identifier: Vekemans, O. G. (2015). Améliorer les performances environnementales des centrales à charbon pulvérisé via la co-combustion de combustible dérivé de déchets  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le charbon fourni aux alentours de 28% des besoins mondiaux en énergie primaire et génère quelque 40% de l'électricité mondiale. Aux États-Unis, près de 650 centrales thermiques, dont la majorité est munie de bouilloires à charbon pulvérisé datant des années 80, produisent de l'électricité à partir du charbon. Dû au contenu intrinsèque en azote et en soufre du charbon, sa combustion est associée à des hauts taux d'émissions de NOx et de SO2, polluants atmosphériques causant entre autre chose des pluies acides.  En vue de réduire les émissions de SO2 des centrales au charbon, cette thèse porte sur l'étude du comportement d'un combustible novateur nommé ReEF™ ou ReEngineered Feedstock™, développé par la compagnie Accordant Energy LLC®, qui combine déchets non recyclables et sorbants alcalins. Les déchets ayant un haut pouvoir calorifique et ne contenant pas de soufre, et les sorbants alcalins (tel que le calcaire) étant capables de réagir avec le SO2 et de le capter sous forme solide, la co-combustion de ce combustible permettrait de réduire les émissions de SO2 au sein même de la chambre de combustion. Cette technologie, facile à mettre en place et ne nécessitant qu'un faible investissement initial ainsi que peu d'espace supplémentaire, permettrait d'éviter la construction coûteuse d'unités de traitement des fumées en aval des fournaises. Toutefois, la combustion imprudente de ce combustible pourrait avoir des conséquences désastreuses pour les propriétaires de centrale thermique. Cette thèse livre ainsi une des premières études expérimentales traitant de la co-combustion de charbon et de ReEF™ dans des conditions typiques des bouilloires à charbon pulvérisé. Dans un premier temps, afin de nous familiariser avec le combustible à l'étude, la dégradation thermique d'un ReEF™ sans sorbant et de ses constituants est analysée par thermogravimétrie. L'analyse de plus de 70 échantillons à des vitesses de chauffe allant de 5°C/min à 400°C/min nous permet de conclure que la dégradation thermique du ReEF™ peut être vue comme la dégradation indépendante de chacun de ses composants pour peu que les limitations de transfert de chaleur soient prises en compte. Il n'y a donc pas d'interactions chimiques notables entre les composants du ReEF™ durant sa dévolatilisation.  Dans un second temps, les prestations de l'injection simultanée de charbon et de sorbants alcalins seuls ainsi que celles de la co-combustion de charbon et de ReEF™ sans sorbant sont comparées. Ceci est réalisé au sein d'un réacteur spécialement construit pour l'occasion, capable de reproduire le mode de contact entre gaz et particules, les concentrations, les températures et les pressions typiques des bouilloires à charbon pulvérisé. En présence de CaCO3 et de Ca(OH)2, des réductions des émissions de SO2 de l'ordre de 20% sont observées, réductions qui généralement augmentent avec l'augmentation du stoic (rapport molaire entre composés alcalins et soufre). En ce qui concerne la co-combustion de 20%th de ReEF™ et de charbon, une réduction des émissions de SO2 de l'ordre de 20% est également mesurée. La composition du ReEF™ (ratio fibres : plastiques) ne semble pas avoir un impact sur les émissions de SO2. Les émissions de HCl, quant à elles, qui sont négligeables en présence de charbon avec et sans sorbant, sont de l'ordre de 20ppm en présence de ReEF™ et augmentent proportionnellement avec son contenu en plastique. Dans un troisième temps, la co-combustion de charbon et de ReEF™ contenant du calcaire, un mélange de calcaire (CaCO3) et de bicarbonate de sodium (NaHCO3), ainsi qu'un mélange de calcaire et de trona (Na2CO3•NaHCO3•H2O) est étudiée. La quantité de sorbant dans le ReEF™ et les paramètres d'alimentations sont ajustés de façon à obtenir une alimentation du ReEF™ de 20%th comparé au charbon, à atteindre des ratios molaires totaux de composés alcalins versus contenu en soufre et en chlore de l'alimentation (stoics) de 1, 2 et 2.5 et à avoir des ratios molaires Na/Ca de 0, 0.1 en présence de trona et de NaHCO3 et de 0.5 en présence de NaHCO3 seul. De façon générale, comme dans le cas du sorbant seul, l'augmentation du stoic total de l'alimentation est associée à une capture accrue du SO2. Pour un même stoic, l'utilisation de la combinaison déchets et calcaire au sein du ReEF™, comparativement à l'utilisation de calcaire seul, permet d'atteindre des plus hauts niveaux de réductions des émissions de SO2. La combinaison de sorbant à base de sodium et de sorbant à base de calcium permet même d'atteindre des niveaux records de réduction des émissions de SO2 de plus de 50%, dans le cas de l'utilisation de trona, et de l'ordre de 40% en présence de NaHCO3, et ce pour un temps de résidence au sein du réacteur quatre fois que plus court que le temps de résidence typique des PCB. De plus, le contenu réduit en azote "combustible" du ReEF™, comparativement au charbon, mène également à de plus faibles émissions de NOx. La combustion de ReEF™ contenant du trona est même associée à des réductions des émissions de NOx de plus de 50%, possiblement dues à des réactions de réduction de NO par le sodium. Finalement, en ce qui concerne les émissions de HCl, la capture du chlore par les sorbants permet d'atteindre des niveaux comparables à ceux obtenus dans le cas de la combustion de charbon seul. Même si en termes d'émissions les résultats sont fort prometteurs, l'utilisation de ReEF™ contenant du sorbant est cependant associée à la formation de dépôts de cendres fondues dans le réacteur. Des sondes de déposition sont utilisées afin de comparer l'ampleur de la déposition en fonction de la composition en sorbant du ReEF™. Elles permettent d'identifier que la déposition, très sévère en présence de NaHCO3, et d'autant plus sévère que le ratio Na/Ca est élevé, l'est moins en présence de ReEF™ avec calcaire seul, et ne l'est plus du tout en présence de trona. Ces résultats semblent indiquer la co-combustion de charbon et de 20%th de ReEF™ contenant du calcaire et du trona à un ratio Na/Ca=0.1 et à un stoic total de 2 comme la composition la plus adéquate pour une utilisation au sein des PCB existantes. Toutes ces expériences impliquent une mesure unique des concentrations au sommet du réacteur, les concentrations étant associées à une alimentation en gaz et solide et à un profil de température le long du réacteur. Afin d'avoir un aperçu du comportement des gaz et particules au sein du réacteur, un modèle phénoménologique combinant plus de 30 cinétiques de réaction est développé. Ce modèle permet, sans aucun paramètre d'ajustement, de prédire les émissions de CO2, SO2 et NOx mesurées en sortie du réacteur. Ce modèle est facilement adapté aux différentes compositions du ReEF™, et est capable de tenir compte des différentes tailles des particules. IL est alors utilisé pour évaluer les réductions potentielles associées à l'utilisation de ReEF™ à des temps de résidence et des températures mesurées au sein d'une bouilloire à charbon pulvérisé existante. Ces simulations indiquent que des réductions des émissions de SO2 jusqu'à 85% pourraient être atteintes en sortie de la bouilloire lors de la co-combustion de charbon et de ReEF™ avec calcaire et trona. La co-combustion de ReEF™ au sein des bouilloires à charbon pulvérisé est donc pertinente en termes de performances environnementales des centrales à charbon, pour peu que la composition du ReEF™ soit judicieusement choisie et soit préalablement testée dans des conditions semblables à celles des PCB. De plus, étant donné qu'elle permet la production d'électricité à haut rendement à partir de déchets, elle est également pertinente en termes de valorisation énergétique des déchets.  ABSTRACT: Coal supplies around 28% of the world's energy needs and produces some 40% of the world's electricity. In the United States, close to 650 coal power plants currently produce electricity from coal, the majority of witch are equipped with pulverized coal boilers build in the 80's. Due to coal's intrinsic content in nitrogen and sulfur, its combustion is associated with high levels of NOx and SO2 emissions, that are responsible, among other thing, for acid rains.  In order to help reduce SO2 emissions of coal power plant, this thesis focuses on the behaviour of a novel feedstock called ReEF™ or ReEngineered Feedstock™, developed by the company Accordant Energy LLC®, that combines non recyclable waste and alkaline sorbent. Since waste have a high calorific value and do not contain sulfur, and since alkaline sorbents (such as limestone) are able to react with SO2 and capture it in solid state, co-combustion of ReEF™ and coal could reduce SO2 emissions inside the furnace chamber itself. This technology easy to implement, as it requires a limited initial investment and limited additional space, could help avoid the construction of costly flue gas treatment unit downstream from the furnace. However, careless combustion of this engineered fuel could have disastrous consequences for the coal power plant owners. This thesis, then, deliver one among the first experimental study of co-combustion of coal and ReEF™ in conditions characteristic of pulverized coal boilers. As a first step, in order to get familiarize with the feedstock under study, the thermal degradation of a ReEF™ without sorbent and of its components is analyzed by thermogravimetry. With the analysis of more than 70 samples at heating rates ranging from 5°C/min to 400°C/min we are able to conclude that ReEF™ thermal degradation can be seen as the independent thermal degradation of its components, as long as heat transfer limitations are taken into account. Thus, no substantial chemical interactions between ReEF™ components take place during its devolatilization. During the second step of this study, performances of the co-firing of coal and sorbent are compared to that of co-combustion of coal and ReEF™ without sorbent. This is carried out in a reactor specially build for this study, capable of reproducing the contact mode between gas and particles, the concentrations, the temperature gradient and the pressure typical of pulverized coal boiler. SO2 emissions reduction around 20% are observed in presence of CaCO3 and of Ca(OH)2 compared to the coal baseline, reduction that generally increased with the increase of sorbent molar ratio compared to sulfur (also called stoic). As for the co-combustion of 20%th of ReEF™ and coal, a SO2 emission reduction around 20% is also measured, with no clear effect of ReEF™ composition (fiber to plastic ratio). On the other hand, the HCl level that is negligible during coal combustion with and without sorbent, reaches around 20ppm in presence of ReEF™, and increases proportionally with the ReEF™ plastic content. The first step of this work consists in the study of the co-combustion of coal and ReEF™ containing limestone (CaCO3), a mix of sodium bicarbonate (NaHCO3) and limestone, as well as a mix of trona (Na2CO3.NaHCO3.H2O) and limestone. The amount of sorbent in the ReEF™ as well as the feeding parameters are adjusted to reach a 20%th feeding of ReEF™ compared to coal, to inject sorbents at a stoic of 1, 2 and 2.5 and to obtain Na/Ca molar ratios of 0, 0.1 with trona and NaHCO3, and 0.5 with NaHCO3 only. Globally, as in the case of sorbent alone, the increase of the total stoic of the feed leads to increased SO2 capture. For a given stoic, to combine waste and limestone in the ReEF™, compared to using limestone alone, allows to reach higher levels of SO2 emissions reduction. The combination of sodium-based and calcium-based sorbent even leads to record SO2 emissions reduction of more than 50% with trona, and more than 40% with NaHCO3, at gas residence time in the reactor four time smaller than typical residence time of PCB. Furthermore, the lower fuel-N content of the ReEF™, compared to coal, also leads to lower NOx emissions. Combustion of ReEF™ with trona is even associated with NOx emissions reduction of more than 50%, possibly due to sodium induced NO reduction. Finally, regarding HCl emissions, chlorine capture by the sorbents leads to HCl levels comparable to that of coal alone. Even if, from the point of view of pollutant emissions, the results are promising, co-feeding ReEF™ with sorbent was nonetheless associated with heavy formation of melted ash deposits in the reactor. Deposition probes are used to compare the magnitude of the deposition in function of the ReEF™ sorbent composition. With those probes, we are able to figure out that slag formation is quite severe in presence of NaHCO3, and all the more that the Na/Ca ratio is high, but is less severe in presence of limestone alone, and isn't at all problematic in presence of trona. Those results all seem to indicate that co-combustion of coal and 20%th ReEF™ containing limestone and trona at a Na/Ca ratio of 0.1 and at a total stoic of 2 is the most adequate composition for application in existing PCB.  In all those experiments a single measure of the emissions at the exit of the reactor is conducted, the emissions being associated with a federate of gas and solid and a temperature profile along the reactor. In order to gain insight regarding the behaviour of the gas and the particles inside the reactor, a phenomenological model combining more than 30 reaction kinetics is developed. This model allows us, without any fitting parameter, to predict the CO2, SO2 and NOx emissions measured at the outlet of the reactor. This model is easily adapted to the different ReEF™ compositions and was able to take into account the various particle sizes. The model is then used to evaluate potential SO2 emissions reduction that could be obtain with ReEF™ co-combustion for a residence time and a temperature profile measured in an existing pulverized coal boiler. Those simulations indicate that SO2 emissions reduction up to 85% could be obtain at the exit of the furnace chamber with a 20%th coal feed substitution by ReEF™ containing limestone and trona. Co-combustion of ReEF™ in pulverized coal boiler is therefore sensible from the point of view of pulverized coal boiler environmental performances, as long as the ReEF™ composition is chosen wisely and is tested beforehand in conditions similar to that of PCB. Furthermore, since ReEF™ co-combustion allows electricity production at high efficiency from waste, it is also sensible in terms of waste energetic valorization.


identifier: Arnoux, J. (2015). Les défis du partage d'informations entre des fournisseurs de services de télécommunication interdépendants  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Le contenu de ce mémoire fait partie d'un projet financé par Recherche et développement pour la défense Canada (RDDC) et confié au Centre risque & performance de Polytechnique Montréal en partenariat avec Industrie Canada et le Centre des services partagés du Québec. Les réseaux de télécommunication sont considérés comme des infrastructures essentielles dans le sens où ces réseaux fournissent à la société une ressource dont elle a nécessairement besoin pour bien fonctionner. Dans le souci de les protéger, un comité du secteur des télécommunications au Québec recommande dans un de ses rapports qu'une étude des interdépendances entre les différents fournisseurs de services de télécommunications soit initiée. Cependant, certains défis au partage d'informations entre fournisseurs de services de télécommunication au sujet de leurs interdépendances subsistent. L'objectif de cette recherche est d'analyser de façon structurée la problématique du partage, entre des fournisseurs de services de télécommunication, d'informations sensibles concernant spécifiquement les interdépendances entre eux. Cette analyse passe par les sous-objectifs suivants à savoir une caractérisation des interdépendances entre fournisseurs de services de télécommunication ainsi que par l'identification, d'une part, des freins au partage d'informations et, d'autre part, des gains potentiels liés au partage d'informations. Enfin, des modalités d'implantation d'un cadre de partage d'informations sont proposées. L'approche utilisée pour les travaux est celle de la recherche-action. Cette approche consiste en la collaboration de chercheurs et de professionnels rencontrant une problématique concrète, dans le but d'associer rigueur scientifique et contraintes pratiques. Les résultats de ce mémoire conduisent à des recommandations pour la mise en place d'un cadre d'échange et de partage d'informations dédié aux interdépendances entre fournisseurs de services de télécommunication.  ABSTRACT: The works presented here are included in a larger research project, funded by Defence research and development Canada (DRDC) and assigned to the Centre risque & performance of Polytechnique Montréal in collaboration with Industry Canada and the Centre des services partagés du Québec. The telecommunication networks are considered as critical infrastructures because these networks provide a vital resource which society needs to properly operate. In order to protect them, a committee from the telecommunication sector recommends in one of his reports that a study about interdependencies between telecommunications providers should be carried out. Nevertheless, some challenges remain to share information between them regarding their interdependencies. The goal of this research is to analyze in a structured way the issue of sharing sensitive information between telecoms providers about their interdependencies. This study is going through the following sub-objectives that is to say a characterization of interdependencies between telecommunication networks as well as, on the one hand, the identification of obstacles of information sharing and, on the other hand, of plausible profits linked to information sharing. Finally, terms and conditions to implement a framework for the exchange and sharing of information are proposed. The methodological approach employed to reach the goal of the research is the one of the action-research. This approach consists of the collaboration of researchers and practitioners coming across a concrete issue, in the aim to bring together scientific rigor and practical concerns. The results of this dissertation lead to advices for the set-up of a framework for the exchange and sharing of information dedicated to interdependencies between telecommunications providers.


identifier: Lafait, M. (2015). Analyse du transfert de charge de joints boulonnés à simple recouvrement  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le domaine de l'aéronautique, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés. Ils répondent à la problématique des avionneurs grâce à leur faible poids et leurs propriétés intéressantes. L'assemblage de deux panneaux composites se fait principalement par boulonnage : facile à mettre en oeuvre, démontable, cette technique est celle utilisée dans l'industrie. Cependant, le boulonnage introduit une concentration de contrainte par la création de trous qui sont particulièrement néfastes pour les matériaux composites. Le collage est une autre technique connue pour l'assemblage. Présentant une résistance et une rigidité plus élevée que le boulonnage et n'ajoutant pas de poids à l'assemblage, cette technique semble être bénéfique pour le domaine de l'aéronautique mais n'est cependant pas certifiée pour les structures primaires. Un assemblage hybride, boulonné et collé, constitue un compromis et pourrait améliorer les caractéristiques des jonctions en tirant profit des avantages des deux techniques. Si les méthodes de collage et de boulonnage ont été amplement étudiées de manière séparée, ce n'est pas le cas de l'assemblage hybride. C'est pourquoi le projet COMP506 du CRIAQ porte sur le design et analyse de ces joints pour les structures aéronautiques. Au cours des recherches sur la modélisation par éléments finis d'un joint hybride, nous nous sommes aperçus qu'il fallait bien maîtriser le transfert de charge dans le joint boulonné avant de s'intéresser à un assemblage mixte. Ainsi, l'objectif principal de ce mémoire porte sur l'étude et l'analyse de la répartition du transfert de charge de joints boulonnés. Différentes configurations sont étudiées afin d'en comprendre l'évolution. Le développement et la validation d'un modèle 3D par éléments finis à l'aide du logiciel ANSYS Workbench est la première étape. Des comparaisons avec différents tests effectués expérimentalement au préalable sont réalisées. La répartition de la charge pour des assemblages à plusieurs boulons est analysée et validée à l'aide d'un modèle analytique. Une fois cette première étape de développement et de validation effectuée, le modèle par éléments finis permet de mener d'autres analyses, difficiles à faire expérimentalement. Ainsi, le transfert de charge peut être analysé en détail : sa distribution entre le transfert par contact pur et par frottement est étudiée en fonction de la force et de la précontrainte. Suivant les conditions, le transfert par adhérence augmente. Il est alors possible d'extrapoler les résultats au joint hybride. Ce travail a fourni un modèle fiable qui pourra être utilisé avec d'autres propriétés de matériaux comme des matériaux composites. Des travaux futurs pourront également s'intéresser à valider les extrapolations d'un joint hybride.  ABSTRACT: In the aerospace industry, composite materials are more and more used: they fulfill the aircraft manufacturers' issues thanks to their light weight and good properties. Two panels made of composite material are generally joined with bolts: it is easy to implement and to dismantle, this technique is used in the industry. However, bolts introduce stress concentration due to holes which are especially critical for composite materials. Bonded joint is another possibility for assembly. With a higher strength and stiffness than bolted joints, bonded joints do not add weight to the structure. This technique seems to be beneficial for the aircraft manufacturers but is not certified for primary structures. A hybrid, bolted and bonded, joint is a trade-off and could improve the properties of assemblies taking advantage of the two techniques. If bonded and bolted joints have been largely studied in a separately manner, hybrid joints have not been studied so much. That is why the COMP506's project of the CRIAQ is about design and analysis of these joints for aerospace structures. After working on a finite element model of a hybrid joint, we found that we must fully understand the load transfer in a bolted joint before studying a hybrid one. Thus, the main goal of this master thesis is about the study and the analysis of the load transfer distribution of bolted joints. Several configurations are studied in order to understand the distribution. The first step is to develop and to validate a 3-D finite element model thanks to ANSYS Workbench software. A comparison with different tests done experimentally is performed. The load distribution for assembly with many bolts is analysed and validated with an analytical model. Once this first step of developing and validating is done, the finite element model allows to conduct other analyses which cannot to be done experimentally. Thus, the load transfer can be analysed in detailed: its distribution between the transfer by pure contact and by friction is studied as a function of load and preload. Depending on the conditions, the transfer by adhesion increases. It is then possible to extrapolate the results to a hybrid joint. This work has led to a reliable model which will be used with other materials such as composite materials. Future works will be able to validate the extrapolations of the hybrid joint.


identifier: Courbariaux, M. (2015). Réduire la précision et le nombre des multiplications nécessaires à l'entraînement d'un réseau de neurones  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les Réseaux de Neurones (RdNs) sont à l'état de l'art pour un grand nombre de tâches, les meilleurs résultats étant obtenus avec de grands ensembles de données et de grands modèles. La vitesse de calcul des cartes graphiques est en grande partie à l'origine de ces progrès. À l'avenir, l'accélération des RdNs pendant les phases d'entrainement et de test permettra probablement une performance accrue ainsi que des applications grand public plus efficaces énergétiquement. En conséquence, la recherche en systèmes numériques dédiés aux RdNs est d'actualité. Les systèmes numériques sont principalement faits de mémoires et d'opérateurs arithmétiques. Les multiplieurs sont de loin les opérateurs arithmétiques les plus coûteux en termes de transistors d'un système numérique dédié aux RdNs. Dans notre premier article, nous entraînons un ensemble de RdNs à l'état de l'art (les réseaux Maxout) sur trois ensembles de données de référence : MNIST, CIFAR-10 et SVHN. Ils sont entraînés avec trois formats distincts : virgule flottante, virgule fixe et virgule fixe dynamique. Pour chacun de ces ensembles de données et pour chacun de ces formats, nous évaluons l'impact de la précision des multiplications sur l'erreur finale après l'entrainement. Nous trouvons qu'une précision très faible est suffisante non seulement pour tester des RdNs, mais aussi pour les entraîner. Par exemple, il est possible d'entraîner des réseaux Maxout avec des multiplications 10 bits. Des poids binaires, c'est à dire des poids qui sont contraints à seulement deux valeurs possibles (e.g. -1 ou 1), permettraient de beaucoup réduire le nombre de multiplications nécessaires lors de l'entraînement d'un RdN. Dans notre deuxième article, nous introduisons BinaryConnect, une méthode qui consiste à entraîner un RdN avec des poids binaires durant les propagations en avant et en arrière, tout en conservant la précision des poids stockés dans lesquels les gradients sont accumulés. Comme les autres variantes de Dropout, nous montrons que BinaryConnect agit comme régulariseur et nous obtenons des résultats proches de l'état de l'art avec BinaryConnect sur le MNIST invariant aux permutations.  ABSTRACT: Deep Neural Networks (DNNs) have achieved state-of-the-art results in a wide range of tasks, with the best results obtained with large training sets and large models. In the past, GPUs enabled these breakthroughs because of their greater computational speed. In the future, faster computation at both training and test time is likely to be crucial for further progress and for consumer applications on low-power devices. As a result, there is much interest in research and development of dedicated hardware for Deep Learning (DL). Computer hardware is mainly made out of memories and arithmetic operators. Multipliers are by far the most space and power-hungry arithmetic operators of the digital implementation of neural networks.  In our first article, we train a set of state-of-the-art neural networks (Maxout networks) on three benchmark datasets: MNIST, CIFAR-10 and SVHN. They are trained with three distinct formats: floating point, fixed point and dynamic fixed point. For each of those datasets and for each of those formats, we assess the impact of the precision of the multiplications on the final error after training. We find that very low precision is sufficient not just for running trained networks but also for training them. For example, it is possible to train Maxout networks with 10 bits multiplications. Binary weights, i.e., weights which are constrained to only two possible values (e.g. -1 or 1), would greatly reduce the number of multiplications required to train a DL. In our second article, we introduce BinaryConnect, a method which consists in training a DNN with binary weights during the forward and backward propagations, while retaining precision of the stored weights in which gradients are accumulated. Like other dropout schemes, we show that BinaryConnect acts as regularizer and we obtain near state-of-the-art results with BinaryConnect on the permutation-invariant MNIST.


identifier: Delcroix, B. (2015). Modeling of Thermal Mass Energy Storage in Buildings with Phase Change Materials  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La masse thermique d'un bâtiment est un paramètre-clé qui détermine la capacité d'un bâtiment à atténuer les variations de température en son sein et d'assurer ainsi un meilleur confort thermique aux occupants. Afin d'augmenter l'inertie thermique de bâtiments à structure légère, des matériaux à changement de phase (MCP) peuvent être utilisés. Ces matériaux offrent en effet une haute capacité de stockage d'énergie (notamment sous forme latente) et un changement de phase à température quasiment constante. Ils s'intègrent aussi parfaitement dans des projets de bâtiments à consommation énergétique nette nulle. L'intérêt actuel pour ceux-ci et pour de meilleures stratégies de gestion de l'appel de puissance requiert des outils capables de simuler des bâtiments hautement isolés possédant une masse thermique importante avec des pas de temps courts (inférieur ou égal à 5 minutes). Ceci représente un défi majeur pour les programmes actuels de simulation énergétique des bâtiments qui ont été développé initialement pour réaliser des calculs horaires. Le modèle de bâtiment utilisé dans le programme TRNSYS présente notamment certains problèmes dans ces circonstances. L'origine de ces problèmes provient de la méthode utilisée pour modéliser la conduction thermique dans les murs. Il s'agit de la méthode des fonctions de transfert. Pour un mur hautement isolé et lourd, la méthode est incapable de générer, pour un pas de temps court, les coefficients supposés représenter la réponse thermique du mur en question. De plus, cette méthode ne permet pas de définir des couches avec des propriétés thermophysiques variables, tels qu'affichés par des MCP. La modélisation de ces MCP est en outre limitée par les informations rendues disponibles par les manufacturiers, qui sont souvent incomplètes ou erronées. Finalement, les modèles actuels simulant des MCP dans les murs ne permettent pas de représenter toute leur complexité. Ceux-ci différencient rarement les processus de fusion et de solidification (hystérèse), prennent en compte occasionnellement la conductivité thermique variable et ne modélisent jamais le sous-refroidissement. Toutes ces problématiques sont soulevées dans cette thèse et des solutions sont proposées. La première partie (chapitre 4) traite de l'amélioration de la méthode des fonctions de transfert dans TRNSYS grâce à l'utilisation d'un modèle d'état qui permet de diminuer significativement les pas de temps utilisés. La résolution entière de cette problématique est ensuite atteinte en couplant dans TRNSYS un modèle de mur utilisant la méthode aux différences finies à la méthode des fonctions de transfert (chapitre 5).  ABSTRACT: Building thermal mass is a key parameter defining the ability of a building to mitigate inside temperature variations and to maintain a better thermal comfort. Increasing the thermal mass of a lightweight building can be achieved by using Phase Change Materials (PCMs). These materials offer a high energy storage capacity (using latent energy) and a nearly constant temperature phase change. They can be integrated conveniently in net-zero energy buildings. The current interest for these buildings and for better power demand management strategies requires accurate transient simulation of heavy and highly insulated slabs or walls with short time-steps (lower than or equal to 5 minutes). This represents a challenge for codes that were mainly developed for yearly energy load calculations with a time-step of 1 hour. It is the case of the TRNSYS building model (called Type 56) which presents limitations when modeling heavy and highly insulated slabs with short time-steps. These limitations come from the method used by TRNSYS for modeling conduction heat transfer through walls which is known as the Conduction Transfer Function (CTF) method. In particular, problems have been identified in the generation of CTF coefficients used to model the walls thermal response. This method is also unable to define layers with variable thermophysical properties, as displayed by PCMs. PCM modeling is further hindered by the limited information provided by manufacturers: physical properties are often incomplete or incorrect. Finally, current models are unable to represent the whole complexity of PCM thermal behavior: they rarely include different properties for melting and solidification (hysteresis); they sometimes take into account variable thermal conductivity; but they never model subcooling effects. All these challenges are tackled in this thesis and solutions are proposed. The first part (chapter 4) focuses on improving the CTF method in TRNSYS through state-space modeling, significantly decreasing the achievable time-steps. A complete solution to this issue can be reached by implementing in TRNSYS a wall model using a finite-difference method and coupling it with the CTF method in Type 56 (chapter 5). The second part (chapter 6) proposes an in-depth characterization of thermophysical properties of a PCM used in different test-benches, i.e. the density (Appendix A), the thermal conductivity (Appendix B) and the thermal capacity.


identifier: Jalali Dil, E. (2015). Localization of Solid Micro and Nano-Inclusions in Heterophase Bioplastic Blends  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le mélange de poly (acide lactique), PLA, et autres bioplastiques à haute résistance à l'impact a été introduit en tant que méthode efficace pour améliorer la ténacité du PLA. Toutefois, cette stratégie réduit considérablement le module d'Young et la résistance mécanique du PLA. L'ajout de particules solides est une méthode bien connue pour réconcilier l'équilibre rigidité / ténacité des matrices polymères. Bien que l'importance de contrôler la localisation des inclusions solides dans des mélanges de polymères soit mise en évidence, la littérature échoue à fournir une analyse détaillée des mécanismes de migration et n'identifie pas en détail les conséquences des paramètres thermodynamiques et cinétiques relatifs à la localisation de particules solides dans des mélanges de polymères. Dans ce mémoire, la localisation et la migration des particules de micro- et nano-silice sphériques dans deux mélanges de bioplastiques, soit : PLA / polyéthylène basse densité (LDPE) et PLA / poly (butylène adipate-co-téréphtalate), PBAT, ont été étudiés. Dans la première partie de ce travail, une étude détaillée de la miscibilité et du développement de la morphologie dans le mélange PLA / PBAT a été réalisée. Une tension interfaciale de 0,6 ± 0,15 mN / m a été déterminée pour le couple PLA et PBAT en ajustant le modèle de Palierne sur les données rhéologiques. La miscibilité du PLA / PBAT a ensuite été examinée en étudiant le décalage de la température de transition vitreuse (Tg) des phases de polymère à différentes compositions. Les résultats obtenus indiquent une miscibilité partielle unidirectionnelle limitée des molécules de PBAT dans la phase riche en PLA. Cette miscibilité partielle dépend significativement du poids moléculaire du PBAT, qui reflète son caractère entropique. L'analyse de la morphologie des échantillons a montré que la phase dispersée dans les mélanges de PLA / PBAT existe sous la forme de fibres, même à basse composition de 1% en vol. de la phase dispersée. Enfin, la région de co-continuité dans les mélanges de PLA / PBAT a été déterminée en utilisant une approche rhéologique. Il a été montré que le mélange PLA / PBAT a une région de co-continuité symétrique large située entre 30 à 40 et 60 à 70 vol.% de PBAT. Dans la deuxième partie de ce projet, la localisation et la migration des particules de silice dans les mélanges de PLA / PBAT ont été étudiés. Basé sur les énergies de surface mesurées du PLA et PBAT, le modèle d'Young prédit que la position d'équilibre thermodynamique des particules de silice se situe dans la phase de PBAT. Suite à l'ajout de particules de silice au PLA / PBAT iv fondu, les particules de micro- et nano-silice ont été localisées dans la phase de PBAT quelle que soit la viscosité de la phase de PLA. Il a été démontré que cette localisation sélective se produit lors des premières étapes de mélange et a été attribuée à la tension interfaciale inférieure du couple PBAT / silice par rapport au couple PLA / silice. L'influence des paramètres cinétiques a été étudié en effectuant le pré-mélange des particules de silice avec la phase PLA, ainsi, les particules étaient localisées dans la phase thermodynamiquement défavorable. Il a été constaté que la migration des particules de micro-silice à partir de la phase PLA à l'interface dépend fortement de la viscosité de la phase PLA, du taux de cisaillement lors du mélange et de la taille des particules de silice. Ces résultats mettent en évidence le rôle critique de l'étape du retrait du film de PLA entre les particules de micro-silice et l'interface. Suite au pré-mélange de particules de nano-silice dans la phase PLA, une localisation stable à l'interface PLA/PBAT a été constatée, quel que soit la viscosité de la phase PLA. En utilisant un modèle semi-empirique récemment mis au point pour déterminer la vitesse de migration de particules sphériques à l'interface, il a été montré que la localisation stable des particules de silice à l'interface est dû à la vitesse de migration très lente à l'interface, qui provient de la faible tension interfaciale entre le PLA et le PBAT. Dans la dernière partie de cette thèse, les effets des paramètres thermodynamiques et cinétiques sur la migration et la localisation des particules de micro- et nano-silice dans un mélange à haute tension interfaciale de PLA / LDPE ont été étudiés. La surface des particules de micro-silice a été modifié par greffage de (2-Dodecen-1-yl) d'anhydride succinique en utilisant une nouvelle approche de réaction en phase gazeuse. Les localisations d'équilibre thermodynamique de particules de silice non-modifiées et modifiées ont été déterminées comme étant dans la phase PLA et à l'interface, respectivement. Il a été constaté que l'addition de particules de silice non-modifiées et modifiées à une masse fondue de PLA et de LDPE haute viscosité (H-LDPE) résulte en l'encapsulation préférentielle des particules de la phase avec laquelle ils ont la plus faible tension interfaciale. Les effets des paramètres cinétiques ont été étudiés en pré-mélangeant des particules de silice avec la phase H-LDPE suivi du mélange avec le PLA. Il a été constaté que le retrait du film de LDPE entre les particules et l'interface joue un rôle critique dans l'inhibition de la migration des particules de micro-silice non-modifiées et modifiées vers le PLA et l'interface, respectivement. D'autre part, lorsque les particules de nano-silice ont été utilisées, les particules individuelles de nano-silice ont pu migrer vers la phase PLA , tandis que les agrégats de nano- v silice sont restés dans la phase H-LDPE. Ces résultats indiquent que la localisation de nanoparticules bien dispersées dans un mélange de polymères à haute tension interfaciale est peu susceptible d'être influencée par les effets cinétiques. En comparant les résultats obtenus pour la localisation des particules de silice dans les mélanges PLA/PBAT et PLA/LDPE, une perspective générale des paramètres importants dans le contrôle de la migration et de la localisation des particules dans les mélanges de polymères est présenté.  ABSTRACT: Blending poly(lactic acid), PLA, with other high impact bioplastics has been introduced as an effective method for improving the toughness of PLA; however, this strategy considerably reduces the modulus and mechanical strength of PLA. The addition of solid particles is a well-known method for tuning the stiffness/toughness balance in toughened polymer matrices. Notwithstanding the significance of controlling the localization of solid inclusions in polymer blends, the literature is lacking a detailed analysis of the migration mechanisms and the effects of thermodynamic and kinetic parameters on the localization of solid particles in polymer blends. In this dissertation, the localization and migration of spherical micro- and nano-silica particles in two bioplastic blends of PLA/low density polyethylene (LDPE) and PLA/poly(butylene adipate-co-terephthalate), PBAT, were studied. In the first part of this work, a detailed study on the miscibility and morphology development in the PLA/PBAT blend was carried out. The interfacial tension between PLA and PBAT was determined to be 0.6 ± 0.15 mN/m by fitting Palierne's model on the rheological data. The miscibility of PLA/PBAT was then examined by studying the shift in the glass transition temperature (Tg) of the polymer phases at different blend compositions. The obtained results indicate a limited one-way partial miscibility of PBAT molecules in the PLA-rich phase. This partial miscibility depends significantly on the molecular weight of PBAT, which underlines its entropic nature. The morphology analysis of the blend samples revealed that the dispersed phase in PLA/PBAT blends exists in the form of fibers, even at low compositions of 1 vol.% of the dispersed phase. Finally, the co-continuity region in PLA/PBAT blends was determined using a rheological approach and it was shown that PLA/PBAT has a wide symmetric co-continuous region located between 30-40 and 60-70 vol.% of PBAT. In the second part of this project, the localization and migration of the silica particles in PLA/PBAT blends were studied. Based on the measured surface energies of PLA and PBAT, Young's model predicts that the thermodynamic equilibrium localization of the silica particles should be in the PBAT phase. When the silica particles were added to a PLA/PBAT melt, micro- and nano-silica particles were localized in the PBAT phase irrespective of the PLA phase viscosity. This selective localization was shown to occur at the early stages of mixing and was attributed to the lower interfacial tension of PBAT/silica compared to PLA/silica. The influence vii of kinetic parameters was imposed by the premixing of the silica particles with the PLA phase, which is the least thermodynamically preferred phase. It was found that the migration of micro-silica particles from the PLA phase to the interface depends strongly on the viscosity of the PLA phase, the shear rate of mixing and the particle size of the silica. These results point to the critical role of the PLA film draining between micro-silica particles and the interface. When nano-silica particles were premixed in the PLA phase, they were localized at the interface in a stable fashion irrespective of the PLA phase viscosity. Using a newly developed semi-empirical model for the migration velocity of spherical particles at the interface, it was shown that the stable localization of silica particles at the interface is due to the very slow migration velocity at the interface, which originates from the low interfacial tension between PLA and PBAT. In the last part of the thesis, the effects of thermodynamic and kinetic parameters on the migration and localization of micro- and nano-silica particles in a high interfacial tension blend of PLA/LDPE were studied. The surface of the micro-silica particles was modified by the grafting of (2-dodecen-1-yl) succinic anhydride using a new gas phase reaction approach. The thermodynamic equilibrium localizations of unmodified and modified silica particles were determined to be in the PLA phase and at the interface, respectively. It was found that the addition of unmodified and modified silica particles to a melt of PLA and high viscosity LDPE (H-LDPE) results in the preferential encapsulation of the particles by the phase with which they have the lowest interfacial tension. The effects of kinetic parameters were studied by premixing silica particles with the H-LDPE phase followed by mixing with PLA. It was found that the draining of the LDPE film between the particles and the interface plays a critical role in inhibiting the migration of both unmodified and modified micro-silica particles toward the PLA phase and the interface, respectively. On the other hand, when nano-silica particles were used, individual nano-silica particles could migrate to the PLA phase, while the nano-silica aggregates remained in the H-LDPE phase. These results indicate that the localization of well-dispersed nanoparticles in a high interfacial tension polymer blend system is unlikely to be significantly influenced by the kinetic effects. By comparing the obtained results on the localization of silica particles in PLA/PBAT and PLA/LDPE, a general perspective of the important parameters in controlling the migration and localization of the particles in polymer blends is presented.


identifier: Malouin, B. (2015). Décomposition de la traînée d'installation motrice par la méthode de champ lointain  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal de cette thèse est de proposer une méthode permettant d'évaluer la traînée d'installation motrice d'un avion. Pour ce faire, la méthode de champ lointain est tout à fait indiquée puisqu'elle permet de diviser la traînée en traînées visqueuse, d'onde, induite et numérique associées respectivement aux phénomènes de couche limite, d'onde de choc, de création de portance, et d'ajout de dissipation artificielle, ou erreur numérique, par le résoluteur et des erreurs de discrétisation. La méthode de champ lointain a été souvent utilisée pour des configurations non-motorisées, mais son usage en conditions de poussée demeure plutôt récent. Trois sections associées à trois objectifs constituent cette thèse. Tous les objectifs ont fait l'object d'un article scientifique. Selon la pratique en comptabilité traînée-poussée des avionneurs, la traînée interne de la nacelle ne doit pas être incluse dans la traînée d'installation car elle est de la responsabilité du motoriste. Par conséquent, il est primordial d'évaluer cette composante. Le premier objectif est donc de proposer une méthode permettant l'évaluation et la décomposition de la traînée d'une nacelle en composantes interne, externe et de sillage. Les méthodes actuellement disponibles sont les essais expérimentaux et les analyses numériques. Les ingénieurs utilisant la seconde approche emploient la méthode de champ proche qui consiste à intégrer les forces de pression et de frottement sur la surface interne de la nacelle. Un inconvénient majeur de cette méthode est que sa précision dépend fortement de la position de la ligne de stagnation qui sépare les écoulements interne et externe. La méthode proposée n'a pas cette limitation et donne des résultats qui sont en accord avec les valeurs expérimentales et empiriques.  La force de captation est aussi requise pour le calcul de la traînée de configuration. Dans ce deuxième axe, une méthode permettant l'évaluation de cette poussée est présentée. La méthode traditionnelle requiert la connaissance du tube de courant capturé par le moteur et nécessite donc la location précise de la ligne de stagnation. La méthode de champ lointain permet de contourner cette difficulté. Suivant la même logique, une méthode alternative de calcul pour la poussée standard nette est présentée. La procédure classique interpole les propriétés de l'écoulement dans le plan de sortie du moteur ce qui induit des erreurs. Dans les deux cas, les résultats des méthodes proposées sont en accord avec les données empiriques et les formulations classiques. Finalement, la connaissance des traînées d'interférence et d'installation est importante autant pour les avionneurs que pour les motoristes qui souhaitent établir les performances de leurs systèmes respectifs.  ABSTRACT: The main objective of this research is to propose a method to study the engine installation drag of an aircraft. To do so, the far-field method comes in handy because of its ability to decompose the drag of a given configuration with respect to the physical phenomena involved. For an aircraft flying at transonic speed, they consist of the boundary layer, the shock wave and the lift that are responsible for the viscous, wave and induced drags, respectively. Since computational fluid dynamic softwares are used to simulate the flow around the aircraft, another type of drag, the spurious drag, appears. It is the consequence of artificial dissipation added by the solver to enhance convergence and discretization errors. The spurious drag is usually present at areas where strong gradients are expected such as leading edges. This method was used for wing-body configurations but its use in motorized configurations remains quite modern. This thesis is divided into three main parts, each addressing an objective. These objectives have each been the subject of a scientific article. The first one is to propose a method for decomposing the total drag of a nacelle into external, internal, and wake drag. From the airframer's bookkeeping agreement, the internal drag is the engine manufacturer's responsibility and is not to be included in the aircraft's total drag. Consequently, computing the internal drag is mandatory for the airframe and engine constructors of interest and can be achieved either experimentally or by computational-fluiddynamics analysis. Up to now, aerodynamic engineers have used a near-field approach to compute the internal drag using computational-fluid-dynamics analysis, but this method has serious drawbacks, including its dependency on the accurate location of the stagnation line that divides the internal flow from the external flow. Results of the proposed method show that it is independent of the location of the stagnation line and yields accurate results that agree well with experimental and empirical data. Results also show that the wake drag of a through-flow nacelle is caused by the flow passing through the nacelle and so needs to be added to the internal drag. The second objective concerns the computation of the engine pre-entry thrust. This quantity is required to evaluate the aircraft configuration drag. Numerical computation of this quantity requires knowledge of the captured streamtube, which, once again, depends on the stagnation line location. A new method that uses the far-field formulation is developed so that knowledge of the streamtube properties is no longer required. Using similar techniques, an alternative method to compute the standard net thrust, the basis of most thrust/drag bookkeeping systems, is introduced.


identifier: Pelletier, K. (2015). Considération de la torsion pour l'analyse sismique non-linéaire de noyaux en béton armé  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les noyaux en béton armé sont utilisés dans de nombreux bâtiments multi-étagés résidentiels comme principal système de résistance aux forces sismiques (SRFS). Dues à des limitations architecturales, ces bâtiments sont souvent flexibles en torsion. Afin d'évaluer l'effet de la torsion sur la réponse non-linéaire de noyaux en béton armé, un modèle basé sur la méthode des cadres équivalents (WCMM) utilisant des éléments fibres est proposés. Les comportements nonlinéaires en gauchissement et biaxial (P-Mx-My) cyclique sont validés à l'aide de résultats expérimentaux et montrent une excellente convergence avec ces derniers. Selon les analyses modale et linéaire temporelle, le modèle proposé peut capturer adéquatement les caractéristiques dynamiques et sismiques des noyaux et ce, incluant la torsion. Le WCMM est ensuite utilisé en régime non-linéaire afin de réaliser des analyses tridimensionnelles (3D) temporelles d'un bâtiment typique en béton armé localisé dans l'est de l'Amérique du Nord et qui est sujet à des tremblements de terre à contenu fréquentiel élevé (environ 10 Hz). Trois configurations de bâtiment avec une flexibilité en torsion croissante (B=1.7, B=2.1 et B=2.5, selon l'actuel Code National du Bâtiment du Canada) sont étudiées afin d'évaluer l'effet de la torsion sur le comportement sismique. Les enveloppes non-linéaires de paramètres importants pour la conception sont similaires aux enveloppes de dimensionnement obtenues à partir d'une analyse spectrale linéaire d'un modèle à éléments coques (B=1.7) incluant les facteurs appropriés de réduction des forces inélastiques. Hormis pour le torque à chaque étage, les demandes en cisaillement et en moment demeurent relativement constantes peu importe la valeur de B. La rigidité effective en cisaillement doit être sélectionnée avec soin pour le WCMM afin d'éviter de larges rotations questionnables. Un délai corrélé est observé entre les crêtes en translation et en rotation lors des analyses temporelles non-linéaires des bâtiments.  ABSTRACT: Reinforced concrete (RC) cores are used in many residential multi-story buildings as the primary seismic force resisting system (SFRS). Due to architectural limitations, these buildings are often torsionally lexible. To assess the effect of torsion on the nonlinear seismic response of RC cores, a wide-column model with modules (WCMM) using fiber elements is proposed. The nonlinear warping and the nonlinear biaxial (P-Mx-Mx) cyclic behaviors of the WCMM are validated against experimental results and exhibit excellent agreement. According to modal and linear time history analyses, the proposed model can adequately capture the dynamic characteristics and seismic response of core structures, including torsion. The proposed WCMM is then extended to the nonlinear range to perform three-dimensional (3D) time history analyses of a typical RC building structure located in Eastern North America (ENA) that is subjected to high-frequency ground motions (approximately 10 Hz). Three different building configurations with increasing torsional flexibility (B=1.7, B=2.1 and B=2.5, according to the current National Building Code of Canada) are studied to investigate the effect of torsion on the seismic behavior. The nonlinear envelopes of key response parameters are similar to the design envelopes obtained from the linear response spectrum analysis of a shell elements model (B=1.7) with proper inelastic force modification factors. Aside from the story torque, the shear and moment demands remain relatively constant, regardless of the B value. The effective shear stiffness must be carefully selected in the WCMM to avoid large questionable rotations. A correlated delay can be observed between the translational and rotational peak displacements in the nonlinear time histories of the buildings analyzed.


identifier: Guillemette, Y. (2015). Mieux comprendre l'offre et la demande de déplacements interurbains au Québec  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Toutes les enquêtes de mobilité québécoises sont bâties pour capter les déplacements urbains, mais il n'existe présentement aucune source de données systématique sur les déplacements de longue distance au Québec. Ces déplacements, aussi appelés « interurbains » sont négligés et ne sont donc pas pris en compte lors de prises de décisions, négligeant ainsi par exemple leur impact environnemental. Pendant ce temps, le monde du transport interurbain est en mutation, alors que l'on assiste à un déclin de l'industrie de l'autocar et parallèlement à l'émergence du covoiturage. Le but de ce projet est de développer des méthodes et des outils qui serviront à analyser l'offre et la demande de transport interurbain en autocar au Québec, et qui seront utilisés autant par les opérateurs d'autocar que par les planificateurs de systèmes de transport.  ABSTRACT: Every mobility survey in Quebec is built to measure urban travel, but there is currently no systematic data source on long distance travel in Quebec. These trips, also called "intercity trips" are neglected and are therefore not taken into account in decision-making, thus neglecting, for example, their environmental impact. Meanwhile, the world of intercity transportation in Quebec is changing, as we are observing a decline in the bus industry and an emergence of carpooling. The purpose of this project is to develop methods and tools that will be used to analyze the supply and demand for intercity bus travel in Quebec, and that will be used by bus operators as well as transport systems planners. In this context, this research project aims to develop some methodological bases that will be deepened in the next three years.


identifier: Tabatabaei Shafie, S. N. (2015). Transient and Local Increase in the Permeability of the Blood-Brain Barrier and the Blood-Retinal Barrier by Hyperthermia of Magnetic Nanoparticles in a Rat Model  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Après avoir réussi à propulser des agents thérapeutiques encapsulés dans des micro-transporteurs magnétiques à un endroit précis à l'intérieur d'un modèle animal en utilisant le gradient de champ magnétique dans un appareil de résonance magnétique (RM) modifié, nous visons maintenant à livrer une drogue localement dans le système nerveux central (SNC). Afin de réussir la livraison de la drogue de façon localisée et augmenter l'efficacité du traitement, ce projet met de l'avant que les agents thérapeutiques doivent être administrés par des moyens pas plus envahissants qu'une injection intraveineuse, suivis par la propulsion à distance, contrôlée, et actionnée sur commande dans le SNC. La fonction exigeante du tissu neuronal dans le SNC (haute sensibilité/complexité du système) nécessite un environnement extrêmement stable. Un changement minime dans la composition du liquide interstitiel dans le SNC peut jouer un rôle prépondérant dans la régulation de son microenvironnement et de l'activité neuronale. Par conséquent, le SNC est conçu pour se protéger des fluctuations fréquentes de la concentration extracellulaire d'hormones, d'acides aminés, et des niveaux d'ions produits après les repas, l'exercice ou le stress (ainsi que d'agents pathogènes toxiques qui peuvent être en circulation dans le sang). Cette protection du SNC est permise grâce à la présence d'une barrière, nommée barrière hémato-encéphalique (BHE). Cette barrière préventive se compose essentiellement de cellules endothéliales étroitement reliées entre elles qui tapissent la surface intérieure de la plupart des vaisseaux sanguins dans le SNC. Bien que ceci offre un environnement neuronal stable, plus de 98% des molécules que constituent les drogues ne sont pas en mesure de franchir la BHE et leur pénétration est uniquement déterminée par les caractéristiques de perméabilité de la barrière. Ceci est alors un frein pour les traitements ciblant le SNC. Par conséquent, la recherche pharmaceutique fait un réel effort pour maximiser la livraison des médicaments vers le SNC. Pour autant, la présence des barrières physiologiques, bien qu'essentielles à la survie en conditions physiologiques, limitent les traitements qu'on a à notre disposition en conditions pathologiques.  ABSTRACT: After successfully propelling therapeutic agents encapsulated in magnetic micro-carriers to a specific location inside an animal model by the gradient magnetic field of a modified clinical Magnetic Resonance (MR) scanner, we are now aiming to perform local drug delivery in the region of the central nervous system (CNS). To achieve localized drug delivery and increase efficacy, this project advances the theme that the therapeutic agents must be administered by means no more invasive than an intravenous injection followed by remote propulsion, controlled tracking, and on-command actuation in the CNS. The demanding function of the CNS requires an extremely stable environment. In fact, any small change in the composition of the interstitial fluid in the CNS plays a predominant role in regulating its microenvironment and neuronal activity. Therefore, the CNS is conceived to protect itself from frequent fluctuations of extracellular concentration of hormones, amino acids, and ion levels that occur after meals, exercise, or stress - as well as from toxic pathogens that may be circulating in the blood stream. This preventive barrier consists mainly of tightly interconnected endothelial cells that carpet the inner surface of most blood vessels in the CNS. While it provides a stable neuronal environment, more than 98% of all drug molecules are not able to cross this barrier and the extent to which a molecule enters is determined only by the permeability characteristics of the barrier. Therefore, while pharmaceutical research progresses for drug delivery to the CNS, it is limited by its pharmacokinetics through physiological barriers. Successful transient and local opening of the barrier for diffusion of therapeutics could strongly support the feasibility of treating a variety of neurological disorders. A recent effort presented in this dissertation provides evidence for the emergence of a novel approach to overcome this problem. This technique uses magnetic nanoparticles (MNPs) in conjunction with an alternating magnetic field to transiently increase barrier permeability for drug delivery. MNPs can act as miniaturized heat sources that, when under the influence of the alternating magnetic field, dissipate thermal energy directly and exclusively to the barrier (hyperthermia). In addition to its novelty, the findings confirm that the technique does not damage the neurovascular unit, i.e. neurons, astrocytes, etc.


identifier: Alizadeh, R. (2015). Near Deterministic Signal Processing Using GPU, DPDK, and MKL  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En radio défnie par logiciel, le traitement numcrique du signal impose le traitement en temps réel des donnés et des signaux. En outre, dans le développement de systèmes de communication sans fil basées sur la norme dite Long Term Evolution (LTE), le temps réel et une faible latence des processus de calcul sont essentiels pour obtenir une bonne experience utilisateur. De plus, la latence des calculs est une clé essentielle dans le traitement LTE, nous voulons explorer si des unités de traitement graphique (GPU) peuvent être utilisées pour accélérer le traitement LTE. Dans ce but, nous explorons la technologie GPU de NVIDIA en utilisant le modéle de programmation Compute Unified Device Architecture (CUDA) pour réduire le temps de calcul associé au traitement LTE. Nous présentons briévement l'architecture CUDA et le traitement paralléle avec GPU sous Matlab, puis nous comparons les temps de calculs avec Matlab et CUDA. Nous concluons que CUDA et Matlab accélérent le temps de calcul des fonctions qui sont basées sur des algorithmes de traitement en paralléle et qui ont le même type de données, mais que cette accélération est fortement variable en fonction de l'algorithme implanté. Intel a proposé une boite à outil pour le développement de plan de données (DPDK) pour faciliter le développement des logiciels de haute performance pour le traitement des fonctionnalités de télécommunication. Dans ce projet, nous explorons son utilisation ainsi que celle de l'isolation du système d'exploitation pour réduire la variabilité des temps de calcul des processus de LTE. Plus précisément, nous utilisons DPDK avec la Math Kernel Library (MKL) pour calculer la transformée de Fourier rapide (FFT) associée avec le processus LTE et nous mesurons leur temps de calcul. Nous évaluons quatre cas: 1) code FFT dans le cœur esclave sans isolation du CPU, 2) code FFT dans le cœur esclave avec l'isolation du CPU, 3) code FFT utilisant MKL sans DPDK et 4) code FFT de base. Nous combinons DPDK et MKL pour les cas 1 et 2 et évaluons quel cas est plus déterministe et réduit le plus la latence des processus LTE. Nous montrons que le temps de calcul moyen pour la FFT de base est environ 100 fois plus grand alors que l'écart-type est environ 20 fois plus élevé. On constate que MKL offre d'excellentes performances, mais comme il n'est pas extensible par lui-même dans le domaine infonuagique, le combiner avec DPDK est une alternative très prometteuse. DPDK permet d'améliorer la performance, la gestion de la mémoire et rend MKL évolutif.  ABSTRACT: In software defined radio, digital signal processing requires strict real time processing of data and signals. Specifically, in the development of the Long Term Evolution (LTE) standard, real time and low latency of computation processes are essential to obtain good user experience. As low latency computation is critical in real time processing of LTE, we explore the possibility of using Graphics Processing Units (GPUs) to accelerate its functions. As the first contribution of this thesis, we adopt NVIDIA GPU technology using the Compute Unified Device Architecture (CUDA) programming model in order to reduce the computation times of LTE. Furthermore, we investigate the efficiency of using MATLAB for parallel computing on GPUs. This allows us to evaluate MATLAB and CUDA programming paradigms and provide a comprehensive comparison between them for parallel computing of LTE processes on GPUs. We conclude that CUDA and Matlab accelerate processing of structured basic algorithms but that acceleration is variable and depends which algorithm is involved. Intel has proposed its Data Plane Development Kit (DPDK) as a tool to develop high performance software for processing of telecommunication data. As the second contribution of this thesis, we explore the possibility of using DPDK and isolation of operating system to reduce the variability of the computation times of LTE processes. Specifically, we use DPDK along with the Math Kernel Library (MKL) provided by Intel to calculate Fast Fourier Transforms (FFT) associated with LTE processes and measure their computation times. We study the computation times in different scenarios where FFT calculation is done with and without the isolation of processing units along the use of DPDK. Our experimental analysis shows that when DPDK and MKL are simultaneously used and the processing units are isolated, the resulting processing times of FFT calculation are reduced and have a near-deterministic characteristic. Explicitly, using DPDK and MKL along with the isolation of processing units reduces the mean and standard deviation of processing times for FFT calculation by 100 times and 20 times, respectively. Moreover, we conclude that although MKL reduces the computation time of FFTs, it does not offer a scalable solution but combining it with DPDK is a promising avenue.


identifier: Faik, M. (2015). Application de méthodes de programmation dynamique stochastique au problème de planification de la production d'hydroélectricité  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La planification de la production d'hydroélectricité est un problème complexe qui se situe au croisement de plusieurs branches des mathématiques appliquées. La prise de décisions optimales ou quasi-optimales passe par l'optimisation, parfois déterministe et en nombre entiers (planification court-terme), parfois stochastique et continue (planification moyen- et long-terme). La maîtrise de l'aspect stochastique des apports hydriques naturels et/ou des prix de l'énergie passe par l'utilisation et le développement de modèles statistiques probabilistes. La modélisation des fonctions de production des centrales hydroélectriques passe par l'optimisation non-linéaire et des méthodes de calcul numériques. Dans ce mémoire, deux volets sont étudiés : méthodes l'approximation concave des fonctions de production des centrales hydroélectriques et méthodes d'optimisation stochastique appliquées au problème de planification moyen-terme de la production d'hydroélectricité sous incertitude portant sur les apports hydriques naturels. Les fonctions de production des centrales hydroélectriques dépendent du débit turbiné et de la hauteur de chute. Ces fonctions ne sont ni linéaires ni même concaves. Pour les incorporer à un modèle mathématique linéaire de maximisation, il faut au préalable les approximer par des fonctions concaves linéarisables. Pour ce faire, on propose deux méthodes : approximation de la fonction objectif par enveloppe concave et approximation par une fonction concave linéaire par morceaux. La dernière étant en deux variantes : construction d'hyperplans d'ajustement avec le critère des moindres carrés ou le critère de minimisation de l'erreur maximale par rapport à la vraie fonction de production. On conclut que les deux méthodes sont à peu près équivalentes en matière d'erreur-type mais que la deuxième méthode est meilleure sur le temps d'exécution des modèles de planification de la production utilisés. Le problème de planification moyen-terme de la production d'hydroélectricité sous incertitude peut être approché et résolu par différentes méthodes. Les méthodes de programmation dynamique stochastique restent les plus rigoureuses en matière et de formulation et d'algorithmes de résolution et de prise en compte de l'incertitude. On se propose d'appliquer deux méthodes basées sur la programmation dynamique stochastique : la programmation dynamique duale stochastique (SDDP) et une méthode de programmation dynamique stochastique approchée (ASDP) dont l'idée centrale est de discrétiser l'espace des états en hyper-rectangles. On compare les deux méthodes sur un cas d'étude réel : La Grande Rivière, la rivière la plus importante du parc hydroélectrique du Québec.  ABSTRACT: The hydro-power generation planning is a complex problem implicating different fields of applied mathematics. Optimal or almost-optimal decisions are taken after optimization. This optimization is sometimes deterministic with integer variables (short-term planning), sometimes it is stochastic and continuous (mid or long-term planning). In order to master the randomness of parameters such as inflows or spot prices one must use and develop statistical and probabilistic models. Hydro-plants' power generation functions are modeled using nonlinear optimization, numerical calculating methods. etc. This thesis focuses on two main subjects: concavation methods of hydro-plants' power generation functions and stochastic optimization methods applied to a mid-term hydro-power generation planning problem under uncertainty that lies on natural inflows. Hydro-plants' power generation functions depend on the turbined outflow and water head, they are consequently not linear nor concave. These functions must be approximated by concave, piecewise linear functions, so they can fit into a linear mathematical programming model. There are two methods to do so: approximation of the objective function by a concave hull and approximation by a concave piecewise linear function. The second approach has two variants: fitting hyperplanes construction with the least squares criterion or the criterion of minimizing the maximal error to the real generation function. We conclude that these two methods are almost equivalent according to their root-mean square error, but the second method has less impact on planning algorithms' running time. There are many methods that can be used to solve the mid-term hydro-power generation planning under uncertainty. Stochastic dynamic programming-based methods are still the most rigorous with respect to their formulation, the solution algorithms used and the way in which uncertainty is represented. Two of these methods are compared in this thesis: Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP) and a variant of Approximate Stochastic Dynamic Programming (ASDP), which is mainly based on a state space discretization into hyper-rectangles. These two methods are compared on a real case-study: La Grande Rivière, the most important river in Quebec hydroelectricity system.


identifier: Yazji, M. (2015). L'impact de l'instrumentation du rachis sur les efforts intervertébraux et articulaires aux membres inférieurs au cours de la marche chez les patients ayant une scoliose idiopathique adolescente  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RESUMÉ La scoliose est une pathologie musclo-squelettique. Cette maladie peut affecter la mobilité du corps humain et causer des problématiques liées aux mouvements. L'évaluation des pathologies musculaires, tel que la scoliose, demeure problématique en clinique de réadaptation. En lien avec cette problématique, une méthode de quantification des efforts articulaires aux membres inférieurs pour le corps humain en mouvement a été développée. Cette quantification sera utile dans le domaine de réadaptation, elle pourrait aider dans la sélection d'un programme efficace et spécifique des exercices de rééducation pour chacune des articulations aux membres inférieurs et dans le développement d'un indicateur pour évaluer le confort ainsi que la qualité de la marche des patients scoliotiques.  Dans ce contexte, ce mémoire présente le développement d'un modèle dynamique multi-corps du corps humain pour la quantification des efforts intervertébraux ainsi que des efforts articulaires à la hanche, au genou et à la cheville afin de comparer le comportement dynamique au cours de la marche entre des patients ayant une Scoliose Idiopathique Adolescente (SIA) en condition pré-post opératoire et des sujets sains. Ensuite, pour chaque articulation, les valeurs maximales, minimales ainsi que les amplitudes des couples et des forces latéraux, verticaux et antéro-postérieurs ont été analysés à l'aide d'un test ANOVA à un facteur. De plus, un test Tukey post-hoc a été utilisé pour analyser les différences entre les trois groupes de sujets. Au niveau des efforts intervertébraux, l'étude montre que les valeurs minimales du couple antéro-postérieur ont diminué après l'instrumentation du rachis de 31%, 27%, 28%, et 31% au niveau de L5-L4, L4-L3, L3-L2, et L2-L1 respectivement. Le couple médio-latérale a significativement augmenté après l'instrumentation du rachis de 52%, 54%, 52%, 52%, 47% et 50% au niveau de L4 L5, L4-L3, L3-L2, L2-L1, L1-T12 et T11- T12 respectivement. Les forces médio-latérale, verticale et antéro-postérieur étaient significativement différentes après la chirurgie au niveau lombaire et thoraco-lombaire. Ces résultats montrent que l'asymétrie de la balance gauche-droite de la scoliose lors de la marche a été partiellement corrigée après la chirurgie. Les résultats du couple antéro-postérieur ont montré une similitude entre les patients sains et post-opératoire au niveau lombaire. Cependant, le comportement des autres composantes n'est pas globalement similaire aux sujets sains, ce qui implique le besoin du suivi en réadaptation après l'instrumentation du rachis.  ABSTRACT: Scoliosis is a musculoskeletal pathology. This disease can affect the mobility of human body and cause problems related to movements. The evaluation of muscle diseases, such as scoliosis, remains problematic in rehabilitation clinic. To respond to this problem, a quantification method of the lower limbs joint efforts during gait has been developed. This quantification will be useful in rehabilitation; it could help to select specific postural rehabilitation exercises around each lower limb joint to develop indicators of quality and comfort during gait. In this context, this study presents the development of a dynamics multi-body model of the human body for the quantification of intervertebral, hip, knee and ankle joint efforts in order to compare the dynamic behavior during gait between patients with Adolescent Idiopathic Scoliosis with (AIS) before and after spine instrumentation and healthy subjects. Then, One-way ANOVA was performed for the maximum, the minimum and the range of medio-lateral, vertical and anteroposterior torques and forces at each joint of the lower limbs. When appropriate, a Tukey's post hoc was performed to determine the differences. Amongst the intervertebral efforts results, the minimal values of the normalized antero-posterior intervertebral torques significantly decreased after surgery by 31%, 27%, 28%, and 31% at the L5-L4, L4-L3, L3-L2, and L2-L1 joints, respectively. The magnitude of the normalized medio-lateral intervertebral torques significantly increased after surgery by 52%, 54%, 52%, 52%, 47%, and 50% at the L5-L4, L4-L3, L3-L2, L2-L1, L1-T12, and T12-T11 joints, respectively. The antero-posterior, medio-lateral and vertical forces were significantly different after surgery at lumbar and thoraco-lumbar level. These results show that the asymmetry in the left-right balance of the scoliotic patient during gait was partially rectified after surgery. The results of antero-posterior torques showed a similarity between healthy and post-op patients at the lumbar level. However, the behaviours were globally still not similar to healthy patients for the other components, supporting the need for physiotherapy follow-up using a tool quantifying the intervertebral efforts during gait. For the lower limbs joint efforts, the results show that the scoliotic patients have the same dynamic behavior as healthy subjects for medio-lateral and antero-posterior torques. However, these patients have a reduced medio-lateral force compared to healthy subjects at the hip, knee and ankle. The study showed no significant difference between the two groups of scoliotic subjects.


identifier: Barrette, G. (2015). Évaluation de l'utilisation des bactériophages anti-staphylococcus aureus pour l'assainissement de surfaces  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les infections dues à la bactérie Staphylococcus aureus résistante à la méthicilline (SARM) sont responsables du décès de plusieurs Canadiens chaque année, cette bactérie étant la cause du plus grand nombre d'infections nosocomiales en Amérique. Un des problèmes associé au SARM est sa capacité à survivre sur les surfaces inertes pour des périodes prolongées ce qui augmente le risque de contamination pour les patients. L'objectif de ce mémoire est d'étudier les paramètres de comportement et d'efficacité des phages sur les surfaces solides en vue de développer un détergent à base de bactériophages anti-SARM qui serait sécuritaire pour les employés ainsi que pour les patients en milieu hospitalier. Les deux principales difficultés seront de déterminer la formulation et les conditions optimales d'utilisation des phages de façon à ne pas affecter leur intégrité physique et chimique. Il sera aussi nécessaire de déterminer la quantité de bactériophages à mettre en suspension de manière à avoir une couverture adéquate ainsi qu'un détergent efficace et économique. Les bactériophages sont utilisés depuis plusieurs années en Suisse et en Pologne (surtout dans le domaine vétérinaire), mais peu de désinfectants de ce genre sont sur le marché au Canada et nous croyons fermement que l'utilisation d'un produit de ce genre pourrait faire diminuer les risques d'infections au SARM en milieu hospitalier.   Mots-clés : bactériophages, Staphylococcus aureus, infections nosocomiales, hôpitaux, surfaces, désinfection  ABSTRACT: Infections caused by the bacteria methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA) are responsible for the death of many Canadians each year, making this bacterium the most important cause for nosocomial infections in North America. One of the problems associated with MRSA is its capacity to stay on surfaces for long periods of time, which can increase the risk of infections for patients. The goal of this project is to develop a disinfectant made primarily from anti-MRSA bacteriophages that would be ecological and safe for the employees and the patients in hospitals. There are two major difficulties to overcome: first, it will be important to find the optimal conditions in which to use the bacteriophages. Second, it will be necessary to determine the quantity of phages needed in suspension to make an effective and economical disinfectant. Phages have been used in Poland and in Switzerland (mostly in the veterinary field) but few disinfectants of this kind are on the market in Canada at the moment and we firmly believe that the use of this product could lower the risk of MRSA infections in a hospital setting.  Key words : bacteriophages, Staphylococcus aureus, nosocomial infections, hospitals, surfaces, disinfection.


identifier: Thong, W. (2015). Apprentissage de représentations pour la classification d'images biomédicales  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La disponibilité croissante d'images médicales ouvre la porte à de nombreuses applications cliniques qui ont une incidence sur la prise en charge du patient. De nouveaux traits caractéristiques cliniquement pertinents peuvent alors être découverts pour expliquer, décrire et représenter une maladie. Les algorithmes traditionnels qui se basent sur des règles d'association manuellement construits font souvent défaut dans le domaine biomédical à cause de leur incapacité à capturer la forte variabilité au sein des données. L'apprentissage de représentations apprend plusieurs niveaux de représentations pour mieux capturer les facteurs de variation des données. L'hypothèse du projet de recherche du mémoire est que la classification par apprentissage de représentations apportera une information supplémentaire au médecin afin de l'aider dans son processus de décision. L'objectif principal, qui en découle, vise à étudier la faisabilité de l'apprentissage de représentations pour le milieu médical en vue de découvrir des structures cliniquement pertinentes au sein des données.Dans un premier temps, un algorithme d'apprentissage non-supervisé extrait des traits caractéristiques discriminants des déformations de la colonne vertébrale de patients atteints de la scoliose idiopathique de l'adolescent qui nécessitent une intervention chirurgicale. Le sous-objectif consiste à proposer une alternative aux systèmes de classification existants qui décrivent les déformations seulement selon deux plans alors que la scoliose déforme le rachis dans les trois dimensions de l'espace. Une large base de données a été rassemblée, composée de 915 reconstructions de la colonne vertébrale issues de 663 patients. Des auto-encodeurs empilés apprennent une représentation latente de ces reconstructions. Cette représentation de plus faible dimension démêle les facteurs de variation. Des sous-groupes sont par la suite formés par un algorithme de k-moyennes++. Onze sous-groupes statistiquement significatifs sont alors proposés pour expliquer la répartition de la déformation de la colonne vertébrale. Dans un second temps, un algorithme d'apprentissage supervisé extrait des traits caractéristiques discriminants au sein d'images médicales. Le sous-objectif consiste à classifier chaque voxel de l'image afin de produire une segmentation des reins. Une large base de données a été rassemblée, composée de 79 images tomographiques avec agent de contraste issues de 63 patients avec de nombreuses complications rénales. Un réseau à convolution est entrainé sur des patches de ces images pour apprendre des représentations discriminantes. Par la suite, des modifications sont appliquées à l'architecture, sans modifier les paramètres appris, pour produire les segmentations des reins. Les résultats obtenus permettent d'atteindre des scores élevés selon les métriques utilisées pour évaluer les segmentations en un court délai de calcul. Des coefficients de Dice de 94,35% pour le rein gauche et 93,07% pour le rein droit ont été atteints.Les résultats du mémoire offrent de nouvelles perspectives pour les pathologies abordées. L'application de l'apprentissage de représentations dans le domaine biomédical montre de nombreuses opportunités pour d'autres tâches à condition de rassembler une base de données d'une taille suffisante.  ABSTRACT: The growing accessibility of medical imaging provides new clinical applications for patient care. New clinically relevant features can now be discovered to understand, describe and represent a disease. Traditional algorithms based on hand-engineered features usually fail in biomedical applications because of their lack of ability to capture the high variability in the data. Representation learning, often called deep learning, tackles this challenge by learning multiple levels of representation. The hypothesis of this master's thesis is that representation learning for biomedical image classification will yield additional information for the physician in his decision-making process. Therefore, the main objective is to assess the feasibility of representation learning for two different biomedical applications in order to learn clinically relevant structures within the data. First, a non-supervised learning algorithm extracts discriminant features to describe spine deformities that require a surgical intervention in patients with adolescent idiopathic scoliosis. The sub-objective is to propose an alternative to existing scoliosis classifications that only characterize spine deformities in 2D whereas a scoliotic is often deformed in 3D. 915 spine reconstructions from 663 patients were collected. Stacked auto-encoders learn a hidden representation of these reconstructions. This low-dimensional representation disentangles the main factors of variation in the geometrical appearance of spinal deformities. Sub-groups are clustered with the k-means++ algorithm. Eleven statistically significant sub-groups are extracted to explain how the different deformations of a scoliotic spine are distributed. Secondly, a supervised learning algorithm extracts discriminant features in medical images. The sub-objective is to classify every voxel in the image in order to produce kidney segmentations. 79 contrast-enhanced CT scans from 63 patients with renal complications were collected. A convolutional network is trained on a patch-based training scheme. Simple modifications to the architecture of the network, without modifying the parameters, compute the kidney segmentations on the whole image in a small amount of time. Results show high scores on the metrics used to assess the segmentations. Dice scores are 94.35% for the left kidney and 93.07% for the right kidney. The results show new perspectives for the diseases addressed in this master's thesis. Representation learning algorithms exhibit new opportunities for an application in other biomedical tasks as long as enough observations are available.


identifier: Noël, S. (2015). Développement de revêtements polymériques bioactifs pour prothèses vasculaires synthétiques  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis plus de 60 ans, le développement de prothèses vasculaires de petit diamètre est un défi majeur dans le domaine de la recherche vasculaire. Au travers de ces recherches, il est rapidement apparu que l'interface idéale sang-matériau restait l'endothélium natif. Par conséquent, l'ingénierie tissulaire est devenue incontournable au développement de prothèses vasculaires performantes, via l'imitation des fonctions de l'endothélium ou des processus d'angiogenèse permettant l'endothélialisation des implants. D'une part, l'analyse des échecs des prothèses a permis l'identification de fonctions-clés de l'endothélium empêchant la sténose, à savoir la régulation de coagulation, limitant la thrombose, et le maintien de l'équilibre avec les cellules environnantes à travers l'inhibition de l'hyperplasie des cellules musculaires lisses. D'autre part, les avancées dans la compréhension des phénomènes biologiques impliqués dans l'angiogenèse permettent de mieux appréhender la façon dont la matrice extracellulaire (ECM) - et les nombreuses protéines qu'elle séquestre – influent sur l'adhésion, la migration et la prolifération des cellules endothéliales. À partir de ces recherches, nous avons développé des revêtements intelligents présentant les fonctions-clés de l'endothélium ainsi que des facteurs d'adhésion et de prolifération inspirés de l'ECM afin de permettre le recrutement et la croissance sélective des cellules endothéliales au sein de prothèses vasculaires synthétiques. En amont de ce projet de thèse, des structures non-tissées de polyéthylène téréphtalate (PET) ont été développées par une équipe partenaire pour former des prothèses synthétiques aux propriétés mécaniques adéquates, afin de pallier aux limites des prothèses de petit diamètre actuelles. Ces structures innovantes sont le substrat de départ utilisé pour le développement de notre revêtement bioactif. Étant donné que (i) les propriétés mécaniques, en particulier la compliance, étaient au centre de la conception de ces structures et que (ii) le PET est un matériau inerte, nous avons développé dans un premier temps une méthode chimique douce pour fonctionnaliser ces structures tout en conservant leur compliance. Cette étude constitue notre premier manuscrit, publié dans Journal of Materials Chemistry B (cf. Chapitre 4). En bref, le polyvinylamine (PVAm) a été utilisé en tant qu'agent d'aminolyse du PET dans l'hypothèse qu'il n'affecterait pas les propriétés volumiques des structures de PET, tout en apportant des groupements amines nécessaires aux modifications ultérieures.  ABSTRACT: The development of small-diameter vascular grafts has been referred to as the quest for the Holy Grail in the vascular field for more than 60 years now. As research on such devices was growing, it soon became clear that the ideal blood-contacting interface remains the native endothelium. Accordingly, tissue engineering is required to develop effective vascular prostheses, through mimicking either the endothelium functions or the natural angiogenic processes leading to graft endothelialization. On the one hand, analyses of graft failures have helped identifying key functions of endothelial cells that prevent stenosis: those are the regulation of coagulation, avoiding thrombosis, and the control over neighboring cells, inhibiting smooth muscle cell hyperplasia. On the other hand, advances in angiogenesis biology have yielded insights into how the extracellular matrix (ECM) itself – as well as the numerous signaling molecules it sequesters – can affect endothelial cell adhesion, migration and proliferation. Building on those researches, we developed smart coatings, combining key features of the endothelium as well as ECM adhesive and proliferative cues for selective endothelial cell recruitment and growth within synthetic vascular grafts. Prior to this thesis project, polyethylene terephthalate (PET) non-woven structures were developed by a partner team as novel vascular grafts featuring appropriate mechanical properties. The latter being one of the drawbacks for small-diameter synthetic prostheses. We used those structures as a starting substrate to develop our bioactive coating. Considering that (i) mechanical properties, more specifically compliance, was a primary concern in the graft design and (ii) PET was an inert material, we first developed a non-damaging chemical method to provide those PET structures with reactive moieties while preserving the structure compliance. That study founded our first manuscript published in the Journal of Materials Chemistry B (Chapter 4). Briefly, polyvinylamine (PVAm) was used as a PET aminolysis reagent, assuming it would not affect the bulk properties of the PET structures while providing amino groups for subsequent surface biomodification. Aiming at the selective recruitment and growth of endothelial cells on those aminated surfaces, low-fouling components were included within our bioactive coatings. In that endeavor, polyethylene glycol (PEG) and dextran were used to repel cells, proteins and platelets, thereby yielding a bio-inert background. From there, natural peptides and proteins selected from the literature were then grafted through immobilization strategies featuring site-specificity, orientation and stability, required to preserve the tethered biomolecule activity and functions.


identifier: Sattout, A. (2015). Évaluation biomécanique du corset de providence pour le traitement conservateur de la scoliose  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose idiopathique adolescente (SIA) est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale et de la cage thoracique. Elle touche 2-3 % de la population adolescente, dont 10% nécessiteront un traitement. Les patients avec une courbe entre 20-45° reçoivent un traitement conservateur par corset. Les forces correctrices agissant sur le rachis dépendent du design et de l'ajustement du corset, ainsi que de la posture et des sollicitations musculaires du patient. Les orthèses thoraco-lombo-sacrés (TLSOs) sont utilisés pour les courbes modérées avec un apex inférieur à la 8ème vertèbre thoracique (T8). Comme le corset est habituellement porté 23 heures par jour, son mécanisme d'action n'apparaît pas optimal. Des corsets "de nuit" existent, et ils visent à améliorer l'adhérence du patient et à introduire une correction active de nuit, et une plus grande latitude le jour, permettant au patient de participer aux activités sportives. Les corsets de nuit ont moins d'effets négatifs sur le fonctionnement psycho-social, le sommeil, le mal au dos, et l'image du corps. Le corset de nuit de Providence a été introduit en 1992. Des forces latérales et rotationnelles directes sont appliquées au sommet des courbes à travers un système de 3 points d'appui. Après la prise de mesures, le corset est fabriqué en utilisant une technique de conception/fabrication assistée par ordinateur (CFAO). Souvent, une surcorrection est observée sur les radiographies en position couchée dans le corset. Les premiers résultats de l'application du corset de Providence ont été présentés en 2001. Les concepteurs du corset rapportent une correction moyenne de 90% pour les courbes doubles, et encore une meilleure correction pour les courbes simples. Le taux de réussite global est de 50% à 75%. La position couchée est également connue pour réduire les courbes scoliotiques, en particulier lors de chirurgies d'instrumentation. De nouvelles approches de simulation de corset basées sur des modèles numériques par éléments finis permettent dorénavant de tester de façon virtuelle et d'optimiser l'effet des corsets pour des patients donnés avant leur fabrication. Les corsets TLSOs sont maintenant simulés avec une représentation réaliste de l'interface de contact entre le tronc et le corset du patient. Malgré le fait que le corset de Providence est disponible depuis plus de 20 ans, la biomécanique de ce traitement ainsi que l'effet des paramètres de conception de corset et de la position couchée ne sont toujours pas bien décrites. Le modèle CFAO est choisi parmi une banque de données de corset sur la base de l'inventaire de moule, puis soumis à une dérotation de la section thoracique. Cependant, l'impact de la conception et des ajustements du corset sur les résultats ne sont pas bien compris, car aucune méthode d'évaluation n'est utilisée avant la fabrication.L'objectif de ce projet était donc de modéliser la biomécanique et d'évaluer le corset de nuit de Providence pour le traitement de la scoliose idiopathique de l'adolescent afin de mieux comprendre son mode d'action.  ABSTRACT: Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a three-dimensional deformation of the spine and rib cage. It affects 2-3% of the adolescent population, of which 10% will require treatment. Patients with a curve between 20-45° usually receive a conservative treatment by brace. Corrective forces acting on the spine depend on the design and adjustment of the brace, as well as the posture and muscular activity of the patient. Thoracolumbosacral orthoses (TLSOs) are commonly used for moderate curves with an apex inferior to the 8th thoracic vertebra (T8). As the brace is usually worn 23 hours a day, its mechanism of action seems not optimal. “Nighttime” braces exist, and they are designed to improve patient adherence and to introduce an active correction by allowing the patient to participate in sports activities. Nighttime braces have less negative impact on the psycho-social functioning, sleep, back pain and body image. Providence nighttime brace was introduced in 1992. Direct lateral and rotational forces are applied on the summits of curves through a 3-point pressure system with bolsters. After taking measurements, the brace is manufactured using computer-aided design and manufacturing (CAD/CAM) technique. An overcorrection is often observed on supine in-brace radiographs. The first results of the application of Providence brace were presented in 2001. Its designers claim an average in-brace correction of 90% for double curves, and a better correction for simple curves. Overall success rate is 50% to 75%. The prone position is also known to reduce the scoliotic curves, especially during instrumentation surgeries. New brace simulation approaches based on numerical finite element models (FEM) are now used to test virtually and optimize the effect of braces on given patients before their manufacturing. TLSOs are now simulated with a realistic representation of the contact interface between the trunk and the patient's brace. Despite the fact that the Providence brace has been available for more than 20 years, the biomechanics of this treatment and the effect of the brace design parameters and supine position are still not well described. The CAD/CAM model is selected from a brace database based on mold inventory, then subjected to derotation of the thoracic section. However, the impact of brace design and adjustments on outcomes are not well understood, as no assessment method is used prior to brace fabrication. Hence the objective of this project was to model and evaluate the biomechanics of nighttime Providence brace for the treatment of idiopathic adolescent scoliosis to better understand its mode of action. The hypotheses we addressed were that the biomechanical simulation tool allows to realistically simulate the application of the nighttime brace for the treatment of scoliosis, and that the supine position has an important role in the correction mechanism.