydro-Québec with tools helping them in simulating hammer peening and welding; and (ii) integrate increasingly complex, but more representative models in their multi-physics simulation. More precisely, we refer to large deformation elastic-plastic, coupled thermo-mechanical and unified theories. We also point out that our findings of an alternative quantity, peening uniformity, which describes the state of an hammer peened material, might be more appropriate than that used for characterizing shot peening. Peening uniformity indeed seem to evolve altogether with the hammer peening monitors and therefore the overall quality of the process.


identifier: Christodoulidis, A. (2017). Segmentation and Characterization of Small Retinal Vessels in Fundus Images Using the Tensor Voting Approach  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La rétine permet de visualiser facilement une partie du réseau vasculaire humain. Elle offre ainsi un aperçu direct sur le développement et le résultat de certaines maladies liées au réseau vasculaire dans son entier. Chaque complication visible sur la rétine peut avoir un impact sur la capacité visuelle du patient. Les plus petits vaisseaux sanguins sont parmi les premières structures anatomiques affectées par la progression d'une maladie, être capable de les analyser est donc crucial. Les changements dans l'état, l'aspect, la morphologie, la fonctionnalité, ou même la croissance des petits vaisseaux indiquent la gravité des maladies. Le diabète est une maladie métabolique qui affecte des millions de personnes autour du monde. Cette maladie affecte le taux de glucose dans le sang et cause des changements pathologiques dans différents organes du corps humain. La rétinopathie diabétique décrit l'en- semble des conditions et conséquences du diabète au niveau de la rétine. Les petits vaisseaux jouent un rôle dans le déclenchement, le développement et les conséquences de la rétinopa- thie. Dans les dernières étapes de cette maladie, la croissance des nouveaux petits vaisseaux, appelée néovascularisation, présente un risque important de provoquer la cécité. Il est donc crucial de détecter tous les changements qui ont lieu dans les petits vaisseaux de la rétine dans le but de caractériser les vaisseaux sains et les vaisseaux anormaux. La caractérisation en elle-même peut faciliter la détection locale d'une rétinopathie spécifique. La segmentation automatique des structures anatomiques comme le réseau vasculaire est une étape cruciale. Ces informations peuvent être fournies à un médecin pour qu'elles soient considérées lors de son diagnostic. Dans les systèmes automatiques d'aide au diagnostic, le rôle des petits vaisseaux est significatif. Ne pas réussir à les détecter automatiquement peut conduire à une sur-segmentation du taux de faux positifs des lésions rouges dans les étapes ultérieures. Les efforts de recherche se sont concentrés jusqu'à présent sur la localisation précise des vaisseaux de taille moyenne. Les modèles existants ont beaucoup plus de difficultés à extraire les petits vaisseaux sanguins. Les modèles existants ne sont pas robustes à la grande variance d'apparence des vaisseaux ainsi qu'à l'interférence avec l'arrière-plan. Les modèles de la littérature existante supposent une forme générale qui n'est pas suffisante pour s'adapter à la largeur étroite et la courbure qui caractérisent les petits vaisseaux sanguins. De plus, le contraste avec l'arrière-plan dans les régions des petits vaisseaux est très faible. Les méthodes de segmentation ou de suivi produisent des résultats fragmentés ou discontinus. Par ailleurs, la segmentation des petits vaisseaux est généralement faite aux dépends de l'amplification du bruit. Les modèles déformables sont inadéquats pour segmenter les petits vaisseaux. Les forces utilisées ne sont pas assez flexibles pour compenser le faible contraste, la largeur, et vii la variance des vaisseaux. Enfin, les approches de type apprentissage machine nécessitent un entraînement avec une base de données étiquetée. Il est très difficile d'obtenir ces bases de données dans le cas des petits vaisseaux. Cette thèse étend les travaux de recherche antérieurs en fournissant une nouvelle mé- thode de segmentation des petits vaisseaux rétiniens. La détection de ligne à échelles multiples (MSLD) est une méthode récente qui démontre une bonne performance de segmentation dans les images de la rétine, tandis que le vote tensoriel est une méthode proposée pour reconnecter les pixels. Une approche combinant un algorithme de détection de ligne et de vote tensoriel est proposée. L'application des détecteurs de lignes a prouvé son efficacité à segmenter les vais- seaux de tailles moyennes. De plus, les approches d'organisation perceptuelle comme le vote tensoriel ont démontré une meilleure robustesse en combinant les informations voisines d'une manière hiérarchique. La méthode de vote tensoriel est plus proche de la perception humain que d'autres modèles standards. Comme démontré dans ce manuscrit, c'est un outil pour segmenter les petits vaisseaux plus puissant que les méthodes existantes. Cette combinaison spécifique nous permet de surmonter les défis de fragmentation éprouvés par les méthodes de type modèle déformable au niveau des petits vaisseaux. Nous proposons également d'utiliser un seuil adaptatif sur la réponse de l'algorithme de détection de ligne pour être plus robuste aux images non-uniformes. Nous illustrons également comment une combinaison des deux méthodes individuelles, à plusieurs échelles, est capable de reconnecter les vaisseaux sur des distances variables. Un algorithme de reconstruction des vaisseaux est également proposé. Cette dernière étape est nécessaire car l'information géométrique complète est requise pour pouvoir utiliser la segmentation dans un système d'aide au diagnostic. La segmentation a été validée sur une base de données d'images de fond d'oeil à haute résolution. Cette base contient des images manifestant une rétinopathie diabétique. La seg- mentation emploie des mesures de désaccord standards et aussi des mesures basées sur la perception. En considérant juste les petits vaisseaux dans les images de la base de données, l'amélioration dans le taux de sensibilité que notre méthode apporte par rapport à la méthode standard de détection multi-niveaux de lignes est de 6.47%. En utilisant les mesures basées sur la perception, l'amélioration est de 7.8%. Dans une seconde partie du manuscrit, nous proposons également une méthode pour caractériser les rétines saines ou anormales. Certaines images contiennent de la néovascula- risation. La caractérisation des vaisseaux en bonne santé ou anormale constitue une étape essentielle pour le développement d'un système d'aide au diagnostic. En plus des défis que posent les petits vaisseaux sains, les néovaisseaux démontrent eux un degré de complexité encore plus élevé. Ceux-ci forment en effet des réseaux de vaisseaux à la morphologie com- plexe et inhabituelle, souvent minces et à fortes courbures. Les travaux existants se limitent viii à l'utilisation de caractéristiques de premier ordre extraites des petits vaisseaux segmentés. Notre contribution est d'utiliser le vote tensoriel pour isoler les jonctions vasculaires et d'uti- liser ces jonctions comme points d'intérêts. Nous utilisons ensuite une statistique spatiale de second ordre calculée sur les jonctions pour caractériser les vaisseaux comme étant sains ou pathologiques. Notre méthode améliore la sensibilité de la caractérisation de 9.09% par rapport à une méthode de l'état de l'art. La méthode développée s'est révélée efficace pour la segmentation des vaisseaux réti- niens. Des tenseurs d'ordre supérieur ainsi que la mise en œuvre d'un vote par tenseur via un filtrage orientable pourraient être étudiés pour réduire davantage le temps d'exécution et résoudre les défis encore présents au niveau des jonctions vasculaires. De plus, la caractéri- sation pourrait être améliorée pour la détection de la rétinopathie proliférative en utilisant un apprentissage supervisé incluant des cas de rétinopathie diabétique non proliférative ou d'autres pathologies. Finalement, l'incorporation des méthodes proposées dans des systèmes d'aide au diagnostic pourrait favoriser le dépistage régulier pour une détection précoce des rétinopathies et d'autres pathologies oculaires dans le but de réduire la cessité au sein de la population.  ABSTRACT: As an easily accessible site for the direct observation of the circulation system, human retina can offer a unique insight into diseases development or outcome. Retinal vessels are repre- sentative of the general condition of the whole systematic circulation, and thus can act as a "window" to the status of the vascular network in the whole body. Each complication on the retina can have an adverse impact on the patient's sight. In this direction, small vessels' relevance is very high as they are among the first anatomical structures that get affected as diseases progress. Moreover, changes in the small vessels' state, appearance, morphology, functionality, or even growth indicate the severity of the diseases. This thesis will focus on the retinal lesions due to diabetes, a serious metabolic disease affecting millions of people around the world. This disorder disturbs the natural blood glucose levels causing various pathophysiological changes in different systems across the human body. Diabetic retinopathy is the medical term that describes the condition when the fundus and the retinal vessels are affected by diabetes. As in other diseases, small vessels play a crucial role in the onset, the development, and the outcome of the retinopathy. More importantly, at the latest stage, new small vessels, or neovascularizations, growth constitutes a factor of significant risk for blindness. Therefore, there is a need to detect all the changes that occur in the small retinal vessels with the aim of characterizing the vessels to healthy or abnormal. The characterization, in turn, can facilitate the detection of a specific retinopathy locally, like the sight-threatening proliferative diabetic retinopathy. Segmentation techniques can automatically isolate important anatomical structures like the vessels, and provide this information to the physician to assist him in the final decision. In comprehensive systems for the automatization of DR detection, small vessels role is significant as missing them early in a CAD pipeline might lead to an increase in the false positive rate of red lesions in subsequent steps. So far, the efforts have been concentrated mostly on the accurate localization of the medium range vessels. In contrast, the existing models are weak in case of the small vessels. The required generalization to adapt an existing model does not allow the approaches to be flexible, yet robust to compensate for the increased variability in the appearance as well as the interference with the background. So far, the current template models (matched filtering, line detection, and morphological processing) assume a general shape for the vessels that is not enough to approximate the narrow, curved, characteristics of the small vessels.  Additionally, due to the weak contrast in the small vessel regions, the current segmentation and the tracking methods produce fragmented or discontinued results. Alternatively, the small vessel segmentation can be accomplished at the expense of x background noise magnification, in the case of using thresholding or the image derivatives methods. Furthermore, the proposed deformable models are not able to propagate a contour to the full extent of the vasculature in order to enclose all the small vessels. The deformable model external forces are ineffective to compensate for the low contrast, the low width, the high variability in the small vessel appearance, as well as the discontinuities. Internal forces, also, are not able to impose a global shape constraint to the contour that could be able to approximate the variability in the appearance of the vasculature in different categories of vessels. Finally, machine learning approaches require the training of a classifier on a labelled set. Those sets are difficult to be obtained, especially in the case of the smallest vessels. In the case of the unsupervised methods, the user has to predefine the number of clusters and perform an effective initialization of the cluster centers in order to converge to the global minimum. This dissertation expanded the previous research work and provides a new segmentation method for the smallest retinal vessels. Multi-scale line detection (MSLD) is a recent method that demonstrates good segmentation performance in the retinal images, while tensor voting is a method first proposed for reconnecting pixels.  For the first time, we combined the line detection with the tensor voting framework. The application of the line detectors has been proved an effective way to segment medium-sized vessels.  Additionally, perceptual organization approaches like tensor voting, demonstrate increased robustness by combining information coming from the neighborhood in a hierarchical way. Tensor voting is closer than standard models to the way human perception functions. As we show, it is a more powerful tool to segment small vessels than the existing methods. This specific combination allows us to overcome the apparent fragmentation challenge of the template methods at the smallest vessels. Moreover, we thresholded the line detection response adaptively to compensate for non-uniform images. We also combined the two individual methods in a multi-scale scheme in order to reconnect vessels at variable distances.  Finally, we reconstructed the vessels from their extracted centerlines based on pixel painting as complete geometric information is required to be able to utilize the segmentation in a CAD system. The segmentation was validated on a high-resolution fundus image database that in- cludes diabetic retinopathy images of varying stages, using standard discrepancy as well as perceptual-based measures.  When only the smallest vessels are considered, the improve- ments in the sensitivity rate for the database against the standard multi-scale line detection method is 6.47%. For the perceptual-based measure, the improvement is 7.8% against the basic method. The second objective of the thesis was to implement a method for the characterization of isolated retinal areas into healthy or abnormal cases. Some of the original images, from which xi these patches are extracted, contain neovascularizations.  Investigation of image features for the vessels characterization to healthy or abnormal constitutes an essential step in the direction of developing CAD system for the automatization of DR screening. Given that the amount of data will significantly increase under CAD systems, the focus on this category of vessels can facilitate the referral of sight-threatening cases to early treatment. In addition to the challenges that small healthy vessels pose, neovessels demonstrate an even higher degree of complexity as they form networks of convolved, twisted, looped thin vessels. The existing work is limited to the use of first-order characteristics extracted from the small segmented vessels that limits the study of patterns. Our contribution is in using the tensor voting framework to isolate the retinal vascular junctions and in turn using those junctions as points of interests. Second, we exploited second-order statistics computed on the junction spatial distribution to characterize the vessels as healthy or neovascularizations. In fact, the second-order spatial statistics extracted from the junction distribution are combined with widely used features to improve the characterization sensitivity by 9.09% over the state of art. The developed method proved effective for the segmentation of the retinal vessels. Higher order tensors along with the implementation of tensor voting via steerable filtering could be employed to further reduce the execution time, and resolve the challenges at vascular junctions. Moreover, the characterization could be advanced to the detection of prolifera- tive retinopathy by extending the supervised learning to include non-proliferative diabetic retinopathy cases or other pathologies. Ultimately, the incorporation of the methods into CAD systems could facilitate screening for the effective reduction of the vision-threatening diabetic retinopathy rates, or the early detection of other than ocular pathologies.


identifier: Ardila Gualdron, N. H. (2017). Production of Chitosan Micro and Nanospheres for the Formulation of Antibacterial Food Packaging Materials  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'emballage alimentaire actif est un sujet de recherche en cours. La fabrication de nouveaux matériaux d'emballage pour améliorer la sécurité alimentaire et la préservation des aliments est un sujet d'intérêt continu. Le chitosane est un polysaccharide d'origine marine, non toxique ayant un grand potentiel pour être utilisé comme biomatériau antimicrobien, compte tenu de son activité antibactérienne. En outre, le chitosane est utilisé comme un additif alimentaire et a d'ailleurs reçu le statut de «Generally Recognized As Safe» (GRAS) par la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis. Par conséquent, le chitosane peut être considéré comme un candidat idéal dans des applications liées à l'industrie alimentaire. Le présent travail de recherche porte sur la production de nanosphères de chitosane pour la formulation de matériaux d'emballage alimentaire antibactériens. Le projet de recherche a été réalisé en trois étapes. La première étape traite de l'étude de l'influence de différents facteurs environnementaux, microbiens et caractéristiques du chitosane sur son activité antibactérienne, lorsqu'il est utilisé sous une forme solide discontinue, comme la poudre et les flocons. L'activité antimicrobienne a été évaluée contre une souche Gram-négatif (Escherichia coli) et deux souches Gram-positif (Listeria innocua et Staphylococcus aureus), qui sont généralement responsables de la détérioration des aliments. Les résultats ont montré que le chitosane nécessite une solubilisation partielle pour l'exercice de son activité antibactérienne. En outre, des conditions de température adéquates, la force ionique (salinité) et la présence d'un support physique solide peuvent favoriser l'effet antibactérien. La souche E. coli s'est révélée plus affectée par le chitosane, suivie de L. innocua et S. aureus. D'autre part, l'action antibactérienne a augmenté avec la concentration en chitosane jusqu'à un point critique au-dessus duquel cet effet a diminué. Cet effet pourrait être la conséquence des protéines restantes dans le chitosane et qui peuvent servir de nutriments pour les bactéries, limitant ainsi l'activité antibactérienne. Ces résultats sont prometteurs pour l'utilisation directe de la poudre et des flocons de chitosane en tant qu'agents antimicrobiens pour des applications dans l'emballage alimentaire. La deuxième étape a consisté en la production de micro et nanosphères de chitosane par électropulvérisation. Les effets des paramètres de solution et de procédé sur la morphologie, la collecte des particules et la stabilité du procédé ont été étudiés. La cartographie de la stabilité du procédé a été établie selon les nombres adimensionnels suivants: Reynolds (Re), Peclet électrique (Pe), Weber (We), Froude (Fr) et un paramètre de force électrostatique (Ω) qui relie les principales variables du procédé. La stabilité des solutions de chitosane par electropulvérisation nécessitait des valeurs relativement faibles pour les nombres Re, Fr et Ω, mais des valeurs relativement élevées pour les nombres Pe et We. Le procédé d'électropulvérisation constitue une nouvelle façon d'incorporer des nanosphères de chitosane dans les emballages alimentaires existants afin de leur fournir des propriétés antimicrobiennes et d'aider à prolonger la durée de conservation des produits alimentaires. La troisième étape étudie l'effet de la forme physique du chitosane, à savoir les solutions, les poudres et les nanosphères, ainsi que la taille des particules sur l'activité antibactérienne contre deux souches pathogènes, Staphylococcus aureus et Salmonella enterica serovar Typhimurium, des bactéries généralement associées à des infections d'origine alimentaire. Les nanosphères de chitosane ont présenté des performances antibactériennes supérieures à celles de la poudre de chitosane. Ceci a été expliqué par la petite taille et la plus grande surface de contact des nanosphères avec les parois cellulaires bactériennes. Les nanosphères ont également affiché une activité antibactérienne plus élevée que celle du chitosane en solution, ce qui peut être le résultat d'une charge superficielle plus élevée et d'une petite taille solide. Il est considéré que si le chitosane en solution interagit avec la paroi cellulaire, il restera sous forme libre dans le milieu plutôt que d'adhérer aux cellules de façon permanente. D'autre part, les souches de S. aureus étaient plus sensibles à l'action des nanosphères et étaient moins sensibles aux variations des conditions de pH et de température du milieu. Cette étude est d'une grande importance en ce qui concerne les nombreuses applications possibles des nanosphères de chitosane dans divers domaines dont l'emballage alimentaire et le biomédical.  ABSTRACT: Active food packaging is an ongoing research topic. The fabrication of packaging materials to improve food safety and food preservation is a subject of continuous interest. Chitosan is a nontoxic polysaccharide that has great potential to be used as an antimicrobial biomaterial, given its antibacterial activity. Besides, chitosan is considered as “Generally recognized as safe” (GRAS) food additive by the US Food and Drug Administration (FDA), wherewith can be considered as candidate for food related applications.  The current research work focuses on the production of chitosan nanospheres for the formulation of antibacterial food packaging materials. The research project was conducted in three phases. The first phase deals with the evaluation of different environmental, microbial and characteristics of chitosan on its antibacterial activity, when used in a discontinuous solid form, such as neat chitosan powder and flakes. The microbial activity was evaluated against one Gram-negative (Escherichia coli) and two Gram-positive strains (Listeria innocua and Staphylococcus aureus), which are commonly found in food spoilage. Results showed that chitosan requires a partial solubilisation for the exertion of the antibacterial activity. In addition, adequate temperature conditions, low ionic strength and the presence of a solid physical support may promote the antibacterial effect. E. coli strains were found to be more sensitive to chitosan, followed by L. innocua and S. aureus. On the other hand, antibacterial action increased with concentration up to a critical point above which this effect decreased. This effect may be due to remaining proteins in chitosan, which may serve as nutrients for the bacteria, limiting the antibacterial activity. These results are promising for the direct use of chitosan powder and flakes as antimicrobial agents for food packaging applications. The second phase consisted in the production of chitosan micro and nanospheres via electrospraying. Solution and processing parameters effects on the morphology, particle collection and processing stability were investigated. Mapping of the processing stability was established according to the following dimensionless numbers: Reynolds (Re), electric Peclet (Pe), Weber (We), Froude (Fr) and an electrostatic force parameter (Ω) which related the main variables of the process. The stability in the electrospraying of chitosan solutions required relatively low values for Re, Fr and Ω but relatively high values for Pe and We numbers. The electrospraying process may provide a novel way for incorporating chitosan nanospheres into existing food packaging to provide antimicrobial properties, and helping to extend the shelf-life of food products.  The third phase investigated the effect of chitosan physical form and particle size, namely solution, powder and nanospheres on the antibacterial activity, against two pathogen strains, Staphylococcus aureus and Salmonella enterica serovar Typhimurium, commonly associated with foodborne infection. Chitosan nanospheres displayed superior antibacterial performance than chitosan powder, explained by their small size and the larger surface area of contact of nanospheres with bacteria cell wall. Nanospheres also displayed higher antibacterial activity than chitosan in solution, which may be the result of the higher surface charge and solid and small size. It is believed that even though chitosan in solution interacts with the cell wall, it will remain as a free form in the medium rather than adhering into cells permanently. On the other hand, S. aureus strains were more sensitive to the action of nanospheres and were less influenced by the pH and temperature conditions of the medium. Given the remarkable antibacterial activity observed for chitosan nanospheres, this study is of great importance with respect to the many possible applications, such as in food packaging and in the biomedical field.


identifier: Perrillat-Bottonet, T. (2017). Conception d'un microscope multiphoton fibré et compact incorporant un coupleur à fibre à double gaine  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La microscopie multiphotonique est une technique d'imagerie basé sur la génération d'effets d'optique non linéaires dans les tissus biologiques possédant de nombreux avantages comparativement à la microscopie confocal à laquelle elle est souvent associée. En effet, en plus de fournir des images tridimensionnelles d'échantillon biologique avec une haute résolution ainsi qu'une profondeur de pénétration importante, elle permet d'extraire des informations propres aux tissus observés, par exemple la présence de collagène ou de structure fibrillaire. Elle reste aujourd'hui une technique principalement utilisée en laboratoire, à cause de la taille d'un tel appareil et de la propagation hors fibre du faisceau laser d'excitation et des signaux collectés. Ainsi, son transfert vers la clinique dans une application endoscopique nécessite de relever deux défis majeures : la propagation et la collection fibrées de l'excitation et des signaux et l'élaboration de sondes endoscopiques adaptées à l'imagerie multiphotonique. L'objectif principal de ce projet de maitrise est de réaliser un microscope multiphoton complètement fibré en utilisant un coupleur à fibre à double gaine (DCFC), à une longueur d'onde d'excitation 1550 nm, afin d'apporter une solution technologique à la réalisation d'un système complètement fibré, robuste et compact. Ce type de composant fibré doit permettre de remplacer l'utilisation d'un miroir dichroïque, composant non-fibré, utilisé dans la plupart des dispositifs actuels. L'utilisation d'une fibre à double gaine (DCF) est intéressante car elle permet de délivrer l'excitation laser par le coeur et une collection des signaux non linéaires par la gaine interne plus large, augmentant l'efficacité de collection. Dans un premier temps, des simulations numériques ont été réalisées afin de mieux cerner les effets liés à la propagation fibré des impulsions femtosecondes dans différents régimes pour les différents lasers utilisés dans ce projet. Ensuite, l'élaboration du circuit de fibre, incluant le DCFC, et sa compensation de dispersion fibré ont été réalisées. Enfin, en combinant ce circuit de fibre à une tête optique et à un système d'acquisition développé en parallèle, un microscope multimodale couplant imagerie confocale et multiphotonique a été réalisé. L'utilisation d'un laser fibré femtoseconde comme source d'excitation termine de rendre le microscope entièrement fibré, compact et robuste. Le système d'imagerie développé a été ensuite caractérisé et des échantillons biologiques ont pu être imagés. Ainsi, ce projet de maitrise démontre qu'il est possible de réaliser un tel microscope complètement fibré, adapté à l'imagerie multiphotonique, en se basant sur un coupleur à fibre à double gaine (DCFC).  ABSTRACT: Multiphoton microscopy is an imaging technique based on the nonlinear interactions of light with biological tisuses such as second harmonic generation (GSH) and two-photon excitation fluorescence (2PEF). It provides high-resolution three-dimensional imaging through the intrinsic optical sectioning of nonlinear signals with a high penetration depth compared to that of reflectance confocal microscopy. Nonlinear signals can reveal the tissue composition and sub-micrometric organization like the fibrillar structure of collagen bundles. Multiphoton microscopy has already shown its impact in biological research, namely in the fields of neurobiology, immunology, cancer research and embryology. Typically, these microscopes operate under free space propagation, using a dichroic mirror to separate the nonlinear signals from the excitation laser, confining this technology to a laboratory setting. Moving towards clinical application needs solving two main issues : propagating the pulsed laser excitation and collecting nonlinear signals through a fiber-based endoscopic probe. The main topic of this project is to realize an all-fiber multiphoton microscope using a double-clad fiber coupler (DCFC) at 1550 nm to answer the first issue mentioned above. This fiber component replaces the need for a dichroic mirror and allows for multiplexing second harmonic generation and 2PEF, collected from the inner cladding using a double-clad fiber coupler; and reflectance confocal microscopy, detected from the core acting as a confocal pinhole. First, numerical simulation were performed to understand pulse propagation through fibers and how it impacts nonlinear signals. Chromatic dispersion and self phase modulation are the main effects considered. Then, we elaborated a fiber circuit, including the DCFC, and achieved fiber dispersion compensation. Finally, combined to an optical microscope head and a custom acquisition system, an all-fiber multimodal microscope, multiplexing confocal and multiphoton imaging, was demonstrated. Using a femtosecond fiber laser as the excitation source, this all-fiber system prooved to be more compact and less sensitive to alignment. This new imaging system was characterized and some biological tissue were imaged. This master's thesis shows that it is possible to achieve such an all-fiber multiphoton microscope, based on a double-clad fiber coupler (DCFC).


identifier: Ren, X. (2017). A Dynamic Metabolomic Study of Lipid Production in Chlorella Protothecoides  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nombreuses espèces d'algues se sont révélées se développer rapidement et produire des quantités substantielles de lipides. Ainsi, identifiées comme des algues oléagineuses, on a longtemps proposé que les algues pourraient être utilisées comme une usine cellulaire de production de lipides pour l'industrie des biodiesels. Cependant, la faible production de lipides, due à un métabolisme des lipides fortement interconnecté, ainsi qu'un rendement relativement faible des procédés d'extraction ont représenté des obstacles majeurs à l'industrialisation des technologies de production de lipides d'algues. Algues d'eau douce Chlorella protothecoides était l'espèce la plus métabolique diverse et robuste trouvée dans les littératures. Il pourrait appliquer trois modes de culture différents, qui sont autotrophes sur le CO2, l'alimentation mixotrophique sur le CO2 et le glucose, et l'hétérotrophie avec le glucose uniquement. Dans cette espèce, la teneur en lipides et le rendement en biomasse étaient beaucoup plus élevés en mode de culture hétérotrophique par rapport au mode de culture autotrophique. Bien que les recherches montrent que le glucose pourrait inhiber l'affinité du CO2 dans le système de fixation du CO2 et avoir un fort effet inhibiteur sur les enzymes du cycle de Calvin ainsi que sur les protéines de collecte de lumière, l'impact de la régulation du glucose sur le niveau métabolique n'était pas clair. L'objectif principal du travail était d'améliorer le rendement lipidique des algues, en mettant l'accent sur l'ingénierie métabolique basée sur l'étude métabolomique et une modélisation cinétique, ainsi que sur l'exploration de nouvelles approches et de méthodes efficaces d'extraction des lipides, afin d'améliorer la cellule d'algues comme plate-forme d'accumulation de lipides pour la production de biodiesel. Dans la première partie, nous avons étudié différents modes de culture à base de carbone, tels que autotrophes, mixotrophes et hétérotrophes sous un faible pouvoir azoté. Sous un faible taux d'azote, les lipides pourraient être évidemment accumulés; Pendant ce temps, la différence de métabolisme cellulaire pourrait être clairement observée à cause de l'impact du glucose. L'objectif était de démêler les liens et la régulation entre le métabolisme du carbone des algues et la production de lipides. Dans cet article, nous nous concentrons profondément sur l'étude du métabolisme et de la régulation de la production de lipides dans la plate-forme d'algues et apporte une nouvelle connaissance de la régulation dans le métabolisme des lipides d'algues. Surtout, c'est la première fois que l'on étudie la dynamique de l'énergie dans les algues et que l'on retrouve la capacité de vii rotation de l'énergie dans les modes de culture hétérotrophes et mixotrophes pour une forte accumulation de lipides. La deuxième partie de ce travail a porté sur le développement d'un modèle métabolique cinétique décrivant le métabolisme central du carbone de Chlorella protothecoides cultivé dans des conditions hétérotrophes. Le modèle comprend la plupart des principales voies du métabolisme cellulaire. On a montré que les simulations de modèles concordaient avec les données expérimentales, ce qui suggère que la structure de modèle proposée fait face à la biologie des cellules de Chlorella protothecoides. Le modèle a permis d'effectuer une analyse dynamique du flux métabolique et nous a permis de démontrer que le rendement lipidique élevé s'accompagne d'un flux lipidique élevé et d'une faible activité TCA. Pendant ce temps, la distribution du flux dynamique suggère également un métabolisme stable et robuste dans Chlorella protothecoides avec un rapport relativement constant de la distribution du glucose. Ce modèle est un premier modèle métabolique cinétique dans les plates-formes d'algues et a jeté une base de base pour servir d'outil pour prédire l'ingénierie génétique ainsi que la stratégie de culture de conception pour une production optimisée de lipides en la définissant comme fonction objective. Dans la troisième et dernière partie, nous avons travaillé à améliorer les protocoles d'extraction des lipides actuels, afin de maximiser le rendement de l'extraction des lipides. Une étape de traitement de l'eau a été ajoutée et adaptée aux protocoles d'extraction actuels, entre les deux extractions de solvant organique. Les résultats ont montré que le traitement de l'eau de la biomasse après la première étape d'extraction du solvant aide à la libération des lipides intracellulaires dans la deuxième étape d'extraction, améliorant ainsi le rendement final d'extraction des lipides. Le nouveau procédé fournit donc un moyen efficace d'améliorer le rendement en extraction des lipides des méthodes existantes, ainsi que de favoriser le TAG, un lipide présentant le plus grand intérêt pour la production de biodiesel. En résumé, ce travail a permis de décrire le comportement métabolique de la production de lipides chez Chlorella protothecoides. La combinaison d'un outil d'ingénierie métabolique en amont et d'une approche optimisée de l'extraction des lipides en aval a clairement contribué à améliorer la faisabilité commerciale du bioprocessage de la production de lipides à base de microalgues.  ABSTRACT: Many algal species have been found to grow rapidly and produce substantial amounts of lipid. These microalgae are identified as oleaginous algae and it has long been proposed that algae could be employed as a cell factory to produce lipids for biodiesel. However, low lipid production level, because of a highly regulated lipid metabolism as well as relatively low lipid extraction yields, have been major barriers to the practical application of algae lipid technologies industrially. Fresh water algae Chlorella protothecoides was the most metabolic diverse and robust species found in literatures. It could apply three different culture modes, which are autotrophic on CO2, mixotrophic feeding on CO2 and glucose, and heterotrophic with glucose only. In this species, lipid content and biomass yield were much higher under heterotrophic culture mode compared with autotrophic culture mode. Although researches found glucose could inhibit the affinity of CO2 in the CO2 fixation system, and have strong inhibitory effect on Calvin cycle enzymes as well as on light gathering proteins, the impact of glucose regulation on metabolic level were not clear. The main objective of this thesis was thus to improve the algae lipid yield, with a special emphasis on a metabolic engineering approach based on a metabolomics study, kinetic modeling as well as on exploring new approaches of efficient lipid extraction methods, in order to improve algae cell as a lipid accumulation platform for biodiesel production. In the first part, we studied different carbon-based culture modes, such as autotrophic, mixotrophic, and heterotrophic under a low nitrogen medium condition. Under low nitrogen condition, lipid could be obviously accumulated; meanwhile the difference of cell metabolism could be clearly seen from glucose impact. The aim was to unravel the links and regulation between algae carbon metabolism and lipid production. In this article, we deeply focus on the metabolism and regulation study of lipid production in algae platform and it brings novel knowledge of regulation in algae lipid metabolism. Especially it's the first time to investigate the energy dynamic in algae and found energy turn over capacity in heterotrophic and mixotrophic culture modes for high lipid accumulation. The second part of this work focused on the development of a kinetic metabolic model describing Chlorella protothecoides central carbon metabolism grown under heterotrophic condition. The model includes most of the major pathways of the cell metabolism. Model simulations were shown to agree with experimental data, which is suggesting that the proposed model structure copes with ix Chlorella protothecoides cells' biology. The model enabled performing a dynamic metabolic flux analysis, and enabled us to demonstrate that high lipid yield is accompanied with high lipid flux and low TCA activity. Meanwhile, the dynamic flux distribution also suggests a robust and stable metabolism in Chlorella protothecoides with relatively constant ratio of glucose distribution. This model is a first kinetic metabolic model in algae platforms and laid a basic foundation to serve as a tool in predicting genetic engineering as well as design culture strategy for optimized lipid production by defining it as objective function. In the third and final part, we worked at improving current lipid extraction protocols, to maximize lipid extraction yield. A water treatment step was added and adapted to current extraction protocols, between the two organic solvent extractions. Results showed water treatment of biomass after the first solvent extraction step helps the release of intracellular lipids in the second extraction step, thus improving the final lipids extraction yield. The novel method thus provides an efficient way to improve lipid extraction yield of existing methods, as well as favoring TAG, a lipid of the highest interest for biodiesel production. In conclusion, this thesis allowed ameliorating our understanding of the links between cell metabolomic behavior and lipid production in Chlorella protothecoides. The combination of an upstream metabolic engineering tool and an optimized downstream lipid extraction approach has clearly contributed to ameliorate the commercial feasibility of lipids production bioprocess based on microalgae.


identifier: Petitdemange, E. (2017). Le transport non urgent des patients entre les hôpitaux de Montréal : un prototype pour l'automatisation du choix du transport et de l'accompagnement  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le transport externe des patients dans un établissement de santé est un centre de coût majeur dans la logistique des établissements de santé. En 2015, la loi 10 engendre la création des CIUSSS et des CISSS ( Centre Intégré (Universitaire) de Soins et Santé sociale) au Québec. De ce fait, les organisations de santé ont décidé d'utiliser ce contexte pour uniformiser leurs pratiques afin d'améliorer le niveau de service et de diminuer les coûts du transport externe des patients. Le transport externe des patients concerne les transferts interétablissements, les retours au domicile ainsi que les transports pour les examens des patients. Comme ce sont des transports entre établissements de santé, ils sont aux frais du système de santé. Aujourd'hui, chaque établissement a sa propre gestion du transport. Ceci engendre une diversité des pratiques ainsi qu'une absence d'uniformité dans le réseau de la santé. Par exemple, lorsqu'un patient a besoin d'être transporté (vers un autre établissement ou à son domicile), il faut choisir le mode de transport, déterminer s'il a besoin d'un accompagnement (et si oui, de quel type) puis effectuer la réservation. Il se trouve qu'il existe plusieurs options avec des coûts différents. Ainsi un transport non approprié peut engendrer un surcoût. Afin d'uniformiser les pratiques, nous avons cartographié l'état actuel du fonctionnement du transport de patient à travers 29 établissements, nous permettant ainsi de tracer plus de 70 processus de choix du transport et de sa réservation. Ces entrevues nous ont aussi permise de recenser les critères de choix du transport et de l'accompagnement. Avec cette connaissance du domaine, nous avons développé un prototype d'outil d'aide à la décision pour le choix du transport et de l'accompagnement des patients. Le choix du transport est automatisé grâce aux critères qui ont été récupérés, une base de données a été crée à l'aide de MySql, sa gestion et les interfaces qui permettent d'interagir avec les données sont générées avec Excel 2007. Des tests utilisateurs ont été menés sur cette interface pour s'assurer qu'elle répondait bien aux besoins des utilisateurs. L'outil se base sur un arbre de décision construit suite à plusieurs entrevues sur le terrain avec les professionnels de la santé. Une fois la demande de transport effectuée, un répartiteur décidera du transport à utiliser. Cet outil d'aide à la décision permet donc de choisir le transport, mais aussi d'éviter un surclassement dispendieux et non adapté au patient. Il permet aussi un meilleur accès aux données sur le transport dans un format standardisé. Suite aux tests effectués, nous avons constaté qu'une amélioration du choix du transport était possible pour 27% des véhicules choisis, ainsi il est possible de sauver des coûts en automatisant le choix du transport. Le transport externe des patients dans un établissement de santé est un centre de coût majeur dans la logistique des établissements de santé. En 2015, la loi 10 engendre la création des CIUSSS et des CISSS ( Centre Intégré (Universitaire) de Soins et Santé sociale) au Québec. De ce fait, les organisations de santé ont décidé d'utiliser ce contexte pour uniformiser leurs pratiques afin d'améliorer le niveau de service et de diminuer les coûts du transport externe des patients. Le transport externe des patients concerne les transferts interétablissements, les retours au domicile ainsi que les transports pour les examens des patients. Comme ce sont des transports entre établissements de santé, ils sont aux frais du système de santé. Aujourd'hui, chaque  établissement a sa propre gestion du transport. Ceci engendre une diversité des pratiques ainsi qu'une absence d'uniformité dans le réseau de la santé. Par exemple, lorsqu'un patient a besoin d'être transporté (vers un autre établissement ou à son domicile), il faut choisir le mode de transport, déterminer s'il a besoin d'un accompagnement (et si oui, de quel type) puis effectuer la réservation. Il se trouve qu'il existe plusieurs options avec des coûts différents. Ainsi un transport non approprié peut engendrer un surcoût. Afin d'uniformiser les pratiques, nous avons cartographié l'état actuel du fonctionnement du transport de patient à travers 29 établissements, nous permettant ainsi de tracer plus de 70 processus de choix du transport et de sa réservation. Ces entrevues nous ont aussi permise de recenser les critères de choix du transport et de l'accompagnement. Avec cette connaissance du domaine, nous avons développé un prototype d'outil d'aide à la décision pour le choix du transport et de l'accompagnement des patients. Le choix du transport est automatisé grâce aux critères qui ont été récupérés, une base de données a été crée à l'aide de MySql, sa gestion et les interfaces qui permettent d'interagir avec les données sont générées avec Excel 2007. Des tests utilisateurs ont été menés sur cette interface pour s'assurer qu'elle répondait bien aux besoins des utilisateurs. L'outil se base sur un arbre de décision construit suite à plusieurs entrevues sur le terrain avec les professionnels de la santé. Une fois la demande de transport effectuée, un répartiteur décidera du transport à utiliser. Cet outil d'aide à la décision permet donc de choisir le transport, mais aussi d'éviter un surclassement dispendieux et non adapté au patient. Il permet aussi un meilleur accès aux données sur le transport dans un format standardisé. Suite aux tests effectués, nous avons constaté qu'une amélioration du choix du transport était possible pour 27% des véhicules choisis, ainsi il est possible de sauver des coûts en automatisant le choix du transport.  ABSTRACT: Patient interhospital transportation is a major portion of the budget of logistics in health care facilities in Quebec. Since April 1st 2015, the facilities of Montreal are merged into CIUSSSs (centre intégré universitaire de santé et services sociaux) which include several health care institutions (hospital centers, clinics, day centers, nursing homes. . . ). Therefore, these organizations have decided to use this context to uniformize their decision process regarding the booking and the choice of patient interhospital transportation. Currently, these differ from place to place. For example, when a patient needs to be transported (to another institution or to his/her home), it is necessary to choose the mode of transport, to determine whether it needs an accompaniment (and if so of what type), and then make the reservation. It happens that there are several options with different costs. Thus, inappropriate transport can lead to an additional cost. Optimizing the transportation system itself will lead to a better balance between the quality of the transfers and their cost. To evaluate the potential gain of a standardized process for the transportation of non-urgent patients, we used in this research the transportation problem of non-urgent patient at Montreal, Quebec, Canada. On the first phase of the project, we mapped the current state. The analysis was based on observations and interviews conducted with health professionals and clerks from 29 facilities which belong to five CIUSSSs (Centre intégré universitaire de santé et de services sociaux) of the Island of Montreal. We were able to retrieve more than 70 processes. None the less, the transportation process of non-urgent patients can be divided on two stages (1) Type of companionship (2) type of vehicle. On the second phase of our project, we conducted an in-depth analysis in order to identify the key criteria in choosing the best type of companionship and the most appropriate type of vehicle for the patient. On the third phase of the project, we developed a prototype of a support decision tool for the choice of transport and patient's accompaniment based a decision tree created from the 17 criteria determined during phase two. The tool was developed using a database coded on textit MySql. Its management and the interfaces that allow to interact with the data are generated with textit Excel 2007. This choice is justified among other things because of the ease of the MySql language and because the excel tool is favored in medical establishment for its ease of use and low cost. On the final phase of the project, tests were conducted on the interface to ensure that it meets the needs of the final users and the final beneficiary, the patient. As a result of the tests carried out, we were able to determine the practicality of a standardized process. In fact, in 27% of the cases we were able to demonstrate an improvement in the choice of transport which translate in a direct costs saving. Moreover, this decision-making tool not only guides the choice the transport but avoids an expensive upgrade not adapted for the patient, and provides better access to transportation data in a standardized format which can be used in future researches.


identifier: Leroux, A. (2017). Caractérisation structurelle des déplacements en transport en commun au regard des données de l'enquête origine-destination et des cartes à puce  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La collecte passive des informations constitue une des pistes d'avenir dans l'optique d'une meilleure connaissance et opérationnalité des systèmes de transport, relativement à des données récoltées manuellement. Ces données de grande quantité et de faible coût sont de plus en plus répandues, notamment au travers des données de cartes à puce dans les Autorités Organisatrices de Transport. Elles sont une prodigieuse opportunité de mieux caractériser la demande en Transport en Commun. Le traitement et l'intégration de ces données constituent un important défi.  ABSTRACT: The passive collection of information is one of the avenues of the future with a view to improve knowledge and operationality of transport systems in the face of data collected manually. These massive quantities of data at a low cost are increasingly widespread, especially through smart card data within the public transport authorities. They are an excellent opportunity to better characterize the demand for public transport. Processing and integrating these kinds of data is an important challenge.


identifier: Nozadi, S. H. (2017). Classification of Alzheimer's Disease and Mild Cognitive Impairment Using Longitudinal FDG-PET Images  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La maladie d'Alzheimer (MA) est la principale cause de maladies dégénératives et se caractérise par un début insidieux, une perte de mémoire précoce, des déficits verbaux et visuo-spatiaux (associés à la destruction des lobes temporal et pariétal), un développement progressif et une absence de signes neurologiques tôt dans l'apparition de la maladie. Aucun traitement n'est disponible en ce moment pour guérir la MA. Les traitements actuels peuvent souvent ralentir de façon significative la progression de la maladie. La capacité de diagnostiquer la MA à son stade initial a un impact majeur sur l'intervention clinique et la planification thérapeutique, réduisant ainsi les coûts associés aux soins de longue durée. La distinction entre les différents stades de la démence est essentielle afin de ralentir la progression de la MA. La différenciation entre les patients ayant la MA, une déficience cognitive légère précoce (DCLP), une déficience cognitive légère tardive (DCLT) ou un état cognitif normal (CN) est un domaine de recherche qui a suscité beaucoup d'intérêt durant la dernière décennie. Les images obtenues par tomographie par émission de positrons (TEP) font partie des meilleures méthodes accessibles pour faciliter la distinction entre ces différentes classes. Du point de vue de la neuro-imagerie, les images TEP par fluorodésoxyglucose (FDG) pour le métabolisme cérébral du glucose et pour les plaques amyloïdes (AV45) sont considérées comme des biomarqueurs ayant une puissance diagnostique élevée. Cependant, seules quelques approches ont étudié l'efficacité de considérer uniquement les zones actives localisées par la TEP à des fins de classification. La question de recherche principale de ce travail est de démontrer la capacité des images TEP à classer les résultats de façon précise et de comparer les résultats de deux méthodes d'imagerie TEP (FDG et AV45). Afin de déterminer la meilleure façon de classer les sujets dans les catégories MA, DCLP, DCLT ou CN en utilisant exclusivement les images TEP, nous proposons une procédure qui utilise les caractéristiques apprises à partir d'images TEP identifiées sémantiquement. Les machines à vecteurs de support (MVS) sont déjà utilisées pour faire de nombreuses classifications et font partie des techniques les plus utilisées pour la classification basée sur la neuro-imagerie, comme pour la MA. Les MVS linéaires et la fonction de base radiale (FBR)-MVS sont deux noyaux populaires utilisés dans notre classification. L'analyse en composante principale (ACP) est utilisée pour diminuer la taille des données suivie par les MVS linéaires qui sont une autre méthode de classification. Les forêts d'arbres décisionnels (FAD) sont aussi exécutées pour rendre les résultats obtenus par MVS comparables. L'objectif général de ce travail est de concevoir un ensemble d'outils déjà existants pour classer la MA et les différents stades de DCL. Suivant les étapes de normalisation et de prétraitement, une méthode d'enregistrement TEP-IRM ultimodale et déformable est proposée afin de fusionner l'atlas du MNI au scan TEP de chaque patient et de développer une méthode simple de segmentation basée sur l'atlas du cerveau dans le but de générer un volume étiqueté avec 10 régions d'intérêt communes. La procédure a deux approches : la première utilise l'intensité des voxels des régions d'intérêt, et la seconde, l'intensité des voxels du cerveau en entier. La méthode a été testée sur 660 sujets provenant de la base de données de l'(Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative) et a été comparée à une approche qui incluait le cerveau en entier. La précision de la classification entre la MA et les CN a été mesurée à 91,7% et à 91,2% en utilisant la FBR et les FAD, respectivement, sur des données combinant les caractéristiques multirégionales des FDG-TEP des examens transversal et de suivi. Une amélioration considérable a été notée pour la précision de classification entre les DCLP et DCLT avec un taux de 72,5%. La précision de classification entre la MA et les CN en utilisant AV45-TEP avec les données combinées a été mesurée à 90,8% et à 87,9% pour la FBR et les FAD, respectivement. Cette procédure démontre le potentiel des caractéristiques multirégionales de la TEP pour améliorer l'évaluation cognitive. Les résultats observés confirment qu'il est possible de se fier uniquement aux images TEP sans ajout d'autres bio-marqueurs pour obtenir une précision de classification élevée.  ABSTRACT: Alzheimer's disease (AD) is the most general cause of degenerative dementia, characterized by insidious onset early memory loss, language and visuospatial deficits (associated with the destruction of the temporal and parietal lobes), a progressive course, and lack of early neurological signs early in the course of disease. There is currently no absolute cure for AD but some treatments can slow down the progression of the disease in early stages of AD. The ability to diagnose AD at an early stage has a great impact on the clinical intervention and treatment planning, and hence reduces costs associated with long-term care. In addition, discrimination of different stages of dementia is crucial to slow down the progression of AD. Distinguishing patients with AD, early mild cognitive impairment (EMCI), late mild cognitive impairment (LMCI), and normal controls (NC) is an extremely active research area, which has garnered significant attention in the past decade. Positron emission tomography (PET) images are one of the best accessible ways to discriminate between different classes. From a neuroimaging point of view, PET images of fluorodeoxyglucose (FDG) for cerebral glucose metabolism and amyloid plaque images (AV45) are considered a highly powerful diagnostic biomarker, but few approaches have investigated the efficacy of focusing on localized PETactive areas for classification purposes. The main research question of this work is to show the ability of using PET images to achieve accurate classification results and to compare the results of two imaging methods of PET (FDG and AV45). To find the best scenario to classify our subjects into AD, EMCI, LMCI, and NC using PET images exclusively, we proposed a pipeline using learned features from semantically labelled PET images to perform group classification using four classifiers. Support vector machines (SVMs) are already applied in a wide variety of classifications, and it is one of the most popular techniques in classification based on neuroimaging like AD. Linear SVMs and radial basis function (RBF) SVMs are two common kernels used in our classification. Principal component analysis (PCA) is used to reduce the dimension of our data followed by linear SVMs, which is another method of classification. Random forest (RF) is also applied to make our SVM results comparable. The general objective of this work is to design a set of existing tools for classifying AD and different stages of MCI. Following normalization and pre-processing steps, a multi-modal PET-MRI registration method is proposed to fuse the Montreal Neurological Institute (MNI) atlas to PET images of each patient which is registered to its corresponding MRI scan, developing a simple method of segmentation based on a brain atlas generated from a fully labelled volume with 10 common regions of interest (ROIs). This pipeline can be used in two ways: (1) using voxel intensities from specific regions of interest (multi-region approach), and (2) using voxel intensities from the entire brain (whole brain approach). The method was tested on 660 subjects from the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative database and compared to a whole-brain approach. The classification accuracy of AD vs NC was measured at 91.7 % and 91.2 % when using RBF-SVM and RF, respectively, on combining both multi-region features from FDG-PET on cross-sectional and follow-up exams. A considerable improvement compare to the similar works in the EMCI vs LMCI classification accuracy was achieved at 72.5 %. The classification accuracy of AD versus NC using AV45-PET on the combined data was measured at 90.8 % and 87.9 % using RBF-SVM and RF, respectively. The pipeline demonstrates the potential of exploiting longitudinal multi-region PET features to improve cognitive assessment. We can achieve high accuracy using only PET images. This suggests that PET images are a rich source of discriminative information for this task. We note that other methods rely on the combination of multiple sources.


identifier: Ract, A. (2017). Analyse économétrique des effets de la présence d'entreprises étrangères sur le degré de concurrence du marché public québécois de la construction  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les marchés publics, qui représentent l'ensemble des contrats accordés par des organismes publics à des entreprises afin de se procurer des biens et des services, sont matière à de nombreuses études en raison de leur importance capitale dans le fonctionnement d'un pays (infrastructures, transports, défense, etc.), de leurs sources de financement (taxes, impôts ou dette) et des montants qui sont engagés. Ces spécificités impliquent qu'ils doivent être les plus transparents et efficients possibles. Un des moyens pour assurer cette finalité est la présence d'une concurrence saine, intense et ouverte à l'international. La question de la libéralisation des marchés publics et celle des facteurs favorisant la concurrence ont fait et font toujours l'objet de multiples études dans la littérature internationale et québécoise. Les études spécifiques au Québec mettent en avant deux grandes conclusions. Les firmes étrangères occupent une place minime voir quasi nulle malgré les nombreux accords de libéralisation dont le Québec est partie prenante et leur présence se caractérise principalement par la présence de filiales d'entreprises étrangères. Ce mémoire de maîtrise s'inscrit dans la continuité de ces travaux en proposant une analyse économétrique de la pénétration d'entreprises étrangères et de ses effets sur la concurrence à travers des données relatives au marché public québécois de la construction. L'étape fondamentale de ce projet consiste en la création d'une base de données regroupant les informations de tous les contrats émis par le ministère des Transports du Québec et de toutes informations concernant les entreprises y ayant répondu. Un important travail de recherche est ensuite effectué afin d'enrichir cette base de données avant de la restructurer en vue de modélisations et d'analyses statistiques. Ces dernières permettent alors de dresser un portrait, relativement positif, de la concurrence sur le marché public de la construction entre 2009 et 2015. La commission Charbonneau a notamment eu un impact positif sur le comportement des différents acteurs du secteur de la construction. D'autre part, cette nouvelle approche met en évidence que la présence d'entreprises étrangères sur les appels d'offres renforce la concurrence de manière significative. Cette présence est principalement motivée par la proximité géographique, mais aussi par les montants engagés. Les firmes étrangères ne sont toutefois pas traitées au même titre que les entreprises québécoises dans le processus d'adjudication en ayant à un taux de succès moindre.  ABSTRACT: Public procurement, which represents every contract awarded by public institutions to companies for the allocation of goods and services, are subject to numerous studies due to their crucial importance in the functioning of a country (transport infrastructure, defence), their sources of financing (taxes or debt) and the amounts incurred. These specificities imply that they must be as transparent and efficient as possible. One of the means of achieving this goal is ensuring intense, fair and open competition. Questions of public procurement liberalisation and of factors favouring competition have been and still are subject to many studies in International and Quebec literature. Specific studies in Quebec highlight two major findings. First of all, foreign firms occupy a minimal position despite the large number of liberalisation agreements in which Quebec is a stakeholder. Second of all, this foreign presence is mainly characterised by the participation of subsidiaries of foreign companies. The present project comes in continuity of such previous work: it offers an econometric analysis of the penetration of foreign firms and its effects on competition through data relating to Quebec's public construction procurement. The main aspect of my Master's thesis consists in the creation of a database gathering information of all contracts issued by Quebec's Ministry of transportation as well as information concerning the firms that have responded to them. Substantial research is then conducted to extend this database before its restructuration for statistical analysis and modelling. This analysis then allows to get a bigger – and rather favourable – picture of the competition present in public construction procurement between 2009 and 2015. The Charbonneau commission has played a role in this, as it positively impacted the behaviour of various actors in the sector. Furthermore, this new approach shows that the presence of foreign firms on bids significantly strengthens competition. Such presence is primarily motivated by geographical proximity and by the amounts committed. However, foreign firms face a lower success rate than Quebec firms, implying a bias against them in the bidding process.


identifier: Normandeau, M. (2017). Évaluation des instruments de mesure de faible puissance pour une application de protection d'alternateur  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans les centrales hydroélectriques, où l'intensité des courants de défaut de court-circuit et les constantes de temps sont particulièrement importantes, les spécifications des transformateurs de courant conventionnels peuvent se traduire par des équipements de grandes dimensions et provoquer ainsi des complications lors de leur implantation, particulièrement dans le cadre de projets de réfection. Une étude a donc été réalisée afin d'évaluer le potentiel de différents instruments de mesure de faible puissance (en anglais, Low Power Instrument Transformers ou LPIT) présentement sur le marché pour une application de protection d'alternateur. Deux types de LPIT ont été analysés : le transformateur de courant optique (en anglais, Optical Current Transformer ou OCT) et le concentrateur analogique (en anglais, Stand Alone Merging Unit ou SAMU). Afin de tester ces équipements, une source d'essai de 65 kA crête a été mise au point à l'aide d'un simulateur en temps réel. Cette source a permis d'injecter aisément, dans les LPIT à l'essai, des courants symétrique et asymétrique ayant différentes constantes de temps présentes en centrale hydroélectrique afin d'évaluer la classe de précision de protection des appareils. Des essais à bas courant ont aussi été réalisés afin d'évaluer les classes de mesure. Ce mémoire décrit la conception du banc d'essai à courant élevé, l'évaluation de l'incertitude de mesure et les algorithmes d'analyse utilisés. Les résultats d'analyse sont ensuite présentés et analysés du point de vue de l'utilisation d'une protection d'alternateur dans une centrale hydroélectrique.  ABSTRACT: In hydroelectric power plants, which are characterized by particularly high short-circuit current levels and long time constants, conventional current transformer (CT) specifications can result in increased equipment dimensions, thus complicating their installation, especially during refurbishment projects. This thesis presents a study to assess the potential of various Low Power Instrument Transformers (LPITs) for generator protection applications. Two types of LPITs were evaluated: the optical current transformer (OCT) and the stand alone merging unit (SAMU). To test the OCT, a 65-kA-peak test source was developed using a real-time simulator. This source was used to inject symmetrical and asymmetrical currents into LPITs for the assessment of protection accuracy class. Low-current tests were also performed to assess their metering classes. This thesis presents the design of a high-current test bench, measurement incertainty analysis and analysis algorithms used for device evaluation. Analysis results are then presented and discussed in terms of their applicability to generator differential protection using SAMUs and OCTs.


identifier: Pourramezan, R. (2017). Design and Implementation of a Centralized Disturbance Detection System for Smart Microgrids  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'excursion de fréquence et de tension sont parmi les défis nombreux qui se posent aux microréseaux. La détection des perturbations peut être effectuée par le système de surveillance centralisé de micro-réseaux qui utilise des données de synchrophasor rapportées à partir de différents noeuds. Les réseaux de communication de synchrophasor présentent des retards et des Pertes de paquets qui peuvent détériorer l'intégrité des données et donc compromettre la fiabilité des systèmes de surveillance et de contrôle des micro-réseaux intelligents. Ce mémoire présente un nouveau concentrateur de données de vecteurs de phase avancé (APDC) capable de contrer les manques de la communication et d'améliorer la qualité des ressources de la production décentralisée (DER) dans les micro-réseaux. L'APDC proposé utilise un système de compensation adaptatif pour obtenir une estimation efficace des éléments de données manquants. L'estimateur adaptatif utilise le taux de changement d'éléments de données pour choisir entre l'estimateur LMMSE et un estimateur basé sur les dérivés pour prédire les valeurs futures des éléments de données. Si, à un instant donné, les éléments de données synchrophasors de certaines unités de mesure de phasor (PMU) manquent, les valeurs estimées sont utilisées pour compenser les données manquantes. En outre, une unité de surveillance est proposée pour détecter de manière fiable les excursions en fréquence et identifier les DERs affectés par les îlotages. L'unité de surveillance utilise un algorithme de détection centralisé élaboré qui traite les données de fréquence pour distinguer entre l'îlotage possible des DERs et les perturbations du réseau de distribution. L'APDC proposé est développé sur la plate-forme OpenPDC en temps réel et sa performance est évaluée à l'aide d'une configuration expérimentale comprenant trois PMUs, un réseau de télécommunications, des interrupteurs, et un concentrateur de données de vecteurs de phase classique (PDC). Les résultats expérimentaux confirment une intégrité des données de haut niveau dans les conditions normales et perturbées des micro- réseaux. Des études sur l'effet du bruit de mesure montrent que l'APDC proposé est même efficace en présence de bruits sévères. De plus, une détection rapide et fiable des événements d'îlotage est obtenue en raison de l'amélioration considérable du temps de détection même en cas de pertes de données sévères et de bruit de mesure. Enfin, la performance de l'APDC proposé est comparée à une méthode d'estimation existante. Les résultats montrent l'avantage important de l'APDC, en particulier dans des conditions perturbées.  ABSTRACT: Microgrids are subject to various disturbances such as voltage transients and frequency excursions. Disturbance detection can be performed by a microgrid centralized monitoring system that employs synchrophasor data reported from different nodes within the microgrid. Synchrophasor communication networks exhibit delays and packet dropout that can undermine the data integrity and hence compromise the reliability of the monitoring and control systems of the smart microgrids. In this thesis, an advanced phasor data concentrators (APDC) is proposed that is capable of counteracting the communication impairments and improving the quality of monitoring of distributed energy resources (DERs) in microgrids. The proposed APDC utilizes an adaptive compensation scheme to achieve an efficient estimate of missing data elements. The adaptive estimator employs the rate of change of data elements to choose between the vector linear minimum mean square error (LMMSE) and the derivative-based estimators to predict the future values of data elements. Whenever the synchrophasor data elements of some phasor measurement units (PMU) are missing, the estimated values are used to compensate for the missing data. Moreover, a monitoring unit is proposed to reliably detect frequency excursions and identify the DERs affected by islanding events. The monitoring unit utilizes an elaborate centralized detection algorithm that processes frequency data to distinguish between possible islanding of DERs and disturbances occurred within the host grid. The proposed APDC is developed on a real-time OpenPDC platform and its performance is evaluated using an experimental setup including three PMUs, communication links, switches, and a conventional phasor data concentrator (PDC). The experimental results confirm a high-level data integrity under both normal and disturbed conditions. Studies on the effect of measurement noise show that the proposed APDC is even efficient in the presence of noise. Moreover, fast and reliable detection of islanding events is achieved even under severe data losses and measurement noise. Finally, the performance of the proposed APDC is compared with a recently proposed estimation method that shows the significant advantage of the APDC, especially under disturbed conditions.


identifier: Bréard Lanoix, M.-L. (2017). Caractérisation des propriétés hydrogéologiques de la couche de contrôle des écoulements placée sur la halde à stériles expérimentale à la mine du lac Tio  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie minière génère des volumes importants de roches stériles, généralement entreposées en surface dans des haldes à stériles exposés aux conditions atmosphériques. Les minéraux réactifs (souvent sulfureux) parfois contenus dans ces stériles peuvent s'oxyder au contact de l'oxygène et de l'eau et générer du drainage minier acide (DMA) ou du drainage neutre contaminé (DNC). La présente étude s'inscrit dans un projet plus vaste visant à évaluer une nouvelle approche de déposition des roches stériles, avec pour objectif de limiter la génération d'eaux de drainage contaminées pendant les opérations minières et après la fermeture du site. Il s'agit d'une méthode de gestion intégrée et progressive des stériles.  ABSTRACT: The mining industry produces large volumes of waste rocks. These waste rocks are usually deposited on the surface in waste rock piles, exposed to natural conditions. Reactive (often sulfuric) minerals sometimes contained in waste rocks can oxidize when placed in contact with oxygen and water, and generate acid mine drainage (AMD) or contaminated neutral drainage (CND). This study is part of a larger project aimed at evaluating a new integrated waste rock management method that leads to progressive pile reclamation.


identifier: Brunet, P. (2017). Détermination expérimentale des constantes de réaction influençant la dissolution d'une roche carbonatée à différentes températures  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes géothermiques en puits à colonne permanente (PCP) possèdent un potentiel énergétique plus efficace que la géothermie conventionnelle de basse température tout en étant moins coûteux. À Montréal, le fonctionnement d'un PCP repose sur l'utilisation de l'eau présente dans les aquifères de calcaire de la région. La dissolution et la précipitation de calcite peuvent alors poser problème, puisque celle-ci peut ensuite se précipiter dans le système, colmatant potentiellement les tuyaux et nuisant à leur utilisation à long terme.  ABSTRACT: Standing column wells (SCW) as a geothermal system offers better efficiency than conventional closed loop geothermal installations while being less costly. In Montreal, its operation relies on the use of the water present in the limestone aquifers of the area, which can cause problems. The rock can easily dissolve and calcium can then precipitate in the system, potentially clogging the pipes and impairing their long-term use.


identifier: Seyedi, S. Y. (2017). Synchrophasor Data Analytics for Control and Protection Applications in Smart Grids  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Des réseaux intelligents sont des réseaux d'énergie fortement distribués où les technologies d'énergie et des services sont intégrés avec des informations, des communications et contrôlent des technologies. Puisque les sources d'énergie renouvelable deviennent plus efficaces et rentables, les réseaux intelligents peuvent livrer la puissance propre, durable, sécuritaire, et fiable aux consommateurs. Cependant, l'utilisation rapide de sources d'énergie renouvelable provoque des défis techniques en termes de surveillance, le contrôle et la protection des réseaux électriques. En fait, l'énergie renouvelable implique les phénomènes qui sont naturellement stochastiques comme la lumière du soleil et le vent. Donc, les réseaux intelligents devraient être capables de surveiller et répondre aux changements tant dans fournisseur d'énergie que dans la demande. L'évolution des réseaux électriques provoque aussi le déploiement de nombreuses unités de mesure sans précédent et d'intelligents appareils de mesure. En vertu des systèmes de communications, les signaux en temps réel et les données peuvent être échangés entre les composants des réseaux intelligents. Le flux de données en temps réel fournit une occasion unique pour des applications axées sur les données et des outils pour démultiplier la modernisation de réseaux et la résilience. Les unités de mesure de phaseur sont les dispositifs spécialisés qui acquièrent le phaseur synchronisé (synchrophasor) des données des réseaux électriques. L'analytique de données Synchrophasor peut potentiellement étre plus performant que des méthodes traditionnelles en termes de prise de décisions. Spécifiquement, l'analytique de données est des approches qualitatives/quantitatives et les algorithmes qui rassemblent et traitent des données pour en fin de compte améliorer la conscience situationnelle dans des réseaux électriques. Motivé par ce fait, cette thèse présente des solutions viables pour l'analytique de données synchrophasor dans le but d'améliorer la surveillance, le contrôle et la protection de réseaux de distribution. La thèse se concentre sur trois fonctionnalités qui sont portées de basé sur l'analytique de données synchrophasor: Détection de perturbation centralisée, surveillance de production décentralisée (PD) et la protection “backup” coordonnée. L'objectif de surveillance de perturbation est de réaliser la détection rapide et fiable de tension/des déviations de fréquence qui affectent la stabilité de réseau. La surveillance de PD est liée à la détection de la présence/absence de ressources énergétiques pour la gestion du flux de puissance.  ABSTRACT: Smart grids are highly distributed energy networks where energy technologies and services are integrated with information, communications and control technologies. As renewable energy sources are becoming more efficient and cost–effective, the smart grids can deliver safe, clean, sustainable and reliable power to consumers. However, the rapid utilization of renewable energy sources brings about technical challenges in terms of monitoring, control, and protection of power systems. In fact, renewable energy involves phenomena which are naturally stochastic such as sunlight and wind. Therefore, the smart grids should be capable of monitoring and responding to changes in both power supply and demand. The evolution of the power systems also gives rise to deployment of unprecedented number of measurement units and smart meters. By virtue of communications systems, real-time signals and data can be exchanged between components of the smart grids. The flow of real-time data provides a unique opportunity for data-driven applications and tools to leverage grid modernization and resiliency. Phasor measurement units are specialized devices that acquire synchronized phasor (synchrophasor) data from the power systems. Synchrophasor data analytics can potentially outperform traditional methods in terms of decision making. Specifically, data analytics are qualitative/quantitative approaches and algorithms that collect and process data to ultimately improve situational awareness in the power systems. Motivated by this fact, this thesis presents viable solutions for synchrophasor data analytics with the aim of improving monitoring, control and protection of power distribution grids. The thesis focuses on three functionalities that are carried out based on synchrophasor data analytics: Centralized disturbance detection, monitoring of distributed generation (DG) systems, and coordinated backup protection. The objective of disturbance monitoring is to achieve fast and reliable detection of voltage/frequency deviations that affect the network stability. The DG monitoring is concerned with detecting presence/absence of energy resources for management of the flow of power. Disturbance and DG monitoring tools pave the way for adaptive backup protection of active distribution networks. The adaptive backup protection scheme ensures the post-fault stability by detecting line faults within a permissible tolerance time. The coordination between control and backup protection systems leads to fast recovery of voltage/frequency and minimizes power outage. The efficacy and reliability of the developed methods and algorithms are validated by extensive computer simulations based on different benchmarks.


identifier: Zhang, T. (2017). Characterisation of Intercity Bus Travel Demand in Quebec  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les autocars interurbains jouent un rôle essentiel pour les déplacements interurbains dans le domaine du transport public. En effet, les autocars offrent plusieurs avantages. Tout d'abord, ils sont potentiellement flexibles au niveau de l'établissement des horaires de service. Ensuite, ils peuvent être opérés à l'aide d'une infrastructure nécessitant des investissements relativement modestes comparativement aux modes par rail et aériens, tout en tenant compte de la grande couverture spatiale offerte. Le transport par autocars au Québec est opéré par des entreprises privées qui doivent évidemment rentabiliser leurs opérations. Le service de transport par autocars est apparu dans les années 1920 comme un complément au service ferroviaire.  ABSTRACT: Intercity bus services play a key role in Canadian intercity public transportation due to their potential flexibility in scheduling, large spatial coverage, and relatively low infrastructure investment compared to rail and air transportations. The intercity bus industry in Quebec is made up of private companies whose business models endeavor to maximize their profits. This industry, however, is in decline with an obvious and continuous demand reduction since the 1980s due to the rural exodus, competition from other modes, and strict economic regimes. To better cope with the competition arising from other modes, such as train, low-cost flights, and emerging services like carpooling, the operators are committed to service improvement.


identifier: Geneste, A. (2017). Caractérisation de l'offre et de la demande de transport dans un système de taxis électriques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'émergence de nouvelles technologies modifie petit à petit les conditions de notre mobilité. Parmi les nouvelles tendances en transport, nous pouvons citer le véhicule électrique qui, d'un certain point de vue, est un apport pour la mobilité durable. À Montréal, la société Téo Taxi opère déjà un réseau de taxis électriques sur une partie de l'île et cherche à s'implanter sur l'ensemble du territoire.  ABSTRACT: The rise of new technologies is gradually changing the way we move. Among new tendencies in transportation, the use of electric vehicles can be seen as a tool to set up better sustainable cities. In Montreal, the Téo Taxi company is already operating a network of electric taxis and intends to cover the whole Montreal Island.


identifier: Abbasi, H. (2017). Organic Matter Capture by High-Rate Inoculum-Chemostat and MBBR Systems  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le traitement des eaux usées biologique à charge élevée permet d'utiliser la matière organique pour la production d'énergie par un procédé méthanogène qui contribue au bilan d'énergie positif pour les stations de récupération des ressources de l'eau (StaRRE). L'objectif principal de cette recherche était de maximiser la biotransformation de la matière organique soluble et colloïdale de l'affluent en matière particulaire par l'emploi d'un bioréacteur à lit mobile (MBBR) pour que cette matière particulaire soit captée et acheminée vers un procédé de digestion anaérobie.  ABSTRACT: High-rate biological treatment processes allow the recovery of organic matter from wastewater into energy via methanogenesis contributing to the energy positive development of water resource recovery facilities (WRRFs) with lower carbon footprints. The main objective of this research was to maximize the bio-transformation of influent soluble and colloidal organic matter into particulate COD using a high-rate moving bed bioreactor (MBBR) for subsequent physico-chemical capture prior to transport to anaerobic digestion process.


identifier: Beaudette, K. (2017). Double-Clad Fiber-Based Systems and Devices as a Therapeutic and Diagnostic Tool for Barrett's Esophagus  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'oesophage de Barrett est une pathologie pré-cancéreuse caractérisée par la présence d'épithélium gastrique au niveau du segment inférieur de l'oesophage. La détection précoce ainsi qu'une surveillance périodique de cette pathologie sont critiques d'autant plus qu'un risque élevé de développer un adénocarcinome oesophagien, une forme cancéreuse avec un taux de survie après 5 ans de 13%, y est associé. Les patients atteints de l'oesophage de Barrett doivent subir une surveillance périodique impliquant la collection d'échantillons de biopsie dans chaque quadrant et à tous les 2 cm le long du segment affecté, une procédure réalisée sous guidage gastroscopique. Étant donné la nature aléatoire et le taux d'échantillonnage faible, cette procédure est typiquement associée avec un taux élevé de résultats faux-négatifs. L'amélioration de l'efficacité ainsi que la diminution des coûts de la surveillance de l'œsophage de Barrett aurait un impact significatif sur la gestion clinique de ces patients. La tomographie par cohérence optique (optical coherence tomography ou OCT) a été proposée pour le guidage de la collection d'échantillons de biopsie afin d'en augmenter le rendement et de réduire le taux de faux-négatif. L'OCT est une technique d'imagerie optique basée sur l'interférométrie à faible cohérence permettant d'obtenir des coupes transversales de tissus biologiques jusqu'à quelques millimètres en profondeur et avec une résolution de l'ordre de 10 μm. L'OCT de l'oesophage est typiquement réalisée à l'aide d'une sonde fibrée en rotation incluse dans un cathéter à ballonet. Afin d'identifier la région d'intérêt pour la biopsie, un laser à haute puissance est utilisé, à travers la même fibre optique, afin de produire une marque superficielle de coagulation visible à la gastroscopie. Cette procédure est appelée le marquage par laser. Ce concept a d'abord été démontré à l'aide d'un laser continu avec une durée d'illumination qui, pour obtenir un marquage avec un contrast sufficient, nécessite l'arrêt de la rotation de la sonde. En plus d'allonger la durée de la procédure, le marquage et l'imagerie ne peuvent pas être faits simultanément. Nous proposons ainsi un système permettant le marquage par laser dynamique, c'est-à-dire que le marquage est réalisé avec la sonde en rotation, simultanément à l'OCT. L'utilisation d'une puissance crête élevée et de pulses courts pourraient permettre le marquage par laser dynamique en tirant avantage du confinement thermique de l'énergie.  ABSTRACT: Barrett's esophagus is a pre-malignant lesion characterized by the presence of gastric epithelium lining the lower esophagus. Early detection and surveillance of this pathology is critical as it is associated with an increased risk for esophageal adenocarcinoma, a form of cancer with a 5-year survival rate of 13%. Barrett's esophagus patients undergo periodic surveillance involving four quadrant biopsies every 2 cm along the Barrett's segment under video endoscopy guidance. However, given the randomness and the low sampling ratio of the biopsy collection,the procedure is typically associated with high rate of false-negative results. Increasing the efficiency and the cost-effectiveness of endoscopic surveillance of Barrett's esophagus would have a significant impact in the clinical managements of these patients. Optical coherence tomography (OCT) was proposed as a means to guide the biopsy procedure, therefore increasing the biopsy yield and reducing the false-negative rate. OCT is an optical imaging technique using low-coherence interferometry to provide cross-sectional images of tissues to a depth up to a few millimeters with a resolution on the order of 10 μm. OCT imaging of the gastro-intestinal (GI) tract is typically performed through a rotating fiber optic probe within a balloon-catheter. To identify a biopsy's region-of-interest, a higher power laser is propagated through the same fiber optics in order to create a superficial coagulation mark onto the tissue visible under video endoscopy, a procedure called laser marking. Previous implementations used a continuous laser such that, to achieve a coagulation mark with sufficient contrast, the duration of the irradiation required the catheter's rotation to be stopped. In addition to lengthening the procedure time, marking and imaging could not be done simultaneously. We herein propose a system capable of dynamic laser marking (i.e. marking is performed on-the-fly, while the catheter is spinning) for concurrent imaging and marking. The use of high peak power and short pulses could enable dynamic laser marking, taking advantage of thermal confinement.