identifier: Belzile, B. (2016). Mesure tactile proprioceptive pour des doigts sous-actionnés  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La préhension et la manipulation d'objets par des robots deviennent de plus en plus répandues dans divers domaines, et ce, pour de multiples applications. L'utilisation de robots permet d'améliorer la répétabilité, la rapidité et la précision lors de certaines tâches, et ce, comparativement aux performances d'un opérateur humain. De plus, un robot peut également être conçu pour accomplir certaines tâches qu'une personne ne pourrait effectuer, que ce soit au niveau de la force nécessaire ou du manque d'espace pour manoeuvrer. Des robots peuvent également plus aisément fonctionner dans des environnements hostiles. Tout comme pour l'être humain, la rétroaction tactile est particulièrement utile et même inévitable pour effectuer certaines tâches. Il faut toutefois souligner qu'il s'agit d'un thème de recherche où l'on est encore bien loin d'avoir atteint les performances humaines. Pour s'en approcher, de nombreuses et diverses technologies de capteurs tactiles existent, mais chacune comporte ses défauts. Ainsi, bien qu'il existe actuellement des solutions technologiques pour donner une rétroaction sensorielle à un robot ou à son opérateur, ces dernières s'avèrent généralement coûteuses, présentent différents défauts au niveau de la sensibilité et ne sont pas toujours adaptées à certaines utilisations. Dans l'optique de trouver une alternative efficace aux technologies conventionnelles de détection et de mesure tactiles, la présente thèse se concentre sur la  possibilité d'utiliser la raideur inhérente du mécanisme de transmission d'un doigt sous-actionné. En effet, les doigts et les mains sous-actionnés sont de plus en plus communément utilisés pour leur simplicité propre et leur capacité à saisir et à s'adapter à la forme d'objet de manière purement mécanique sans schéma de commande complexe ou de nombreux actionneurs. Contrairement aux mécanismes pleinement actionnés, les doigts sous-actionnés, communément appelés adaptatifs, comportent des éléments passifs pour contraindre leur mouvement avant le contact, tout en permettant d'obtenir une prise stable sans développer des forces de contact trop élevées initialement. Les doigts sous-actionnés étant généralement dépourvus d'actionneurs à l'intérieur du doigt lui-même, les seuls capteurs déjà présents sont typiquement situés à l'unique actionneur. Toutefois, en analysant et traitant en temps réel les données de ces capteurs internes, également appelés proprioceptifs, il est possible d'extraire une panoplie d'informations sur ce qui se passe au niveau des phalanges. Ce principe est donc utilisé pour obtenir des algorithmes de détection tactile pouvant être utilisés sur différents systèmes, tels qu'une pince compliante et un préhenseurs à membrures.  ABSTRACT: Robotic hands have become more and more prevalent in many fields. They have replaced human operators in many repetitive applications where robots become more precise and efficient. Moreover, robotic graspers can lift heavier loads and accomplish maneuvers a human could not. They can also manipulate objects in hostile environments where it would be dangerous for humans. Therefore, a lot of work has been done in recent years to improve their capabilities such as their speed, dexterity, strength, and versatility. However, current robotic manipulators lack the sensory feedback of their human counterparts. Indeed, haptic and tactile feedbacks are still very limited in current devices, which may be a problem, because tactile sensing is deemed nearly mandatory for a large number of applications. Conventional tactile sensors, which are usually applied on the external surface of a robot, are generally used, but they can also be costly, insensitive to some dynamic phenomena, and not adequate to some applications. To solve these issues, many authors have worked on finding alternatives to standard tactile sensors. This thesis fits in this current trend by focusing on the possibility of using the internal stiffness of  underactuated fingers to design a virtual tactile sensor. This technique is referred to as proprioceptive tactile sensing. It is applied here to underactuated robotics fingers, which are becoming prevalent in many fields. Underactuated mechanisms, sometimes referred to as self-adaptive, are particularly interesting because of their intrinsic ability to mechanically adapt themselves to the shape of an object without complex control laws and as low as only one actuator. As they have by definition less actuators, they generally have no sensor in the finger's mechanism itself. Instead of adding new sensors, it is possible to take advantage of the sensors already present, such as the ones at the actuator. Therefore, in this thesis, only data provided by sensors at the actuator is used. Since a oneto-one relationship exists between the contact location and the instantaneous stiffness of the mechanism, it is possible to compute one from the other. Therefore, with the measurements from sensors at the actuator, it is possible to estimate the point of contact. To this aim, a complete model is proposed and experimental data is provided. Different algorithms were tested successfully on a compliant biocompatible gripper and a 2-DOF linkage-driven finger. Finally, an optimization procedure is presented with the aim of finding the optimal parameters of the transmission mechanism to improve the sensitivity of the virtual tactile sensor. The data presented in this thesis demonstrate the robustness of the proposed proprioceptive tactile sensing (PTS) technique.


identifier: Rimpault, X. (2016). Tool Condition Monitoring and Surface Topography Analysis During the Machining of CFRP Composites  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les composites polymères notamment FRP (fibre reinforced plastics) sont de plus en plus employés dans l'industrie manufacturière (aéronautique et automobile notamment) pour la confection de leurs produits. L'emploi de carbone dans les FRP est en particulier prisé pour ses caractéristiques mécaniques. Depuis quelques décennies, le mélange de matériaux composites et métalliques au sein de structures de produits apporte des défis supplémentaires lors de leur assemblage. Face à ces nouveaux matériaux, les scientifiques et industriels réemploient les techniques qui ont été bâties et fait leurs preuves pour des matériaux métalliques relativement homogènes. Cependant, de par les propriétés intrinsèques des composites FRP, l'état de surface est fondamentalement hétérogène et la caractérisation de l'état de surface en devient complexe. Un autre point, de par ces spécificités, usiner un tel matériau provoque des petites vibrations additionnelles que l'on pourrait qualifier de bruit sur des signaux vibratoires, en comparaison avec l'usinage de métaux. Cette thèse vise à répondre aux problèmes de caractérisation de surface mais aussi au développement d'une technique novatrice de suivi de la qualité de coupe. La technique développée se base sur la théorie fractale et l'analyse fractale pour répondre aux besoins de la quantification du bruit sur les signaux de forces de coupe ou de vibration. L'analyse fractale permet de mettre en évidence le niveau de complexité et de rugosité d'objets. Pour bâtir et valider cette méthode, plusieurs tests ont été réalisés : détourage, perçage axial et orbital. Malgré le niveau élémentaire du développement de cette technique, les premiers résultats sont prometteurs. Mise en place sur une cellule de fabrication, cette méthode permet d'évaluer, en un temps très court, le niveau d'usure d'outil (en vue de son possible remplacement) ainsi que la qualité de coupe générée. Pour la caractérisation de surface de composites laminés, l'étude s'est premièrement basée sur des relevés de profils de surface et de rugosité. Dans chacune des deux directions principales (dans le sens du pli et dans le sens de l'empilement), des problèmes spécifiques ont été mis en évidence. Et pour chacune des directions, un plan correctif des méthodes de caractérisation actuelles a été proposé. Le résultat de ces optimisations proposées permet de mieux évaluer l'état de surface au vue de la qualité de coupe ainsi que de la robustesse du procédé.  ABSTRACT: Polymer composites such as FRPs (fiber reinforced plastics) have been increasingly used by the manufacturing industry (aerospace and automotive in particular) in the making of their products. The carbon selection in FRPs is especially preferred for its mechanical properties. For few decades, the combination of composite and metallic materials within products' structure has been raising up additional challenges during the assembly. To solve those issues, scientists and industrials often reused techniques that had been built and proved for relatively homogeneous metallic materials. However, due to the intrinsic properties of FRP composites, the surface condition is particularly heterogeneous and such surface condition characterization tend to be more complex. Furthermore, machining a FRP material generates additional short vibrations that could be evaluated as noise in the vibration signals in comparison with the machining of metals. This thesis is a contribution to solutions to surface characterization issues and proposes an innovative technique of machining quality monitoring. The developed technique is based on the fractal theory and fractal analysis to meet the needs of the noise assessment in the cutting forces or vibration signals. Fractal analysis allows to evaluate the complexity and roughness of objects. To build and validate this method, several tests were performed: trimming, drilling axial and orbital. Despite the relatively low level of development of this technique, first results are promising. Set up in a manufacturing cell, this method allows to evaluate, in a very short time, the tool wear (for possible tool replacement) and the machining quality. For laminated composites' surface characterization, the study is primarily based on surface profiles and roughness observations. For both two main directions (in the ply plane direction and in the direction of the stack sequence), specific problems have been highlighted. And for each direction, a corrective plan of current characterization methods proposed. The result of those proposed enhancements to better evaluate the surface condition in view of the machining quality and process robustness.


identifier: Abboud, Z. (2016). In Situ Studies of Volatile Molecules Trapping in Zirconium Alloy-Based Non-Evaporable Getter  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La demande pour le maintien du vide et l'expulsion de gaz résiduels dans les micro-cavités dans les systèmes microélectromécaniques (MEMS) et dans d'autres dispositifs micro-fabriqués a augmenté significativement lors des dernières années.. Les gaz résiduels empoisonnent souvent le vide et finissent par détériorer le fonctionnement des dispositifs. Afin de maintenir le vide dans les cavités, quelques étapes doivent être mises en oeuvre: i) une étanchéité hermétique de la cavité doit être réalisée pour éliminer les fuites de gaz; ii) un dégazage approprié du système pour déloger et libérer les gaz piégés dans les matériaux est nécessaire avant de sceller de la cavité; Et iii) si nécessaire, incorporer une bande ou une couche mince d'un alliage métallique réactif agissant comme pompe chimique pour débarrasser le système des gaz résiduels pendant le fonctionnement du dispositif. De tels alliages sont connus sous le nom de getters, formés entre autres de métaux de transition actifs tels que Zr, Ti, V et Fe qui chimisorbent spontanément les gaz actifs dans les cavités. Pour améliorer l'efficacité de l'adsorption, une variété de systèmes de matériaux ont été proposés et testés, et deux caractéristiques semblent être critiques: (1) la morphologie (aire de surface); Et (2) la composition (réactivité physique et / ou chimique). Malgré leur importance technologique, peu de choses sont connues sur les mécanismes exacts de piégeage de gaz dans les matériaux. Ce projet aborde cette question en se basant sur des études in situ pour élucider la nature des réactions entre les constituants getters et les gaz résiduels et l'effet de la température d'activation sur la composition de surface et le piégeage des molécules volatiles. Nos études ont porté sur les alliages de zirconium-cobalt-terres rares (REM) qui ont été conçus pour avoir une basse température d'activation (<350oC) compatible avec les processus de fabrication et d'intégration de certains dispositifs MEMS. Des couches minces de ces alliages ont été pulvérisées sur Si. Les films obtenus sont très poreux, ce qui est critique pour réduire la température d'activation. La microscopie électronique à balayage (SEM), la spectroscopie de photoélectrons X (XPS), la spectrométrie de masse d'ions secondaires au temps de vol (TOF-SIMS) et la détection de recul élastique en temps de vol (TOF-ERD) ont été utilisées afin d'examiner la morphologie et la composition de la surface et du matériau massique. L'évolution de la surface en fonction de la température a été analysée in situ via XPS. Ce travail propose des mécanismes détaillés expliquant la réactivité à température ambiante et à haute température du matériau avec O2, N2 et CO2.  ABSTRACT: Recently, there has been an increasing interest in vacuum maintenance and residual gases expulsion within small cavities in microelectromechanical systems (MEMS) and advanced field emission displays. Residual gases often poison the vacuum and eventually deteriorate device and system operation. In order to maintain vacuum in cavities, there are a few steps that must be implemented: i) a hermetic sealing of the cavity should be realized to minimize gas leakage from surrounding environment; ii) proper degassing of the system before seal-off is needed to dislodge and release trapped gases within the materials; and iii) if necessary incorporating a strip or a thin film of a reactive metal alloy which acts as a chemical pump to rid the system of residual gases during the device lifetime. Such alloys are known as getters, which contain active transition metals such as Zr, Ti, V, and Fe that spontaneously chemisorb active gases within cavities. To improve the gettering efficiency, a variety of material systems have been proposed and tested, and two characteristics appear to be critical: (1) morphology (surface area); and (2) composition (physical and/or chemical reactivity). Despites their technological importance little is known about the exact mechanisms of gas trapping within the material. This project tackles this very issue by using in situ studies to investigate the nature of bonding between the getter constituents and residual gases and the effect of the activation temperature on the surface composition and volatile molecules trapping. Our studies focused on zirconium-cobalt-rare earth metal (REM) alloys which have been developed with a low activation temperature (<350oC) for MEMS devices. Thin films of these alloys were sputtered on Si. The obtained films are highly porous, which is critical to lower the activation temperature. Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF-SIMS), and Time of Flight Elastic Recoil Detection (TOF-ERD) are utilized to examine the morphology and composition of both bulk and surface of the alloy. The surface evolution as a function of temperature is monitored in situ via XPS. This project elucidates the room temperature and high temperature reactivity of the material with O2, N2, and CO2.


identifier: Trudeau, S. (2006). Détection d'intrus dans les réseaux à l'aide d'agents mobiles  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Aujourd'hui, il est difficile pour les grandes organisations de faire fit des défis que posent la sécurité informatique. Les infrastructures informatiques sont plus que jamais interconnectées entre elles et sont exposées autant aux menaces provenant de l'intérieur que de l'extérieur de l'organisation. Afin de faire face aux menaces, parmi les moyens mis en oeuvre pour défendre le réseau contre les attaques on retrouve les systèmes de détection d'intrus (IDS). Ces systèmes, qui peuvent être de nature logicielle ou matérielle, sont de plus en plus répandus et peuvent représenter une part importante du budget du département informatique d'une organisation. Malheureusement ces équipements, bien que forts utiles, présentent des faiblesses non négligeables. Le nombre de faux positifs, soit des alarmes non fondées, peut rapidement dépasser la capacité de traitement des analystes en charge de la sécurité. Afin d'adresser ce problème de performances, plusieurs solutions furent avancées. Ces dernières années nous avons vue faire leurs apparitions différentes architectures hiérarchiques, par agents et par agents mobiles. Plusieurs stratégies de détection ont été mises en oeuvre pour tenter d'améliorer la situation tel que la détection par apprentissage statistique, par règles comme dans le cas du populaire IDS SNORT et par réseau de pétri, par exemple. Malheureusement force fut de constater qu'il est bien difficile d'évaluer ces solutions pour en connaître leur efficacité réelle. À l'heure actuelle il nous est difficile de faire le lien entre les métriques de performance, les caractéristiques des IDS et l'environnement qui influence grandement les résultats. Pour évaluer les liens entre l'environnement, les caractéristiques des IDS et les métriques de performance, nous avons décidé dans ce mémoire de mettre sur pied un cadre structurant pour l'évaluation des performances des IDS. Pour ce faire, nous avons élaboré une taxonomie de l'environnement afin de pouvoir le caractériser de façon objective et subjective. Nous avons aussi bâti une taxonomie des caractéristiques de détection des IDS susceptibles d'influencer les performances et qui se distingue en tenant compte des propriétés des agents mobiles. De plus, nous avons sélectionné un ensemble de métriques sujet à être de bons indicateurs de performance.  ABSTRACT: In today's world, it is very difficult for big organizations to overlook the challenges posed by information security. More and more, computer infrastructures are interconnected with each others and are exposed to threats coming from inside and outside of the organization. To face those threats, among the means to defend the network, we have the intrusion detection system (IDS). Those systems, which can be software or hardware in nature, have an increasing widespread use and can represent an important part of an Information Technology department's budget. Unfortunately, those equipments, even though very useful, have non negligible flaws. The number of false positive, being the false alarm, can rapidly overwhelm the capability of the security analysts to analyse them. To address this performance issue, many solutions have been put forward. In recent years, we have seen different IDS architectures such as hierarchical, by agents and by mobile agents, for example, making their appearance. Many detection strategies were put forward to try to improve on the situation. We have seen strategies such as intrusion detection by statistical learning, by rules like popular IDS SNORT and by Petri Network just to name a few. Unfortunately, we found out that assessing the real efficiency of those solutions was very difficult. Right now, it is very difficult to make the connection between performance metrics, IDS's characteristics and the environment which has a huge impact on results. To assess the links between the environment, IDS's characteristics and performance metrics, we decided in this master thesis to put forward an IDS performance evaluation framework. To do so, we have elaborated a taxonomy to allow the characterization of the environment in an objective and subjective manner. We also have built a taxonomy of intrusion detection system's characteristics which can influence performances and take into account mobile agents' properties. Furthermore, we have selected a set of metrics which can be good performance indicators. To allow us to make hypothesis on an environment too complex to be fully apprehended, we came up with a simplified mathematical model to which our conclusions will apply. Inside this model we can understand the relations between the environment, IDS of interest and their impacts on performance.


identifier: Eppner, F. (2016). Évolution thermo-hydro-géochimique d'un puits à colonne permanente conduisant à la précipitation et à la dissolution de la calcite  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'installation d'un puits à colonne permanente, destiné à réduire la consommation énergétique des systèmes de chauffage et de climatisation des bâtiments, dans un aquifère calcaire peut engendrer des problèmes opérationnels. En effet, l'exploitation directe de l'eau souterraine comme fluide caloporteur, ainsi que les fréquentes variations de sa composition chimique favorisent la précipitation de la calcite. La démocratisation de cette technologie est ainsi limitée par un manque de connaissance à ce sujet. De ce fait, l'objectif général de la thèse est de comprendre les mécanismes thermo-hydro-géochimiques, conduisant à la précipitation et la dissolution de la calcite au sein d'un puits à colonne permanente, installé dans un aquifère calcaire fracturé. Les puits à colonne permanente représentent un système complexe, couplant l'écoulement de l'eau souterraine, le transfert de chaleur par advection et conduction, ainsi que le transport réactif multi-espèces dans l'eau. Pour répondre à l'objectif général de la thèse, un modèle numérique d'un puits installé dans un aquifère calcaire fracturé est développé en couplant trois modèles, à savoir un modèle d'écoulement d'eau, un modèle de transfert de chaleur et un modèle géochimique. La vitesse de Darcy, définie par le modèle d'écoulement d'eau, est utilisée par le modèle de transfert de chaleur pour définir la température sur l'ensemble du domaine. Finalement, la vitesse de Darcy et la température sont intégrées dans le modèle géochimique pour simuler le devenir de neuf espèces chimiques considérées  ABSTRACT: The installation of standing column wells, to reduce the energy consumption for space heating and cooling of buildings, may cause operational problems in a calcareous aquifer. Indeed, the direct use of groundwater as the heat carrier fluid, as well as frequent changes in its chemical composition, favor calcite precipitation. The democratization of this technology is thus limited by a lack of knowledge about this topic. Therefore, the main objective of the thesis is to understand the thermo-hydro-geochemical mechanisms leading to precipitation and dissolution of calcite in a standing column well installed in a fractured calcareous aquifer. Standing column wells form a complex system, coupling groundwater flow, heat transfer by conduction and advection and multi-species reactive transport in water. To meet the main objective of this thesis, a numerical model of a well installed in a fractured calcareous aquifer is developed by coupling three models, namely a groundwater flow model, a heat transfer model and a geochemical model. The Darcy velocity defined by the grounwater flow model is used by the heat transfer model to calculate the temperature throughout the simulation domain. Finally, the Darcy velocity and the temperature are integrated in the geochemical model to simulate the behavior of nine chemical species.


identifier: Pickenhahn, V. (2016). Transformation régiosélective du chitosane par thioacétylation pour applications biomédicales  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis le séquençage du génome, la thérapie génique est devenue une approche de traitement potentielle pour un vaste éventail de pathologies, jusqu'alors considérées comme incurables. Ce procédé consiste en l'introduction de matériel génétique sous la forme d'acide nucléique (AN) chez un patient, afin d'insérer un allèle fonctionnel des gènes déficients responsables de sa maladie, voire de modifier l'expression du ou des gènes délétères impliqués dans sa pathologie. En théorie, après leur administration les ANs doivent pénétrer dans la circulation sanguine et rentrer à l'intérieur des cellules du tissus désiré afin d'y exercer leur activité thérapeutique. Dans la pratique, l'administration d'ANs n'est pas si aisée car ces macromolécules polyanioniques sont extrêmement sensibles aux enzymes contenues dans le plasma sanguin et leurs charges négatives limitent leur passage au travers des membranes biologiques. Ainsi, l'utilisation de transporteurs ou vecteurs s'est avérée nécessaire pour protéger les ANs dans la circulation et de leur permettre de traverser les barrières cellulaires. Au sein de notre laboratoire (Biomaterials and Cartilage Laboratory, Polytechnique Montréal), le chitosane (CS) qui est un polymère naturel a été choisi en tant que vecteur d'ANs pour sa biocompatibilité et ses caractères biodégradables et non-toxiques.  Le CS, en tant que polymère cationique, se complexe avec l'AN via interactions électrostatiques pour former des polyplexes. Ces polyplexes portent une charge globale positive, ce qui leur permet dans des conditions in vitro, de conserver une stabilité colloïdale, de passer facilement les membranes cellulaires, de pouvoir sortir de l'endosome et de libérer le matériel génétique dans le cytoplasme. Cependant, lors de leur administration in vivo, les polyplexes sont soumis au pH sanguin (pH 7.4), aux fortes concentrations en sels (150 mM) et à l'adsorption des protéines plasmatiques (PPL). Il en résulte une agglomération irréversible de ces nanostructures, suivie de leur reconnaissance accrue par le système réticulo-endothélial résultant à leur élimination prématurée de la circulation sans pouvoir y exercer un effet thérapeutique. Une solution pour augmenter la demi-vie des polyplexes CS-AN in vivo est d'y ajouter un bouclier hydratant sur la surface, à savoir une couche de poly(éthylène glycol) (PEG). Le PEG en tant que polymère extrêmement hydrophile et non-interpénétrant, aura ainsi la capacité d'assurer une stabilité colloïdale aux polyplexes, de limiter l'adsorption des PPL sur leur surface et donc de prolonger leur temps de circulation dans l'organisme.  Parmi les stratégies de PEGylation de polyplexes existantes, notre choix s'est porté sur la formation de structures interpolyélectrolytes ayant un comportement micellaire, les « Block ionomer complexes » (BICs). Les BICs seraient formés par auto-assemblage via la complexation d'ANs et de copolymère en bloc CS-b-PEG, le cœur des particules devenant ainsi hydrophobe entouré d'une couche protectrice de PEG hydrophile. Une telle structure à base de CS n'a pas encore été proposée dans la littérature et permettrait d'ouvrir de nouvelles voies au CS en tant que système de livraison. De ce fait, l'objectif principal de ce projet de Doctorat est de former un copolymère en blocs CS¬b-PEG et de l'engager dans la formation de BICs.  Les chimies de conjugaison de l'extrémité terminale du CS ont été rarement exploitées dans la littérature. Bien que le dernier monomère réducteur du CS offre une fonction aldéhyde par ouverture de cycle, la façon la plus aisée de générer des extrémités réactives de CS est de procéder à sa dépolymérisation à l'acide nitreux (HONO), produisant ainsi une unité 2,5-anhydro-D¬mannose (M-Unit), portant également une fonction aldéhyde. Cependant, la littérature suggère que cette fonction est majoritairement présente sous sa forme hydratée et non-réactive, dite gem-diol, en conditions aqueuses à faible pH. Dans des études similaires, la chimie click-oxime a été utilisée avec plus ou moins de succès afin de réagir avec de tels aldéhydes, mais l'addition d'un co-solvant ainsi que d'agents chimiques additionnels sont nécessaires à l'obtention d'une structure stable. Dans ce projet, la disponibilité de la forme réactive de l'aldéhyde terminal du CS traité au HONO ainsi que sa réactivité envers les thiols en conditions acides ont été évaluées. En effet, ces conditions (aqueuses à faible pH) sont nécessaires à la solubilisation du CS de par la protonation de ses amines; ses dernières étant chargées, elles ne seront donc pas réactives envers l'aldéhyde terminal porté par la M-Unit. Dans ces conditions, le choix des thiols s'est imposé de par leur plus haute réactivité envers les carbonyles que leurs homologues hydroxyles ou amines. Des études de spectrométrie de masse (LC-MS) et de résonance magnétique nucléaire (1H et DOSY NMR) ont confirmé la thioacetylation régiosélective de l'aldéhyde terminal du CS avec des taux de conversion variant de 55 à 70% dépendamment de la molécule engagée. Il a également été démontré que la stabilisation de l'intermédiaire hémithioacétal en thioacétal est facilitée en lyophilisant le milieu réactionnel. En tant qu'application directe de cette nouvelle chimie de conjugaison, la PEGylation en bout de chaine du CS a été effectuée avec succès par thioacetylation. Les copolymères, notés CS-b-PEG2, ont ensuite été engagés avec de l'ADN plasmidique pour former des polyplexes ayant une structure micellaire. En effet, des images de microscopie électronique ont révélé que les nanoparticules obtenues ont une morphologie uniformément sphérique alors qu'un mélange de bâtonnets/torroïdes/sphères est en général obtenu avec du CS non-modifié.  En dépit du fait que l'objectif principal de ce projet ait été atteint à ce niveau, le procédé de thioacétylation régiosélective décrit ci-dessus demeure incompatible avec l'introduction de groupements sensibles à l'hydrolyse acide et son efficacité est limitée par l'encombrement stérique occasionné par le fait que deux attaques de thiols successives au même endroit sont nécessaires à l'obtention d'une structure stable, le thioacétal. De plus, la purification des CS PEGylés s'est avérée extrêmement difficile, notamment à cause de la polydispersité du CS utilisé dans la réaction.  Nous avons alors développé une autre approche de modification régiosélective de l'extrémité du CS par thioacétylation, impliquant la conjugaison d'un linker portant trois fonctions thiols. Ce linker trivalent, le Triskelion, a été conçu pour activer le mannose terminal du CS (M-Unit) par une de ses deux extrémités portant un crochet-thiol au travers d'un mécanisme intramoléculaire. Son extrémité thiol restante, situé au bout d'un espaceur, sera engagée a posteriori avec d'autres espèces réactives aux thiols. La synthèse en trois étapes du Triskelion a été effectuée avec succès et sa réactivité avec la M-Unit a été étudiée de manière semi-quantitative par LC-MS, révélant la prédominance d'un mécanisme de thioacétylation intramoléculaire (89%). Cette dérivatisation régiosélective a également été accomplie sur l'aldéhyde terminal de chaines de CS avec plus de 85% d'efficacité, tel que confirmé par spectroscopie RMN (1H et DOSY). En tant qu'application finale de ce nouveau procédé, la réactivité de l'extrémité thiol des conjugués CS-b-Triskelion a été démontrée par leur conjugaison chimiosélective sur la surface de billes magnétiques, par déplacement de ponts disulfures avec 50% d'efficacité.  La thioacétylation et plus particulièrement l'activation terminale du CS avec le Triskelion ouvrent de nouvelles perspectives dans le domaine des applications biomédicales, spécialement au niveau des modifications de surfaces et autres formations de copolymères au travers de la formation de liens labiles et/ou non-labiles.  ABSTRACT: Gene therapy, as potential treatment of incurable pathologies, arose from the sequencing of the human genome several decades ago. This process is based on the introduction of nucleic acids (NAs) into a patient, to replace or to modify the expression of an abnormal gene which causes a particular disease. Theoretically, after their administration, such NAs would be able to circulate within the blood vessels until their entrance into the cells of a specific tissue to observe a therapeutic effect. Practically, as highly sensitive polyanionic macromolecules, NAs are easily degraded by plasma components and their negative charges also limit their transit through biological membranes. These limitations can be overcome using carriers, also named vectors, that protect NAs through the circulation while ensuring their internalization into the desired cells. In our laboratory (Biomaterials and Cartilage Laboratory, Polytechnique Montréal), chitosan (CS) has been chosen for gene vectorization since it affords biocompatibility, biodegradability and low toxicity.  As a natural cationic polymer, CS can interact with NA though electrostatic interactions forming polyplexes. In the case of in vitro assays, these polyplexes which carry a positive net charge, are sterically stable, can easily enter cells and their genetic material can be released within the cytoplasm. However, in the case of in vivo assays, the polyplexes are subject to the physiological pH (pH 7.4), to high salt concentrations (150 mM) and to the adsorption of plasmatic proteins (PlPs). Thus, the polyplexes irreversibly aggregate and are easily recognized by the reticuloendothelial system, resulting in their early elimination from the body prior carrying out any therapeutic effect. PEGylation was proposed as a solution to increase the polyplexes life-time in vivo, by recovering their surface with poly(ethylene glycol) (PEG), forming a hydrating shield. Indeed, PEG is a non-penetrating and highly hydrophilic biocompatible polymer that affords colloidal stability to polyplexes and that can limit PlPs adsorption onto their surface, hence prolonging their circulation time within the blood vessels.  Among all the polyplexes PEGylation strategies described in the literature, we opted for the formation of interpolyelectrolyte complexes having a micellar structure, namely block-ionomer complexes (BICs). The BICs are formed by self-assembly upon electrostatic interactions between NAs and PEGylated CS block-copolymers, namely CS-b-PEG, forming a hydrophobic core surrounded by a protective hydrophilic PEG layer. Such structure has not been proposed with CS so far and may offer new perspectives to CS as gene-delivery system. Thus, the principal objective of the thesis herein is the formation of a CS-b-PEG block-copolymer that could be engaged with NAs in BICs formation.  Chitosan end-group chemistry is a conjugation strategy that has been minimally exploited in the literature to date. Although the open-chain form of the CS reducing extremity bears a reactive aldehyde moiety, the most common method to generate a reactive end-group on CS is nitrous acid (HONO) depolymerization, which produces a 2,5-anhydro-D-mannose unit (M-Unit) bearing also an aldehyde moiety. However, the availability of the latter might be low, since previous literature suggests that its hydrated and non-reactive form, namely the gem-diol form, is predominant in acidic aqueous conditions. Oxime-click chemistry has been used to react on such aldehydes with various degrees of success, but the use of a co-solvent and additional chemical reagents remain necessary to obtain the desired and stable covalent linkage. In this study, we have assessed the availability of the aldehyde reactive form on chitosan treated with HONO. We have also assessed its reactivity towards thiol-bearing molecules in acidic conditions where CS amino groups are fully protonated and thus unreactive towards aldehyde. LC-MS and NMR spectroscopy methods (1H and DOSY, respectively) confirmed the regioselective thioacetylation of the reactive aldehyde with conversion rates between 55 and 70% depending on the thiol molecule engaged. The stabilization of the hemithioacetal intermediates into the corresponding thioacetals was also found to be facilitated upon freeze-drying of the reaction medium. The PEGylation of the CS M-Unit aldehyde by thioacetylation was also performed as a direct application of the proposed conjugation approach. CS-b-PEG2 block copolymers were successfully synthesized and were used to prepare BICs with plasmid DNA, as revealed by their spherical morphology vs. the rod-like/globular/toroidal morphology observed for polyplexes prepared using native unmodified CS.  Even though the main objectives of this project were reached at this step, the regioselective thioacetylation process described above is incompatible with acid-labile substituents and the conversion efficiency of CS end-groups could be limited by the size of the thiol species engaged in the reaction, mainly by steric hindrance since two substituents are required to obtain the stabilized thioacetal derivative. Moreover, the purification of such PEGylated CS remained challenging, mainly due to the high polydispersity of the CS chains used as starting material.  In a further study, we developed a novel CS end-group thioacetylation approach relying on a novel and regioselective linker that bears three thiol moieties. This trivalent linker, referred to as the Triskelion, was specifically designed for activation of CS 2,5-anhydro-D-mannose (M-Unit) end-group and consists of a thiol-hook for efficient aldehyde conjugation through an intramolecular reaction and of a thiol-tail that remains available for subsequent end-group functionalization with any thiol-reactive species. The chemical synthesis of this linker afforded the desired material with high yields over three steps. The in situ intramolecular thioacetylation process between the Triskelion linker and 2,5-anhydro-D-mannose (M-Unit, monomeric) was assessed by semi-quantitative LC-MS studies, revealing that the corresponding intramolecular thioacetal largely predominates (89%). This regioselective derivatization was also performed onto M-Unit CS aldehydes and the desired CS-b-Triskelion conjugates were obtained with functionalization degrees over 85%, as confirmed by NMR spectroscopy (1H and DOSY). As a final application and to assess the CS-b-Triskelion thiol-tail reactivity, such conjugates were successfully engaged with thiol-reactive magnetic beads into disulfide bond displacement with 50% efficiency.  The proposed thioacetylation process, as well as the CS terminal activation with the Triskelion linker opens new perspectives for biomedical applications, especially brush-like surface modifications and other copolymers formation through disulfide linkages or Michael type additions.


identifier: Yang, P. (2016). Investigation of the Geomechanical Behavior of Mine Backfill and its Interaction with Rock Walls and Barricades  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les rejets solides produits par les mines comprennent les rejets de concentrateur (résidus miniers) et les roches stériles. Ces rejets sont usuellement entreposés en surface, ce qui peut engendrer divers risques environnementaux et géotechniques. Une autre option consiste à remblayer les chantiers miniers avec des stériles ou des résidus miniers. Cette pratique permet de réduire les quantités de rejets entreposés en surface, et aussi d'améliorer la stabilité du terrain, de diminuer la dilution et d'augmenter la récupération de minerai. Le remblayage est utilisé avec diverses méthodes d'exploitation souterraine, pour différentes fonctions. Les préoccupations majeures associées à cette pratique sont la stabilité des structures de support (barricades) peu après le versement du remblai dans le chantier et la stabilité du remblai cimenté exposé après un certain temps après le remblayage. L'état des contraintes dans les chantiers remblayés a été largement étudié au cours des dernières années. Cependant, plusieurs incertitudes existent encore en lien avec des préoccupations majeures, notamment sur le peu de solutions disponibles afin d'évaluer l'évolution des contraintes dans les chantiers, pour concevoir les barricades et le remblai cimenté exposé, ainsi que sur pour estimer la valeur du coefficient de pression des terres K (= ζ'h/ζ'v). L'objectif principal de ce projet est d'évaluer l'état des contraintes dans le remblai confiné et ses interactions avec les barricades peu après sa mise en place et avec les trois parois latérales pour le remblai exposé à plus long terme. De nouvelles solutions analytiques sont proposées pour évaluer l'évolution du niveau d'eau dans un chantier remblayé d'un remblai hydraulique. Ces solutions sont vérifiées à l'aide de simulations numériques réalisées avec le logiciel d'éléments finis SEEP/W. Ces analyses indiquent que l'eau accumulée sur le remblai hydraulique peut induire des pressions interstitielles plus élevées et ainsi compromettre la sécurité des barricades  ABSTRACT: Solid wastes produced by mines include tailings and waste rock. These wastes are usually stored on the surface, which may raise various environmental and geotechnical risks. Another option is to backfill underground mine stopes with waste rock or tailings. This practice can reduce the surface disposal, and also improve ground stability and ore recovery in mining operations. Backfill is widely applied in different underground mining methods for various purposes. The associated major concerns are the stability of the support structure (barricades) at very early time and that of the exposed cemented fill at longer time. In recent years, the stress state in backfilled stopes has been extensively investigated. However, there are uncertainties regarding the major concerns including limited solutions for stress evolution in stopes and for design of barricades and exposed backfill, as well as the actual value of earth pressure coefficient K (= ζ'h/ζ'v) in confined fills. The main objective of this project is to evaluate the stress state within confined backfill and its interactions with barricades at very early time (shortly after the filling) and remaining three sidewalls upon exposure at longer time (typically a few weeks after the filling). New analytical solutions for evaluating the transient seepage are proposed for stopes filled with hydraulic fill. These solutions are verified using simulations conducted with the finite element code SEEP/W. These analyses indicate that ponding, generated on the top of the settled hydraulic fill, can induce higher pore water pressures and jeopardize the barricade safety.


identifier: Kumar, P. (2016). Conducting Polymers and Natural Molecular Materials for Bioelectronics and Energy Storage  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La découverte de la conduction électronique dans les matériaux organiques, dans les années 70, est à l'origine du développement des technologies optoélectroniques organiques. La remarquable propriété que présentent les semiconducteurs organiques de conduire les ions, en plus des porteurs de charge électroniques, a permis l'émergence d'un nouveau domaine de l'optoélectronique organique, c'est à dire la bioélectronique. La bioélectronique organique ouvre de nouvelles opportunités d'interface entre l'électronique organique et la biologie, avec la promesse d'applications dans des domaines aussi variés que les biocapteurs, la livraison de médicament, l'enregistrement et la stimulation neural. Combiner un transport ionique et électronique dans les semiconducteurs organiques utilisés pour les transistors représente une tentative intéressante pour parvenir à des dispositifs bioélectroniques efficaces. Ces dispositifs opèrent à faible polarisation de l'électrode de grille, grâce à la formation d'une double couche électrique au niveau de l'interface électrode/électrolyte. Les capacitances de double couches résultantes ont des valeurs qui dépassent de plusieurs ordres de grandeurs celles typiques des interfaces métal/diélectrique, en raison de la faible épaisseur (ca. 3nm) des doubles couches électriques. Par conséquent, les capacitances de double couche peuvent mener à de plus fortes modulations en courant pour des différences de potentiel de grille plus faibles (~1 V), compatibles avec les milieux aqueux. Le coeur de cette thèse de doctorat est dévoué à une meilleure compréhension des mécanismes d'opération d'une classe importante de dispositifs bioélectroniques organiques, c'est-à-dire les transistors électrochimiques organiques (OECTs), dans le but d'optimiser leurs performances et de concevoir de nouveaux dispositifs bioélectroniques. Les OECTs sont formés d'un canal en polymère conducteur ainsi que d'une électrode de grille mis en contact avec le canal au travers d'un électrolyte. L'application d'une différence de potentiel électrique au niveau de la grille entraîne l'inclusion d'ions de l'électrolyte à l'intérieur de la couche mince en polymère en qui changent sa conducitvité initiale. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur le poly(3,4- éthylènedioxythiophène) dopé avec du poly(styrène sulfonate) (PEDOT:PSS) en tant que matériau actif dans le canal de OECTs. Nous avons utilisé différentes épaisseurs de canal ainsi que deux électrolytes différents : le bromure de cétyltriméthyl-ammonium (CTAB), un surfactant apte à former des micelles, et du NaCl. Les rapports ON/OFF les plus élevés ont été obtenus pour de transistors utilisant de faibles épaisseurs (~ 50 nm) de la couche mince et le CTAB comme électrolyte. La voltammétrie cyclique suggère qu'une réaction rédox entre les molécules d'oxygène dissoutes dans l'électrolyte et le PEDOT:PSS mène à de faibles ratios ON/OFF quand le NaCl est utilisé comme électrolyte. La voltammétrie cyclique et la spectroscopie d'impédance électrochimique révèlent que le dopage/dédopage du canal devient plus lent à des épaisseurs relativement élevés de la couche mince et en présence d'ions de plus grande taille. Les caractéristiques de l'électrode de grille ont des effets significatifs sur le comportement des OECTs. Dans cette thèse, du carbone activé (AC) avec une importante surface spécifique a été utilisé comme matériau pour l'électrode de grille dans les OECTs basés sur le PEDOT:PSS. L'utilisation d'électrodes de grille en AC de grande surface, a mené à une importante modulation en courant drain-source dans les OECTs et à la limitation des réactions électrochimiques indésirables. La biocompatibilité et la biodégradabilité des matériaux utilisés en bioélectronique organique sont essentiels. Ces propriétés sont importantes même pour des dispositifs alimentant les dispositifs bioélectroniques. La mélanine est un biopigment abondant en nature et doté d'activité redox. Ce biopigment peut être mis en forme à température ambiante et est donc un matériau extrêmement intéressant pour le développement de dispositifs de stockage de l'énergie biocompatibles et « verts ». L'eumélanine est une des formes de la mélanine qui est particulièrement étudiée par les chercheurs en science de matériaux. Celle-ci se retrouve dans de nombreuses parties du corps humain, dont la peau, les cheveux, l'oreille interne et le cerveau. L'eumélanine réalise de nombreuses fonctions dans le corps humain comme l'absorption dans une large bande du spectre UV-visible ou encore la chélation métallique. Dans cette thèse, nous rapportons les propriétés de stockage d'énergie électrochimique de la part d'électrodes basées sur l'eumélanine, en configuration supercondensateur. L'eumélanine est formée de monomères faits de 5,6-dihydroxyindole (DHI) et d'acide 5,6-dihydroxyindole carboxylique (DHICA), présents sous différentes formes redox (hydroxyquinone, semiquinone et quinone). La synergie entre l'activité redox des monomères et la capacité de plusieurs de leurs fonctionnalités à lier des cations de façon réversible permet l'utilisation de l'eumélanine dans des dispositifs de stockage d'énergie fonctionnant en mode pseudocapacitif. En partant de la démonstration des supercondensateurs basés sur l'eumélanine, nous avons utilisé une approche non-conventionnelle pour fabriquer des micro-condensateurs flexibles sur substrats plastiques.  ABSTRACT: The discovery of electronic conduction in carbon-based materials, in the 1970s, is the basis of the development of organic optoelectronics technologies. The remarkable property of organic semiconductors to conduct ions, in addition to electronic charge carriers, has recently offered a new emerging direction in organic optoelectronics, called organic bioelectronics. Organic bioelectronics opens the opportunity to interface organic electronics with biology with promising applications such as biosensing, drug delivery, neural recording and stimulation. Combining ionic and electronic transport in organic semiconductors into transistor architectures represents an interesting attempt to achieve efficient bioelectronics devices. These devices operate at low gate biases, due to the formation of electrical double layers at electrode/electrolyte interfaces. The resultant double layer capacitances are a few orders of magnitude higher compared to capacitances typical of metal/dielectric interfaces, due to the low thickness (ca. 3 nm) of the electrical double layers, which consequently leads to higher current modulations at lower gate voltage (~1 V). The core of this Ph.D. thesis is devoted to a better understanding of the operational mechanism of an important class of organic bioelectronics devices, i.e. organic electrochemical transistors (OECTs), to optimize their performance and to design novel bioelectronics devices. OECTs consist of a conducting polymer channel and a gate electrode in contact with an electrolyte. The application of a gate electrical bias triggers the inclusion of electrolyte ions into the polymer film thus changing its initial conductivity. In this thesis we focus on poly(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS) as the active material in OECTs. We employed various channel thicknesses and two different electrolytes: the micelle-forming surfactant cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB) and NaCl. The highest transistor ON/OFF ratios were achieved at low film thicknesses (~ 50 nm), using CTAB as the electrolyte. Cyclic voltammetry suggested that a redox reaction between molecular oxygen dissolved in the electrolytes and PEDOT:PSS leads to low ON/OFF ratios when NaCl was used as the electrolyte. Cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy revealed that doping/dedoping of the channel becomes slower at relatively high film thickness and in the presence of bulky ions. The characteristics of the gate electrode have significant effects on the behavior of OECTs. In this thesis, high specific surface area activated carbon (AC) was used as gate electrode material in OECTs based PEDOT:PSS. The use of high surface area carbon gate electrodes led to the high drain-source current modulation in OECT and limited undesirable electrochemical processes. The biocompatibility and biodegradability property of the materials used in organic bioelectronics is of course of primary importance. These features are important even for devices powering the bioelectronics devices. Melanin is a redox active biopigment abundant in nature. The biopigment can be processed at room temperature and, as such, it is an extremely attractive material for environmentally and human friendly energy storage solutions. A form of melanin highly investigated by materials scientists is eumelanin, found in many parts of the human body including skin, hair, inner ear and brain. Eumelanin has many functions in the human body, such as strong broad-band UV-visible absorption and metal chelation. In this thesis, we report the ion storage property of eumelanin-based electrodes assembled in supercapacitors. Eumelanin is based on 5,6-dihydroxyindole (DHI) and 5,6-dihydroxyindole carboxylic acid (DHICA) building blocks, present in different redox forms (hydroxyquinone, semiquinone and quinone). The synergy between the redox activity of the building blocks and the capability of several of their functionalities to reversibly bind cations constitutes the foundation for the use of melanin in pseudocapacitive energy storage systems. Capitalizing on the demonstration of eumelanin-based supercapacitors, we used an unconventional patterning approach to fabricate binder-free flexible micro-supercapacitors on plastic substrates.


identifier: Gérard, M. (2016). Modélisation 3D des artères hépatiques et visualisation par fusion d'imagerie par résonance magnétique et d'imagerie ultrasonore  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les cancers du foie, primaires et secondaires, sont le deuxième cancer le plus meurtrier au monde après les cancers du poumon. Le pronostic de survie à 5 ans pour ces cancers est de moins de 20%, même dans les pays développés. Au Canada, leur incidence est en augmentation et a plus que triplé au cours des quatre dernières décennies.  Parmi les méthodes de traitement disponibles, la chimio-embolisation trans-artérielle (CETA) est, actuellement, l'approche thérapeutique la plus couramment utilisée pour traiter les cas avancés de carcinome hépatocellulaire (cancer primaire). Au cours de cette procédure, des drogues anti-cancer, suivies d'un agent embolisant, sont injectées à travers un cathéter placé dans les artères qui nourrissent la tumeur. L'action sur la tumeur est double : d'un côté, on l'expose à une forte dose de drogues chimio-thérapeutiques et de l'autre, on coupe son alimentation en sang de sorte à provoquer une ischémie puis la nécrose.  Les stratégies d'optimisation de ces thérapies ont généralement pour but de maximiser l'ex¬position de la tumeur aux drogues tout en épargnant, au maximum, les tissus sains du foie et du reste de l'organisme. Dans ce contexte, moduler en temps réel le taux d'injection des drogues anti-cancer dans les artères nourricières de la tumeur en fonction des vitesses de ﬂots sanguins au sein de celles-ci pourrait aider à optimiser la livraison des drogues à la tumeur. De telles vitesses sanguines peuvent être mesurées en utilisant les ultrasons (US) Doppler. Cependant, les branches de l'artère hépatique, sont peu ou pas du tout visibles sur les images US du foie. Plusieurs éléments participent à ce phénomène. Premièrement, les sondes abdo¬minales, typiquement utilisées pour imager le foie, favorisent la profondeur d'exploration et ont dès lors une mauvaise résolution spatiale 1. Ensuite, les images US sont afectées par de nombreux artéfacts (bruit spéculaire, ombres acoustiques, etc.) qui rendent la visualisation de ces vaisseaux et l'interprétation des images US plus complexes, surtout pour un opérateur novice.  Aﬁn de résoudre ce problème de visualisation, nous proposons d'intégrer un modèle 3D des artères hépatiques dans une image US 3D aﬁn d'y mettre en évidence ces artères. Après cette fusion, l'utilisateur pourra également acquérir des images 2D et afcher les segments du modèle 3D contenus dans le plan de l'image US. Ce modèle 3D est généré automatiquement à partir de données d'angiographie par résonance magnétique (ARM) en phase artérielle. Un algorithme de segmentation génère le maillage triangulaire 3D du réseau artériel hépa¬ 1. En échographie, la profondeur d'exploration et la résolution spatiale de l'image sont impactées demanière inverse par la fréquence centrale de la sonde. A basse fréquence, on aura une grande profondeur d'exploration tandis qu'une haute fréquence est nécessaire pour avoir une bonne résolution spatiale  tique en utilisant, d'un côté, une méthode de repérage multi-hypothèses pour détecter les lignes centrales des artères et de l'autre, une méthode de propagation de modèles tubulaires déformables le long de ces lignes centrales pour segmenter les parois des vaisseaux.  Aﬁn de fusionner ce modèle avec l'image US, il faut efectuer un recalage entre l'image d'ARM artérielle, dont le modèle 3D est issu, et le volume US. Cette tâche n'est cependant pas aisée. L'aspect multimodal complique la dérivation d'une métrique de similarité iconique  (i.e. basée sur les intensités dans les deux images) efcace. Tandis que le manque de primitives facilement identiﬁables dans les deux modalités limite l'utilisation d'une méthode de recalage géométrique.  Dans le but de contourner ces obstacles, nous proposons d'utiliser l'ARM en phase portale comme intermédiaire entre l'ARM artérielle et l'image US. Les veines portes sont des vais¬seaux de large calibre qui sont facilement identiﬁables dans les deux modalités, contrairement aux artères, et qui peuvent donc être utilisés comme structures communes pour mettre en correspondance l'ARM portale et l'US.  Notre approche commence par recaler les deux phases de l'ARM. Ce recalage est non rigide aﬁn de tenir compte des possibles déformations du foie ayant lieu entre les acquisitions des deux phases d'ARM. Ensuite, l'ARM portale est recalée à l'image US 3D. Ce recalage est divisé en trois étapes. Premièrement, on réalise un alignement rigide entre les deux images en mettant en correspondance des masques des veines portes et hépatiques qu'on a, au préalable, extraits des deux modalités. Deuxièmement, on applique un recalage afne en utilisant une métrique de similarité iconique qui suppose une relation linéaire locale entre les intensités US et à la fois les intensités et gradients de l'image d'ARM portale. Nous intégrons également un masque du foie, segmenté sur l'ARM portale, dans le calcul de cette métrique. Ce masque a pour rôle d'empêcher que les voxels qui correspondent à des points hors du foie ne participent au calcul de la métrique. Ensuite, une étape de recalage déformable, basée sur la même métrique iconique, est appliquée aﬁn de corriger les possibles déformations résiduelles du foie entre les deux modalités. Enﬁn, on compose les deux transformations déﬁnies ci-dessus (i.e. la transformation entre les deux ARM et la transformation entre l'ARM portale et l'US) pour obtenir la transformation globale entre l'ARM artérielle et l'image US. Cette approche se base sur l'hypothèse que, comme les artères suivent bien les ramiﬁcations du système portal dans le foie, on peut utiliser la transformation qui existe entre l'ARM portale et l'US pour recaler l'ARM artérielle à l'US, à condition d'avoir, auparavant, aligné les deux phases d'ARM entre elles.  La validation de l'outil a été réalisée sur une cohorte de 10 modèles porcins. La précision des méthodes de recalage a été évaluée en estimant l'erreur sur le recalage d'un ensemble de paires de points correspondants identiﬁés dans les deux images avant le recalage. Cette erreur sur les points cibles (target registration error (TRE)) est obtenue en calculant la moyenne quadratique des distances entre chaque paire de points correspondants après le recalage. Le recalage entre les deux phases d'ARM a engendré une valeur de TRE moyenne de 1.2 ± 0.8 mm. Le recalage entre l'ARM portale et l'image US a généré les résultats de TRE suivants :  8.6 ± 3.0 mm pour l'initialisation rigide, 4.0 ± 1.0 mm pour le recalage afne et 3.9 ± 1.1 mm pour le recalage déformable. L'analyse statistique subséquente de ces résultats a révélé que les valeurs de TRE liées au recalage afne et au recalage déformable représentaient toutes les deux une amélioration signiﬁcative (p ≠ value =0.002 dans les deux cas) par rapport au résultat de TRE de l'initialisation rigide. La diférence de TRE entre les recalages afne et déformable n'est cependant pas statistiquement signiﬁcative (p≠value=0.734). La robustesse de la méthode de recalage multimodal à l'initialisation a été évaluée en réalisant, pour chaque porc, une série de 100 recalages initialisés aléatoirement (ajout d'un bruit gaussien aux 6 paramètres rigides). Ces expériences ont révélé un taux de convergence moyen de 69.6±13.9%. Pour étudier l'efet du masque du foie, une série de 100 expériences de recalage a été réalisée sans le masque. Il est apparu que celui-ci est utile car il empêche le recalage de converger vers de solutions aberrantes qui apparaissent lorsque les bords du foie sur l'US sont mis en correspondance avec des structures saillantes mais situées hors du foie sur l'ARM. Finalement, une étape d'évaluation de l'algorithme de segmentation a été réalisée sur une cohorte de 15 cas cliniques ayant passé un examen d'ARM et d'angiographie par Computed Tomography (CTA) dans la même journée. Les maillages segmentés automatiquement sur les ARM ont été comparés avec les maillages segmentés manuellement sur les CTA selon 3 métriques de similarité : la distance absolue moyenne (DAM) : 1.05 ± 0.35mm, la distance quadratique moyenne (DQM) : 2.38 ± 1.93mm et la distance de Hausdorf (DH) : 6.69 ± 3.45mm.  Dans ce mémoire, nous décrivons notre outil et son application dans le cadre des thérapies intra-artérielles au cours desquelles il permettrait de faciliter la prise de mesures US Doppler sur les artères. Cependant, l'outil n'est pas limité à une utilisation dans ce contexte. En efet, il pourrait être utile lors d'interventions percutanées guidées par US, comme par exemple les ablations radiatives de tumeurs hépatiques guidées par US. Lors de ces thérapies, il permettrait de faciliter la visualisation des artères ainsi que de mettre en évidence de manière claire leurs limites. Ainsi, il sera plus facile pour le chirurgien de les éviter, et donc de ne pas les lacérer, lorsqu'il navigue ses instruments vers la tumeur.  A notre connaissance, ceci est le premier outil qui permette d'intégrer un modèle 3D des artères hépatiques, spéciﬁque à l'anatomie du patient, avec des images US pour des interven¬tions hépatiques.  ABSTRACT: Primary and secondary liver cancer constitute, in aggregate, the second most common cause of cancer-related death worldwide. The prognosis for these cancers is very poor with a 5 years survival rate under 20%. In Canada, the incidence rate of liver cancers has more than tripled over the past four decades, making it one of the fastest growing cancers in the country.  Trans-arterial chemoembolization (TACE) is currently the standard of care for advanced cases of primary liver cancer. Intra-arterial therapies, such as TACE rely on the fact that blood supply to the tumor is predominantly of arterial origin while the portal vein is the primary blood supplier for the healthy liver parenchyma. Therefore, the hepatic arteries can be used to selectively target the tumor while sparing as much of the healthy liver as possible. During TACE, anti-cancer drugs are injected directly into the arteries feeding the tumor followed by the injection of an embolizing agent. The embolization prevents the drugs washout, thereby prolonging tumor exposure while also cutting of blood supply to the tumor, which provokes ischemia and tumor necrosis.  Optimization eforts are underway to further maximize tumor exposure to the drugs while minimizing the toxic efects on healthy liver tissue. A possible strategy to optimize drug delivery would be to modulate the drug injection rate with regards to the real-time blood ﬂow velocities in the feeding arteries. Such velocities can be obtained non-invasively using Doppler ultrasound (US). However, the hepatic arteries are only partially and sometimes not at all depicted in US images. Furthermore, abdominal ultrasound probes, which favor penetration depth over spatial resolution, are ill-ﬁtted for the visualization of small hepatic vessels within the liver tissue. The numerous artefacts in US images (speckle noise, acoustic shadows) further complicate this task, especially for inexperienced users. Therefore, the acquisition of the blood ﬂow measurements on these vessels is challenging.  In order to overcome this difculty, we propose to combine a patient speciﬁc 3D model of the hepatic arteries with a 3D US image. After the fusion, the user can revert back to 2D US images, which will contain segments of the 3D model, thereby highlighting the localization of the arteries. Building a tool that allows for the integration of a 3D model of the hepatic arteries in the US image is the main objective of this master's project.  We generate the 3D model of the hepatic arteries from 3D arterial magnetic resonance an¬giography (MRA) data using an in-house algorithm based on the propagation of tubular deformable models along the vessel centerlines detected by a multi-hypothesis tracking mod¬ule.  Combining this model with the US image requires registering the arterial MRA, from which the model is extracted, with the US. This is a difcult problem mainly because the two images have very diferent aspects. The direct registration is further complicated by the scarcity of common features between the two images. Therefore, we chose to implement a compositional registration strategy.  We use the portal phase of the MRA as an intermediary between arterial MRA and US. Portal veins are larger vessels than can be easily visualized in both modalities and can serve as common features to guide the MRA-US registration.  We start by co-aligning the two phases of the MRA using a non-rigid registration to account for possible liver deformation between the two images. The portal phase MRA is then non-rigidly registered with the 3D US using a 3 step method. First, a rigid alignment is performed between the two images by matching masks of the portal and hepatic veins extracted from both modalities. Second, an afne registration is performed using an intensity-based similarity metric that postulates the existence of a local linear combination between the US image intensities and both the intensities and gradients of the portal MRA. We also incorporate a mask of the liver, segmented from the portal MRA, in the computation of the metric in order to limit the contribution of non-liver voxels to the value of the metric. Finally, a deformable registration using the same metric is applied to account for liver motions that cannot be completely corrected by rigid or afne transformations only.  Finally, the solution to the arterial MRA-portal registration problem is obtained by com¬posing the two previously determined transformations (i.e the transformation from arterial MRA to portal MRA and then the transformation from portal MRA to 3D US) into one global mapping function between arterial MRA and US. This approach assumes that, since the hepatic arteries are known for anatomically accompanying the portal vein, the transfor¬mation between portal MRA and 3D US can be used to register the arterial MRA and US images, after having previously registered the two phases of the MRA.  The validation of our tool on a dataset of 10 porcine models yielded promising results. The registration accuracies were measured in terms of target registration error (TRE) between pairs of corresponding landmarks selected in both modalities before registration. The mono-modal registration between the MRA images yielded a mean TRE of 1.2 ± 0.6 mm. The mean TRE values for the multi-modal MRA-US registration were 8.6 ± 3.0 mm for the rigid alignment, 4.0 ± 1.0 mm for the afne registration and 3.9 ± 1.2 mm for the deformable reg¬istration. Statistical analysis showed that both afne and deformable registrations provided a signiﬁcant improvement (p ≠ value < 0.002 in both cases) from the initial rigid alignment. However, the diferences in TRE between afne and deformable registration were not statis-tically signiﬁcant (p ≠ value =0.734). We also studied the robustness of our method to the quality of the registration initialization by performing 100 randomly initialized registration experiments for each pig. The initial rigid parameters were randomly perturbed by adding white Gaussian noise (standard deviation: 10 mm or 10¶) to each of those parameters. We reached a mean convergence rate of 69.6 ± 13.9 mm. Our validation also evaluated the efect of removing the liver mask from the computation of the similarity metric on the registration results. We showed that the mask prevents the occurrence of misregistrations that occur when the liver edges in the US image are matched with strong edges outside the liver in the MRA image. Finally, we presented an extension of the validation of the segmentation algorithm by comparing the meshes automatically generated from the MRA images of 15 hu¬man patients with the meshes manually segmented from computed tomography angiography (CTA) images acquired on the same patients. This comparison is based on the evaluation of three metrics: the mean absolute distance, the mean squared distance and the Hausdorf distance. We obtained the following results when comparing the MRA mesh to the CTA gold standard: MAD:1.05 ± 0.35 mm, MSD:2.38 ± 1.93 mm and HD:6.69 ± 3.45 mm.


identifier: Iliescu, L. E. (2016). The Development of an Intelligent Health Monitoring System for Micrometeoroid and Space Debris Protection Systems and Spacecraft Structural Components  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le début des activités humaines dans l'espace, en 1957, a marqué aussi le début de la pollution graduelle de cet environnement avec des débris orbitaux (DO). Aujourd'hui, ce problème crée ce qui est appelé «l'impact à de très haute vitesse», un des principaux dangers pouvant se produire (impact a hyper vitesse) entre des débris orbitaux et un véhicule spatial ou satellite en cours de vol atour de l'orbite terrestre. À la suite de ces collisions plus de débris sont formés en basse orbite (région inférieure à 2000 km d'altitude) et un phénomène dit «collision potentielle en cascade» (également connu sous le nom de «syndrome de Kessler») peut survenir. La collision en cascade est mentionnée par plusieurs études de modélisation de l'environnement spatial effectuées par des agences spatiales comme la NASA ou l'ESA. Un autre type de danger qui peut conduire au même risque d'impact à une très grande vitesse dans l'espace sont les micrométéorites. Les micrométéorites et les débris spatiaux voyagent en orbite terrestre basse à des vitesses allant de 17 à 20 Km/s et 70 à 80 Km/s respectivement, et leur impact sur les véhicules spatiaux peut varier d'une dégradation des performances jusqu'à la perte totale de l'engin. Actuellement, il y a plus de 22000 morceaux de débris orbitaux qui sont suivis et répertoriés, et cela pour des objets avec des dimensions supérieures à 5 cm, pour lesquels la prévention des collisions est la seule option, et pour lesquelles aussi des dizaines de conjonctions d'avertissements sont émises quotidiennement par les centres d'opérations satellitaires. En revanche, Il y a plus de 500000 morceaux de débris orbitaux avec des dimensions inférieures à 5 cm représentant aussi un haut risque de collision pour les satellites qui sont en orbite basse. Le cas de l'impact de DO ayant des dimensions allant jusqu'à 5 mm pourrait créer une dégradation des fonctions opérationnelles d'un véhicule spatial. Les DO ayant des dimensions de 0,5 à 1 cm sont la principale menace pour les véhicules spatiaux en orbite basse et pour lesquels les solutions actuelles sont juste représentées par des systèmes de protection. Le maintien d'une structure sûre et saine de satellites ou de véhicules spatiaux et une meilleure compréhension de l'interaction des MMOD avec les systèmes spatiaux motive en effet la création d'un système de surveillance (Health Monitoring System) intégré afin de surveiller en temps réel ou en temps quasi réel la dégradation de la structure ou du système de protection.  ABSTRACT: Human activity in the space environment began in 1957. From this moment forward, these activities have created another phenomena; the gradual pollution of space with orbital debris (OD). Today this accumulated debris is one of the main hazards in the near–Earth space environment. More specifically, hypervelocity impact between OD and every satellite and space vehicle that is launched or is currently orbiting the Earth. As each collision occurs more OD is created and, in the Low Earth Orbit (LEO) zone (the region below 2000 km altitude), a potential ongoing collision cascade effect (also known as the “Kessler Syndrome”) can occur. This potential for collision cascade has been identified during space environment modeling studies performed by space agencies such as NASA or ESA. Increased space activity combined with poor standardization of space activity and the limited options for cleaning the space environment will lead to an increased frequency of collisions. Within the next few decades we will not be able to use the LEO for practical purposes. Another type of particle that creates the same primary risk of hypervelocity impact in the space environment is micrometeoroids. Micrometeoroids and space debris travel in low earth orbit at velocities up to 17-20 Km/s (OD) and 70-80 Km/s respectively, and their impact on space assets can vary from degraded performance to catastrophic loss. More than 22000 pieces of OD are currently tracked. These are objects with dimensions larger than 5 cm for which collision prevention is the only option, and for which tens of conjunction warnings are issued daily by satellite operations centers. In addition, there are more than 500,000 pieces of OD with dimensions less than 5 cm that present a high risk for collisions with satellites that are orbiting in the LEO. Solutions for debris in this dimensional range still have to be developed and include concepts capable of preventing and blocking the huge energy of hypervelocity impact and/or concepts for OD removal. Impact between OD with dimensions up to 5 mm and spacecraft is a special case because it could create a degradation of operational functions. OD in the 0.5 to 1 cm dimensional range, which represents 80 % of debris larger than 0.5 cm, is the main threat to spacecraft in the LEO. The only current solutions are protection systems or shields. To evaluate the risks associated with spacecraft impact with micrometeoroids and orbital debris (MMOD) we have to analyze factors such as: environment (the fluxes of particles), damage prediction (number of impacts) and damage tolerance (how much damage the structure can stand).


identifier: Vallières, M.-C. (2016). Validation d'un modèle unidimensonnel pour l'étude d'un écoulement instationnaire dans une turbine  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Afin d'optimiser les performances et le rendement d'une turbine soumise à un écoulement instationnaire, il est essentiel de comprendre et de pouvoir prédire la propagation des ondes de perturbation et leurs effets sur la turbine. Pour ce faire, un modèle basé sur la  dynamique des gaz est utilisé afin de simuler l'écoulement instationnaire et compressible intrinsèque au groupe moteur à l'étude. Les équations de conservation pour un écoulement unidimensionnel et non-visqueux sont résolues à l'aide d'une méthode numérique d'ordre 2 basée sur les techniques par différences finies. Ce modèle permet de résoudre la propagation d'ondes dans une conduite avec des variations d'aire de section, de la friction et du transfert de chaleur à la paroi. Des conditions aux frontières sont intégrées au modèle afin de simuler les interactions aux extrémités du domaine. Les résultats du modèle sont comparés aux données expérimentales obtenues avec une conduite munie de deux plaques à orifice. Cette validation montre une représentation satisfaisante de la propagation de l'onde de pression dans la conduite pour différentes fréquences d'écoulement et différentes grosseurs d'orifice. Parmi les conditions aux frontières, une frontière est développée afin de calculer les propriétés de l'écoulement à travers une turbine et de prédire ces performances. La turbine est traitée à l'aide d'un modèle quasi-stationnaire. Une validation avec des données expérimentales montre des erreurs significatives dans l'estimation du débit massique et de la puissance prédites par le modèle. Ces erreurs sont induites principalement par les erreurs de modélisation dues aux simplifications des phénomènes réels et le manque d'instrumentation à haute fréquence afin de simuler fidèlement les conditions à l'entrée de la turbine.  ABSTRACT: In order to maximize the turbine performance and efficiency in an unsteady flow, it is essential to be able to understand and predict the unsteady wave  propagation and its effect on the turbine. To this end, a model based on gas dynamics is used to simulate the unsteady and compressible flow inherent to the engine under review. The conservation laws for a one-dimensional, inviscid flow are solved using a modern secondorder, shock-capturing, finite difference scheme. The pressure wave propagation is simulated in a duct with area variation, wall friction, as well as heat transfer effects. Boundary conditions are incorporated into the code to mimic the interactions at the pipe ends. Numerical results are compared against experimental data measured inside a manifold equipped with two nozzles. This validation shows satisfactory prediction of the pressure wave propagation for various pulse frequencies and nozzle ratios. Among the boundary conditions, one boundary is developed to calculate the flow properties through a turbine and to predict its performance. The turbine is treated with a quasistationary model. Validation against experimental data shows significant errors in the mass flow and power estimated by this model. These inaccuracies are caused primarily by the simplifications used in the model to simulate complex phenomena and the lack of high frequency instrumentation in order to accurately estimate the turbine inlet conditions.


identifier: Tu, S. (2016). Fluorescent Gold-Silver Alloy Core Silica Shell Nanoparticles for Bioimaging Applications  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les nanomatériaux représentent un domaine de recherche en pleine expansion depuis quelques décennies. Plusieurs études portent sur le développement de nouveaux matériaux présentant de remarquables propriétés physiques, optiques ou mécaniques qui peuvent être exploitées avantageusement dans la conception d'architectures innovantes à l'échelle du nanomètre. La taille et la composition des nanoparticules d'alliages or-argent (Au / Ag), présentées dans ce mémoire, peuvent être modifiées ce qui permet d'accorder leurs propriétés plasmoniques en fonction des besoins d'une application. Ces mêmes alliages nanoparticulaires peuvent présenter des propriétés de fluorescence lorsqu'elles sont enrobées d'une couche de silice dopée de fluorophores. Ainsi, les alliages nanoparticulaires fluorescents offres plusieurs avantages par  rapport à une utilisation en tant qu'agents de contrastes versatiles pour des applications biomédicales. L'objectif principal de ce projet de maîtrise est le développement d'une architecture nanoparticulaires composé d'un coeur en alliage or-argent recouvert par une couche de silice fluorescente. Dans un second temps, la démonstration de l'applicabilité de cette nouvelle gamme de marqueurs cellulaires pour des expériences de reconnaissance et de marquage cellulaire sera effectuée. On sait depuis longtemps que l'immunofluorescence, en tant que technique standard pour marquer les cellules, présente certains inconvénients tels que la limite d'intensité, les limites de multiplexage et le photoblanchiment. Alors que la diffusion de lumière par une nanoparticule plasmonique ne s'épuise jamais. Le noyau d'alliage Au/Ag exploite non seulement les mérites d'un signal de diffusion accordable mais aussi l'effet de rehaussement de la fluorescence par un métal. L'idée est de fabriquer les nanoparticules (NP) et de démontrer qu'elles permettent une nouvelle stratégie d'analyse en multiplex à l'aide d'une plate-forme multidétection. Au cours de cette étude de maîtrise, les NP d'Au/Ag@SiO2 ont été fabriqués avec succès et reproductibilité. Plusieurs types de fluorophores avec des propriétés de fluorescence différentes ont été incorporés dans la coquille de silice de Au/Ag@SiO2 NP. En utilisant une chimie relativement simple, il a même été possible d'augmenter les performances des fluorophores grâce à la présence de coeurs métalliques augmentant ainsi le signal de fluorescence.  ABSTRACT: Nanomaterials have been a popular research field for decades and scientists are always trying to develop novel materials. This can be achieved with a hybrid of existing material to either significantly improve the performance for certain applications or generate new properties which can be exploited for new applications. Two perfect examples are gold-silver (Au/Ag) alloy nanoparticles (NPs) with strong and tunable extinction spectra in the visible range and superluminescent NPs with a metallic core and dye-doped silica shell. Both of them can be used as contrast agents for biomedical imaging applications. This research is based on the combination of these two types of NPs: the demonstration of a multiplexed bioimaging application with fluorescent NPs composed of a Au/Ag alloy core and a fluorophore-doped silica shell(Au/Ag@SiO2). It has long been known that immunofluorescence, as the standard technique to label cells, has some drawbacks such as intensity limit, limited multiplexing and loss of signal due to photobleaching. Plasmonic NPs do not photobleach and do not lose their scattering signal. The Au/Ag alloy NPs with a core-shell structure not only exploit the merits of a tunable scattering signal from the core but also the metal enhanced fluorescence (MEF) effect from the shell near a metallic surface. In this research, we have fabricated the hybrid NPs and applied them in a multimodal platform to detect both scattering and fluorescence signals in order to improve the multiplexing capability. During the master study, Au/Ag@SiO2 NPs were successfully fabricated with high reproducibility. Different fluorophores with different emission wavelengths were incorporated in the silica shell of Au/Ag@SiO2 NPs resulting in a stronger fluorescence signal in the presence of a metallic core. An etching effect of the metallic core was noted during the silica shell growth, creating a spacer between the surface of the metallic core and silica shell resulting in a slight blueshift of the plasmonic peak. This effect is more severe for silver-rich cores. Four types of NPs were prepared, with two different Au/Ag composition ratios (pure Ag and 50/50 Au/Ag) and two different fluorophores (fluorescein and rhodamine B) were incorporated into the silica shell for a bimodal multiplexed imaging test in scattering and fluorescence. A proportion of 86% of NPs on a glass slide can be identified and a similar result was obtained for NPs on cells.


identifier: Poirié, T. (2016). Caractérisations tribomécaniques in situ de couches minces hybrides pour l'optique ophtalmique  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Nombreuses sont les personnes souffrant d'un trouble de la vision et le port de lunettes reste la solution la plus simple pour pallier les déficits visuels primaires tels que la myopie, l'hypermétropie ou la presbytie. Les améliorations et les progrès technologiques tournant autour des lunettes sont donc d'un intérêt certain pour nombre de personnes. En conséquence, l'industrie du verre ophtalmique redouble d'efforts et d'imagination afin de mettre en oeuvre des solutions améliorant l'acuité visuelle mais aussi le confort des porteurs de lunettes. Dans ce contexte, l'ingénierie des couches minces, des surfaces et des interfaces tient une place de choix pour l'apport de solutions pérennes innovantes. Ainsi, les revêtements antireflets sont encore à l'heure actuelle au coeur d'intenses recherches. Originellement tournée vers le design optique, la communauté scientifique des couches minces pour l'optique oriente de plus en plus ses recherches vers l'obtention de nouveaux matériaux hybrides afin de pouvoir concevoir des filtres optiques plus durables. En effet, l'avènement de matériaux hybrides offrant une large gamme de propriétés mécaniques permettra d'allier conception optique et conception mécanique lors de design de filtre interférentiel. Si cette prouesse ne peut être obtenue sans l'élaboration de nouveaux matériaux, elle ne saurait être atteinte sans le développement de méthodologies adéquates servant à guider le design dans le choix de ces matériaux ainsi que dans leur arrangement au sein du filtre. C'est exactement dans ce cadre qu'ont débuté au sein du LaRFIS les recherches sur les matériaux hybrides déposés par IBACVD (Ion Beam Assisted Chemical Vapor Deposition) dans lesquelles s'inscrivent les travaux présentés dans cette thèse. Ainsi, l'objectif principal des travaux réalisés au cours de ce doctorat s'oriente vers la caractérisation tribomécanique des couches minces pour l'optique ophtalmique. Ce domaine de recherche implique en lui-même deux contraintes majeures, le dépôt de couches très minces et leur caractérisation à l'échelle nanométrique ainsi que l'utilisation de substrat plastique. Dans la première étude, une nouvelle approche est proposée pour l'exécution et l'analyse de tests de rayure. Cette approche a nécessité le développement d'un accessoire spécial permettant l'observation in situ de la zone de contact durant le test. Deux polariseurs linéaires ont été ajoutés à un système optique constitué d'une caméra CCD et d'un objectif à longue distance de travail.  ABSTRACT: For many people suffering from a visual disorder, wearing glasses is the simplest solution as it allows for an easy correction of primary visual deficits such as myopia, hyperopia, and presbyopia. Improvements and technological advancements of eyeglasses are therefore of great interest. To address this, ophthalmic lens manufacturers require an increased effort and imagination to implement solutions that improve visual acuity as well as comfort. In this context, the engineering of thin films, surfaces and interfaces are very important for providing innovative sustainable solutions. In particular, further developments of anti-reflective coatings attract intense research. Originally, the interest of the scientific community of optical thin films was principally devoted to optical design. However, nowadays more and more researchers are focusing on the development of new hybrid materials in order to design more durable optical filters. Hybrid layers represent a great opportunity for the optical thin film community. Indeed, the advent of these hybrid materials, having a wide range of mechanical properties, will allow one to combine optical design and mechanical design in a sole interference filter. Complementary to the advances in new materials is the development of new, appropriate, methodologies to guide design in choosing these materials and implementing them within the filter. It is in this context that research on hybrid materials deposited by IBACVD (Ion beam assisted chemical vapor deposition) began, a few years ago, within LaRFIS. The previous work on hybrid materials represents the background for the work performed during this thesis. Indeed, the main objective of the work of this PhD is focused on the tribomechanical characterization of thin films for ophthalmic optics. This research area consists of three major constituents: the deposition of very thin layers, their characterization at the nanoscale, and the use of plastic substrates. In the first study, a new approach is proposed for performing and analysing scratch tests. This approach has required the development of a special setup allowing for in situ observation of the contact area during the test. Two linear polarizers have been added to an optical system consisting of a CCD camera and a long working distance microscope objective. They allow one to visualize the in-plane stress field in the sample while benefiting from the principle of photoelasticimetry if the substrates are birefringent under stress.


identifier: Friedrich, C. (2016). Méthodes de Reconstruction en Tomographie de diffraction 3-D  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce travail porte sur la tomographie micro-ondes, technique d'imagerie permettant de reconstruire une image tridimensionnelle des propriétés diélectriques d'un volume inconnu à partir d'une succession de mesures du champ électromagnétique diffracté par ce volume. Cette modalité d'imagerie est prometteuse dans un grand nombre d'applications (imagerie médicale,géophysique, contrôle non destructif de matériaux, ...) mais souffre d'un inconvénient majeur, un coût de calcul très élevé des algorithmes de reconstruction, qui freine son développement industriel. Dans cette thèse, le problème d'imagerie micro-ondes est vu comme un problème inverse où l'on cherche à minimiser l'erreur entre les données et un modèle direct simulant la diffraction de l'onde en fonction des propriétés de l'objet inconnu. Le modèle physique est discrétisé par la méthode des moments. Ce problème est mal-posé, en particulier car le nombre d'inconnues est supérieur au nombre de mesures. La solution est donc définie par la minimisation d'un critère des moindres carrés pénalisé par une fonction de régularisation, dont l'optimisation requiert la mise en oeuvre d'algorithmes itératifs d'optimisation locale. Le modèle direct est en outre non-linéaire, rendant la reconstruction plus difficile. Le calcul numérique de ce modèle direct, nécessaire au calcul du critère et de son gradient à chaque itération, concentre la majorité du coût de calcul de l'inversion. Il repose sur la résolution d'un grand nombre de systèmes linéaires. Nous proposons dans cette thèse de réduire le coût de calcul de ces méthodes de reconstruction en se focalisant sur ces résolutions de systèmes. Pour cela, les travaux sont divisés en deux contributions. Tout d'abord, nous proposons une procédure permettant de réduire le nombre de systèmes à résoudre en s'appuyant sur la configuration du montage d'acquisition. La seconde contribution est d'accélérer les résolutions de systèmes à l'aide d'algorithmes par blocs. Ce type d'approche permet de résoudre conjointement plusieurs systèmes linéaires impliquant la même matrice opérateur. Ces méthodes sont validées sur des simulations de problèmes 3D réalistes, puis appliquées à la reconstruction d'objets réels sur des données expérimentales de champs diffractés.  ABSTRACT: This thesis is focused on microwave tomography. This imaging technique consists in estimating a three-dimensional mapping of the dielectric properties of an unknown volume from measurements of the electromagnetic field from a known incident wave and scattered by this volume. This is a promising technique that is used in various applications (medical imaging, geophysics, non- destructive testing, ...) but suffers from high computational costs. This is a reason why microwave imaging is not widely used in industry. In this thesis, microwave imaging is considered as an inverse problem, where the error between the measurements and a forward model that describes the scattered field is minimized as a function of the properties of the volume. The physical model is discretized using the method of moments. This inverse problem is ill-posed because the number of unknowns is higher than the number of measurements. It is tackled through the minimization of a regularized leastsquares cost function, which is addresed by local iterative optimization algorithms. Moreover, the forward model is non-linear. Thus, reconstruction is a difficult and costful procedure. The computation of the objective function and of its gradient requires the resolution of a high number of linear systems, which are performed at each iteration of the optimization algorithm and represent most of the computational cost. In this thesis, we propose to reduce the computational costs of the reconstruction algorithms by focusing on the resolution of these linear systems. Two contributions are presented. The first one is a procedure in order to reduce the number of linear systems depending on the configuration of the measurement setup. The second contribution offers an efficient way to speed up the resolutions of the systems. We adapt block resolution algorithms, in order to jointly solve multiple linear systems involving a common operator matrix. These methods are validated on simulated, realistic, 3D problems, and applied to the reconstruction of real objects from experimental measurements of scattered fields. satisfactory results are obtained, where the computation time can be reduced by a factor of two, in particular for the most difficult reconstruction problems.