identifier: Wang, J. (2016). Controlling Morphology and Resistivity in Multiphase Polymer Blends with Poly(ether-b-amide)  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Mélanger des polymères conducteurs avec des polymères conventionnels est une méthode efficace pour produire de nouveaux matériaux dotés de propriétés électriques spécifiques. Comparés à des mélanges binaires, des systèmes de mélanges de polymères ternaires et quaternaires doivent présenter un seuil de percolation bien plus bas si un des composants est encapsulé par d'autres phases continue/percolée, avec un effet plus marqué si localisé à une interface continue/percolée. Cependant, la majorité des travaux publiés s'est concentré à l'examen du cas où la phase conductrice est située au coeur du système en raison de tensions interfaciales intrinsèques élevées avec d'autres polymères. Assembler un composant polymère conducteur à une interface continue directement par l'intermédiaire de mélanges à l'état fondu a rarement été rapporté dans la littérature. Par ailleurs, des études sur le développement de la morphologie d'une phase intermédiaire partiellement ou complètement mouillée dans des systèmes ternaires et quaternaires sont encore très limitées. Dans cette thèse, des mélanges de polymères destinés à des applications antistatiques avec un copolymère PEBA conducteur ionique (composé de blocs alternés PEO et PA) au sein de systèmes binaires, ternaires et quaternaires ont été étudiés. Dans un premier temps, deux mélanges binaires, LDPE/PEBA et PS/PEBA, avec des tensions interfaciales considérablement distinctes ont été préparés. La tension interfaciale du système initial a été évaluée à 8.0 mN/m, et le développement de la morphologie du PEBA pour ce système suit une coalescence de deux gouttes observée typiquement au sein de systèmes de tension interfaciale élevée. Le second système possède, de façon inattendue, une tension interfaciale de 1.6 mN/m, vraisemblablement en raison de la présence de liaisons hydrogène-π entre le PS et le bloc PEO. Une miscibilité partielle entre le PS et le PEBA (bloc PEO) est aussi confirmée par le déplacement de Tg pour le PS dans les mélanges. Bien qu'une continuité plus élevée soit observée à des fractions volumiques plus faibles en PS/PEBA que en LDPE/PEBA, la résistivité surfacique du PS/PEBA est plus élevée que celle du LDPE/PEBA sur une large plage de compositions. Ce résultat a été attribué à la miscibilité partielle et/ou la constriction importante au sein de la morphologie d'instabilité capillaire gelée lorsque le PEBA est mélangé avec le PS, ce qui influence le transfert de charge au sein de la phase PEBA. Un modèle conceptuel du transport de charge dans le copolymère PEBA a également été proposé basé sur le phénomène de migration des protons dans les domaines PEO. Dans la seconde partie de ce travail, un polymère conducteur ionique (PEBA) a été directement assemblé à l'interface continue de deux autres polymères grâce au procédé de mélangeage à l'état fondu. Deux mélanges ternaires de LDPE/PEBA/PET et LDPE/PEBA/PVDF, ont été préparés démontrant respectivement un mouillage partiel et un mouillage complet. Une transition novatrice de morphologie de mouillage partiel à mouillage complet a été identifiée au sein du système LDPE/PEBA/PET. Une analyse thermodynamique indique que le LDPE/PEBA/PET est un système faiblement partiellement mouillé, et le phénomène de transition a été attribué à l'effet de coalescence dominant par rapport au démouillage avec une concentration en augmentation de PEBA. Dans le cas d'un système LDPE/PEBA/PVDF complètement mouillé, de fines couches intactes de PEBA (~ 100 nm) ont été observées pour des concentrations de PEBA aussi faibles que 3%. Il apparaît clairement qu'une concentration minimale est requise afin de former une interface mouillée, et que cette concentration dépend de la valeur du coefficient d'étalement. L'auto-assemblage de PEBA à l'interface continue réduit considérablement le seuil de percolation dans des mélanges ternaires par rapport à des mélanges binaires. Dans le cas d'application antistatiques requérant une résistivité surfacique plus faible que 1013 Ω/sq, 20% de PEBA est nécessaire dans des mélange binaires conventionnels ; cette valeur se réduit à 10% pour les mélanges ternaires LDPE/PEBA/PET, et jusqu'à 1% pour le système LDPE/PEBA/PVDF. La troisième partie de ce projet se consacre au contrôle de la localisation du PEBA dans des mélanges de polymères polyphasés à structure hiérarchisée. Il a été montré que lorsque des polymères conducteurs sont mélangés avec des polyoléfines et/ou du PS dans des mélanges ternaires, ils ont tendance à être situés au coeur en raison des tensions interfaciales élevées avec ces polymères. Néanmoins, mélanger des polymères conducteurs avec des polymères de grande consommation tels que les polyoléfines et le PS peut présenter des gains de coûts conséquents. Pour cette raison, un mélange ternaire de LDPE/PS/PEBA avec PEBA comme phase coeur a été choisi comme premier cas d'étude de cette partie du travail. Afin de contrôler la localisation du PEBA au sein de systèmes multiphasiques possédant une concentration élevée en LDPE/PS (70–90%), un quatrième composant ou un modificateur interfacial a été ajouté. Dans les deux cas, le PEBA a été localisé avec succès sur une interface continue, et a formé des structures percolatées dans les systèmes ternaires et quaternaires hiérarchiquement ordonnés. Ceci a permis une réduction significative de la résistivité surfacique d'un facteur de l'ordre de 2 à 4 en comparaison avec les mélanges ternaires initiaux de LDPE/PS/PEBA où le PEBA était situé au coeur. Finalement, comme présenté dans l'annexe, afin de démontrer une approche généralisée aux structures hiérarchiques dans les mélanges ternaires, une nouvelle stratégie a été développée permettant de générer des polymères hiérarchiquement poreux où la taille des pores est contrôlée grâce à un système de mélange ternaire A/B/C-B-C.  ABSTRACT: Blending conductive polymers with conventional polymers has been an effective approach to produce new materials with tailored electrical properties. Compared to binary blends, ternary and quaternary polymer blend systems are expected to have a much lower percolation threshold if a component is encapsulated by other continuous/percolated phases, with a more dramatic influence when it is located at a continuous/percolated interface. However, almost all the published work has examined the case where the conductive phase is situated in the core of the system owing to its inherent high interfacial tensions with other polymers. Assembling a conductive polymeric component at a continuous interface directly through melt blending has rarely been reported. Also, studies on the morphology development of a partially wet or completely wet intermediate phase in ternary and quaternary systems are still very limited. In this dissertation, polymer blends destined for antistatic applications with an ionically conductive PEBA copolymer (comprised of alternating PEO and PA blocks) in binary, ternary and quaternary systems were studied. In the first part, two binary blends, LDPE/PEBA and PS/PEBA, with significantly different interfacial tensions were prepared. The interfacial tension for the former system was determined to be 8.0 mN/m and the morphology development for PEBA in this system follows a droplet-droplet coalescence mechanism typically observed in high interfacial tension systems. The latter system possesses, unexpectedly, a much lower interfacial tension of 1.6 mN/m, possibly owing to the presence of π-hydrogen bonding between PS and the PEO block. Partial miscibility between PS and PEBA (the PEO block) is also confirmed by the shift of Tg for PS in the blends. Although a higher continuity is observed at lower volume fractions in PS/PEBA than in LDPE/PEBA, the surface resistivity for PS/PEBA is surprisingly higher than that of LDPE/PEBA over a wide range of compositions. This result was attributed to the partial miscibility and/or the significant constriction in the frozen capillary instability morphology when PEBA is blended with PS, which influences the charge transfer in the PEBA phase. A conceptual model for charge transport in the PEBA copolymer based on the migration of protons in the PEO domains is also proposed. In the second part of this work, we assembled an ionically conductive polymer (PEBA) at the continuous interface of two other polymers directly through melt blending. Two ternary blends of LDPE/PEBA/PET and LDPE/PEBA/PVDF were prepared which demonstrate partial wetting and complete wetting respectively. A novel morphology transition from partial wetting to complete wetting was identified in the LDPE/PEBA/PET system. Thermodynamic analysis indicates that LDPE/PEBA/PET is a weak partial wetting system and the transition phenomenon was attributed to the dominant effect of coalescence over dewetting with increasing PEBA concentration. In the case of the completely wet LDPE/PEBA/PVDF system, thin intact PEBA layers (~ 100 nm) were observed at PEBA concentrations as low as 3%. It appears clear that a minimum concentration is required to form a completely wet interface and that this concentration depends on the value of the spreading coefficient. The self-assembling of PEBA at the continuous interface dramatically reduces its percolation threshold in the ternary blends as compared to binary blends. For antistatic applications requiring a surface resistivity lower than 1013 Ω/sq, 20% of PEBA is needed in the conventional binary blends; the value is reduced to 10% for LDPE/PEBA/PET, and to as low as 1% for the LDPE/PEBA/PVDF system. The third part of the project focuses on controlling the localization of PEBA in hierarchically ordered multiphase polymer blends. It has been shown that when conductive polymers are blended with polyolefins and/or PS in ternary blends, they tend to be located in the core due to its high interfacial tensions with these polymers. Nevertheless, blending conductive polymers with commodity polymers such as polyolefins and PS can present significant potential cost advantages. Thus, we started this part of the work with a ternary blend of LDPE/PS/PEBA where PEBA is the core phase. In order to control the localization of PEBA in the multiphase systems with high LDPE/PS content (70–90%), either a fourth component or an interfacial modifier was added. In both cases, PEBA was successfully localized to a continuous interface and formed percolated structures in the hierarchically ordered ternary and quaternary systems. This led to a significant reduction of 2–4 orders of magnitude in surface resistivity as compared to the initial ternary blends of LDPE/PS/PEBA where PEBA was located in the core. Finally, as shown in the Appendix, in order to demonstrate a generalized approach to hierarchical structures in ternary blends, we developed a new strategy to generate hierarchically porous polymers with controllable pore size through a ternary A/B/C-B-C blend system. PLA/HDPE/SEBS was used as a model system.


identifier: Lévy, S. (2016). Caractérisation de la microstructure des voies spinales humaines par IRM multiparamétrique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La routine clinique en IRM pour le diagnostic ou le suivi de pathologies neurodégénératives telles que la sclérose en plaques ou la dégénérescence wallérienne ne se fait actuellement que par une évaluation visuelle basée sur des différences de contraste dans des images anatomiques. Il est donc difficile de déterminer précisément le degré des lésions. L'IRM quantitative (IRMq) se propose de quantifier l'évolution du tissu par des métriques sensibles et spécifiques aux différentes caractéristiques microstructurales. Très développé dans le cerveau, sa faisabilité et ses applications ont été démontrées dans la moelle. Toutefois, l'acquisition de telles métriques prend généralement trop de temps et est souvent trop exigeant en termes de force de gradients magnétiques pour entrer dans un cadre clinique. De plus, plusieurs sources d'erreurs sont susceptibles de baiser les mesures. Ce mémoire vise à mettre en place un protocole complet (de l'acquisition au traitement des données) permettant l'estimation de métriques IRMq spécifiquement à chaque voie spinale. Les principales métriques issues de ce protocole sont le Ratio de Transfert de Magnétisation (MTR), le temps de relaxation T1, le Volume de Tissu Macromoléculaire (MTV), les indices des modèles de diffusion NODDI (Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging) et DTI (Imagerie par Tenseur de Diffusion), le g-ratio (ratio du diamètre axonal sur celui de la fibre incluant la gaine de myéline) et l'aire de section axiale. Le protocole développé est applicable en clinique et prend en compte les différentes sources d'erreurs connues qui peuvent s'introduire dans les mesures durant l'acquisition. De plus, basé sur le recalage d'un atlas des voies spinales sur chaque métrique, le protocole de traitement de données, rapide et quasi-automatique, permet de s'affranchir du biais lié à l'opérateur lors de la délimitation manuelle des régions d'intérêt. Quant à la méthode d'estimation, elle emploie des estimateurs tels que les estimateurs des moindres carrés et du maximum a posteriori permettant d'atténuer l'effet de volume partiel et du bruit ; elle est par ailleurs validée sur un fantôme synthétique. Finalement, le protocole complet est appliqué à une cohorte de 16 jeunes adultes (de 21 à 33 ans) et 14 adultes âgés (de 61 à 73 ans) sains afin d'évaluer sa sensibilité aux différentes microstructures dans la matière blanche de la moelle épinière. Pour toutes les métriques les estimations montrent des valeurs en accord avec la littérature. Toutes les métriques – excepté les fractions de volume intracellulaire, de volume  ABSTRACT: The current clinical MRI routine for the diagnosis or the screening of neurodegenerative pathologies such as multiple sclerosis or Wallerian degeneration, consists of a simple visual assessment based on contrast differences in anatomical images. Therefore it is hard to precisely assess the stage of the lesions. Quantitative MRI (qMRI) proposes to quantify the evolution of the tissue using metrics sensitive and specific to the different microstructural characteristics. Widely developed in the brain, its feasibility and applications have been demonstrated in the spinal cord. However, the acquisition of such metrics is too time-consuming and demanding in terms of magnetic gradient strength to apply in a clinical framework. Moreover, several sources of error are likely to bias the measures. This thesis aims to develop a comprehensive protocol (from the acquisition to the processing of the data) allowing the estimation of qMRI metrics specifically in each spinal pathway. The main metrics resulting from this protocol are the Magnetization Transfer Ratio (MTR), the relaxation time T1, the Macromolecular Tissue Volume (MTV), the diffusion indices from NODDI (Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging) and DTI (Diffusion Tensor Imaging) models, the g-ratio (ratio of the inner diameter over the outer diameter of a fiber, including its myelin sheath) and the cross-sectional area. This protocol is applicable in a clinical framework and takes into account the different sources of error that are likely to affect the measures during acquisition. In addition, since it is based on the registration of a white matter atlas to each metric, the fast and almost automatic data processing pipeline allows to get rid of the usual user-related bias induced by the manual drawing of regions of interest. Moreover, the estimation method uses estimators such as the least square and the maximum a posteriori estimators allowing to mitigate the effect of partial volume and of noise; furthermore, a validation of the method is performed on a synthetic phantom. Finally, the whole protocol is applied to a cohort of 16 young (aged 21 to 33) and 14 elderly (aged 61 to 73) healthy adults in order to assess its sensitivity to different microstructures in the spinal cord white matter. For all metrics the estimations show values in agreement with the literature. All metrics – except the intracellular, the axonal and the fiber volume fractions – showed significant difference between the dorsal column and the corticospinal tract, as suggested by histology. However, only the MTR showed a significant decrease between young and elderly, in agreement with


identifier: Rosat, S. (2016). Méthodes pour favoriser l'intégralité de l'amélioration dans le simplexe en nombres entiers - Application aux rotations d'équipages aériens  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans son cadre le plus général, le processus d'optimisation mathématique se scinde en trois grandes étapes. La première consiste à modéliser le problème, c'est-à-dire le représenter sous la forme d'un programme mathématique, ensemble d'équations constitué d'un objectif à minimiser ou maximiser (typiquement, les coûts ou le bénéfice de l'entreprise) et de contraintes à satisfaire (contraintes opérationnelles, convention collective, etc.). Aux décisions à prendre correspondent les variables du problème. S'il est une représentation parfaite de la réalité, ce modèle est dit exact, sinon il reste approximatif. La seconde étape du processus est la résolution de ce programme mathématique. Il s'agit de déterminer une solution respectant les contraintes et pour laquelle la valeur de l'objectif est la meilleure possible. Pour ce faire, on applique généralement un algorithme de résolution, ensemble de règles opératoires dont l'application permet de résoudre le problème énoncé au moyen d'un nombre fini d'opérations. Un algorithme peut être traduit grâce à un langage de programmation en un programme exécutable par un ordinateur. L'exécution d'un tel programme permet ainsi de résoudre le programme mathématique. Enfin, la dernière étape consiste à ajuster la solution obtenue à la réalité. Dans le cas où le modèle n'est qu'approximatif, cette solution peut ne pas convenir et nécessiter d'être modifiée a posteriori afin de s'accorder aux exigences de la réalité concrète. Cette thèse se concentre sur la seconde de ces trois étapes, l'étape de résolution, en particulier sur le développement d'un algorithme de résolution d'un programme mathématique précis, le partitionnement d'ensemble. Le problème de partitionnement d'ensemble permet de modéliser des applications variées : planification d'emplois du temps, logistique, production d'électricité, partage équitable, reconnaissance de forme, etc. Pour chacun de ces exemples l'objectif et les contraintes prennent des significations physiques différentes, mais la structure du modèle est la même. D'un point de vue mathématique, il s'agit d'un programme linéaire en nombres entiers, dont les variables sont binaires, c'est-à-dire qu'elles ne peuvent prendre que les valeurs 0 et 1. Le programme est linéaire car l'objectif et les contraintes sont représentés par des fonctions linéaires des variables. Les algorithmes les plus couramment utilisés pour la résolution de tels problèmes sont basés sur le principe de séparation et évaluation (branch-and-bound). Dans ces méthodes, les contraintes d'intégralité sont d'abord relâchées : les solutions peuvent alors être fractionnaires. La résolution du programme ainsi obtenu – appelé relaxation linéaire du programme en nombres entiers – est bien plus simple que celle du programme en nombres entiers. Pour obtenir l'intégralité, on sépare le problème afin d'éliminer les solutions fractionnaires. Ces séparations donnent naissance à un arbre de branchement où, à chaque noeud, la relaxation d'un problème de partitionnement de la taille du problème original est résolue. La taille de cet arbre, et donc le temps d'exécution, croissent exponentiellement avec la taille des instances. De plus, l'algorithme utilisé pour résoudre la relaxation, le simplexe, fonctionne mal sur des problèmes dégénérés, c'est-à-dire dont trop de contraintes sont saturées. C'est malheureusement le cas de nombreux problèmes issus de l'industrie, particulièrement du problème de partitionnement dont le taux de dégénérescence est intrinsèquement élevé. Une autre approche de ce type de problèmes est celle des algorithmes primaux : il s'agit de partir d'une solution entière non optimale, de trouver une direction qui mène vers une meilleure solution entière, puis d'itérer ce processus jusqu'à atteindre l'optimalité. À chaque étape, un sous-problème d'augmentation est résolu : trouver une direction d'amélioration (ou d'augmentation) ou affirmer que la solution courante est optimale. Les travaux concernant les méthodes primales sont moins nombreux que ceux sur le branch-and-bound, qui représentent depuis quarante ans la filière dominante pour la résolution de problèmes en nombres entiers. Développer une méthode primale efficace en pratique constituerait ainsi un changement majeur dans le domaine. Des travaux computationels sur des algorithmes primaux ressortent deux principaux défis rencontrés lors de la conception et l'implémentation de ces méthodes. D'une part, de nombreuses directions d'amélioration sont irréalisables, c'est-à-dire qu'effectuer un pas, aussi petit soit-il, dans ces directions implique une violation des contraintes du problème. On parle alors de dégénérescence ; c'est par exemple le cas des directions associées à certains pivots de simplexe (pivots dégénérés). Les directions irréalisables ne permettent pas à l'algorithme de progresser et peuvent mettre en péril sa terminaison s'il est impossible de déterminer de direction réalisable. D'autre part, lorsqu'une direction d'amélioration réalisable pour la relaxation linéaire a été déterminée, il est difficile de s'assurer que la solution vers laquelle elle mène est entière. Parmi les algorithmes primaux existants, celui qui apparait comme le plus prometteur est le simplexe en nombres entiers avec décomposition (Integral Simplex Using Decomposition, ISUD) car il intègre au cadre primal des techniques de décomposition permettant de se prémunir des effets néfastes de la dégénérescence. Il s'agit à notre connaissance du premier algorithme de type primal capable de battre le branch-and-bound sur des instances de grande taille ; par ailleurs, la différence est d'autant plus importante que le problème est grand. Bien que fournissant des éléments de réponse à la problématique de la dégénérescence, cette méthode n'aborde pas pour autant la question de l'intégralité lors du passage à une solution de meilleur coût ; et pour qu'ISUD puisse envisager de supplanter les méthodes de type branch-and-bound, il lui faut parcourir cette deuxième moitié du chemin. Il s'agit là de l'objectif de ce doctorat : augmenter le taux de directions entières trouvées par ISUD pour le rendre applicable aux instances industrielles de grande taille, de type planification de personnel. Pour aller dans cette direction, nous approfondissons tout d'abord les connaissances théoriques sur ISUD. Formuler ce dernier comme un algorithme primal, comprendre en quoi il se rattache à cette famille, le traduire pour la première fois dans un langage exclusivement primal sans faire appel à la dualité, constituent le terreau de cette thèse. Cette analyse permet ensuite de mieux décrire la géométrie sous-jacente ainsi que les domaines de réalisabilité des différents problèmes linéaires considérés. Quand bien même ce pan majeur de notre travail n'est pas présenté dans cette thèse comme un chapitre à part entière, il se situe indubitablement à l'origine de chacune de nos idées, de nos approches et de nos contributions. Cette approche de l'algorithme sous un angle nouveau donne lieu à de nombreuses simplifications, améliorations et extensions de résultats déjà connus. Dans un premier temps, nous généralisons la formulation du problème d'augmentation afin d'augmenter la probabilité que la direction déterminée par l'algorithme mène vers une nouvelle solution entière. Lors de l'exécution d'ISUD, pour déterminer la direction qui mènera à la solution suivante, on résout un programme linéaire dont la solution est une direction d'amélioration qui appartient au cône des directions réalisables. Pour s'assurer que ce programme est borné (les directions pourraient partir à l'infini), on lui ajoute une contrainte de normalisation et on se restreint ainsi à une section de ce cône. Dans la version originelle de l'algorithme, les coefficients de cette contrainte sont uniformes. Nous généralisons cette contrainte à une section quelconque du cône et montrons que la direction réalisable déterminée par l'algorithme dépend fortement du choix des coefficients de cette contrainte ; il en va de même pour la probabilité que la solution vers laquelle elle mène soit entière. Nous étendons les propriétés théoriques liés à la décomposition dans l'algorihtme ISUD et montrons de nouveaux résultats dans le cas d'un choix de coefficients quelconques. Nous déterminons de nouvelles propriétés spécifiques à certains choix de normalisation et faisons des recommandations pour choisir les coefficients afin de pénaliser les directions fractionnaires au profit des directions entières. Des résultats numériques sur des instances de planification de personnel montrent le potentiel de notre approche. Alors que la version originale d'ISUD permet de résoudre 78% des instances de transport aérien du benchmark considéré, 100% sont résolues grâce à l'un, au moins, des modèles que nous proposons. Dans un second temps, nous montrons qu'il est possible d'adapter des méthodes de plans coupants utilisés en programmation linéaire en nombres entiers au cas d'ISUD. Nous montrons que des coupes peuvent êtres transférées dans le problème d'augmentation, et nous caractérisons l'ensemble des coupes transférables comme l'ensemble, non vide, des coupes primales saturées pour la solution courante du problème de partitionnement. Nous montrons que de telles coupes existent toujours, proposons des algorithmes de séparation efficaces pour les coupes primales de cycle impair et de clique, et montrons que l'espace de recherche de ces coupes peut être restreint à un petit nombre de variables, ce qui rend le processus efficace. Des résultats numériques prouvent la validité de notre approche ; ces tests sont effectués sur des instances de planification de personnel navigant et de chauffeurs d'autobus allant jusqu'à 1 600 contraintes et 570 000 variables. Sur les instances de transport aérien testées l'ajout de coupes primales permet de passer d'un taux de résolution de 70% à 92%. Sur de grandes instances d'horaires de chauffeurs d'autobus, les coupes prouvent l'optimalité locale de la solution dans plus de 80% des cas. Dans un dernier temps, nous modifions dynamiquement les coefficients de la contrainte de normalisation lorsque la direction trouvée par l'algorithme mène vers une solution fractionnaire. Nous proposons plusieurs stratégies de mise-à-jour visant à pénaliser les directions fractionnaires basées sur des observations théoriques et pratiques. Certaines visent à pénaliser la direction choisie par l'algorithme, d'autres procèdent par perturbation des coefficients de normalisation en utilisant les équations des coupes mentionnées précédemment. Cette version de l'algorithme est testée sur un nouvel ensemble d'instances provenant de l'industrie du transport aérien. À notre connaissance, l'ensemble d'instances que nous proposons n'est comparable à aucun autre. Il s'agit en effet de grands problèmes d'horaires de personnel navigant allant jusqu'à 1 700 vols et 115 000 rotations, donc autant de contraintes et de variables. Ils sont posés sous la forme de problèmes de partitionnement pour lesquels nous fournissons des solutions initiales comparables à celles dont on disposerait en milieu industriel. Notre travail montre le potentiel qu'ont les algorithmes primaux pour résoudre des problèmes de planification de personnel navigant, problèmes clés pour les compagnies aériennes, tant par leur complexité intrinsèque que par les conséquences économiques et financières qu'ils entraînent.  ABSTRACT: Optimization is a three-step process. Step one models the problem and writes it as a mathematical program, i.e., a set of equations that includes an objective one seeks to minimize or maximize (typically the costs or benefit of a company) and constraints that must be satisfied by any acceptable solution (operational constraints, collective agreement, etc.). The unknowns of the model are the decision variables; they correspond to the quantities the decision-maker wants to infer. A model that perfectly represents reality is exact, otherwise it is approximate. The second step of the optimization process is the solution of the mathematical program, i.e., the determination of a solution that satisfies all constraints and for which the objective value is as good as possible. To this end, one generally uses an algorithm, a self-contained step-by-step set of operating rules that solves the problem in a finite number of operations. The algorithm is translated by means of a programming language into an executable program run by a computer; the execution of such software solves the mathematical program. Finally, the last step is the adaptation of the mathematical solution to reality. When the model is only approximate, the output solution may not fit the original requirements and therefore require a posteriori modifications. This thesis concentrates on the second of these three steps, the solution process. More specifically, we design and implement an algorithm that solves a specific mathematical program: set partitioning. The set partitioning problem models a very wide range of applications: workforce scheduling, logistics, electricity production planning, pattern recognition, etc. In each of these examples, the objective function and the constraints have different physical significations but the structure of the model is the same. From a mathematical point of view, it is an integer linear program whose decision variables can only take value 0 or 1. It is linear because both the objective and the constraints are linear functions of the variables. Most algorithms used to solve this family of programs are based on the principle called branch-and-bound. At first, the integrality constraints are relaxed; solutions may thus be fractional. The solution of the resulting program – called linear relaxation of the integer program – is significantly easier than that of the integer program. Then, to recover integrality, the problem is separated to eliminate fractional solutions. From the splitting a branching tree arises, in which, at each node, the relaxation of a set partitioning problem as big as the original one is solved. The size of that tree, and thus the solving time, grows exponentially with the size of the instance. Furthermore, the algorithm that solves the linear relaxations, the simplex, performs poorly on degenerate problems, i.e., problems for which too many constraints are tight. It is unfortunately the case of many industrial problems, and particularly of the set partitioning problem whose degeneracy rate is intrinsiquely high. An alternative approach is that of primal algorithms: start from a nonoptimal integer solution and find a direction that leads to a better one (also integer). That process is iterated until optimality is reached. At each step of the process one solves an augmentation subproblem which either outputs an augmenting direction or asserts that the current solution is optimal. The literature is significantly less abundant on primal algorithms than on branchand- bound and the latter has been the dominant method in integer programming for over forty years. The development of an efficient primal method would therefore stand as a major breakthrough in this field. From the computational works on primal algorithms, two main issues stand out concerning their design and implementation. On the one hand, many augmenting directions are infeasible, i.e., taking the smallest step in such a direction results in a violation of the constraints. This problem is strongly related to degeneracy and often affects simplex pivots (e.g., degenerate pivots). Infeasible directions prevent the algorithm from moving ahead and may jeopardize its performance, and even its termination when it is impossible to find a feasible direction. On the other hand, when a cost-improving direction has been succesfully determined, it may be hard to ensure that it leads to an integer solution. Among existing primal algorithms, the one appearing to be the most promising is the integral simplex using decomposition (ISUD) because it embeds decomposition techniques that palliate the unwanted effects of degeneracy into a primal framework. To our knowledge, it is the first primal algorithm to beat branch-and-bound on large scale industrial instances. Furthermore, its performances improve when the problem gets bigger. Despite its strong assets to counter degeneracy, however, this method does not handle the matter of integrality when reaching out for the next solution; and if ISUD is to compete with branch-and-bound, it is crucial that this issue be tackled. Therefore, the purpose of this thesis is the following: increasing the rate of integral directions found by ISUD to make it fully competitive with existing solvers on large-scale industrial workforce scheduling instances. To proceed in that direction, we first deepen the theoretical knowledge on ISUD. Formulating it as a primal algorithm, understanding how it belongs to that family, and translating it in a purely primal language that requires no notion of duality provide a fertile ground to our work. This analysis yields geometrical interpretations of the underlying structures and domains of the several mathematical programs involved in the solution process. Although no chapter specifically focuses on that facet of our work, most of our ideas, approaches and contributions stem from it. This groundbreaking approach of ISUD leads to simplifications, strengthening, and extensions of several theoretical results. In the first part of this work, we generalize the formulation of the augmentation problem in order to increase the likelihood that the direction found by the algorithm leads to a new integer solution. In ISUD, to find the edge leading to the next point, one solves a linear program to select an augmenting direction from a cone of feasible directions. To ensure that this linear program is bounded (the directions could go to infinity), a normalization constraint is added and the optimization is performed on a section of the cone. In the original version of the algorithm, all weights take the same value. We extend this constraint to the case of a generic normalization constraint and show that the output direction dépends strongly on the chosen normalization weights, and so does the likelihood that the next solution is integer. We extend the theoretical properties of ISUD, particularly those that are related to decomposition and we prove new results in the case of a generic normalization constraint. We explore the theoretical properties of some specific constraints, and discuss the design of the normalization constraint so as to penalize fractional directions. We also report computational results on workforce scheduling instances that show the potential behind our approach. While only 78% of aircrew scheduling instances from that benchmark are solved with the original version of ISUD, 100% of them are solved by at least one of the models we propose. In the second part, we show that cutting plane methods used in integer linear programming can be adapted to ISUD. We show that cutting planes can be transferred to the augmentation problem, and we characterize the set of transferable cuts as a nonempty subset of primal cuts that are tight to the current solution. We prove that these cutting planes always exist, we propose efficient separation procedures for primal clique and odd-cycle cuts, and we prove that their search space can be restricted to a small subset of the variables making the computation efficient. Numerical results demonstrate the effectiveness of adding cutting planes to the algorithm. Tests are performed on small- and large-scale set partitioning problems from aircrew and bus-driver scheduling instances up to 1,600 constraints and 570,000 variables. On the aircrew scheduling instances, the addition of primal cuts raises the rate of instances solved from 70% to 92%. On large bus drivers scheduling instances, primal cuts prove that the solution found by ISUD is optimal over a large subset of the domain for more than 80% of the instances. In the last part, we dynamically update the coefficients of the normalization constraint whenever the direction found by the algorithm leads to a fractional solution, to penalize that direction. We propose several update strategies based on theoretical and experimental results. Some penalize the very direction returned by the algorithm, others operate by perturbating the normalization coefficients with those of the aforementionned primal cuts. To prove the efficiency of our strategies, we show that our version of the algorithm yields better results than the former version and than classical branch-and-bound techniques on a benchmark of industrial aircrew scheduling instances. The benchmark that we propose is, to the best of our knowledge, comparable to no other from the literature. It provides largescale instances with up to 1,700 flights and 115,000 pairings, hence as many constraints and variables, and the instances are given in a set-partitioning form together with initial solutions that accurately mimic those of industrial applications. Our work shows the strong potential of primal algorithms for the crew scheduling problem, which is a key challenge for large airlines, both financially significant and notably hard to solve.


identifier: Douïeb, S. (2016). Étude de l'influence de l'écoulement sur la cristallisation en solution : applications aux hydrates de dioxyde de carbone et à une substance pharmaceutique  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La cristallisation en solution est une opération unitaire essentielle du génie chimique. Les conditions opératoires dans lesquelles cette opération est menée déterminent sa productivité et la qualité des cristaux produits, par le biais de l'influence qu'elles ont sur les cinétiques de germination et de croissance. De nombreuses études ont mis en évidence que les conditions d'écoulement influencent significativement ces deux cinétiques. Néanmoins, une compréhension profonde de la nature de cette influence n'a, à l'heure actuelle, pas encore été atteinte. Ceci cause bien souvent des problèmes tant au niveau du procédé que du produit et a également pour conséquence que l'effet des conditions d'écoulement sur les cinétiques de cristallisation est rarement exploité de manière à en tirer le meilleur avantage. La première partie de ce travail a été consacrée à l'étude de l'effet des conditions d'écoulement sur les cinétiques de cristallisation en solution (germination et croissance), avec pour cas pratique la cristallisation d'hydrates de dioxyde de carbone (CO2), une solution émergeante pour la capture et la séquestration du CO2 (gaz à effet de serre majeur). De manière à étudier l'impact des conditions d'écoulement sur le taux de formation des hydrates de CO2, des expériences de formation d'hydrates de CO2 ont été réalisées dans un réacteur de type cuve agitée de 20 L mis en oeuvre de manière semi-continue dans des conditions d'écoulement variées, produites à l'aide de trois mobiles d'agitations différents (une turbine à pales inclinées, un MaxblendTM et un DispersimaxTM) opérés à différentes vitesses de rotations. Un modèle mathématique original de l'ensemble du processus de formation des hydrates de CO2 attribuant une résistance à chacune de ses étapes constitutives a été établi. Pour chaque condition expérimentale, le taux de formation est mesuré et l'étape limitante est déterminée sur base de la valeur des différentes résistances. Les trois mobiles d'agitations étudiés sont comparés relativement à leur efficacité et, pour chaque mobile, l'influence de la vitesse de rotation sur l'étape limitante est discutée. En l'occurrence, il est montré que des limitations dues aux transferts de chaleur peuvent se produire à l'échelle relativement petite utilisée dans cette étude. L'étude de l'impact des conditions d'écoulement sur la cinétique de germination des hydrates de CO2 s'est concentrée sur la caractérisation de l'effet du taux de cisaillement sur le temps d'induction associé à cette formation (proportionnel à cette cinétique). Cette étude a été basée sur la réalisation de mesure de temps d'induction au cours d'expériences de formation d'hydrates de gaz, utilisant le système CO2-H2O-tetrahydrofuran comme système modèle, réalisées dans un réacteur de type Couette-Taylor. L'application, à la phase liquide dans laquelle prend place la formation des hydrates de gaz, de différents taux de cisaillement (entre 50 et 300 s-1), maintenus constants tout au long de l'expérience de formation, a révélé que le temps d'induction moyen diminuait significativement lorsque le taux de cisaillement appliqué à la phase liquide augmentait. Il a été montré que cette diminution peut être principalement attribuée à une diminution du temps nécessaire à l'apparition de germes stables d'hydrates et à leurs croissances jusqu'à une taille macroscopiquement détectable. Il a également été montré que le temps d'induction moyen peut également être significativement réduit par l'application, à la phase liquide, d'un haut taux de cisaillement (900 s-1) durant une période relativement courte et définie. La seconde partie de ce travail a été dédiée au développement d'une stratégie permettant d'améliorer le contrôle des procédés de cristallisation de substances pouvant cristalliser sous plusieurs formes cristallines, et ce, relativement à la forme cristalline générée au cours et à l'issue de ces procédés. Le cas pratique de cette partie du travail est le développement d'un procédé de cristallisation en solution par refroidissement en mode batch d'un principe actif, récemment développé par la société pharmaceutique UCB, présentant deux formes cristallines connues. La robustesse et la reproductibilité de ce procédé vis-à-vis de la production de la forme cristalline d'intérêt et de la prévention de l'occurrence d'un phénomène de prise en masse, dû à une formation massive de cristaux de la forme cristalline indésirable, sont deux impératifs ayant guidés son développement. Le procédé qui a été envisagé dans le cadre de la deuxième partie de ce travail est basé sur la production de semences cristallines de forme I (la forme d'intérêt) par germination primaire au sein d'un réacteur tubulaire suivie d'une croissance de ces semences en milieu agité contrôlé en température. Les propriétés particulières de l'écoulement mis en oeuvre au sein du réacteur tubulaire permettent d'y contrôler finement l'allure des champs de température et de concentration (et donc de sursaturation) et, de manière inédite, de circonscrire l'apparition de cristaux à la partie centrale de l'écoulement (afin de prévenir tout risque d'incrustation de la paroi interne du réacteur). Les expériences réalisées dans ce travail montrent que, associé aux conditions expérimentales utilisées, ce dispositif permet de produire des semences cristallines de forme I de manière reproductible. Elles montrent également qu'un contrôle adéquat des conditions initiales dans lesquelles les semences cristallines de forme I sont amenées à croitre ainsi que du taux de refroidissement utilisé pour entretenir cette croissance permet de garantir que celle-ci se déroule sans que le phénomène de prise en masse ne prenne place. Il est mis en évidence que ce contrôle repose sur la prévention de toute formation indésirable de cristaux de forme II par un maintient, en tout temps, d'un niveau de sursaturation ne dépassant pas une valeur critique donnée. Enfin, ces expériences montrent aussi que le type d'agitation utilisée dans ce travail n'a pas d'influence sur l'occurrence de la prise en masse mais a une influence majeure sur l'état de surface, la taille moyenne et la distribution en taille des cristaux produits.  ABSTRACT: Solution crystallization is an essential unit operation in the chemical engineering field. Through their effect on the nucleation and growth kinetics, the operating conditions of such an operation determine its productivity and the quality of the produced crystals. An important number of studies have shown that the flow conditions have a significant influence on these two kinetics. Nonetheless, a deep understanding of the nature of this effect is still lacking, which often leads to severe difficulties in the development and operation of crystallization processes and impedes the emergence of positive applications of this effect. The first part of this work has been dedicated to the study of the effect of the flow conditions on the solution crystallization kinetics (nucleation and growth). Carbon dioxide (CO2) hydrate crystallization, an emerging method for the separation and capture of CO2, was used as a practical case. CO2 hydrate formation experiments have been performed in a 20 L semi-batch stirred tank reactor using three different impellers (a down-pumping pitched blade turbine, a Maxblend™, and a Dispersimax™) at various rotational speeds to examine the impact of the flow conditions on the CO2 hydrate formation rate. An original mathematical model of the CO2 hydrate formation process that assigns a resistance to each of its constitutive steps has been established. For each experimental condition, the formation rate is measured and the rate-limiting step is determined on the basis of the respective values of the resistances. The efficiencies of the three considered impellers are compared and, for each impeller, the influence of the rotational speed on the ratelimiting step is discussed. For instance, it is shown that a formation rate limitation due to heat transfer can occur at the relatively small scale used to perform our experiments. The investigation of the impact of the flow conditions on the nucleation kinetics of CO2 hydrates was focused on the characterization of the effect of the fluid shear rate on the induction time of gas hydrate formation (proportional to this kinetics). This study was based on induction time measurements during gas hydrate formation experiments, using the CO2-H2O-tetrahydrofuran system as model system, realized in a Couette-Taylor reactor. The investigation of the effect of the application of a constant shear rate (50 to 300 s-1) to the liquid phase from which the hydrates are formed revealed that the mean induction time decreases significantly as the applied shear rate increases. This could primarily be attributed to a decrease in the time required for stable gas hydrate nuclei to be generated and to grow to a macroscopically detectable size. The induction time could also be significantly reduced by the application of a high shear rate (900 s-1) to the liquid phase for a relatively short, defined period of time. The second part of this work has been dedicated to the development of a strategy for the improvement of the control of crystallization processes involving compounds able to crystallize under several crystalline forms, relatively to the crystalline form generated during and at the end of these processes. The strategy examined in this work was applied to the development of a batch cooling solution crystallization process of an active pharmaceutical ingredient, recently developed by the pharmaceutical company UCB, exhibiting two known crystalline forms. The robustness and the reproducibility of this process relatively to production of the desired crystalline form produced and the prevention of caking, due to the massive formation of crystals of the undesired crystalline form, were the two main priorities that have driven its development. The process considered in the second part of this work is based on the production of form I (the desired form) crystalline seeds through nucleation in a tubular reactor followed by the growth of these seeds in an agitated medium controlled in temperature. The particular properties of the flow conditions in the tubular reactor enable the temperature and the concentration fields, and therefore the supersaturation field, to be finely tuned and, in an original manner, to confine the emergence of new crystals in the center part of the flow (to prevent any fouling of the inner surface of the reactor). The experiments performed in this work showed that, coupled to the experimental conditions used, this device enables to reproducibly generate form I crystalline seeds. The experiments also revealed that a proper control of the initial conditions in which these seeds are brought to grow and of the cooling rate used to sustain this growth allows ensuring that this growth takes place without caking. It is shown that such a control lies on the inhibition of the formation of undesired form II crystals by keeping, at all times, the supersaturation level under a defined critical value. Finally, the experiments showed that the type of agitation used in this work does not influence the occurrence of caking but has a significant impact on the crystals surface quality, mean size, and size distribution.


identifier: Sebti, A. (2016). Optimisation de l'implantation des pratiques de gestion optimales (PGO) dans les réseaux de drainage urbain  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le principe du tout-à-l'égout, au plus vite et le plus loin possible, est de plus en plus remplacé par le principe de la rétention le plus en amont et le plus longtemps possible. Les études se sont multipliées et les villes se sont dirigées vers l'utilisation des modèles qui se basent sur les Pratiques de Gestion Optimales (PGO). Ces pratiques sont principalement basées sur l'infiltration et la rétention des eaux le plus amont possible à l'endroit où elles ont été générées. Elles sont en mesure de résoudre les problèmes de mise en charge et de refoulement dans les réseaux et de déversement des eaux sans traitement dans les milieux récepteurs. Le couplage d'un modèle de simulation hydraulique et hydrologique avec des algorithmes d'optimisation métaheuristique est souvent utilisé pour le choix et l'emplacement des PGO dans un réseau de drainage. Le recours à cette procédure est dicté par la non-linéarité et la complexité des équations à résoudre. Dès lors, un temps considérable de calcul est nécessaire et l'obtention d'un optimum global n'est pas garantie.  ABSTRACT: The principle of “all to the sewer as quickly and as far as possible,” was superceded in America and Europe by the principle of “retention and infiltration as early and as long as possible”. This is in line with the approach to use Best Management Practices (BMPs) in watersheds to mitigate some of effects in the hydrological cycle caused by land-use modifications and climate change. These practices are mainly based on the infiltration and retention of water at the place where it is generated. They can provide both quantitative and qualitative control for runoff, reducing peak flows, runoff volumes and pollutant concentrations before discharging into the natural environment. Coupling hydraulic and hydrological simulation models with meta-heuristic optimization algorithms is often used for the selection and location of BMPs in a drainage network. The use of this procedure is dictated by the nonlinearity and complexity of equations to be solved. Therefore, considerable computational time is required and obtaining a global optimum is not guaranteed.


identifier: Gaudron, M. (2016). Expérimentation d'une suite d'outils pour automatiser le passage d'une conception basée sur un modèle vers la réalisation d'une implémentation, en passant par l'exploration architecturale  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Aujourd'hui, les systèmes embarqués sont de plus en plus complexes à développer surtout s'il s'agit de systèmes temps réel. Ces projets intègrent des technologies à la fine pointe de la recherche, qui sont compliquées à mettre en place. La complexité de conception de ces systèmes repose sur la nécessité de trouver un équilibre entre la puissance de calcul requise, la surface de carte et le nombre de ressources matérielles utilisées, ou encore la consommation du circuit. En ajoutant à tout cela des temps de mise en marché de plus en plus stricts pour ce genre de systèmes, les besoins d'outils et de flots de conception efficaces deviennent de plus en plus pressants. Dans cette optique, de nombreux langages de spécification de système ont été mis au point. Ils sont échelonnés à différents niveaux d'abstraction allant des langages de haut niveau d'abstraction comme sysML ou AADL jusqu'au bas niveau RTL en passant par des spécifications pour ESL (Electronic system level) comme SystemC. Ces langages sont liés à des méthodologies basées sur les modèles. Le projet de recherche présenté dans ce mémoire consiste à mettre en avant une méthodologie de conception d'un système embarqué. Cette méthodologie s'illustre au travers d'un flot de conception utilisant le langage de description de système AADL ainsi que la plateforme de codesign SpaceStudio. Elle vise à développer en parallèle des applications logicielles ainsi que les plateformes matérielles sur lesquelles ces applications doivent s'exécuter. Le défi de ce projet consiste donc à réaliser la jonction entre le langage AADL et la plateforme SpaceStudio. L'outil chargé de réaliser cette jonction compile du code AADL et génère un script python. Ce script est lu par l'API du logiciel SpaceStudio qui permet de générer un projet sur sa plateforme de coconception. L'outil créé durant ce projet et nommé AADL2Space est testé à travers un exemple de modèle AADL disponible sur Internet. Par la suite, une application de décodage vidéo MJPEG est utilisée pour illustrer le flot de conception. Un modèle AADL de cette application a été développé afin de fournir la description architecturale du système. La partie applicative du système a été codée en C et associée au modèle AADL. Ainsi, un système complet est compilé par AADL2Space pour ainsi générer un projet SpaceStudio. Une fois le projet instancié sur la plateforme de coconception, celui-ci est simulé et analysé afin d'obtenir des métriques permettant de valider ou non l'architecture. De cette façon, plusieurs architectures sont testées afin de satisfaire les contraintes d'ordonnancement temps réel, de taux d'utilisation des processeurs, d'utilisation des ressources matérielles, etc. L'architecture choisie est enfin synthétisée pour être implémentée sur carte. Ce projet a conduit à l'écriture d'un article de conférence à EEE international Symposium on Rapid System Prototyping (RSP)  ABSTRACT: Nowadays, embedded systems are increasingly complex to design. These system's design complexity is based on the need to find a balance between the required power, the used area on ship and hardware resources, and the system consumption. This issue mainly occurs for real-time systems. For such systems, times to market are more and more demanding. Consequently, new tools and design flows are definitely needed. This project bridges and validates two of these technologies. To reach our goal, numerous system description languages and libraries have been worked out. They have different abstraction levels from high abstraction level languages as SysML or AADL, to low level abstraction RTL, through ESL (Electronic system level) as systemC. The aim of the research project introduced in this work is to show an embedded system design methodology. This methodology is illustrated through a design flow using the description language AADL and the SpaceStudioTM HW/SW co-design platform. It targets a parallel design of software applications and hardware platform on which applications will be executed. This project's challenge is to fill the gap between the description language AADL and SpaceStudio platform. SpaceStudio is a scriptable tool. All the graphic manipulations can also be achieved through a Python script. The proposed tool filling this gap acts as a compiler of an AADL code and generate a Python script that can be used as an input description of SpaceStudio. The created tool called AADL2Space is tested thanks to an AADL model example available on Internet. Next, an MJPEG video decoder application is used to illustrate the design flow. An AADL model of this application has been designed to provide the system's architectural description. The software part of the system has been coded in C language and bound to the AADL model. Thereby, a complete system is compiled by the designed tool and generated as a SpaceStudio project. Once the project has been instantiated on the co-design platform, it is simulated and analyzed to validate metric performances. Different architecture configurations are tested to meet system's constraints as real time scheduling, processor's use rate, use of hardware resources, etc. The chosen architecture configuration is finally synthetized to be implemented on a FPGA.


identifier: Mangeat, G. (2016). Study of Human Cortical Microstructure Using Magnetization Transfer and T2* Mapping with Application in Multiple Sclerosis  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Description du problème: La sclérose en plaques (SEP) est une maladie dévastatrice touchant plus de 100.000 personnes au Canada (MS Society of Canada). Les déficits fonctionnels engendrés par la maladie peuvent se traduire en troubles moteurs, cognitifs et sensoriels ayant un grand impact sur les activités sociales et professionnelles des patients. Le coût socio-économique de la SEP est colossal. Premièrement, la qualité de vie des patients ainsi que celle de leur familles peut se voir considérablement altérée. Deuxièmement, les traitements diminuant les effets handicapant de la SEP sont extrêmement dispendieux, leur coût annuel est estimé à plusieurs milliards de dollars au Canada (Karampampa et al. 2012) ainsi qu'aux USA (Hartung et al. 2015). De nos jours, la SEP ne se soigne pas et les détails de sa pathophysiologie restent obscures. La SEP est une maladie du système nerveux central, chronique, inflammatoire et démyélinisante. Elle est caractérisé par la formation de lésions inflammatoires et démyélinisantes prenant place dans la moelle épinière et dans les matières blanche et grise du cerveau. Bien que l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) soit resté l'outil principal de diagnostic de SEP, les lésions observées dans la matière blanche ne corrélaient que très peu avec les déficits fonctionnels observés. Récemment, il à été montré que la démyélinisation de la matière grise est un meilleur indice de l'aggravement fonctionnel (Mainero et al. 2015). Cependant, les techniques d'IRM classiques sont difficilement utilisables pour l'imagerie du cortex, en effet, son épaisseur est seulement 2 à 4 mm et la résolution spatiale d'une IRM standard est de l'ordre de grandeur de 1 mm, ce qui n'est pas suffisant pour examiner précisément la pathologies corticales. L'IRM à ultra-haut champ (7 Tesla) à été montré capable d'imager des détails microstructurels du cortex, grâce à un gain en résolution et en signal sur bruit. Récamment, il a été montré que la relaxation transverse (apellée T2*) acquise à 7 Tesla est un marqueur sensible de la progression de la pathologie corticale des patients polyscléreux, notamment, de la démyélinisation corticale (Pitt et al. 2010; Mainero et al. 2015; Cohen-Adad et al. 2011). Cependant, des effets confondants réduisent la spécificité qu'a le contraste T2* à quantifier la myéline (notamment, le contenu en fer, ou les vaisseaux sanguins) (Hwang et al. 2010; Lee et al. 2012). Une seconde mesure indépendante serait bénéfique pour augmenter la spécificité d'une potentielle estimation de quantitée de myéline. Le Ratio de Transfert de Magnétisation (MTR) à aussi été démontré sensible à la myéline dans le cortex (Derakhshan et al. 2014; Chen et al. 2013) et serait une excellent mesure  ABSTRACT: Problem description: Multiple Sclerosis (MS) is a devastating disease affecting around 100,000 people in Canada (MS Society of Canada). The functional deficits resulting from the disease include motor, cognitive and somatic troubles, affecting the social and professional activities of MS patients. The socio-economic cost of MS is colossal. Firstly, life quality of MS patients and those of their family members can be drastically hampered. Secondly, existing treatments that reduce handicapping effects of MS are expensive, with an annual cost estimated in billions of dollars in Canada (Karampampa et al. 2012) and in the USA (Hartung et al. 2015). To date, MS is not curable and its pathophysiological mechanisms are still obscure. MS is known to be a chronic, inflammatory, demyelinating disease of the central nervous system. It is characterized by the formation of inflammatory and demyelinating lesions in the spinal cord and in the brain's white and gray matters. While Magnetic Resonance Imaging (MRI) has been the main tool for diagnosing MS, correlations of white matter lesions with functional deficits remain poor. Recently, it was shown that grey matter demyelination provides a more specific assessment of functional worsening (Mainero et al. 2015). However, it is difficult to image the grey matter with standard MRI methods because the cortex is only 2-4 mm thick and the spatial resolution of standard MRI system is on the order of 1 mm, which is not sufficient for proper examination of cortical pathology. Ultra-high field MRI (7 Tesla) was shown to reveal microstructural features thanks to an increase in signal to noise ratio and spatial resolution. Recently, transverse relaxation (characterized by a time constant: T2*) at 7 Tesla was shown to be a sensitive marker of pathology and disease progression associated with demyelination in the cortex of MS patients (Pitt et al. 2010; Mainero et al. 2015; Cohen-Adad et al. 2011). However, several confounds hamper the specificity of T2* measures (iron content, blood vessels) (Hwang et al. 2010; Lee et al. 2012). An independent measure would increase the specificity to the myelin content. Magnetization Transfer Ratio (MTR) imaging has been shown to be sensitive to myelin content (Derakhshan et al. 2014; Chen et al. 2013) and thus would be an excellent complementary measure because its underlying contrast mechanisms are different than that from T2*. However, mapping MTR and T2* in the cortex is challenging because the cortical ribbon is thin, highly convoluted and its geometry varies across individuals.


identifier: El-Ariss, M. (2016). Silençage du gène MDR1 et resensibilisation des cellules MCF-7 MDR à la doxorubicine en utilisant les nanoparticules chitosane/MDR1-siARN  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le cancer est la principale cause de décès au Canada et il est à l'origine d'environ 30 % de tous les décès au pays.[1] On estime qu'en 2015, un Canadien sur quatre (24 % de femmes et 29 % d'hommes) mourra d'un cancer. Dans le monde et uniquement pour l'année 2012, on rapporte 14 millions de nouveaux cas de cancer et 8,2 millions de décès causés par cette maladie.[2] Le pire est à venir, car, selon l'Organisation mondiale de la santé, le nombre de nouveaux cas devrait augmenter d'environ 70% au cours des deux prochaines décennies. La forte mortalité associée au cancer s'explique en partie par l'acquisition d'une résistance aux médicaments qui rend les patients réfractaires à la chimiothérapie. En effet, les cellules cancéreuses soumises à un agent cytotoxique lors de la chimiothérapie risquent de développer une résistance à cet agent ainsi qu'aux divers agents partageant des ressemblances structurelles et/ou fonctionnelles. Il s'agit de cellules cancéreuses ayant une résistance multiple aux drogues (MDR "Multiple Drug resistant cells"). Le développement d'une résistance aux chimiodrogues est un problème majeur de santé publique et représente un obstacle pour le développement de nouveaux traitements anticancéreux. Les MCF-7 MDR sont des lignées établies de cellules humaines de cancer du sein qui ont développé une résistance aux chimiodrogues telle que la doxorubicine. Les MCF-7 MDR ont la particularité de surexprimer la protéine P-gp qui est responsable de la désintoxication des cellules par reflux des chimiodrogues. Le but de cette étude consistait donc à réduire l'expression de la protéine P-gp, codée par le gène MDR1 (aussi appelé gène ABCB1), dans des cellules cancéreuses MCF-7 MDR et ainsi resensibiliser ces dernières aux traitements anti-cancer. Afin d'interférer dans l'expression du gène MDR1, nous avons utilisé de petits ARN interférents, appelés siARN, complémentaires à des séquences spécifiques au niveau du gène MDR1 humain. Au total, quatre duplexes de siARN ont été utilisés pour cette étude: siARN_1, siARN_1M, siARN_2 et siARN_2M. Chacun des brins des duplexes est formé au total de 21 acides nucléiques et possède deux acides nucléiques dépassants "overhangs" à l'extrémité 3'. Les siARN_1 et siARN_1M sont complémentaires à la séquence d'acides nucléique (577-595 acides nucléiques) du gène MDR1 alors que les siARN_2 et siARN_2M sont complémentaires à une séquence légèrement décalée en aval sur le même gène (583-607 acides nucléiques). Les duplexes  ABSTRACT: Cancer is the leading cause of death in Canada and is responsible for about 30% of all deaths in the country.[1] It is estimated that by 2015, one in four Canadians (24% women and 29% men) will die from cancer. In the world and only for 2012, 14 million new cancer cases and 8.2 million deaths from the disease were reported.[2] The worst is yet to come because, according to World Health Organization, the number of new cases is expected to increase by about 70% over the next two decades. The high mortality associated with cancer is partly explained by the acquisition of drug resistance that make patients refractory to chemotherapy. In fact, cancer cells exposed to a cytotoxic agent during chemotherapy, may develop a resistance to this agent as well as various agents sharing structural or functional similarities. These cancer cells are known for multidrug resistance ("Multiple Drug resistant cells"). The development of resistance to chimiodrogues is a major public health problem that presents an obstacle for the development of new cancer treatments. MCF-7 MDR are established cell lines of human breast cancer that have developed resistance to chimiodrogues such as doxorubicin. MCF-7 MDR have the particularity to over-express P-gp protein that is responsible for the detoxification of cells by reflux of chimiodrogues. The purpose of this study was therefore to reduce the expression of P-gp, encoded by the MDR1 gene (also called gene ABCB1) in cancer cells MCF-7, and re-sensitize MCF-7 MDR cells to anti-cancer treatments. In order to modify MDR1 gene expression, we used small RNAi called siRNA that are specific to the MDR1 gene. In total, 4 duplexes of siRNA have been used: siRNA_1, siRNA_1M, siRNA_2 and siRNA_2M. Each of the duplexes strands is consists of 21 nucleic acids and has two protruding nucleic acids (overhangs) at the 3' end. siRNA_1 and siRNA_1M are complementary to the nucleic acid sequence (577-595 nucleic acids ) of the MDR1 gene, whereas siARN_2 and siARN_2M are complementary to a sequence shifted slightly downstream in the same gene (583-607 nucleic acids). RNA duplexes siRNA_1 and siARN_2 consist exclusively of DNA while "modifed" siRNA_1M and si RNA_2M consist of RNA overhangs. siRNA duplexes (siRNA_1 and siRNA_2) were chosen from the work published by Hao Wu et al. (2003), Stege et al. (2004) and Miletti-Gonzalez et al. (2005) which showed that these siRNA sequences are effective to silence MDR1 gene in cancer cells (breast cancer cells MCF-7 / AdrR and MCF-7 / BC-19 and stomach cancer cells: EPG85-257RDB).[3-5] Moreover, Strapps et al. (2010) showed that the use of siRNA having


identifier: Duquette, O. (2016). Conception d'une micro-pompe sanguine  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

title: Conception d'une micro-pompe sanguine

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal de ce mémoire est la conception d'une pompe sanguine d'assistance ventriculaire ayant un débit de 5L/min et un différentiel de pression de 100 mmHg, avec comme objectif secondaire l'évaluation de la possibilité de remplacer cette pompe par deux pompes identiques en parallèle ayant chacune un débit de 2.5L/min. Un second objectif secondaire était l'exploration de différents logiciels de conception et d'analyse de turbomachines. La conception de la pompe s'est faite à l'aide de CAESES, qui en plus d'être un logiciel de CAO donnant une grande liberté à l'utilisateur, permet également l'optimisation d'un design à l'aide de plusieurs algorithmes, dont un algorithme génétique. Quant aux logiciels Axial et Axcent, bien que testés, ils n'ont pas été utilisés dans la conception et l'analyse de la pompe. L'analyse de la pompe s'est faite principalement en CFD 3D à l'aide de CFX. Cependant d'autres logiciels de la suite Ansys ont été utilisés et testés, entre autres Turbogrid pour le maillage et Vista TF qui est un calculateur throughflow. À l'aide de ces outils, l'effet de plusieurs paramètres a été analysé, en particulier leur effet sur l'efficacité et le coefficient de charge de la pompe. Parmi les paramètres évalués, la variation du rayon au moyeu est le paramètre qui a le plus d'influence sur l'efficacité de la pompe. L'hémolyse et la puissance du design final ont également été évaluées à différents débits et différents différentiels de pression. Comme la pompe a été conçue dans le but d'être la plus efficace à un débit de 5L/min, il est normal que la puissance nécessaire par L/min soit la plus basse pour ce débit. Cependant, la véritable surprise est liée à l'hémolyse puisque contrairement à ce qui était anticipé, ce n'est pas avec le débit le plus bas que l'hémolyse est la plus basse, mais plutôt avec le débit de 5L/min. Finalement, il s'est avéré que ce n'est pas avantageux de placer deux pompes en parallèles avec un débit réduit puisque le rendement est moins bon et que l'index d'hémolyse est plus élevé.  ABSTRACT: The principal objective of this master's thesis is the design and study of an axial blood pump with a volume flow of 5L/min and a pressure differential of 100 mmHg, with a secondary objective of evaluating the possibility of replacing this pump by two identical pumps in parallel with a volume flow of 2.5L/min. Another secondary objective is the exploration and testing of different design and turbomachinery analysis software. The design of the pump was made with CAESES, which is a CAD software that gives great liberty to the user, but also permit the use of different algorithm for the optimisation of a design. For the Axial and Axcent software, they were tested, but they were not used in the design or analysis of the pump. The pump analysis was made using 3D CFD with the CFX software. However, other softwares of the Ansys suite were used and tested: Turbogrid for the mesh creation and Vista TF which is a throughflow calculator. With those tools, it was possible to study the effect of different parameters of the pump. Amongst those parameters, it is the hub radius that has the biggest impact on the pump efficiency. The hemolysis and the power of the pump were also evaluated at different volume flow and delta pressure. Since the pump was designed for a flow of 5L/min, it is normal that the power per L/min is lower for this volume flow. However, the big surprise is that the lowest hemolysis was not found with the lowest volume flow, but the flow of 5L/min. So it is not an advantage to replace the pump at 5L/min by two identical pump in parallel.


identifier: Beaudoux, P. (2016). Décollement mobile dans les écoulements bidimensionnels et instationnaires  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire étudie le décollement de la couche limite, particulièrement les critères de localisation du point de décollement et le calcul de la forme du profil pour des écoulements instationnaires. Nous défendons la théorie d'un point de décollement situé en dehors de la paroi pour des écoulements où l'on ne peut pas définir une moyenne temporelle. Une première étude sur différents écoulements permet de se familiariser avec les théories de détection du décollement (appelés aussi critères de détection). Pour cela nous utilisons la solution analytique d'un écoulement généré par un cylindre en rotation et en translation au voisinage d'une paroi. La translation prend plusieurs formes (oscillation, avance rectiligne uniforme, avance couplée à une oscillation), le but étant de travailler avec plusieurs catégories d'écoulements bidimensionnels (stationnaire, instationnaire périodique...). Nous calculons (numériquement) les positions des points et la forme des profils de décollement (forme de la courbe d'éjection des particules) pour chacun des écoulements. Nous observons que lorsque le cylindre effectue une translation uniforme (et une avance oscillatoire) nous arrivons à capturer un point de décollement hors paroi. Nous recréons en laboratoire les écoulements étudiés auparavant et utilisons les données de nos expériences pour calculer les lieux et profils du décollement, nous validons ainsi la plupart de nos observations et statuons sur la présence ou non d'un point de décollement à la paroi. Nous proposons également un modèle d'évolution temporelle de ce point.  ABSTRACT: In this work we study two types of unsteady separation in two-dimensional flows: fixed and moving separation. We support the fact that moving separation is located inside the flow and not on the wall in unsteady flows where a temporal average cannot be defined. We first apply recent theories to an analytical solution of the rotor-oscillator flow, which is a flow generated by a rotating cylinder placed parallel to a wall, thus generating a separation on the wall. Since, in addition, the cylinder can be simultaneously translated along the wall with any desired velocity profile (an oscillation, a constant translation velocity or a constant translation velocity superimposed on an oscillating movement), separation can be easily manipulated and studied under different flow conditions (steady, periodic, etc.). For each case, the location of separation as well as the shape of the separation profile are estimated. We observe that for non-periodic cases, the separation point is indeed off the wall without any connection to on-wall quantities. An experimental setup is used to complete these observations through PIV velocity measurements. Results confirm previous findings and a method to obtain the separation point and profile is proposed when the flow is periodic in the reference frame moving with the cylinder.


identifier: Amiri, M. (2016). Multimodal Diffuse Optical Imaging Evidence of Age-Related Changes in Neural Substrates of Semantic Words Processing  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le vieillissement rapide de la population au Canada changera les aspects démographiques à l'avenir par le fait que les personnes âgées de 65 ans et plus vont dépasser en volume les jeunes de moins de 20 ans. En sachant les coûts associés au traitement et au soutien des personnes âgées atteintes par une ou plusieurs démences cognitives, on admet l'importance des études gériatriques pour mieux comprendre les mécanismes neurophysiologiques du vieillissement. L'intérêt principal est de trouver un lien entre les effets neurologiques du vieillissement et ceux du déclin cognitif afin d'établir des stratégies qui encourageront un vieillissement en santé. Notre compréhension du cerveau a beaucoup évolué au cours des dernières décennies grâce à de nouvelles techniques en imagerie cérébrale. Pourtant, l'interprétation de ces données reste un défi. Dans le cas de l'imagerie fonctionnelle par résonance magnétique (IRM) ou par optique diffuse (IOD), la réponse neuronale est indirectement dérivée de l'hémodynamique. Cette dernière est sujette à de complexes interactions entre l'oxygénation du cerveau, le volume et le débit sanguin, ainsi que la structure hétérogène du cortex. Ces interactions rendent difficile une interprétation quantitative des données. Dans le cas des études en vieillissement cognitif, ces paramètres sont de plus modifiés par l'âge, ce qui mène à une importante variabilité interindividuelle dans l'interprétation des données. La caractérisation des effets neurophysiologiques du vieillissement sur les signaux d'imagerie cérébrale est donc essentielle pour permettre des études rigoureuses du déclin cognitif avec l'âge. Vu les limites en rapport avec les signaux intrinsèques de chacune des modalités d'imagerie non-invasive, l'intérêt pour les études multimodales s'accroît car elles permettent de calibrer avec plus de précision les données fonctionnelles. L'intégration des données complémentaires acquises via différentes modalités de neuroimagerie, dans cette étude, nous a permis de quantifier les activations neuronales et de surveiller leurs modifications reliées au vieillissement. Un montage de spectroscopie en temps résolu, fait au laboratoire, nous a fourni des données au repos sur la concentration en oxy- et déoxyhémoglobine, ainsi que sur le volume sanguin. En imagerie par résonance magnétique, une séquence anatomique nous a servi à 1) évaluer une potentielle corrélation entre l'épaisseur corticale (matières grise et blanche) et le niveau de la réponse hémodynamique et 2) Recaller la carte d'activité cérébrale de chaque participant sur son image anatomique. On rajoute ces dernières mesures comme régresseur à un modèle linéaire généralisé de la réponse hémodynamique. En faisant l'hypothèse que ces changements de bases sont liés à la physiologie,  ABSTRACT: The demographic features of the population of Canada will experience an unprecedented historical change in the near future by the number of individuals above 65 years surpassing the number of youngsters under 20 years. Considering the costly consequences of age-related cognitive decline, both for individuals and the society, studying the neurophysiological mechanisms of these unfavorable changes has become an utmost priority in health research. The main goal of this field is to link the effects of cerebral aging to those of cognitive aging in order to stablish strategies promoting healthy aging. Normal cerebral aging is accompanied by some neurophysiological and neuroanatomical alterations depending on epigenetics of individuals. Amongst neurophysiological deteriorations causing cognitive decline, one should account for the neural loss, cortical density reduction, neurovascular, metabolic, and neurotransmission dysfunctions. Taken together these alterations with age, we were interested to determine whether older adults are affected in their cognitive abilities by more than one simple factor. In another word, we aimed at exploring the potential relationship between the abovementioned age-related alterations with cognitive performance. However, the main challenge of such study appears when interpreting functional data regarding baseline measures of each individual. Thus, the increased inter and intra-individual variability in cognitive studies is mainly due to their large variations in structural and neurophysiological characteristics in the course of their lifespan. In this project, we defined a multi-modal neuroimaging protocol with the aim of calibrating the functional measures of task-related activity by measured individual baseline neurophysiological characteristics. To assess individuals` cerebral blood flow at rest, one of the constituent of hemodynamic response, we used an arterial-spin labeling sequence of magnetic resonance imaging. This technique based on tagging water in blood, gives the blood quantity emerging to brain. Carotids, the main arterial vessels that supply blood to brain, neck and face, are well known to be affected by age inter-individually and play as a non-functional moderator in hemodynamic response formation. As an estimate of total blood volume and baseline concentration of oxy- and deoxyhaemoglobin, we used a home-made 4-chanel time resolution optical device to acquire data from each participant's prefrontal lobe. To refine the spatial resolution of non-invasive optical imaging, we also acquired anatomical MR images of each participant to 1) calculate cortical thickness with the objective of evaluating the correlation


identifier: De Kerret, F. (2016). Étude expérimentale des écoulements eau-air à haut taux de vide dans les faisceaux de tubes  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les écoulements diphasiques sont très présents dans l'industrie, que ce soit dans le secteur industriel pétrolier ou dans les générateurs de vapeur des centrales nucléaires. Nous nous intéressons particulièrement à ce dernier secteur, et notamment aux écoulements diphasiques à haut taux de vide se présentant dans la partie supérieure du générateur de vapeur, où un écoulement transverse aux tubes a lieu. Dans cette région, les fluides exercent d'importants efforts sur les tubes, ce que nous voulons analyser. Pour cela il faut être capable dans un premier temps de déterminer le régime de l'écoulement diphasique, qui peut être à bulles, intermittent, ou encore annulaire. Il faut pour cela que nous caractérisions ces divers régimes. Pour déterminer la nature des écoulements, de nombreuses études ont été réalisées, mais la plupart d'entre elles étaient effectuées pour des écoulements internes dans des tubes cylindriques et non pour des écoulements externes transverses représentant la géométrie d'un générateur de vapeur. Nous avons alors entrepris une campagne de mesures pour un écoulement transverse à un faisceau de tubes  représentatif de la partie haute d'un générateur de vapeur. Nous nous sommes intéressés aux écoulements à haut débit de gaz qui sont particulièrement méconnus alors qu'ils sont potentiellement responsables de dégradations. À l'aide de mesures de pression et de taux de vide, nous avons caractérisé les divers régimes d'écoulements, et défini les débits de fluides pour lesquels chacun était visible. Nous avons obtenu des cartes d'écoulement plus complètes que celles présentées dans la littérature, grâce à une nouvelle méthodologie. Nous nous sommes ensuite concentrés sur le régime d'écoulement pour lequel d'importantes fluctuations de pression sont visibles, car il s'agit du régime pour lequel les dégradations seront les plus importantes sur les tubes du générateur de vapeur. Nous avons alors mis en évidence deux types de fluctuations de pression à des fréquences différentes. Nous avons caractérisé les dépendances de ces fluctuations aux vitesses des fluides, à l'altitude dans la section, à la pression moyenne dans la section, ainsi qu'à la géométrie de la sortie. Ainsi cette étude a permis, à l'aide d'une nouvelle méthodologie, d'apporter une nouvelle compréhension sur les comportements responsables de forces destructrices dans les générateurs de vapeur des centrales nucléaires.  ABSTRACT: Two-phase flows are very frequent in the industry, especially in the petroleum industry and in the nuclear industry. In steam generators of nuclear plants, water is heated so that at the top of the generator an important fraction of the water flows as gas. In this upper part a two phase flow transverse to the tube bundle takes place. Fluids exert significant forces on the tubes in this area, and that is why we want to study this specific geometry. For this we must gather information on the flow conditions associated to the different two-phase flow patterns, which can be bubbly, intermittent, or annular. This requires that we characterize first those flow patterns. Many studies have been done to determine the nature of the flows, but most of them were carried out for internal flows in cylindrical tubes and not for transverse external flows typical of flow inside a steam generator. We undertook an experimental campaign for a transverse flow in a tube bundle representative of the flow in a steam generator. We were particularly interested with flow patterns that contain high gas fraction. This kind of flow are particularly not well known and they are potentially responsible for damages. Using pressure and void fraction measurements, we characterized the flow patterns and their corresponding flow rates. We obtained a more complete flow pattern map than those presented in the literature, thanks to a new methodology. We then focused on the flow pattern for which significant pressure fluctuations are noticeable. For this pattern, important damages are expected on the tubes of the steam generator. We showed that two types of pressure fluctuations occur at different frequencies. We  characterized dependencies of these fluctuations in term of fluid velocities, location in the experimental setup, mean pressure, as well the geometry of the exit. Thanks to a new methodology, this study brought a new understanding on causes of destructive forces in the steam generators of nuclear power plants.


identifier: Mandal, K. K. (2016). Intra-Operative Needle Tracking Using Optical Shape Sensing Technology  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Contexte : Les métastases hépatiques colorectales sont la principale cause de décès liée au cancer du foie dans le monde. Au cours de la dernière décennie, il a été démontré que l'ablation par radiofréquence (RFA, pour radiofrequency ablation) est une méthode de traitement percutané très efficace contre ce type de métastases. Cela dit, un positionnement précis de l'embout de l'aiguille utilisé en RFA est essentiel afin de se départir adéquatement de la totalité des cellules cancéreuses. Une technologie prometteuse pour obtenir la forme et la position de l'aiguille en temps réel est basée sur l'utilisation de réseaux de Bragg (FBG, pour fiber Bragg grating) à titre de senseur de contrainte. En effet, ce type de senseurs a une vitesse d'acquisition allant jusqu'à 20 kHz, ce qui est suffisamment rapide pour permettre des applications de guidage en temps réel. Méthode : Les travaux présentés au sein de ce mémoire décrivent le développement d'une technologie, compatible aux systèmes d'imageries par résonance magnétique (IRM), permettant d'effectuer le suivi de la forme de l'aiguille utilisée en RFA. Premièrement, trois fibres contenant une série de réseaux de Bragg ont été collées dans une géométrie spécifique et intégrées à l'intérieur d'une aiguille 20G-150 mm. Ensuite, un algorithme de reconstruction de forme tridimensionnelle a été développé, basé sur les mesures de translation spectrales des FBGs acquises en temps réel durant le guidage de l'aiguille. La position du bout de l'aiguille ainsi que la forme tridimensionnelle complète de celle-ci ont été représentées et comparées à la position de la zone ciblée à la suite d'une simple méthode de calibration. Finalement, nous avons validé notre système de navigation en effectuant une série d'expériences in vitro. La précision du système de reconstruction tridimensionnelle de la forme et de l'orientation de l'aiguille a été évaluée en utilisant deux caméras positionnées perpendiculairement de manière à connaitre la position de l'aiguille dans le système d'axes du laboratoire. L'évaluation de la précision au bout de l'aiguille a quant à elle été faite en utilisant des fantômes précisément conçus à cet effet. Finalement, des interventions guidées en IRM ont été testées et comparées au système de navigation électromagnétique NDI Aurora (EMTS, pour Electromagnétic tracking system) par le biais du FRE (fiducial registration error) et du TRE (target registration error). Résultats: Lors de nos premières expériences in vitro, la précision obtenue quant à la position du bout de l'aiguille était de 0,96 mm pour une déflexion allant jusqu'à ±10,68 mm. À titre comparatif, le système d'Aurora a une précision de 0.84 mm dans des circonstances similaires. Les résultats obtenus lors de nos seconds tests ont démontré que l'erreur entre la position réelle du bout de l'aiguille et la position fournie par notre système de reconstruction de forme est de 1,04 mm, alors qu'elle est de 0,82 mm pour le EMTS d'Aurora. Pour ce qui est de notre dispositif, cette erreur est proportionnelle à l'amplitude de déflexion de l'aiguille, contrairement à l'EMTS pour qui l'erreur demeure relativement constante. La dernière expérience a été effectuée à l'aide d'un fantôme en gélatine, pour laquelle nous avons obtenu un TRE de 1,19 mm pour notre système basé sur les FBG et de 1.06 mm pour le système de navigation par senseurs électromagnétiques (EMTS). Les résultats démontrent que l'évaluation du FRE est similaire pour les deux approches. De plus, l'information fournie par les caméras permet d'estimer la précision de notre dispositif en tout point le long de l'aiguille. Conclusion : En analysant et en interprétant les résultats obtenus lors de nos expériences in vitro, nous pouvons conclure que la précision de notre système de navigation basé sur les FBG est bien adaptée pour l'évaluation de la position du bout et la forme de l'aiguille lors d'interventions RFA des tumeurs du foie. La précision de notre système de navigation est fortement comparable avec celle du système basé sur des senseurs électromagnétiques commercialisé par Aurora. L'erreur obtenue par notre système est attribuable à un mauvais alignement des réseaux de Bragg par rapport au plan associé à la région sensorielle et aussi à la différence entre le diamètre des fibres et celui de la paroi interne de l'aiguille.  ABSTRACT: Background: Colorectal liver metastasis is the leading cause of liver cancer death in the world. In the past decade, radiofrequency ablation (RFA) has proven to be an effective percutaneous treatment modality for the treatment of metastatic hepatic cancer. Accurate needle tip placement is essential for RFA of liver tumors. A promising technology to obtain the real-time information of the shape of the needle is by using fiber Bragg grating (FBG) sensors at high frequencies (up to 20 kHz). Methods: In this thesis work, we developed an MR-compatible needle tracking technology designed for RFA procedures in liver cancer. At first, three fibers each containing a series of FBGs were glued together and integrated inside a 20G-150 mm needle. Then a three-dimensional needle shape reconstruction algorithm was developed, based on the FBG measurements collected in real-time during needle guidance. The tip position and shape of the reconstructed 3D needle model were represented with respect to the target defined in the image space by performing a fiducial-based registration. Finally, we validated our FBG-based needle navigation by doing a series of in-vitro experiments. The shape of the 3D reconstructed needle was compared to measurements obtained from camera images. In addition, the needle tip accuracy was assessed on the ground-truth phantoms. Finally, MRI guided intervention was tested and compared to an NDI Aurora EM tracking system (EMTS) in terms of fiducial registration error (FRE) and target registration error (TRE). Results: In our first in-vitro experiment, the tip tracking accuracy of our FBG tracking system was of 0.96 mm for the maximum tip deflection of up to ±10.68 mm, while the tip tracking accuracy of the Aurora system for the similar test was 0.84 mm. Results obtained from the second in-vitro experiment demonstrated tip tracking accuracy of 1.04 mm and 0.82 mm for our FBG tracking system and Aurora EMTS, respectively for the maximum tip deflection of up to ±16.83 mm. The tip tracking error in the developed FBG-based system reduced linearly with decreasing tip deflection, while the error was similar but randomly varying for the EMTS. The last experiment was done with a gel phantom, yielding a TRE of 1.19 mm and 1.06 mm for the FBG and EM tracking, respectively. Results showed that across all experiments, the computed FRE of both tracking systems was similar. Moreover, actual shape information obtained from the camera images ensured the shape accuracy of our FBG-based needle shape model.  Conclusion: By analyzing and interpreting the results obtained from the in-vitro experiments, we conclude that the accuracy of our FBG-based tracking system is suitable for needle tip detection in RFA of liver tumors. The accuracy of our tracking system is nearly comparable to that of the Aurora EMTS. The error given by our tracking system is attributed to the misalignment of the FBG sensors in a single axial plane and also to the gap between the needle's inner wall and the fibers inside.


identifier: Kafrouni, L. (2016). Synthesis and Characterization of Palladium-Cobalt Alloy for New Medical Micro-Devices  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Selon les statistiques canadiennes sur le cancer, on estime que 196 900 Canadiens développeront un cancer et que 78 000 en mourront en 2015. Étant donné que les cellules tumorales sont plus sensibles que les cellules saines à une augmentation de température, cette propriété peut être utilisée in vivo pour détruire les cellules cancéreuses par l'élévation de la température du corps, également connu sous le nom d'hyperthermie. L'hyperthermie magnétique est une technique prometteuse pour le traitement ciblé du cancer à l'aide des nanoparticules magnétiques, et ayant donc moins d'effets secondaires que la chimiothérapie et la radiothérapie. Malgré que l'hyperthermie magnétique a été utilisée depuis des milliers d'années pour le traitement du cancer, le défi de destruction des cellules cancéreuses reste très difficile. Pour cette raison, les oncologues utilisent souvent le traitement par hyperthermie magnétique en combinaison avec la radiothérapie et/ou la chimiothérapie. Cette approche thérapeutique combinée a pour but de sensibiliser les cellules cancéreuses résistantes à la radiothérapie et/ou la chimiothérapie. Pour utiliser l'hyperthermie magnétique toute seule dans le traitement du cancer, des difficultés au niveau de la modification de surface des particules magnétiques, pour une absorption sélective par les cellules cancéreuses, et au niveau de la stabilité et des propriétés magnétiques, pour une capacité de chauffage élevée (> 1000 W/g), doivent être surmontées. L'objectif ultime de cette thèse est de synthétiser un excellent candidat pour une hyperthermie magnétique puissante. En raison des progrès rapides effectués dans le domaine des nanotechnologies, un procédé de synthèse de nanoparticules ayant une capacité de contrôle rigoureux de: la structure et la morphologie, la taille, la forme et la cristallinité, est nécessaire. L'électrodéposition est un procédé polyvalent pour la synthèse des NPs métalliques directement et sélectivement sur des substrats conducteurs par simple réglage du courant ou de la tension appliquée. En outre, la taille des particules et la forme sont facilement contrôlables, et les études ont montré que l'électrodéposition est d'une grande utilité dans la fabrication d'alliages palladium-cobalt (PdCo) nanocristallins. L'objectif principal de ce projet est de synthétiser des NPs d'alliage PdCo par électrodéposition sur une électrode de graphite. Les objectifs secondaires sont d'optimiser les paramètres suivants: la composition, la taille, la forme et la surface des NPs d'alliage PdCo afin d'améliorer leur stabilité, production de chaleur et nanotoxicité pour répondre aux besoins cliniques.  ABSTRACT: According to Canadian Cancer Statistics, it is estimated that 196,900 Canadians will develop cancer and 78,000 will die of cancer in 2015. Given that tumor cells are more sensitive to a temperature increase than healthy ones, this property can be used in vivo to destroy the cancerous cells by elevation of body temperature, otherwise known as hyperthermia. Magnetic hyperthermia is a promising technique for cancer treatment because of ease in targeting the cancerous cells using magnetic nanoparticles (MNPs) and hence having fewer side effects than chemotherapy and radiotherapy. Despite the use of magnetic hyperthermia to treat cancer for thousands of years, the challenge of only heating malignant cells remains daunting. Thus, oncologists often use the heat treatment in combination with radiotherapy or chemotherapy or both. The combined approach results in eliminating many cancer cells in addition to making the resistant cancer cells more vulnerable to other treatments. To use stand-alone magnetic hyperthermia therapy, difficulties in surface modification of magnetic particles for selective uptake by cancerous cells and stability as well as magnetic properties for high heating capacity (> 1000 W/g) must be overcome. The ultimate objective of this thesis is to synthesize an excellent candidate for a powerful magnetic hyperthermia. Due to rapid advances in nanotechnology, a synthesis method of nanoparticles (NPs) with the ability to rigorously control the structure and morphology, such as size, shape and crystallinity, is needed. Electrodeposition is a versatile method for the synthesis of metal NPs directly and selectively onto conductive substrates, simply by regulating applied current or voltage. Furthermore, the particles size and the shape are easily controllable. Besides, studies have shown that the electrodeposition technique is of great utility in the fabrication of nanocrystalline palladium-cobalt (PdCo) alloys. The primary goal of this project is to synthesize monodispersed PdCo alloy NPs by electrodeposition, on graphite electrode. The secondary goals are to optimize the following parameters: composition, size, shape and surface of the PdCo alloy NPs in order to enhance its stability, heat generation and nanotoxicity facing their use for clinical applications.