identifier: Stepanov, A. (2020). Modeling of Direct Current Grid Equipment for the Simulation and Analysis of Electromagnetic Transients  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les transmissions à base de courant continu sont capables de répondre mieux que les transmissions traditionnelles à base de courant alternatif aux enjeux de nos jours tels que l'intégration des énergies renouvelables, les difficultés avec l'installation des nouvelles lignes aériennes pour les raisons socio-environnementaux, la gestion des flux de puissance sur le réseau électrique. Ceci est grâce aux systèmes de contrôle performants et rapides, à un niveau de fiabilité accrue des composants utilisés, à l'efficacité énergétique des technologies de pointe, telles que les convertisseurs modulaires multiniveaux (Modular Multilevel Converter ou MMC en anglais). Ces avantages ont contribué à une croissance rapide du nombre de transmissions à courant continu à travers le monde dans les dernières années, avec les plans d'établir des réseaux multi-terminaux d'un niveau supérieur aux réseaux électriques traditionnels dans le but de les renforcer. Les outils de simulation numériques sont nécessaires pour faciliter et accélérer la mise en œuvre de ce type de projets d'envergure. Ils permettent d'analyser et d'étudier les systèmes électriques de plus en plus complexes et par conséquent d'éviter les problèmes opérationnels, d'augmenter la fiabilité et l'efficacité des réseaux électriques. La complexité accrue des réseaux électriques modernes qui contiennent les composants à base de l'électronique de puissance tels que les liaisons à courant continu exige une recherche sur les outils de simulation et les modèles avancés. Ainsi, cette thèse se focalise sur le développement d'un cadre pour les simulations précises et rapides des liaisons à courant continu. À la suite d'une revue de la littérature il est démontré que la modélisation des MMCs a un impact particulièrement important sur la précision et l'accélération des simulations et par conséquent une grande partie de cette thèse est dédiée aux différentes méthodes pour réduire le temps de simulation et améliorer la précision des résultats dans les études avec les MMCs.  Le cœur du sujet commence par la présentation de la modélisation des MMC hybrides et leurs systèmes de contrôle. Les modèles sont classés en quatre catégories selon le niveau de précision : le modèle détaillé permet de représenter les non-linéarités au niveau des composants semiconducteurs.  ABSTRACT: Compared to the traditional alternating current technology-based electrical grids, High-Voltage Direct Current (HVDC) transmission systems can more effectively respond to the challenges of the modern power grid related to the integration of renewable energy sources, difficulty to install new overhead lines due to socio-environmental reasons, and power flow management. This is mainly due to high performance of control systems, fast response times, reliable components and energy efficiency of the state-of-the-art HVDC technologies of today, such as the Modular Multilevel Converter (MMC). These advantages have contributed to the rapid growth in the number of HVDC projects in recent years with plans of having overlay HVDC grids that can reinforce the existing electrical grids.   To facilitate and accelerate the implementation of large-scale HVDC projects, it is required to use numerical simulation tools. Such tools allow to perform advanced analysis of involved electrical systems for preventing operating problems, increasing robustness and efficiency in power grids. The increased level of complexity of modern power grids with power electronics-based components, such as HVDC, requires research on advanced simulation tools and models.  Therefore, this thesis aims to develop a framework allowing for accurate modeling and fast simulations of HVDC projects. After analysis of existing literature, the areas with high potential impact on accuracy and acceleration of electromagnetic transient simulations are found, and it is the modeling of MMCs that is considered in this thesis. Thus, a significant part of this thesis is dedicated to research on efficient modeling techniques that allow to reduce simulation time and improve accuracy for MMC-based HVDC systems.  The modeling aspects and control systems of hybrid MMCs are presented first. The MMC models used in electromagnetic transient simulations are grouped into four categories. The detailed model represents the nonlinear current-voltage characteristics of semiconductor switches. The detailed equivalent model represents the switches as two-value resistances: a small value for the closed state and a large value for the open state. The arm equivalent model assumes all capacitors in each arm have identical voltages, so a single equivalent capacitor is used to represent the whole arm, thus greatly reducing the computational burden of the model.


identifier: Lemoine, É. (2020). A New Representation for Spectral Data Applied to Raman Spectroscopy of Brain Cancer  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Par sa nature infiltrative et son confinement derrière la barrière hémo-encéphalique, le cancer primaire du cerveau est l'une des néoplasies les plus difficiles à diagnostiquer et traiter. Son traitement repose sur la résection chirurgicale maximale. La spectroscopie Raman, capable d'identifier en temps réel des régions cancéreuses qui apparaîtraient normales à l'œil nu, promet d'améliorer considérablement le guidage neurochirurgical et maximiser la résection de la masse tumorale. Cependant, le signal Raman est très complexe à interpréter : les systèmes Raman peuvent maintenant capter des signaux de grande qualité que les méthodes analytiques actuelles ne parviennent pas à interpréter de manière reproductible. Ceci constitue une barrière importante à l'acceptation de la spectroscopie Raman par les médecins et les chercheurs œuvrant sur le cancer du cerveau.  L'objectif de ce travail est de développer une méthode robuste d'ingénierie des variables (« Feature engineering ») qui permettrait d'identifier les processus moléculaires exploités par les systèmes Raman pour différentier les régions cancéreuses des régions saines lors de chirurgies cérébrales.  Tout d'abord, nous avons identifié les régions Raman ayant une haute spécificité à notre problématique clinique par une revue systématique de la littérature. Un algorithme d'ajustement de courbe a été développé afin d'extraire la forme des pics Raman dans les régions sélectionnées. Puis, nous avons élaboré un modèle mathématique qui tient compte de l'interactivité entre les molécules de l'échantillon interrogé, ainsi qu'entre le signal Raman et l'âge du patient opéré. Pour valider le modèle, nous avons comparé sa capacité à compresser le signal avec celle de l'analyse en composante principale (ACP), le standard en spectroscopie Raman. Finalement, nous avons appliqué la méthode d'ingénierie des variables à des spectres Raman acquis en salle d'opération afin d'identifier quels processus moléculaires indiquaient la présence de cancer.  Notre méthode a démontré une meilleure rétention d'information que l'ACP. En l'appliquant aux spectres Raman in vivo, les zones denses en cellules malignes démontrent une expression augmentée d'acides nucléiques ainsi que de certaines protéines, notamment le collagène, le tryptophan et la phénylalanine. De plus, l'âge des patients semble affecter l'impact qu'ont certaines protéines, lipides et acides nucléiques sur le spectre Raman. Nos travaux révèlent l'importance d'une modélisation statistique appropriée pour l'implémentation clinique de systèmes Raman chirurgicaux.  ABSTRACT: Because of its infiltrative nature and concealment behind the blood-brain barrier, primary brain cancer remains one of the most challenging oncological condition to diagnose and treat. The mainstay of treatment is maximal surgical resection. Raman spectroscopy has shown great promise to guide surgeons intraoperatively by identifying, in real-time, dense cancer regions that appear normal to the naked eye. The Raman signal of living tissue is, however, very challenging to interpret, and while most advances in Raman systems targeted the hardware, appropriate statistical modeling techniques are lacking. As a result, there is conflicting evidence as to which molecular processes are captured by Raman probes. This limitation hinders clinical translation and usage of the technology by the cancer-research community.  This work focuses on the analytical aspect of Raman-based surgical systems. Its objective is to develop a robust data processing pipeline to confidently identify which molecular phenomena allow Raman systems to differentiate healthy brain and cancer during neurosurgeries.   We first selected high-yield Raman regions based on previous literature on the subject, resulting in a list of reproducible Raman bands with high likelihood of brain-specific Raman signal. We then developed a peak-fitting algorithm to extract the shape (height and width) of the Raman signal at those specific bands. We described a mathematical model that accounted for all possible interactions between the selected Raman peaks, and the interaction between the peaks' shape and the patient's age. To validate the model, we compared its capacity to compress the signal while maintaining high information content against a Principal Component Analysis (PCA) of the Raman spectra, the fields' standard. As a final step, we applied the feature engineering model to a dataset of intraoperative human Raman spectra to identify which molecular processes were indicative of brain cancer.  Our method showed better information retention than PCA. Our analysis of in vivo Raman measurement showed that areas with high-density of malignant cells had increased expression of nucleic acids and protein compounds, notably collagen, tryptophan and phenylalanine. Patient age seemed to affect the impact of nucleic acids, proteins and lipids on the Raman spectra. Our work demonstrates the importance of appropriate statistical modeling in the implementation of Raman-based surgical devices.


identifier: Stimpfling, T. (2020). Mémoires associatives algorithmiques pou l'opération de recherche du plus long préfixe sur FPGA  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réseaux prédiﬀusés programmables — en anglais Field Programmable Gate Arrays (FPGAs)— sont omniprésents dans les centres de données, pour accélérer des tâches d'indexations et d'apprentissage machine, mais aussi plus récemment, pour accélérer des opérations réseaux. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'opération de recherche du plus long préﬁxe en anglais Longest Preﬁx Match (LPM) — sur FPGA. Cette opération est utilisée soit pour router des paquets, soit comme un bloc de base dans un plan de données programmable. Bien que l'opération LPM soit primordiale dans un réseau, celle-ci souﬀre d'ineﬃcacité sur FPGA. Dans cette thèse, nous démontrons que la performance de l'opération LPM sur FPGA peut être substantiellement améliorée en utilisant une approche algorithmique, où l'opération LPM est implémentée à l'aide d'une structure de données. Par ailleurs, les résultats présentés permettent de réﬂéchir à une question plus large : est-ce que l'architecture des FPGA devrait être spécialisée pour les applications réseaux ? Premièrement, pour l'application de routage IPv6 dans le réseau Internet, nous présentons SHIP. Cette solution exploite les caractéristiques des préﬁxes pour construire une structure de données compacte, pouvant être implémentée de manière eﬃcace sur FPGA. SHIP utilise l'approche ńdiviser pour régnerż pour séparer les préﬁxes en groupes de faible cardinalité et ayant des caractéristiques similaires. Les préﬁxes contenus dans chaque groupe sont en-suite encodés dans une structure de données hybride, où l'encodage des préﬁxes est adapté suivant leurs caractéristiques. Sur FPGA, SHIP augmente l'eﬃcacité de l'opération LPM comparativement à l'état de l'art, tout en supportant un débit supérieur à 100 Gb/s. Deuxièment, nous présentons comment implémenter eﬃcacement l'opération LPM pour un plan de données programmable sur FPGA. Dans ce cas, contrairement au routage de pa-quets, aucune connaissance à priori des préﬁxes ne peut être utilisée. Par conséquent, nous présentons un cadre de travail comprenant une structure de données eﬃcace, indépendam-ment des caractéristiques des préﬁxes contenus, et des méthodes permettant d'implémenter eﬃcacement la structure de données sur FPGA. Un arbre B, étendu pour l'opération LPM, est utilisé en raison de sa faible complexité algorithmique. Nous présentons une méthode pour allouer à la compilation le minimum de ressources requis par l'abre B pour encoder un ensemble de préﬁxes, indépendamment de leurs caractéristiques. Plusieurs méthodes sont ensuite présentées pour augmenter l'eﬃcacité mémoire après implémentation de la structure de données sur FPGA. Évaluée sur plusieurs scénarios, cette solution est capable de traiter plus de 100 Gb/s, tout en améliorant la performance par rapport à l'état de l'art.  ABSTRACT: FPGAs are becoming ubiquitous in data centers. First introduced to accelerate indexing services and machine learning tasks, FPGAs are now also used to accelerate networking operations, including the LPM operation. This operation is used for packet routing and as a building block in programmable data planes. However, for the two uses cases considered, the LPM operation is ineﬃciently implemented in FPGAs. In this thesis, we demonstrate that the performance of LPM operation can be signiﬁcantly improved using an algorithmic approach, where the LPM operation is implemented using a data structure. In addition, using the results presented in this thesis, we can answer a broader question: Should the FPGA architecture be specialized for networking? First, we present the SHIP data structure that is tailored to routing IPv6 packets in the Internet network. SHIP exploits the preﬁx characteristics to build a compact data structure that can be eﬃciently mapped to FPGAs. First, SHIP uses a "divide and conquer" approach to bin preﬁxes in groups with a small cardinality and sharing similar characteristics. Second, a hybrid-trie-tree data structure is used to encode the preﬁxes held in each group. The hybrid data structure adapts the preﬁx encoding method to their characteristics. Then, we demonstrated that SHIP can be eﬃciently implemented in FPGAs. Implemented on FPGAs, the proposed solution improves the memory eﬃciency over the state of the art solutions, while supporting a packet throughput greater than 100 Gbps.While the preﬁxes and their characteristics are known when routing packets in the Internet network, this is not true for programmable data planes. Hence, the second solution, designed for programmable data planes, does not exploit any prior knowledge of the preﬁx stored. We present a framework comprising an eﬃcient data structure to encode the preﬁxes and methods to map the data structure eﬃciently to FPGAs. First, the framework leverages a B-tree, extended to support the LPM operation, for its low algorithmic complexity. Second, we present a method to allocate at compile time the minimum amount of resources that can be used by the B-tree. Third, our framework selects the B-tree parameters to increase the post-implementation memory eﬃciency and generates the corresponding hardware architecture. Implemented on FPGAs, this solution supports packet throughput greater than 100 Gbps, while improving the performance over the state of the art.


identifier: Jaouhar, E. M. (2019). Études analytiques, numériques et expérimentales pour évaluer les contraintes et les pressions dans les chantiers remblayés et sur les barricades  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie minière génère de grandes quantités de rejets miniers. Leur entreposage en surface peut engendrer des problèmes environnementaux et de sécurité. À cet égard, le remblayage des chantiers souterrains est une opération courante dans les mines en souterrain en raison de plusieurs avantages : réduire la quantité des rejets entreposés en surface, améliorer la stabilité du terrain, augmenter la quantité des minerais extraits et réduire la dilution. Afin de maintenir en place les remblais miniers dans les chantiers remblayés, des structures de retenue (barricades) sont construites au point de soutirage en bas du chantier. Il est très important de bien évaluer les pressions et les contraintes sur ces barricades, afin de les dimensionner adéquatement et d'assurer leur stabilité. Toutefois, peu d'études ont été menées sur l'évaluation des pressions et des contraintes sur les barricades. En particulier, l'effet du nombre de trous de drainage, communément installés à travers les barricades, n'a jamais été étudié. Dans cette optique, des simulations numériques à l'aide du code numérique SIGMA/W ont été réalisées dans le cadre de cette thèse, afin d'évaluer la distribution des contraintes dans le chantier et sur la barricade, en tenant compte de l'effet du drainage et de la consolidation et de l'effet d'arche. Ainsi, il a été démontré que les trous de drainage peuvent aider à diminuer grandement les pressions interstitielles sur les barricades à court et à long terme, mais très peu les contraintes totales sur les barricades à court terme. Cela indique que l'installation des trous de drainage à travers les barricades n'aide pas significativement à augmenter la stabilité des barricades à court terme. Les résultats ont montré aussi que les contraintes totales horizontales et les pressions interstitielles sur la barricade sont plus élevées lorsque la vitesse du remplissage du remblai dans le chantier ou la rigidité de ce dernier sont plus grandes. Pour évaluer les contraintes dans un chantier remblayé, plusieurs solutions analytiques ont été proposées dans la littérature. La plupart de ces celles-ci considèrent que les contraintes horizontales et verticales sont des contraintes principales et uniformément distribuées le long d'une ligne horizontale à travers le chantier. Ceci est différent des résultats numériques qui ont montré que les contraintes principales suivent un trajet en forme d'un arc à travers la largeur du chantier. Afin de prendre en compte cet aspect, une solution analytique en 2D est proposée dans cette thèse en se basant sur la théorie d'effet d'arche en considérant un élément de couche en arc. Cette solution a été ajustée et validée à l'aide de simulations numériques et permet d'évaluer les contraintes principales majeures et mineures, ainsi que les contraintes verticales et horizontales, dans tout point situé dans un chantier remblayé vertical. Par rapport aux solutions analytiques existantes, des améliorations importantes ont été observées sur la description et la prédiction des contraintes autour des parois du chantier. En plus, la nouvelle solution n'exige pas la connaissance préalable d'un coefficient de pression latérale des terres. La solution proposée peut être considérée comme une grande amélioration, permettant de mieux évaluer l'état des contraintes dans les chantiers remblayés verticaux. En plus des analyses numériques et analytiques, des essais expérimentaux ont été menés dans le cadre de cette thèse pour mesurer les contraintes totales et les pressions interstitielles dans les chantiers remblayés. Jusqu'à présent dans la littérature, aucun essai au laboratoire n'a mesuré simultanément les pressions interstitielles et les contraintes totales. Ceci rend difficile l'étude de l'évolution des propriétés hydromécaniques associées à la consolidation gravitaire pendant et après la déposition des remblais. Pour remédier à cela, plusieurs types d'essais de déposition du remblai ont été menés dans une colonne de 69 cm de haut et de 15 cm de diamètre, afin d'évaluer l'évolution des contraintes totales et des pressions interstitielles, durant et après la déposition du remblai. La vitesse de remplissage et le pourcentage du solide ont été variés pour évaluer leur effet. Les résultats de cette étude expérimentale ont montré que lorsque le remblayage est plus rapide, la valeur de la contrainte effective reste faible. Par conséquent, l'évolution du coefficient de consolidation (cv) du remblai reste alors faible et constante. Un taux de remplissage plus rapide produit un pic plus élevé de contraintes totales et de pressions interstitielles, ce qui est en accord avec les résultats des simulations numériques réalisées dans le cadre de cette thèse.  ABSTRACT: The mining industry generates large quantities of waste. Their surface storage can lead to environmental and safety problems. In this regard, backfilling of underground stopes is a common operation in underground mines because of several advantages: reducing the amount of waste stored on the surface, improving ground stability, increasing the quantity of ore extracted and reducing the dilution of minerals. In order to keep backfill in place once poured in the stopes, retaining structures (barricades) are built at the drawpoint at the base of the stopes. A good evaluation of the pore water pressures (PWPs) and stresses on these barricades is necessary to properly design them and ensure their stability. However, few studies have been conducted on the evaluation of pressures and stresses on barricades. In particular, the effect of the number of drainage holes, commonly installed through the barricades, has never been studied. With this in mind, numerical simulations using the code SIGMA/W have been carried out as part of this thesis, in order to evaluate the distribution of stresses in the backfilled stope and on the barricade, taking into account the consolidation, drainage and arch effect. Thus, it has been shown that the drainage holes help to significantly decrease the PWPs on the barricade in short and long terms, but not significantly the total stresses on the barricades in the short term. This indicates that the use of drainage holes does not significantly help improve the stability of barricade in the short term. The results also indicate that the increase in filling rate, as well as the decrease in hydraulic conductivity and backfill stiffness, can lead to high peak values in the total horizontal stresses and PWPs on the barricade. Several analytical solutions have been proposed in the literature to evaluate the stresses in a backfilled stope. Most of these considered that the horizontal and vertical stresses are principal stresses and uniformly distributed along a horizontal line across the stope. Numerical results showed however that the principal stresses follow an arc path across the stope. In order to consider this aspect into account, a 2D analytical solution is proposed in this thesis based on the arching theory by considering an arc layer element. This solution has been adjusted and validated using numerical simulations and allows to evaluate the major and minor principal stresses, as well as the vertical and horizontal stresses, at any point located in a vertical backfilled stope. Compared to exiting analytical solution, significant improvement has been observed on the estimation of the stresses near the stope walls. In addition, the proposed solution does not require the knowledge of the earth pressure coefficient. The proposed solution can thus be considered as an improved tool that can be used to better assess the stresses in backfilled vertical stopes. In addition to numerical and analytical analyses, experimental tests were carried out as part of this thesis to measure the total stresses and pore water pressures in backfilled stopes. To date in the literature, no laboratory tests have simultaneously measured PWPs and total stresses in backfilled stopes. This makes it difficult to study the evolution of the hydromechanical properties associated with self-weight consolidation during and after backfill deposition. To remedy this, several backfill deposition tests were conducted in a 69 cm high, 15 cm diameter column to assess the evolution of total stresses and PWPs during and after backfill deposition. Filling rates and percent solids were varied to assess their effect. The results of this experimental study showed that when backfilling is faster, the effective stress remains at a low value. Consequently, the evolution of the consolidation coefficient (cv) still low and constant. A faster filling produces higher peak values in the total stresses and PWPs. This is in good agreement with the results of the numerical simulations carried out as part of this thesis.


identifier: Keita, A. M. T. (2020). Analyse numérique des mécanismes de rupture critiques des semelles en remblai cimenté excavées à la base en plusieurs séquences  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'exploitation minière constitue une source de revenue importante dans de nombreux pays à travers le monde tels que le Canada, l'Australie, la Guinée, etc. La demande en matières premières s'accroit continuellement afin de soutenir le développement de la technologie, la croissance démographique et économique dans les pays en voie de développement. Avec l'épuisement des gisements de surface ou à faibles profondeurs, l'exploitation minière progresse de plus en plus en profondeur dans des conditions géomécaniques plus défavorables et les risques d'instabilité deviennent plus élevés. Le design de chantiers et de structures stables constitue donc un défi majeur auquel sont confrontés les ingénieures en mécanique des roches. L'utilisation du remblai dans ces conditions constitue une solution efficace pour assurer la stabilité du terrain, augmenter la récupération du minerai et réduire la consommation énergétique en ventilation. L'utilisation du remblai dans les mines souterraines s'inscrit également dans le cadre des nouvelles normes environnementales établies dans de nombreux pays afin de réduire l'impact des rejets miniers entreposés en surface. Lorsque les qualités géomécaniques des massifs rocheux sont très mauvaises, l'utilisation du remblai devient une nécessité. Cela permet entre autres de réduire les risques liés aux coups de terrains associés aux contraintes élevées dans les piliers en minerai. Le design des semelles en remblai cimenté se heurte alors à une compréhension peu évoluée et de nombreuses controverses sur les mécanismes de rupture critiques de ces structures. Une avancée majeure a été apportée par Mitchell (1991) avec l'identification de quatre principaux modes de rupture (la flexion, l'effondrement, la rotation et le glissement). Il a également proposé des équations analytiques afin de prédire l'instabilité de la semelle pour chaque mode de rupture. Cependant, ces solutions sont restées peu utilisées dans la pratique compte tenu de nombreuses hypothèses simplificatrices associées à ces travaux. Par exemple, dans le modèle de Mitchell (1991), les épontes rocheuses ont été considérées comme rigides et immobiles. La contrainte verticale exercée sur la semelle a été déduite en appliquant une solution analytique d'effet d'arche en considérant une épaisseur du remblai très grande. En plus, la résistance de cisaillement entre la semelle et les épontes reste inconnue en raison de la non-détermination de la contrainte normale entre la semelle et les épontes rocheuses. Le modèle de Mitchell (1991) a été par la suite révisé par plusieurs chercheurs dont la plupart a reconduit les limitations importantes liées à la convergence latérale des épontes et à l'effet de l'excavation sous-jacente sur la stabilité des semelles. Les travaux de Hughes (2014) et de Pagé et al. (2019) ont permis de mettre en évidence la rupture par écrasement lorsque les contraintes de convergence sont très élevées. Néanmoins, le premier a utilisé des valeurs peu réalistes pour représenter les convergences et le second a surestimé l'effet de la convergence en utilisant des chantiers étroits et en excavant le chantier sous-jacent en une seule couche de hauteur très élevée. Afin d'obtenir une compréhension plus complète sur les mécanismes de ruptures des semelles dans les chantiers souterrains, une série de simulations numériques a été réalisée à l'aide du logiciel RS2 de Rocscience. Les modèles numériques étudiés prennent en compte la variation de plusieurs propriétés géométriques des chantiers et des semelles. L'influence du module de Young du remblai a également été analysée. Les résultats ont montré que l'écrasement est particulièrement plus fréquent dans les chantiers étroits, mais tous les autres modes de rupture peuvent également être observés lorsque la largeur des chantiers devient importante. Un nouveau critère de rupture ou d'instabilité de semelle en remblai cimenté a été établi afin d'identifier d'une façon plus objective l'état critique des semelles soumises à de fortes contraintes latérales et la résistance minimale requise des semelles dans ces conditions. À partir de cette première partie, la flexion a été identifiée comme principal mode de rupture des semelles de grandes portées dans les chantiers verticaux et subverticaux. À la suite de ces résultats, on constate dans un deuxième temps qu'il y a très peu de solutions novatrices disponibles dans la littérature pour améliorer la stabilité des semelles de grandes portées. Dans le cas des semelles de grandes portées, la résistance nécessaire peut être réduite par la réduction des zones en traction parce que les géomatériaux ont souvent une résistance beaucoup plus faible en traction qu'en compression. Dans cette deuxième partie de ce travail, on a investigué une solution novatrice qui consiste à ajuster la géométrie des semelles de grandes portées. La géométrie en archet a été retenue pour cet effet. La stabilité de semelles en forme d'arche a été analysée à l'aide d'une série de simulations numériques. Les résultats ont montré que cette nouvelle géométrie apporte une grande amélioration de la stabilité des semelles, réduit la traction à la base et la résistance minimale requise pour leurs designs. Plus de travaux sont encore nécessaires afin d'optimiser cette géométrie et de mettre à jour de nouvelles géométries plus stables contre les autres modes de ruptures.  ABSTRACT: Mining industry constitutes an important source of income in many countries around the world such as Canada, Australia, Guinea, etc. The demand in minerals continuously increases to sustain the economic, social and demographic growths in the developing countries. With less and less mineral resources on the surface or at shallow depth, more and more mines have to progress toward large depth, where the geomechanical conditions are less favorable with higher risks of ground instability. Rock mechanics engineers thus face important challenges to design and maintain stable underground openings and structures. Using backfill in such conditions is an effective solution for improving the ground stability, increasing the ore recovery and reducing the energy consumption in ventilation. This is why underground stope backfilling has been accepted in many countries as a sustainable solution to reduce the environmental impact of surface disposal of mine wastes. When the rock mass is of very poor quality, the use of mining backfill becomes necessary to provide a safer working space or helps to reduce rock burst in highly stressed ore pillars. However, the design of sill mats made of cemented backfill is still problematic due to poor understanding of the critical failure mechanisms. A pioneering work was made by Mitchell in (1991), who identified four modes of failure, namely bending, caving, rotation and sliding. Four equations, each corresponding to one mode of failure, have been proposed based on the limit equilibrium analysis method to predict the instability onset of sill mats. The solution is not commonly used in practice due to several key limitations of the models. For example, the rock walls in the Mitchell's models were considered rigid and immobile. The vertical stress exerted by the overlying uncemented backfill on the sill mat was deduced by applying an analytical arching solution and considering a very large height of uncemented backfill. Moreover, the shear strength between the sill mat and the rock walls remains undetermined because the normal stress at the interface between the rock walls and the sill mat is unknown. Mitchell's (1991) model was later revised by several researchers. Most of them inherited the same limitations associated with the neglect of wall closure due to underlying stope excavation. Hughes (2014) and Pagé et al. (2019) identified a new critical failure mode that is shear by crushing due to the convergence of rock walls after the stope excavation below the sill mat. However, Hughes (2014) used unrealistic values to represent the convergences of rock walls and Pagé et al. (2019) overestimated the effect of convergence by considering narrow stopes and one step excavation of the underlying stope. In order to obtain a better and more complete understanding of the failure mechanisms of sill mats in underground mining, a series of numerical simulations has been conducted by using RS2 of Rocscience. The analyzed numerical models took into account the variation of stope and sill-mat geometries and mechanical properties of backfill. The results showed that shear by crushing is the stability controlling mechanism in narrow stopes, but all other critical failure modes can be observed when the stope width becomes large. Based on the results of this first part, failure by bending has been identified as the stability controlling mechanism of sill mats with long span in vertical stopes. In addition, a new criterion of instability based on numerical reproduction of uniaxial compressive test is, for the first time, established in order to more objectively evaluate the failure or instability onset of structures and give more objective determination of the minimum required strength. Following the results of the first part, one notes that there are very few innovative solutions in the literature to improve the stability of sill mats of large spans. In fact, the stability of such sill mats can be improved by reducing the tension at the base after the excavation of the underlying stope because geomaterials like cemented backfill usually have strength higher in compression and lower in tension. In the second part of this thesis, an innovative solution is proposed by considering arched sill mats. The stability of arched sill mats is then analyzed by numerical modeling with RS2 in comparison with traditional rectangular sill mats. The results showed that this new geometry significantly improves the stability of the large span sill mat. The tension zones at the base as well as the minimum required strength of large span sill mats can considerably be diminished through the use of arched sill mats. More work is still needed to optimize the geometry and identify more suitable geometry against other failure modes.


identifier: Bérard, F. (2020). Une application de la méthode des vitesses et de l'interpolation transfinie à la modélisation de l'interaction fluide-structure d'un cylindre circulaire  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les problèmes d'interactions fluide-structure (IFS) sont un sujet d'étude très actuel tant pour les nombreuses applications existantes que pour les défis de modélisation qu'ils représentent. L'objet de ce mémoire est l'étude d'une sous-classe de problèmes d'IFS soit les vibrations induites par vortex (VIV). Il existe plusieurs approches pour résoudre ce genre de problème dont une qui se nomme le repère accéléré et qui est présentement implémenter dans le programme d'éléments finis du laboratoire. Or, cette méthode, bien qu'efficace et fonctionnelle, manque de généralité pour traiter de cas plus complexes. Le but sera donc de développer une formulation plus générale basée sur une approche de maillage mobile. Des nombreuses méthodes de maillage mobile qui existent, une sous-catégorie semble plus adaptée à la tâche à accomplir, soit la sous-catégorie des méthodes algébriques. Ces méthodes ne modifient pas les structures de données du programme au cours de la simulation et ne nécessitent pas la résolution d'équations aux dérivées partielles. Ces deux avantages en font des méthodes assez rapides d'un point de vue calcul. De plus, ce sont des méthodes récentes et donc très intéressantes d'un point de vue recherche. Avant d'appliquer directement ces méthodes aux problèmes de VIV, il est nécessaire de bien comprendre le comportement de chacune d'entre elles. Un premier tri a été fait et trois méthodes sont retenues pour être étudiées plus en profondeur : les méthodes RBF, IDW et ITM. À partir des méthodes RBF et IDW, deux nouvelles méthodes transfinies de déplacement des nœuds ont été formulées :  la méthode TRBF et la méthode ITB. Ces deux nouvelles méthodes sont le penchant transfini des méthodes originales. Un programme de démonstration avec les cinq méthodes a été codé pour faire des tests initiaux. Dans ces tests, le déplacement des différents objets est prescrit par une fonction analytique et la validité géométrique des éléments du maillage est vérifiée à chaque étape de la simulation. De cette première série de tests, un constat important pour l'implémentation a été tiré :  même si aucune méthode ne semble plus robuste, les méthodes transfinies (ITM, ITB et TRBF) sont préférées aux méthodes sur un nuage de points (IDW et RBF).  Les méthodes transfinies peuvent prendre avantage des macro-éléments pour représenter l'objet en moins d'éléments. Une fois les méthodes de déplacement des nœuds étudiées, le système monolithique complet modélisant le phénomène des VIV peut être mis en place. Les équations de Navier-Stokes en formulation ALE sont utilisées pour modéliser le comportement du fluide. Pour modéliser le solide, l'équation masse-ressort-amortissement est choisie. Le couplage entre le fluide et le solide est fait à l'aide de multiplicateurs de Lagrange. Deux autres équations sont ajoutées au système pour modéliser le mouvement de la frontière solide de l'objet.  Finalement, une formulation, à ne pas confondre avec la méthode, est aussi nécessaire pour le déplacement des nœuds. Deux formulations ont été utilisées dans les simulations. La première, basée sur une approche temporelle, avait des problèmes d'hystérésis. Au fur et à mesure de la simulation, les erreurs d'arrondi sur l'intégration de la position des nœuds s'accumulent et le maillage se dégrade jusqu'à l'inversion d'un élément en plein milieu de la simulation. La deuxième, basée sur la position initiale de l'objet pour le calcul du déplacement, fonctionne sans problème. Puisque le calcul se fait toujours à partir de la position initiale, l'erreur ne s'accumule pas entre les étapes de temps.  ABSTRACT: Fluid-structure interaction problems (IFS) are a very current subject of study both for the many existing applications and for the modeling challenges they represent. The purpose of this dissertation is to study a subclass of IFS problems, vortex-induced vibrations (VIV). There exist several approaches to solve this kind of problem including one which is called the accelerated reference frame, and which is currently implemented in the finite element program of the laboratory. This method, although effective and functional, lacks generality for dealing with more complex cases. The goal will therefore be to develop a more general formulation based on a mobile mesh approach. Of the many mobile mesh methods that exist, a subcategory seems more suited to the task at hand, namely the algebraic methods. These methods do not modify the data structures of the program during simulation and do not require the resolution of partial differential equations. These two advantages make them fairly fast methods from a calculation standpoint. In addition, these are recent methods and therefore very interesting from a research standpoint. Before applying these methods directly to VIV problems, it is necessary to understand the behavior of each of them. A first sort has been made and three methods are selected for further study: the RBF, IDW and TMI method. From the RBF and IDW methods, two new transfinite node displacement methods have been formulated: the TRBF method and the TBI method. These two new methods are the transfinite penchant of the original methods. A demonstration program with the five methods has been coded to do initial tests. In these tests, the displacements of the various objects is prescribed by an analytical function and the geometrical validity of the elements is checked at each stage of the simulation. From this first battery of tests, an important observation for the implementation was drawn: even if no method seems more robust, transfinite methods (TMI, TBI and TRBF) are preferred to methods on a scatter (IDW and RBF). Transfinite methods can take advantage of macro-elements to represent the object in fewer elements. Once the node displacement methods have been chosen, the complete monolithic system modeling the VIV phenomenon can be implemented. The Navier-Stokes equations in ALE formulation are used to model the behavior of the fluid. To model the solid, the mass-spring-damping equation is chosen. The coupling between the fluid and the solid is made using a Lagrange multiplier. Two other equations are added to the system to take into account the movement of the solid boundaries of the object. Finally, a formulation, not to be confused with the method, is also necessary for the displacement of the nodes. Two formulations were used in the simulations. The first, based on a time approach, had hysteresis problems. As the simulation progresses, the rounding errors on the integration of the position of the nodes accumulate and the mesh degrades until the inversion of an element in the middle of the simulation. The second, based on the initial position of the object for the displacement calculation, works without problems. Since the calculation is always done from the initial position, the error does not accumulate between the time steps.


identifier: Chai, S. (2020). Analytical and Numerical Studies on the Stresses in Backfilled Stopes and the Stability of Side-Exposed Backfill in Inclined Stopes  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'exploitation minière est une industrie importante dans de nombreux pays, comme le Canada, la Chine, l'Australie, etc. Dans les méthodes d'extraction souterraine, de grands vides minés (appelés chantiers) peuvent être créés après l'extraction du minerai. Entre-temps, de grandes quantités de déchets solides comme les résidus et les stériles sont également produites comme produits secondaires. Traditionnellement, ces déchets miniers sont entreposés à la surface sous forme d'installations de stockage de résidus ou de tas de stériles. Au fil des ans, le remblayage des chantiers avec des déchets solides miniers a été de plus en plus utilisé dans les mines souterraines. Le remblayage peut améliorer les conditions de stabilité du sol, augmenter la récupération du minerai et réduire la dilution du minerai. Il peut également aider à réduire les déchets solides entreposés en surface et à minimiser les impacts environnementaux associés. L'application réussie du remblai nécessite une bonne compréhension de l'état de contrainte dans les chantiers de remblayage, ce qui est nécessaire pour la conception de barricades, de tapis de seuil et de remblais exposés latéralement. À cette fin, un certain nombre de solutions analytiques et numériques ont été publiées. Dans la plupart des cas, les contraintes verticales et horizontales sont surveillées le long de la profondeur du remblai à la fin de l'opération de remblayage. Les courbes résultantes sont alors une description de la variation des contraintes en fonction de leurs positions pour un remblai donné. Parfois, on ne peut s'intéresser qu'aux contraintes à la base du remblai. Dans ce cas, on peut obtenir une courbe qui décrit la variation des contraintes à la base du remblai en fonction de l'épaisseur du remblai. On obtient un profil contrainte-profondeur dans le premier cas et un profil contrainte-épaisseur dans le second cas. Même si les significations physiques des deux types de courbes sont différentes, l'utilisation des solutions analytiques existantes donnera les mêmes résultats entre elles. Les contraintes verticales et horizontales augmentent presque linéairement avec la profondeur ou l'épaisseur lorsque la profondeur ou l'épaisseur est très faible. Lorsque la profondeur ou l'épaisseur devient importante, les contraintes verticales et horizontales ont alors tendance à devenir constantes. Cela ne correspond pas aux résultats obtenus par des simulations numériques, qui montraient parfois une augmentation soudaine des contraintes près du fond sur le profil profondeur-contrainte. Ce phénomène a été appelé effets kink par Sivakugan et ses collaborateurs en 2014. Jusqu'à présent, il n'y a pas de solution analytique qui prend en compte l'effet kink pour évaluer les contraintes dans les chantiers remblayés. Le mécanisme de l'effet de pli reste également inconnu. Dans cette thèse, le mécanisme de l'effet kink est d'abord analysé. Une solution analytique est ensuite proposée après avoir pris en compte le mécanisme de l'effet de pli pour estimer les contraintes verticales et horizontales dans les paliers remblayés. Le mécanisme d'apparition de l'effet de pli et la solution analytique proposée sont validés par les résultats numériques obtenus avec FLAC. Les résultats montrent que l'apparition d'un effet de coude est étroitement liée à l'état du remblai, qui est déterminé par la relation entre le coefficient de Poisson  et l'angle de frottement interne φ du remblai. Le pli peut se produire lorsque μ > (1-sin φ)/2 alors qu'il ne se produit pas lorsque μ ≤ (1-sin φ)/2. Un autre problème critique pour la conception d'un chantier remblayé est d'évaluer la stabilité ou de déterminer la résistance requise du remblai dans le chantier principal afin que le remblai reste stable lors de l'exposition du remblai d'un côté en raison de l'excavation d'un chantier secondaire. Au fil des ans, un certain nombre de solutions analytiques ont été proposées pour évaluer la stabilité et la résistance requise du remblai exposé latéralement dans les chantiers verticaux. Seules quelques études ont été menées pour évaluer la stabilité du remblai exposé latéralement dans les chantiers inclinés. Les quelques solutions disponibles contiennent plusieurs limitations. Dans cette thèse, une solution analytique améliorée a été développée pour évaluer la stabilité et la cohésion requise du remblai exposé latéralement dans les chantiers inclinés. La solution analytique proposée est validée par des simulations numériques réalisées avec FLAC3D. Les résultats montrent qu'il existe un angle d'inclinaison critique de la paroi du chantier, auquel la cohésion minimale requise du remblai exposé latéralement dans les chantiers inclinés atteint une valeur maximale, à partir de laquelle la cohésion minimale requise diminue quel que soit l'angle d'inclinaison de la paroi du chantier augmente ou diminue.  ABSTRACT: Mining is an important industry in many countries, such as Canada, China, Australia, etc. In underground mining methods, large mined-out voids (called stopes) can be created after ore extraction. In the meantime, large quantities of solid wastes like tailings and waste rocks are also produced as secondary products. Traditionally, these mining wastes are disposed of on the surface in forms of tailings storage facilities or waste rock piles. Over the years, stope backfilling with mine solid wastes has been increasingly used in underground mines. The backfilling can improve the ground stability conditions, increase ore recovery, and reduce ore dilution. It can also help reduce surface disposal of mine solid wastes and minimize the associated environmental impacts. The successful application of backfill requires a good understanding of the stress state in backfilled stopes, which is necessary for the design of barricade, sill mat, and side-exposed backfill. To this end, a number of analytical and numerical solutions have been published. In most cases, the vertical and horizontal stresses are monitored along the depth of the backfill at the end of the backfilling operation. The resulting curves are then a description of the variation of the stresses as a function of their positions for a given backfill. Sometimes, one can be only interested in the stresses at the base of the backfill. In this case, one can obtain a curve that describes the variation of the stresses at the base of the backfill as a function of backfill thickness. One obtains a stress-depth profile in the former case and a stress-thickness profile in the latter case. Even though the physical meanings of the two types of curves are different, the use of existing analytical solutions will result in the same results between them. The vertical and horizontal stresses increase almost linearly with the depth or thickness when the depth or thickness is very small. When the depth or thickness becomes large, the vertical and horizontal stresses then tend to become constant. This does not correspond to the results obtained by numerical simulations, which sometimes showed a sudden increase of the stresses near the bottom of the stress-depth profile. This phenomenon was called kink effects by Sivakugan and coworkers in 2014. Until now, there is no analytical solution that takes into account the kink effect to evaluate the stresses in backfilled stopes. The mechanism of the kink effect also remains unknown. In this thesis, the mechanism of kink effects is first analyzed. An analytical solution is then proposed after taking into account the mechanism of kink effect to estimate the vertical and horizontal stresses in backfilled stopes. The mechanism for the occurrence of kink effects and the proposed analytical solution are validated by numerical results obtained with FLAC. The results show that the occurrence of kink effect is closely related to the state of the backfill, which is determined by the relationship between the Poisson's ratio  and internal friction angle φ of the backfill. The kink can occur when μ > (1-sin φ)/2 while not occur when μ ≤ (1-sin φ)/2. Another critical issue for backfilled stope design is to evaluate the stability or determine the required strength of the backfill in primary stope in order for the backfill to remain stable upon the exposure of the backfill on one side due to the excavation of a secondary stope. Over the years, a number of analytical solutions have been proposed to evaluate the stability and required strength of side-exposed backfill in vertical stopes. Only a few studies have been conducted to evaluate the stability of side-exposed backfill in inclined stopes. The few available solutions contain several limitations. In this thesis, an improved analytical solution has been developed to evaluate the stability and the required cohesion of side-exposed backfill in inclined stopes. The proposed analytical solution is validated by numerical simulations conducted with FLAC3D. The results show that a critical stope wall inclination angle exists, at which the minimum required cohesion of side-exposed backfill in inclined stopes reaches a peak value, from which the minimum required cohesion decreases whatever the stope wall inclination angle increases or decreases.


identifier: Nasri Lari, H. (2020). Continuous In-line De-agglomeration and Coating of Nanoparticles  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les nanoparticules (NPs) sont maintenant produites commercialement et utilisées à de multiples fins, dans des applications industrielles telles que les catalyseurs pour l'administration de médicaments anticancéreux jusqu'à des crème solaire dans les cosmétiques. Toutefois, leur production, leur stockage et leur traitement présentent encore un défi majeur : l'agglomération. Lorsque les NPs forment des agglomérats, ceux-ci perdent leurs propriétés de surface extraordinaires qu'ils avaient en tant que NP individuelles. Pour profiter de leurs "nanopropriétés", il est nécessaire de briser les agglomérats et de réduire leur énergie de surface élevée, ou de les "passiver", avant utilisation. La capacité de produire des quantités en vrac de NPs très dispersées est une limitation importante de la nanotechnologie.  ABSTRACT: Nanoparticles (NPs) are now produced commercially and being used for myriad of purposes from industrial applications such as catalysts to cancer-drug delivery to sunblock in cosmetics. However, there is still a main challenge in their production, storage and process: agglomeration. When NPs form agglomerates, those lose their extraordinary surface-driven properties they had as individual NPs. In order to take advantage of their “nanoproperties”, it is necessary to break up the agglomerates and reduce their high surface energy, or "passivate" them, before use. The ability to produce bulk quantities of highly dispersed NPs is a significant limitation of nanotechnology.


identifier: Blanchet, L. (2020). Development of a Procedure to Optimize the Geometric and Dynamic Designs of Assistive Upper Limb Exoskeletons  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La faiblesse musculaire chez les patients atteints de maladies neuromusculaires peut réduire leur capacité à réaliser des activités quotidiennes primordiales telles que manger ou se laver. Les dispositifs d'assistance disponibles offrent des fonctionnalités limitées et ne permettent pas de restaurer l'autonomie des patients. D'autre part, la fatigue musculaire chez les travailleurs œuvrant dans un environnement éprouvant peut provoquer des blessures et une mauvaise qualité de vie. Bien qu'il existe de nombreux outils pour les aider, l'effort requis peut tout de même être hautement exigeant. Les exosquelettes d'assistance sont bien adaptés pour aider ces deux populations, car ils visent à supporter l'utilisateur en diminuant l'effort nécessaire pour accomplir ses tâches quotidiennes. Le développement de tels dispositifs est une tâche fastidieuse, car les interactions en 3D entre le corps humain et l'exosquelette ainsi que le choix des caractéristiques du système de transmission de puissance, c'est-à-dire les moteurs ou les éléments passifs, sont très complexes et interdépendants. Pour ajouter à cette difficulté, il existe très peu de lignes directrices ou de procédures claires pour soutenir la synthèse géométrique et dynamique d'exosquelettes d'assistance et portable des membres supérieurs. Les paramètres géométriques sont les dimensions de l'exosquelette tandis que les paramètres dynamiques sont les caractéristiques des moteurs et des éléments passifs, tels que des ressorts. L'objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer une procédure de synthèse géométrique et dynamique pour soutenir la conception d'un exosquelette de membre supérieur. Tout d'abord, une optimisation géométrique des dimensions de l'exosquelette a permis de maximiser la fermeture de la boucle cinématique et d'éviter les collisions avec les segments du corps tout en réalisant des tâches fonctionnelles spécifiques. Ensuite, grâce à un problème de contrôle optimal, les caractéristiques dynamiques de l'exosquelette ont été obtenues en minimisant les couples articulaires de l'utilisateur pour les mêmes tâches fonctionnelles. Les dimensions optimisées de l'exosquelette ont permis de réussir la fermeture de boucles pour toutes les tâches, soit 10,8 % de plus qu'avec une identification visuelle des dimensions. Quant à eux, les paramètres dynamiques ont pu réduire le couple articulaire de l'utilisateur à moins de 10,6 % des simulations sans exosquelettes pour presque toutes les articulations et les tâches. En conclusion, ces résultats ont montré que la procédure de synthèse était réussie. Cela pourra permettre le développement d'exosquelettes plus légers et plus petits ayant le potentiel d'être commercialisés à court terme. Les perspectives de cette recherche sont de développer une procédure d'optimisation où les paramètres géométriques et dynamiques sont optimisés simultanément et de minimiser les forces musculaires plutôt que les couples articulaires de l'utilisateur pour soutenir des objectifs de design et des objectifs cliniques.  ABSTRACT: Muscular weakness for patients affected by neuromuscular diseases can reduce their ability to realize primordial daily activities such as eating or washing themselves. The available assistance devices offer limited functionalities and do not restore autonomy for the patients. On the other hand, muscular fatigue for workers in tough physical environments can cause injuries and poor quality of life. While there are a lot of tools to help them, the required effort can still be very demanding. Assistive exoskeletons are well suited to help both these populations as they aim to assist the user by lowering the effort necessary to accomplish his everyday tasks. The development of such devices is a tedious task as the 3D human-exoskeleton interactions and the selection of the power transmission system characteristics, i.e. motors or passive elements, are highly complex and interdependent. To add to this complexity, there are very little to no guidelines or clear procedures for supporting the geometric and dynamic synthesis of wearable and assistive upper limb exoskeletons. The geometric parameters are the dimensions of the exoskeleton while the dynamic parameters are the characteristics of motors and passive elements such as springs. The objective of this master thesis was to develop a geometric and dynamic synthesis procedure to support the design of an upper limb exoskeleton. First, a geometric optimization of the exoskeleton dimensions enabled to maximize the kinematic loops closure and to avoid collisions with the body segments while carrying out specific functional tasks. Then, through an optimal control problem, the exoskeleton dynamic characteristics were obtained by minimizing the user joint torques for the same functional tasks.  The optimized exoskeleton dimensions could reach loop closure for all tasks, 10.8% more than with a visual identification of the dimensions. The resulting dynamic parameters could reduce the user's joint torque to less than 10.6% of the human-only simulations for nearly all joints and tasks. To conclude, these results showed that the synthesis procedure was successful. This is important as it can enable the development of lighter and smaller exoskeletons that have the potential to reach commercialization. The future perspectives are to build an optimization framework where the geometric and dynamic parameters are optimized together and to minimize the muscle force instead of the user's joint torques to support clinical and design purposes.


identifier: Marchand, E. (2020). Extraction automatique d'une base de connaissances à partir de documents archéologiques et patrimoniaux en français  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le Web sémantique est une extension du Web standard mettant l'accent sur les modèles de données afin de permettre une meilleure réutilisation de celles-ci et de rendre leur traitement automatique par des machines plus aisé. Il repose sur des ontologies, qui dictent les types de données pouvant y être contenus ainsi que les relations possibles entre celles-ci. Afin de créer une ontologie complète, il est nécessaire de procéder en deux étapes, la création de l'ontologie de base, c'est-à-dire la définition des classes (ou types de données tels que Personne, Ville, etc.) et des relations les liant (tel que est né à, réside à, etc.), puis, le peuplement de cette ontologie, c'est à dire l'ajout de toutes les instances et leurs relations. Avec pour objectif de sémantiser au maximum ses données, le Ministère de la Culture et des Communications du Québec (MCCQ) a fait appel à Polytechnique Montréal afin de créer une ontologie complète permettant la représentation de ses données patrimoniales. L'ontologie, en cours de développement, porte notamment sur les contenus archéologiques que le MCCQ possède sous différents formats ainsi que sur le contenu du Patrimoine immobilier, mobilier et immatériel du Québec (PIMIQ), répertoire entretenu par le MCCQ.  ABSTRACT: The Semantic Web is an extension of the standard Web that focuses on data models to better reuse these data and make its automatic processing easier. It is based on models, called ontologies, that dictate the types of data that can exist and the possible relationships between them. In order to create a complete ontology, it is necessary to proceed in two stages. First, the creation of the basic ontology by defining classes (or data types such as Person, City, etc.) and relations linking them (such as is born in, lives in, etc.). Secondl, by populating the ontology with instances and links between them. With the goal of semanticizing data, the Ministère de la Culture et des Communications du Québec (MCCQ) asked Polytechnique Montréal to create a complete ontology to represent its heritage data. The ontology, currently being developed, includes the archaeological content that the MCCQ possesses in different formats as well as the contents of Patrimoine immobilier, mobilier et immatériel du Québec (PIMIQ), a repertoire maintained by the MCCQ.


identifier: Laurent, A. (2020). Détection de la fatigue neuromusculaire de l'épaule au moyen de la Théorie Cinématique des mouvements humains rapides  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les troubles musculo-squelettiques de l'épaule, et plus particulièrement ceux impactant la coiffe des rotateurs sont omniprésents dans notre société. Ils sont handicapants dans la vie de tous les jours et également très coûteux. Les coûts directs et indirects associés sont considérables. Il est alors important de les prévenir. Les causes de blessures à la coiffe des rotateurs sont multifactorielles. Parmi elles se trouve la fatigue musculaire, qui peut être soit centrale (du système nerveux central) ou périphérique (des muscles). Lors de mouvements répétitifs à hauteur d'épaule ou au-dessus de la tête, de la fatigue apparait, qui suite à une réaction en chaine peut entrainer une blessure. Les sportifs, dont les gestes impliquent de nombreuses répétitions de mouvement du bras, sont souvent sujets à des risques de blessures de l'épaule.   Une façon de prévenir les blessures est alors d'étudier la fatigue musculaire à la coiffe des rotateurs. Ceci permettrait d'adapter à terme les entrainements pour chaque sportif et d'avoir un traitement personnalisé à chacun par des professionnels de la santé. Pour ce faire, un test clinique de détection de la fatigue doit être mis en place. Il doit être facile d'utilisation, peu coûteux et avec des données fiables, répétables d'un jour à l'autre et d'un évaluateur à l'autre. Cependant, à ce jour, il semble que les outils existants de détection de la fatigue musculaire à l'épaule peuvent difficilement être instaurés en clinique et différencier une fatigue centrale d'une fatigue périphérique. L'objectif de ce projet est d'innover dans les tests cliniques de détection de la fatigue de l'épaule.   La Théorie Cinématique des mouvements humains rapides semble être une alternative efficace à l'étude du contrôle moteur. Il s'agit d'une méthode permettant de reconstruire le mouvement humain à partir de fonctions lognormales. Ses paramètres décrivent l'état physiologique du participant. Le dispositif expérimental constitué d'une tablette est ergonomique et peu coûteux. Les gestes à effectuer se rapprochent de l'écriture et sont faciles à exécuter, ce qui fait de cette méthode un bon candidat pour son utilisation en tant que test clinique.  Pour ce faire, nous avons donc réalisé une première étude visant à étudier l'efficacité de détection de la fatigue neuromusculaire au moyen de la Théorie Cinématique. Vingt participants sains et sportifs ont réalisé deux séances avec une procédure similaire : exécuter des traits sur une tablette (traits simples, triangles, oscillations horizontales et oscillations verticales), fatiguer un muscle de l'épaule (le sous-scapulaire ou l'infra-épineux en fonction de la séance) et exécuter de nouveaux traits sur tablette. Des différences significatives avec taille d'effet de modérée à très large ont été constatées dans les paramètres de la théorie, suite aux deux séances. D'un point de vue théorique, il a été possible de différencier une fatigue centrale d'une fatigue périphérique. Un profil de réponse général suite à la fatigue a également été dénoté. Par ailleurs, un suivi de fatigue individualisé est également possible dans un souci d'accompagnement personnalisé. Tandis que le test des traits simples permettait de savoir plus facilement si la fatigue était centrale ou périphérique, le test des oscillations était le plus sensible. La différence de réaction suite au muscle fatigué n'a pas encore été établie.  La deuxième étude visait à analyser la répétabilité des données d'un jour à l'autre. Pour cela, les mêmes traits que ceux exécutés pendant l'étude de la fatigue ont été réalisés par 40 participants deux fois à un jour d'intervalle minimum entre chaque séance. Une bonne répétabilité des données a été établie pour la plupart des paramètres des tests. Néanmoins, le changement minimal détectable était plus élevé que les différences avant et après fatigue de la première étude. Ceci nous amène à penser qu'il n'est à ce jour pas utilisable dans notre étude de cas. Afin de se conformer aux exigences d'un nouveau test clinique, il faudrait que des études de sensibilité et de spécificité soient entreprises afin de s'assurer de la bonne détection des personnes fatiguées.  En dépit des limitations, l'utilisation de la Théorie Cinématique semble être une approche innovante pour détecter la fatigue neuromusculaire, et utilisable en clinique. Ces connaissances sont nécessaires afin de mieux guider les sportifs dans leur entrainement et éviter l'apparition à plus long terme de blessure.  ABSTRACT: Shoulder musculoskeletal disorders, and particularly those affecting the rotator cuff, are omnipresent in our society. They are incapacitating in the daily life and are also expensive. Direct and indirect costs associated with them are huge. Their prevention is therefore important. The causes of rotator cuff injuries are multifactorial. One of them is muscle fatigue, which can be either central (from the central nervous system) or peripheral (from the muscles). Fatigue appears when repetitive movements are made at shoulder height or overhead. As a result, it can lead to injuries. Sportsmen and women, whose movements involve many repetitive arm movements, are often at risk of shoulder injuries.  Studying fatigue at the rotator cuff is a good way to prevent injuries. This would help in the long term to adapt training for each athlete and to have a personalized treatment for each one by health professionals. In that way, a clinical test to detect fatigue must be set up. It must be easy to use, inexpensive and with data that are reliable from one day/examiner to the other. However, to date, it appears that the existing tools for detecting shoulder muscle fatigue are difficult to implement in clinics and cannot easily differentiate between central and peripheral fatigue. The objective of this project is to innovate in clinical tests for the detection of shoulder fatigue.  The Kinematic Theory of rapid human movement seems to be an effective alternative to study motor control. Human movement is reconstructed through lognormal functions. Their parameters describe the physiological state of the participant. The experimental device consisting of a tablet is ergonomic and inexpensive. The gestures to be performed are similar to writing and are easy to perform, making this method a good choice for clinical uses.  We therefore carried out an initial study to investigate the effectiveness of detecting neuromuscular fatigue using the Kinematic Theory. Twenty healthy and active participants carried out two sessions with a similar procedure: performing strokes on a tablet (simple strokes, triangles, horizontal oscillations and vertical oscillations), fatiguing a shoulder muscle (subscapularis or infraspinatus depending on the session) and performing the strokes again on a tablet. Significant differences with moderate to good effect sizes were found in the parameters of the theory, following the two sessions. From a theoretical point of view it was possible to differentiate between central and peripheral fatigue. A general response profile to fatigue was also highlighted. In addition, an individualized fatigue follow-up is also possible. The distinction of the type of fatigue (central vs peripheral) is more easily detectable with the test of the simple strokes. The oscillation test was the most sensitive to fatigue. The difference in reaction to the fatigued muscle has not been established yet.  The second study was designed to analyze the data reliability from one day to the other. For this purpose, the same strokes as those performed for the study of fatigue were performed twice with a minimum of one day interval between each session, by 40 participants. Good data reliability was ascertained for most of the parameters. Nevertheless, the minimal detectable change was greater than the pre- and post-fatigue differences in the first study. This leads us to believe that it is not usable yet in our case study. In order to comply with the requirements of a new clinical test, sensitivity and specificity studies would need to be undertaken to ensure the proper detection of fatigued participants.  Despite some limitations, the use of the Kinematic Theory appears to be an innovative approach for detecting neuromuscular fatigue, that is clinically applicable. This knowledge is necessary to better guide athletes in their training and, in the long run, to avoid the occurrence of an injury.


identifier: Sadati, A. M. (2020). Analysis of Load-Flow Solution Methods for AC/DC Distribution Systems  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes de distribution CA/CC ont récemment reçu plus d'attention car ils sont capables de fonctionner à la fois en mode connecté au réseau et en mode isolé. Comparés aux systèmes de distribution CA conventionnels, ils offrent une intégration plus pratique des composants à base de CC tels que les sources d'énergie renouvelables, les systèmes de stockage et les véhicules électriques. Plusieurs travaux de recherche ont porté sur l'analyse d'écoulement de puissance des systèmes d'alimentation CA/CC à différents niveaux de tension. Cette analyse comprend l'analyse d'écoulement de puissance CA/CC pour les systèmes à courant continu haute tension (CCHT), moyenne et basse tension des réseaux de distribution CA/CC et microréseaux dans les deux modes de fonctionnement connectés au reseau et en îloté.  L'objectif de ce projet de recherche est d'examiner en détail les méthodes d'écoulement de puissance  CA/CC en fonction de leurs approches de modélisation de système et de leurs procédures de solution. De plus, cette thèse valide deux méthodes d'écoulement de puissance récemment proposées pour les systèmes de distribution CA/CC avec différentes approches de modélisation et manières de solution en utilisant un logiciel de simulation de domaine temporel (EMTP). Suivi de la validation, les méthodes d'écoulement de puissance  CA/CC sont comparées entre elles en termes de performances. Enfin, deux techniques d'amélioration sont proposées et appliquées à ces méthodes d'écoulement de puissance pour améliorer leurs performances.  ABSTRACT: AC/DC distribution systems have recently received more attention as they are able to operate in both grid-connected and isolated modes. Compared to conventional AC distribution systems, they offer more convenient integration of DC-based components such as renewable energy sources, storage systems, and electric vehicles. Several research works have been dealt with load-flow analysis of AC/DC power systems at different voltage levels. This includes AC/DC load-flow analysis for high voltage direct current (HVDC) systems, medium and low voltage AC/DC distribution systems and microgrids in both grid-connected and islanded modes of operation.  The objective of this research project is to comprehensively review AC/DC load-flow methods based on their system modeling approaches and solution procedures. Moreover, this thesis validates two recently proposed load-flow methods for AC/DC distribution systems with different modeling approaches and solution manners utilizing a time-domain simulation software (i.e. EMTP). Followed by the validation, the AC/DC load-flow methods are compared to each other in terms of their performances. Finally, two improvement techniques are proposed and applied into those AC/DC load-flow methods to enhance their performances.


identifier: Larbaoui, L. (2020). Vérification automatique de la confidentialité différentielle  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce rapport étudie la vérification quantitative de la confidentialité différentielle dans les systèmes distribués. Tout d'abord, nous examinons l'applicabilité de la vérification des modèles probabilistes pour fournir des garanties sur le comportement des système différentiellement confidentiels. Ensuite, nous concevons des méthodes qui extraient automatiquement les modèles des systèmes à partir d'une description de haut niveau, puis nous effectuons une vérification probabiliste de ces modèles. Nous développons à cette fin une nouvelle méthodologie de la vérification quantitative. Nous décrivons des méthodes formelles pour analyser un large éventail de propriétés de confidentialité, notamment la précision et la perte de la confidentialité. Nous avons également réexprimé la notion de confidentialité différentielle pour raisonner sur deux exécutions de programmes similaires. À notre connaissance, il s'agit des analyses de confidentialité les plus genérales pour les systèmes distribués. Deuxièmement, nous fournissons des preuves de couplage basées sur les relations de levage approximatives pour prouver la confidentialité différentielle dans les chaînes de Markov. Nous proposons également des algorithmes de vérification symbolique de la confidentialité. L'avantage de notre approche est que ces algorithmes peuvent être facilement implémentés dans n'importe quel outil de vérification de modèles probabilistes. Enfin, nous définissons une approche pour extraie des contre-exemples qui peuvent être utilisés pour fin de débogage similaires en fournissant une exécution qui viole la confidentialité.  ABSTRACT: This report studies the quantitative verification of differential privacy in distributed systems. First, we examine the applicability of probabilistic model checking to provide guarantees on the behavior of differentially private systems. Next, we design methods that automatically extract the models of the systems from a high-level description, then we perform a probabilistic verification of these models. To this end, we are developing a new methodology for quantitative verification. We describe formal methods for analyzing a wide range of privacy properties, including accuracy and privacy loss. We have also re-expressed the notion of differential privacy to reason about two executions of similar programs. To our knowledge, this is the most general privacy analysis for distributed systems. Second, we provide evidence of coupling based on approximate lifting relationships to prove differential privacy in Markov chains. We also offer symbolic algorithm for verification of confidentiality. The advantage of our approach is that these algorithms can be easily implemented in any probabilistic model checker tool. Finally, we define an approach for extracting counterexamples that can be used for similar debugging purposes by providing an execution that violates confidentiality.


identifier: Labonté-Raymond, P.-L. (2020). Impact de la hausse d'intensité des précipitations extrêmes causée par les changements climatiques dans la gestion de l'eau de surface des aires d'entreposage des rejets miniers  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les opérations minières génèrent une grande quantité de rejets qui sont généralement entreposés en surface dans des parcs à résidus ceinturés de digues ou dans des haldes à stériles. Les instabilités géotechniques des aires d'entreposage sont fréquentes et couramment causées par des épisodes de pluie extrêmes. Or, les changements climatiques entraîneront une augmentation importante de l'intensité et de la fréquence des précipitations extrêmes au Québec d'ici la fin du siècle, notamment en Abitibi. Les projections climatiques dans cette région prévoient une augmentation moyenne de l'intensité des précipitations maximales probables (PMP) entre 15 et 30% d'ici 2100. Une hausse des précipitations extrêmes pourrait affecter la performance et l'intégrité des infrastructures de gestion de l'eau de surface et augmenter le risque de rupture par débordement en crête et/ou de déversement d'eaux minières dans l'environnement. Les changements climatiques doivent donc être intégrés à la planification de la gestion des eaux minières. L'objectif principal de ce projet de maîtrise était donc de développer une approche méthodologique permettant d'intégrer les projections climatiques de modèles climatiques régionaux (MRC), dans la conception des infrastructures de gestion des eaux de surface. Cette méthodologie a été appliquée au site de la Mine Canadian Malartic en Abitibi. Les précipitations et le ruissellement ont tout d'abord été mesurés à la mine Canadian Malartic au cours de l'été et de l'automne 2018, de manière à déterminer les caractéristiques hydrologiques du parc à résidus et de la halde à stériles. Ces mesures de terrain ont été utilisées pour calibrer un modèle numérique de ruissellement et d'écoulement au moyen du code Mike Hydro River. Les valeurs de PMP sur 24h de printemps et d'été/automne ont été évaluées à l'aide de données climatiques provenant de 11 simulations de MCR couvrant les périodes de 2041-2070 et 2071-2100 pour les scénarios d'émission RCP4.5 et RCP8.5. Ces valeurs ont été calculées en utilisant une approche statistique et une approche météorologique. Les hausses de débits de pointe moyennes pour les deux méthodes étaient de 17% pour 2041-2070, et 22% pour 2071-2100 pour le RCP4.5. Elles étaient de 32% pour 2041-2070, et de 44% pour 2071-2100 avec le RCP8.5. Les débits de pointe attendus avec les PMP de printemps étaient plus faibles que pour l'été/automne, mais une PMP de printemps pourrait entraîner un volume total de ruissellement plus important qu'une PMP d'été en raison de la fonte des neiges. La méthodologie développée dans cette étude peut être résumée selon les étapes suivantes : 1. calcul des données climatiques projetées à partir d'un MCR propre au site d'intérêt. 2. caractérisation des bassins versants constitués par les parcs à résidus et les haldes à stériles à partir de mesures d'écoulement dans les fossés collecteurs. 3. calibration et validation d'un modèle numérique d'écoulement reproduisant le ruissellement lors des événements extrêmes. 4. extrapolation de ce modèle pour les différentes crues de projet selon le niveau de risque des infrastructures. 5. dimensionnement des infrastructures de gestion des eaux de surface en fonction des débits de pointe et des volumes de ruissellement totaux calculés. La méthodologie développée dans cette étude pourrait permettre, à partir de projections climatiques propres au site étudié, de données de terrain et de simulations numériques, de dimensionner de manière résiliente face aux événements extrêmes les infrastructures de gestion de l'eau de surface des aires d'entreposage des rejets miniers.  ABSTRACT: Mine operations generate large quantities of solid waste, which are generally stored on surface in tailings ponds surrounded by dikes or in waste rock piles. Geotechnical instabilities of storage facilities are frequent and commonly caused by extreme rainfall events. Climate change is expected to significantly increase the intensity and frequency of extreme precipitation in Quebec by the end of the century, including in Abitibi. Climate projections in this region predict an average increase of the intensity of maximum probable precipitation (PMP) between 15 and 30% by 2100. An increase in PMP could affect the performance and integrity of the surface water management infrastructure and increase the risk for overtopping and dam failure as well as the discharge of mine water to the environment. Climate change must therefore be integrated in the design of surface water infrastructure at an early stage. The main objective of this master's project was therefore to develop a methodological approach to integrate climate projections from regional climate models (RCM), into the design of surface water management infrastructure. This methodology was applied to the Canadian Malartic Mine site located in Abitibi. Precipitation and runoff were first measured at the Canadian Malartic mine during the summer and fall of 2018, to determine the hydrological characteristics of the tailings storage facility and the waste rock pile. These field measurements were then used to calibrate a rainfall-runoff model using Mike Hydro River software. Spring and summer/fall 24-h PMP values were calculated using climate data from 19 RCM simulations covering 2041-2070 and 2071-2100 periods, both for RCP4.5 and RCP8.5 emission scenarios. PMP were calculated using a statistical approach and a meteorological approach. The average peak discharge in ditches increased with both methods by 17% for 2041-2070, and by 22% for 2071-2100 for RCP4.5. The increase was 32% for 2041-2070, and 44% for 2071-2100 with the RCP8.5 scenario. The expected peak discharge associated with the spring PMP was lower than for the summer/fall, but a spring PMP could cause a greater total runoff volume than a summer PMP because of snowmelt. The methodology developed in this project can be summarized according to the following steps: 1. calculation of climate data projected from a regional climate model and adapted to the site of interest. 2. characterization of the hydrological properties of the watersheds on site (including the tailings ponds and the waste rock piles) using discharge measurements in collector ditches. 3. calibration and validation of a numerical model to simulate runoff during rainfall events. 4. extrapolation of this model for the different project floods depending on the risk associated with each infrastructure. 5. design of surface water management infrastructure according to peak flows and calculated total runoff volumes. The methodology developed in this study could help design surface water management infrastructure for the mine waste storage facilities that are resilient to extreme precipitation events, based on climate projections specific to the studied site studied, field data and numerical simulations.


identifier: Champagne, P.-O. (2020). Détection de l'activité cérébrale par des nanoparticules superparamagnétiques d'oxide de fer  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La détection précise des régions du cerveau abritant une activité électrique accrue joue un rôle central dans la compréhension et le traitement de maladies telles que l'épilepsie. Parallèlement à l'activité électrique, le cerveau produit des champs magnétiques à partir de l'activité électrique neuronale. Cette étude explore une nouvelle méthode de détection de l'activité cérébrale basée sur l'agrégation de nanoparticules superparamagnétiques d'oxyde de fer (NPSOF) par les champs magnétiques neuronaux. Les nanoparticules superparamagnétiques d'oxyde de fer (NPSOF) peuvent réagir aux champs magnétiques en s'agrégeant et représentent un potentiel candidat en tant que nouvel indicateur de l'activité neuronale.  Nous avons émis l'hypothèse que les NPSOF à proximité de tissus cérébraux actifs s'agrégeraient proportionnellement à l'activité électrique neuronale. Nous avons également supposé que cette agrégation pourrait être détectée en utilisant l'imagerie par résonance magnétique (IRM), une modalité sensible aux changements de susceptibilité magnétique. Nous avons utilisé une approche expérimentale par étapes, prouvant d'abord le concept en utilisant des tranches de cerveau de rats gardées actives et en observant l'agrégation en direct sous microscopie. Nous avons ensuite utilisé un modèle similaire de tranches de cerveau de rats in vitro avec une activité réglable. Dans cette deuxième partie des expérimentations, après exposition à divers degrés d'activité, l'agrégation a été évaluée en utilisant l'IRM et la diffusion dynamique de la lumière (Dynamic light scattering, - DLS). Nous avons ensuite réalisé une première étude de faisabilité dans un modèle de rat épileptique in vivo.  Nous avons constaté que l'augmentation de l'activité des tranches de cerveau était associée à des niveaux plus élevés d'agrégation mesurés par DLS, ce qui suggère que les champs magnétiques générés par le tissu neuronal pourraient induire une agrégation des NPSOF à proximité. Nous avons également constaté que les changements liés à l'agrégation des NPSOF peuvent modifier le signal IRM (temps de relaxation T2), permettant une détection de l'agrégation non invasive combinée à la résolution spatiale et aux capacités d'imagerie de l'IRM. Dans les expériences in vivo, l'activité cérébrale a été associée à une agrégation de NPSOF lorsque évaluée par IRM. Par contre, le modèle animal in vivo s'est démontré sous-optimal pour confirmer si l'activité épileptique peut engendrer une agrégation plus importante de NPSOF par rapport à l'activité cérébrale normale.   Ces travaux confirment le potentiel des NPSOF pour détecter l'activité épileptique cérébrale. Les changements de signal à l'IRM induits par l'agrégation de NPSOF peuvent s'avérer un outil puissant pour la détection de l'activité électrique du cerveau à l'aide de NPSOF.  ABSTRACT: Precise detection of brain regions harbouring heightened electrical activity plays a central role in the understanding and treatment of diseases such as epilepsy. Along with electrical activity, the brain produces magnetic fields from neuronal electrical activity. We explore in this thesis a new method of detection of electrical brain activity based on the aggregation of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) under neuronal magnetic fields. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) can react to magnetic fields by aggregating and represent an interesting new candidate to monitor neuronal activity.   We hypothesized that SPIONs in close vicinity to active brain tissue would aggregate proportionally to the neuronal electrical activity. We also supposed that this aggregation could be detected using magnetic resonance imaging (MRI), a modality that is sensitive to changes in magnetic susceptibility. We used a stepwise experimental approach, first proving the concept of aggregation in living rats brain slices. We then used an in vitro rats brain slices model with adjustable activity. In that second portion of the experimentations, after exposure to various degree of activity, aggregation was assessed using MRI and dynamic light scattering (DLS). We finally performed a first feasibility study in an in vivo epileptic rat model.   We found that increasing brain slice activity was associated with higher levels of aggregation as measured by dynamic light scattering (DLS), suggesting that the magnetic fields generated by neuronal tissue could induce aggregation in nearby SPIONs in solution. We further found that the aggregation-related changes in SPIONs solutions can change the MRI signal (T2 relaxation time), allowing non-invasive aggregation detection combined to the spatial resolution and imaging capabilities of MRI. In the in vivo experiments, brain activity was associated with increased aggregation as assessed with MRI, but the animal model was suboptimal to confirm if epileptic activity can be differentiated from normal brain activity using SPIONs. This work confirms the potential of SPIONs to serve as a sensor of brain epileptic activity. MRI signal change induced by SPIONs aggregation can serve as a powerful tool for detection of brain electrical activity using SPIONs.


identifier: Bélanger Nzakimuena, C. (2020). Automated Analysis of Retinal and Choroidal OCT and OCTA Images in AMD  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) est une maladie oculaire progressive qui se manifeste principalement au niveau de la rétine externe et de la choroïde. Le projet de recherche vise à déterminer si des mesures obtenues à partir d'images de tomographie par cohérence optique (OCT) et d'angiographie OCT (OCTA) peuvent être utilisées afin de fournir de nouvelles informations sur des biomarqueurs de la DMLA, ainsi qu'une méthode de détection précoce de la maladie. À cette fin, un appareil permettant l'OCT et l'OCTA a été utilisé pour imager des sujets DMLA précoces et intermédiaires, et des sujets témoins.  À la configuration sélectionnée de l'appareil OCT, chaque acquisition d'un œil fournit un volume de données qui est constitué de 300 images transversales appelées B-scan. Au total, des acquisitions de 10 yeux de sujets atteints de DMLA précoce et intermédiaire (3000 images B-scan) et un cas de DMLA néovasculaire, 12 yeux de sujets âgés de plus de 50 ans (3600 images B-scan) et 11 yeux de sujets âgés de moins de 50 ans (3300 images B-scan) ont été obtenues. Cinq méthodes d'extraction de caractéristiques ont été reproduites ou développées afin de déterminer si des différences significatives au niveau de l'œil pouvaient être observées entre les sujets atteints de DMLA précoce et intermédiaire et les sujets témoins d'âge similaire.  Grâce à des tests non paramétriques, il a été établi que deux méthodes connues d'extraction de biomarqueurs de la DMLA (analyse d'absence de signal de débit sanguin au niveau de la choriocapillaire et une méthode de segmentation des drusen) produisent des mesures qui montrent des différences significatives entre les groupes, et qui sont représentées de façon uniforme à travers le plan frontal de l'œil.  Il a ensuite été souhaité de tirer parti des mesures et de générer un modèle de classification de la DMLA interprétable basé sur l'apprentissage automatique au niveau des B-scans. Des spectres de fréquence résultant de la transformé de Fourier rapide de séries spatiales dérivées de mesures considérées comme représentatives des deux biomarqueurs ont été obtenues, et utilisées comme caractéristiques pour former un classifieur de type forêt aléatoire et un classifieur de type forêt profonde. L'analyse en composantes principales (PCA) a été utilisée pour réduire la dimensionnalité de l'espace des caractéristiques, et la performance des modèles et l'importance des prédicteurs ont été évaluées.  Une nouvelle méthode a été conçue qui permet une reconstruction 3D automatisée et une évaluation quantitative de la structure des signaux OCTA et ainsi des vaisseaux rétiniens. Des mesures représentatives des drusen et de la choriocapillaire ont été utilisées pour créer des modèles interprétables pour la classification de la DMLA précoce et intermédiaire.  Alors que la prévalence mondiale de la DMLA augmente et que les appareils OCT deviennent plus disponibles, un plus grand nombre de personnes hautement qualifiées est nécessaire pour interpréter les informations médicales et fournir les soins cliniques appropriés.  L'analyse et le classement du niveau de sévérité de la DMLA par des experts par le biais d'images OCT sont coûteux et prennent du temps.  Les modèles proposés pourraient servir à automatiser la détection de la DMLA, même lorsqu'elle est asymptomatique, et signaler à un ophtalmologue la nécessité de surveiller et de traiter la condition avant la survenue de pertes graves de la vision. Les modèles sont transparents et sont en mesure de fournir une classification à partir d'une seule image transversale. Par conséquent, l'outil diagnostic automatisé pourrait également être utilisé dans des situations où seules des données médicales partielles sont disponibles ou lorsque l'accès aux ressources de soins de santé est limité.  ABSTRACT: Age-related macular degeneration (AMD) is a progressive eye disease which manifests primarily at the outer retina and choroid.  The research project aimed to determine whether measures obtained from optical coherence tomography (OCT) and OCT angiography (OCTA) images could be used to provide novel AMD biomarker insight and an early disease detection method.  To that end, an OCT and OCTA enabled device was used to image AMD subjects and controls.  At the selected device scan size, each scan of one eye gathered using an OCT device provides a volume of data which is constructed of 300 cross-sectional images termed B-scans.  In total, scans of 10 eyes from subjects with early and intermediate AMD (3,000 B-scan images) and a case of neovascular AMD, 12 eyes from subjects over the age of 50 years old (3,600 B-scan images), and 11 eyes from subjects under the age of 50 years old (3,300 B-scan images) were obtained.  Five feature extraction methods were either reproduced or developed in order to determine if significant differences could be observed between the early and intermediate AMD subjects and control subjects at the eye level.  Through non-parametric testing it was established that two AMD biomarker extraction methods (choriocapillaris flow voids analysis and a drusen segmentation method) produced measures which showed significant differences between groups, and which were also uniformly represented across the frontal plane of the eye.  It was then desired to leverage the measures and generate a B-scan level, interpretable machine learning-based AMD classification model.  Frequency spectrums resulting from the fast Fourier transforms of spatial series derived from measures believed to be representative of the two biomarkers were obtained and used as features to train a random forest and a deep forest classifier.  Principal component analysis was used to reduce dimensionality of the feature space, and model performance and predictor importance were assessed.  A new method was devised which allows automated 3D reconstruction and quantitative evaluation of retinal flow signal patterns and incidentally of retinal microvasculature. Measures representative of drusen and choriocapillaris were leveraged to create interpretable models for the classification of early and intermediate AMD.  As the worldwide prevalence of AMD increases and OCT devices are becoming more available, a greater number of highly trained personnel is needed to interpret medical information and provide the appropriate clinical care.  Expert analysis and grading of AMD through OCT images are expensive and time consuming.  The models proposed could serve to automate AMD detection, even when it is asymptomatic, and signal to an ophthalmologist the need to monitor and treat the condition before the occurrence of severe visual loss.  The models are transparent and provide classification from single cross-sectional images.  Therefore, the automated diagnosis tool could also be used in situations where only partial medical data are available, or where there is limited access to health care resources.