identifier: Darabi Mahboub, M. J. (2018). Keggin-Type Catalysts Partially Oxidize 2-Methyl-1,3- Propanediol to Methacrylic Acid in a Micro-Fluidized Bed Reactor  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le méthacrylate de méthyle est le monomère du polyméthacrylate de méthyle. Ce dernier, commercialisé sous les noms de marques Acrylite®, Plexiglas®, Lucite®, Optix®, Perspex®, Oroglas®, Cyrolite®, Sumipex® et Altuglas®, a diverses applications industrielles dans les peintures et revêtements ou l'électronique, comme modificateur pour le PVC, ou pour les implants osseux Nagai (2001); Godfrey (1963); Kung (1994); W. Dormer et al. (1998); Smith et al. (1999). La demande en MMA dépassera les 4.8 millions de tonnes d'ici à 2020 Global Market Analysts (2016). La région Asie–Pacifique est son principal marché, elle inclut notamment la Chine, son premier producteur et consommateur mondial. L'Amérique du Nord et l'Europe se classent deuxième et troisième, respectivement, tandis que le Moyen–Orient, l'Afrique, et l'Amérique Latine représentent les marchés en plus forte croissance Global Market Analysts (2016). Le PMMA (produit à partir de MMA) dépassera lui les 2.8 millions de tonne en demande annuelle. Mitsubishi Rayon a ainsi rapporté une croissance de la demande de plus de 0.2 millions de tonnes en rythme annuel (5% to 6%) Nagai et Ui (2004); Program (2006); Schunk et Brem (2011). Cette hausse de la demande en PMMA se traduit en moyenne par une augmentation annuelle de l'ordre de 10% du prix au gros du MMA Jing (2012). En 2015, la demande globale égalait la capacité de production à l'échelon mondial Markit (2016); Global Market Analysts (2016). La production de méthacrylate de méthyle (MMA) par le procédé acétone cyanohydrine (ACH) dépend de matières premières couteuses et toxiques et souffre de faibles conversions. L'estérification de l'acide méthacrylique (MAA) en MMA est une alternative au ACH. Cependant, les procédés de synthèse de MAA requièrent plusieurs étapes et leurs catalyseurs ont une faible durée de vie. L'oxydation d'oléfines légères en acide méthacrylique (MAA) – en tant que matières premières alternative pour le MMA— réduit les lacunes du précédé actuel Montag et Mckenna (1991); Drent et Budzelaar (1996); Zhou et al. (2015). Toutefois, les voies proposées depuis ces matières premières souffrent également de faibles conversions, de multiples étapes et de la faible durée de vie des catalyseurs. Nous avons employé un micro-lit fluidisé gaz-solide pour oxyder partiellement, et pour la première fois, du 2–méthyl–1,3–propanediol (2MPDO) sur un catalyseur hétérogène. Au travers du choix du catalyseur, du design du micro-lit fluidisé, de la réaction des composés thermosensibles en produits à valeur ajouté, et du modèle cinétique, nous avons cherché à optimiser l'ensemble du procédé catalytique pour développer une nouvelle approche pour l'oxydation partielle du 2MDPO en produits chimiques de spécialité. Avant de s'attaquer au corps de ce projet de recherche, nous avons réalisé dans le second chapitre une étude compréhensive de l'ensemble des procédés actuels, commerciaux et potentiels permettant la “Synthèse catalytique d'acide méthacrylique et de méthacrylate de méthyle” (Chapitre 2 : “Catalysis for the synthesis of methacrylic acid and methyl methacrylate”) afin de comprendre les points suivants: 1. Les avantages et inconvénients des procédés actuels ; 2. Le choix, potentiel ou commercial, du catalyseur pour chaque approche ; 3. Les conditions opératoires optimales et les mécanismes réactionnels possibles. Pour le premier objectif spécifique, nous proposons un nouveau procédé hétérogène gaz-solide-liquide dans lequel nous atomisons le réactif, liquide, sur le catalyseur pour réaliser l'oxydation partielle du 2MPDO en MAA et en méthacroléine (MAC). À cet égard, nous avons assigné les chapitres 3 et 4 de cette thèse– ainsi que deux articles publiés– à cet objectif spécifique. Le chapitre 3 est intitulé : “Oxydation en phase gaz du 2–méthyl–1,3–propanediol en acide méthacrylique sur des catalyseurs hétéropolyacidiques” (“Gas phase oxidation of 2–methyl–1,3–propanediol to methacrylic acid over heteropolyacid catalysts”). Le quatrième chapitre, portant sur le même thème, est intitulé : “Oxydation partielle du 2–méthyl–1,3–propanediol en acide méthacrylique : modélisation expérimentale et du réseau neural” (“Partial oxidation of methyl–1,3–propanediol to methacrylic acid : experimental and neural network modeling”). Le 2MPDO liquide est atomisé par de l'argon sur la surface du catalyseur à une température de 250   °C. La première difficulté expérimentale est l'agglomération du catalyseur au cours du temps qui conduit à l'obstruction du distributeur après quelques expériences. Afin de surmonter ce problème, nous avons optimisé le ratio Ar/2MPDO (gaz/réactif liquide), la configuration de la buse, et la perte de charge. Parmi tous les catalyseurs hétérogènes synthétisés, les hétéropolycomposés de type Keggin sont ceux qui se sont montrés les plus actifs pour réaliser le clivage de la liaison C−H et oxyder sélectivement le 2MPDO en MAA+MAC. La température et le ratio 2MPDO:O2 affectent de façon prépondérante le rendement en produits désirés. Les autres éléments à considérer pour ce procédé sont la formation de coke, le haut taux de conversion, et la formation de sous-produits. Bien que nous ayons testé différent types de catalyseurs avec différentes conditions opératoires, nous n'avons toujours aucune idée de la nature de la relation entre structure du catalyseur et sélectivité en produits. Il nous faut également réfléchir à la nature des sites actifs pour ce type de catalyseur et pour cette réaction sachant que la température de calcination est le paramètre de synthèse ayant le plus d'impact sur les performances du catalyseur. Notre second objectif spécifique a ainsi consisté à calciner le catalyseur optimal (déterminé au premier objectif) à différentes températures. Nous avons caractérisé le catalyseur avec différentes techniques pour distinguer les différences induites par la calcination en termes de structures. Nous proposons ainsi un nouveau mécanisme qui lie la structure du catalyseur, les réactifs, et les produits. Les résultats du second objectif ont été publiés dans un article reproduits dans le chapitre 5. Le chapitre 5 est intitulé “Des catalyseurs de type Keggin à base de Cs, V et Cu oxydent partiellement le 2–méthyl–1,3–propanediol en acide méthacrylique” (“Cs, V, Cu Keggin–type catalysts partially oxidize 2–methyl–1,3–propanediol to methacrylic acid”). La dernière étape a consisté à modéliser les données expérimentales des différents mécanismes. Le modèle de Mars et Van Krevelen caractérise nos données mieux que ceux de Langmuir– Hinshelwood ou de Eley–Rideal : la séquence réactionnelle implique à la fois des réactions en série et en parallèle dans lesquelles le 2MDPO forme du MAC et du MAA directement et où le MAC formé réagit ensuite pour donner du MAA. Le taux de réaction en série du MAC en MAA est 50 fois plus rapide que celui de la réaction en parallèle (formation du MAC et du MAA). La réaction de 2MPDO sur les sites oxydés pour former des produits est la étape limitante. Le chapitre 6 intitulé “Cinétique d'oxydation du 2-méthyle-1,3-propanediol en acide méthacrylique”. À l'aide de la compréhension glanée dans ce projet, nous pouvons conclure que l'oxydation partielle du 2MDPO dans un réacteur à lit fluidisé gaz-solide est une approche novatrice pour valoriser le 2MDPO en produits chimiques de spécialité et en acides carboxyliques en particulier. Dans le système gaz-solide-liquide, le 2MDPO est introduit lentement dans le lit avec lequel il est en contact direct. Il s'évapore, et s'oxyde soit à la surface du catalyseur, soit dans le lit. Il est converti en acides carboxyliques. Les catalyseurs acides à base de vanadium et de molybdène font preuve de performances prometteuses pour la conversion du 2MDPO en produits à valeur ajoutée. Si l'activité catalytique affecte le rendement et la sélectivité en produits, les conditions opératoires telles que la température et la concentration en O2 ont elles-aussi un impact majeur. Le modèle cinétique proposé prédit de façon précise, tout en restant simple, la conversion en 2MDPO, la sélectivité en produits, et l'effet des différents paramètres. Le co-produit de la méthode ici-présentée est du syngaz, un mélange de CO+H2 pouvant être transformé en carburants et autres produits chimiques.  ABSTRACT: Methyl methacrylate (MMA) is a specialty monomer for poly–methyl–methacrylate (PMMA), which is marketed under trademarks Acrylite®, Plexiglas®, Lucite®, Optix®, Perspex®, Oroglas®, Cyrolite®, Sumipex® and Altuglas® and applied in diverse industries including paints and coatings, electronics, as a modifier for PVC, and as bone inserts Nagai (2001); Godfrey (1963); Kung (1994); W. Dormer et al. (1998); Smith et al. (1999). Demand of MMA will surpass 4.8 million metric tonne by 2020 Global Market Analysts (2016), where Asia–Pacific is the main market in which China ranks first for production and consumption. North America and Europe are ranked second and third, respectively, while the Middle East, Africa, and Latin America are the areas growing the fastest Global Market Analysts (2016). PMMA (produced from MMA) surpassed 2.8 million tonne annually. Mitsubishi Rayon reported annual growth in demand of more than 0.2 million tonnes (5% to 6%) Nagai et Ui (2004); Program (2006); Schunk et Brem (2011). Due to the increasing demand for PMMA, the price of bulk MMA increased by 10% annually Jing (2012).In 2015, the worldwide demand equalled the global supply capacity Markit (2016); Global Market Analysts (2016). The acetone cyanohydrin process (ACH) to produce methyl methacrylate (MMA) relies on expensive and toxic feedstock and suffers from low yield. Methacrylic acid (MAA) esterification to MMA is an alternative to ACH. However, current processes to produce MAA require multi steps and catalysts lifetime are short. Oxidizing light olefins to methacrylic acid (MAA) – as an alternative feedstock for MMA– reduces the deficiencies of the current process Montag et Mckenna (1991); Drent et Budzelaar (1996); Zhou et al. (2015). However, the proposed routes from these feedstocks also suffer from low yield, multiple steps, and short catalyst lifetime. We employed a gas–solid micro fluidized bed reactor to partially oxidize 2–methyl–1,3–propanediol (2MPDO) over the heterogeneous catalysts for the first time. We targeted developing a catalytic process, the catalyst used, temperature sensitive materials to value added chemicals, a micro fluidized-bed reactor, and kinetic modeling to pave a new road in the partial oxidation of 2MPDO into specialty chemicals. Before starting the main body of the research, we did a comprehensive study as the second chapter entitled “Catalysis for the synthesis of methacrylic acid and methyl methacrylate” on all current commercialized/potential processes to understand the following aspects: 1. The advantages or disadvantages of the current approaches; 2. The potential commercial or developed catalysts for each route; 3. The optimum operating conditions and possible mechanisms. As the first specific objective, we propose a new gas-solid-liquid heterogeneous process in which we atomize the liquid reactant over the catalyst to partially oxidize 2MPDO into MAA and methacrolein (MAC). In this regard, we assigned chapters 3 and 4 of this thesis–as two published papers– to this specific objective. The third chapter is “Gas phase oxidation of 2–methyl–1,3–propanediol to methacrylic acid over heteropolyacid catalysts”. The fourth chapter is also assigned to “Partial oxidation of methyl–1,3–propanediol to methacrylic acid: experimental and neural network modeling”. Argon atomized the liquid 2MPDO over the catalyst surface operating at 250 °C. However, the first encountered issue was catalyst agglomeration with time which blocked injector after some experiments. To overcome this problem, we optimized the Ar/2MPDO ratio, the nozzle configuration and pressure drop. Among the synthesized heterogeneous catalysts, Keggin–type heteropolycompounds were active to cleavage C−H bond of hydrocarbon and selectively oxidize 2MPDO to MAA+MAC. Temperature and the 2MPDO:O2 ratio affect the yield of desired products. Coke formation, high conversion and forming byproducts are the other issues of this process. Although we tested several kind of catalysts over different operating conditions, we still have no idea what the correlation between catalyst structure and products selectivity. On the other hand what the active sites in this catalyst type for this reaction? Moreover, calcination temperature is the most effective parameters on charge transfer among metal ions of catalyst that affects its performance. Therefore as the second objective, we calcined the optimum catalyst structure (obtained from the first objective) at different temperatures. We characterized the catalyst with several techniques to distinguish the differences in their structures. We propose a new mechanism that correlates the catalyst structure, reactant, and products. The results of second objective published as a paper in chapter 5. Chapter 5 entitled “Cs, V, Cu Keggin–type catalysts partially oxidize 2–methyl–1,3–propanediol to methacrylic acid”. As the last step, we modeled experimental data by different mechanisms. The Mars and Van Krevelen model characterizes the experimental data better than the either the Langmuir–Hinshelwood or Eley–Rideal models: The reaction sequence involves both parallel and series reactions in which 2MPDO for MAC and MAA directly and MAC reacts to form MAA but the series reaction rate to MAA is 50 times faster than the parallel reaction rate. Reacting of 2MPDO over the oxidized sites to form products is the rate–limiting step. Chapter 6 entitled “Oxidation kinetics of 2–methyl–1,3–propanediol to methacrylic acid”. With the help of the insight gained in this study we can say that the partial oxidation of 2MPDO in the gas–solid fluidized–bed reactor is a novel approach for upgrading 2MPDO to value–added chemicals and in particularly carboxylic acids as an open chain product from 2MPDO. In the gas-solid-liquid system, 2MPDO was introduced to the bed slowly, directly contacted with the catalyst, evaporates, and oxidized on the surface of the catalyst or in the bed and converted to carboxylic acids. Acidic catalyst based on vanadium and molybdenum demonstrated promising performance in the conversion of 2MPDO to fine chemicals. However, catalyst activity and selectivity changes the liquid product yield and selectivity but reaction condition such as temperature and O2 concentration have a considerable effect, as well. The proposed kinetic model, however, was simple but accurately predicts 2MPDO conversion, product selectivity and the effect of various parameters. The by-product of the introduced method was syngas, which can be converted into fuel and chemicals.


identifier: Zaimi, A. (2018). Automatic Axon and Myelin Segmentation of Microscopy Images and Morphometrics Extraction  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Dans le système nerveux, la transmission des signaux électriques se fait par l'intermédiaire des axones de la matière blanche. La plupart de ces axones, aussi connus sous le nom de fibres nerveuses, sont entourés par la gaine de myéline. Le rôle principal de la gaine de myéline est d'accroître la vitesse de transmission du signal nerveux le long de l'axone, un élément crucial pour la communication sur de longues distances. Lors de pathologies démyélinisantes comme la sclérose en plaques, la gaine de myéline des axones du système nerveux central est attaquée par des cellules du système immunitaire. Ceci peut conduire à la dégénérescence de la myéline, qui peut se manifester de diverses façons : une perte du contenu en myéline, une diminution du nombre d'axones myélinisés ou même des dommages axonaux. La microscopie à haute résolution des tissus myélinisés offre l'avantage de pouvoir imager la microstructure du tissu au niveau cellulaire. L'extraction d'information quantitative sur la morphologie passe par la segmentation des axones et gaines de myélines composant le tissu sur les images microscopiques acquises. L'extraction de métriques morphologiques des fibres nerveuses à partir d'image microscopiques pourrait contribuer à plusieurs applications intéressantes : documentation de la morphométrie sur différentes espèces et tissus, étude des origines et effets des maladies démyélinisantes, et validation de nouveaux biomarqueurs d'Imagerie par Résonance Magnétique sensibles au contenu en myéline dans le tissu. L'objectif principal de ce projet de recherche est de concevoir, implémenter et valider un framework de segmentation automatique d'axones et de gaines de myéline sur des images microscopiques et d'en extraire des morphométriques pertinentes. Plusieurs approches de segmentation ont été explorées dans la littérature, mais la plupart ne sont pas totalement automatiques, sont conçues pour une modalité de microscopie spécifique, ou bien leur implémentation n'est pas publiquement disponible pour la communauté scientifique. Deux frameworks de segmentation ont été développés dans le cadre de ce projet : AxonSeg et AxonDeepSeg. Le framework AxonSeg (https://github.com/neuropoly/axonseg) se base sur une approche de traitement d'image classique pour la segmentation. Le pipeline de segmentation inclut une transformée de type extended-minima, un modèle d'analyse discriminante combinant des features de forme et d'intensité, un algorithme de détection de contours et un double algorithme de contours actifs. Le résultat de la segmentation est utilisé pour l'extraction de morphométriques. La validation du framework a été réalisée sur des échantillons de microscopie optique, microscopie électronique et microscopie Raman stimulée (CARS). Le framework AxonDeepSeg (https://github.com/neuropoly/axondeepseg) utilise plutôt une approche basée sur des réseaux neuronaux convolutifs. Un réseau convolutif a été conçu pour la segmentation sémantique des axones myélinisés. Un modèle de microscopie électronique à balayage (MEB) a été entraîné sur des échantillons de moelle épinière de rat et un modèle de microscopie électronique à transmission (MET) a été entraîné sur des échantillons de corps calleux de souris. Les deux modèles ont démontré une haute précision pixel par pixel sur les échantillons test (85% sur le MEB de rat, 81% sur le MEB d'humain, 95% sur le MET de souris, 84% sur le MET de macaque). On démontre également que les modèles entrainés sont robustes aux ajouts de bruit, au flou et aux changements d'intensité. Le modèle MEB de AxonDeepSeg a été utilisé pour segmenter une coupe transversale complète de moelle épinière de rat et les morphométriques extraites à partir des tracts de la matière blanche correspondaient bien aux tendances rapportées dans la littérature. AxonDeepSeg a démontré une plus grande précision au niveau de la segmentation lorsque comparé à AxonSeg. Les deux outils logiciels développés sont open source (licence MIT) et donc à disposition de la communauté scientifique. Des futures itérations sont prévues afin d'améliorer et d'étendre ce travail. Les objectifs à court terme sont l'entraînement de nouveaux modèles pour d'autres modalités de microscopie, l'entraînement sur des datasets plus larges afin d'améliorer la généralisation et la robustesse des modèles, et l'exploration de nouvelles architectures de réseaux neuronaux. De plus, les modèles de segmentations développés jusqu'à maintenant ont seulement été testés sur des images de tissus sains. Un développement futur important serait de tester la performance de ces modèles sur des échantillons démyélinisés.  ABSTRACT: In the nervous system, the transmission of electrical signals is ensured by the axons of the white matter. A large portion of these axons, also known as nerve fibers, is surrounded by a myelin sheath. The main role of the myelin sheath is to increase the transmission speed along the axons, which is crucial for long distance communication. In demyelinating diseases such as multiple sclerosis, the myelin sheath of the central nervous system is attacked by cells of the immune system. Myelin degeneration caused by such disorders can manifest itself in different ways at the microstructural level: loss of myelin content, decrease in the number of myelinated axons, or even axonal damage. High resolution microscopy of myelinated tissues can provide in-depth microstructural information about the tissue under study. Segmentation of the axon and myelin content of a microscopy image is a necessary step in order to extract quantitative morphological information from the tissue. Being able to extract morphometrics from the tissue would benefit several applications: document nerve morphometry across species or tissues, get a better understanding of the origins of demyelinating diseases, and validate novel magnetic resonance imaging biomarkers sensitive to myelin content. The main objective of this research project is to design, implement and validate an automatic axon and myelin segmentation framework for microscopy images and use it to extract relevant morphological metrics. Several segmentation approaches exist in the literature for similar applications, but most of them are not fully automatic, are designed to work on a specific microscopy modality and/or are not made available to the research community. Two segmentation frameworks were developed as part of this project: AxonSeg and AxonDeepSeg. The AxonSeg package (https://github.com/neuropoly/axonseg) uses a segmentation approach based on standard image processing. The segmentation pipeline includes an extendedminima transform, a discriminant analysis model based on shape and intensity features, an edge detection algorithm, and a double active contours step. The segmentation output is used to compute morphological metrics. Validation of the framework was performed on optical, electron and CARS microscopy. The AxonDeepSeg package (https://github.com/neuropoly/axondeepseg) uses a segmentation approach based on convolutional neural networks. A fully convolutional network architecture was designed for the semantic 3-class segmentation of myelinated axons. A scanning electron microscopy (SEM) model trained on rat spinal cord samples and a transmission electron microscopy (TEM) model trained on mice corpus callosum samples are presented. Both models presented high pixel-wise accuracy on test datasets (85% on rat SEM, 81% on human SEM, 95% on mice TEM and 84% on macaque TEM). We show that AxonDeepSeg models are robust to noise, blurring and intensity changes. AxonDeepSeg was used to segment a full rat spinal cord slice, and morphological metrics extracted from white matter tracks correlated well with the literature. The AxonDeepSeg framework presented a higher segmentation accuracy when compared to AxonSeg. Both AxonSeg and AxonDeepSeg are open source (MIT license) and thus freely available for use by the research community. Future iterations are planned to improve and extend this work. Training of new models for other microscopy modalities, training on larger datasets to improve generalization and robustness, and exploration of novel deep learning architectures are some of the short-term objectives. Moreover, the current segmentation models have only been tested on healthy tissues. Another important short-term objective would be to assess the performance of these models on demyelinated samples.


identifier: Plamondon-Tremblay, T. (2018). La prise en compte de l'analyse des dépendances aux ressources dans la planification de la continuité des opérations  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La continuité des opérations est un domaine de la gestion des risques qui connaît un essor depuis les dernières années. Cet intérêt porté à ce domaine implique un raffinement des méthodes et processus, si bien que la continuité des opérations représente aujourd'hui un processus complexe qui s'intègre à la gestion courante d'une organisation. Cette complexification représente un obstacle à l'introduction de la continuité des opérations dans les petites et moyennes entreprises (PME) qui n'ont pas toujours les ressources financières et temporelles nécessaires.Ce projet conceptuel vise à faciliter l'introduction de la continuité des opérations dans les PME en encadrant la prise en compte des analyses de dépendances aux ressources dans la planification de la continuité des opérations. Se basant sur la marge de manoeuvre comme caractérisation des dépendances aux ressources et sur la durée d'interruption maximale admissible bien connue en continuité des opérations, ce projet suggère que l'établissement de scénario suivant l'approche par conséquence permet efficacement de prendre en compte les résultats des analyses dans une démarche de continuité des opérations.Un outil conçu pour faciliter les analyses de dépendances aux ressources et favoriser la prise en compte de ces analyses dans la planification de la continuité permet également de faciliter l'amorce de la continuité des opérations dans les PME et sensibilise les gestionnaires aux besoins de continuité. Cet outil servira de base pour la validation de la méthode sur le terrain.  ABSTRACT: Operational continuity is a field of risk management that has been thriving for the last decades. This growing interest for this field has been accompanied by a refinement of the methods and process implied, so much that operational continuity is now a complex field of risk management that can be embedded in the overall management system of an organisation. Such a complexification is a deterrent for the implementation of operational continuity in small and medium businesses (SME) that often lack the necessary financial and time resources. This conceptual project aims at providing SME with adequate tools to facilitate the introduction of operational continuity in their organisation. Focusing on bridging the gap between resource dependency analyses and continuity planning, this project argues that the time parameters known has the room for maneuver is the common ground on which integration can be accomplished. This parameter is used to characterize resource dependencies and is linked to the maximum tolerable period of disruption that is well known by the operational continuity practitioners. Using this parameter, it is believed that continuity scenario based on the preventive approach can be used to integrate the dependency analyses in an operational continuity planning process. A framework for analysis and the necessary tools were developed to facilitate the integration of the resource dependency analyses in the operational continuity process. These tools should provide a basis for the initiation of operational continuity in SME and should be the basis for further field testing and validation.


identifier: Delafontaine-Martel, P. (2018). Histologie sérielle afin d'étudier les changements de microvasculature dans la maladie d'Alzheimer  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Plusieurs découvertes en médecine, biologie et chimie sont dues aux techniques d'imagerie microscopique en développement constant afin d'observer le monde trop petit pour l'oeil humain. L'imagerie ex vivo est devenue un outil de choix pour observer et caractériser les effets de différentes pathologies sur les organes biologiques affectés. Depuis la fabrication du premier microscope par Hans Janssen en 1590, les méthodes d'imagerie n'ont pas cessé de s'améliorer pour répondre à des questions plus spécifiques.  Les techniques d'imagerie sous microscope se distinguent par leur haute résolution, leur capacité à nous informer sur la structure biologique et, pour certaines formes d'imagerie, sur la composition moléculaire de l'échantillon. En couplant un système d'imagerie conventionnel avec un vibratome et un stage mécanique, il nous est possible d'effectuer de l'imagerie en face sur bloc. Cette technique consiste à imager la surface d'un échantillon et, suite à l'acquisition, la retirer du champ de vue du microscope en coupant la surface de l'échantillon à une épaisseur choisie, permettant ainsi d'imager la totalité de l'échantillon et d'effectuer sa reconstruction en 3 dimensions. Cette méthode d'imagerie, appelée imagerie tomographique sérielle, est compatible avec la microscopie deux-photons et nous permet d'imager en profondeur dans les tissus en réduisant ainsi le nombre de coupes nécessaires pour l'imagerie complète de l'échantillon. En microscopie deux-photons, la longueur d'onde de la lumière utilisée est plus grande que la lumière visible. Ainsi, la longueur de pénétration de la lumière s'en voit améliorée et la résolution axiale du système d'imagerie est intrinsèquement meilleure que la fluorescence conventionnelle. Ce style d'imagerie est donc naturellement compatible avec un vibratome tout en conservant un niveau de signal à bruit élevé. En utilisant des miroirs galvanométriques, un balayage de la surface de l'échantillon est effectué afin de réaliser une image. Cette technique permet d'utiliser des sources de contraste comme des fluorophores ou un contraste intrinsèque tel que le collagène.  Dans ce travail, nous avons développé un système combinant la microscopie deux-photons et un vibratome afin d'observer la densité vasculaire dans des cerveaux perfusés avec de la gélatine mélangée au fluorophore FITC. Cette technique nous permet la caractérisation et l'imagerie des capillaires ou de vaisseaux sanguins plus grands dans différentes régions du cerveau. Couplant cette méthode avec une coregistration à un atlas du cerveau de souris disponible publiquement  (Allen Brain Atlas), nous pouvons segmenter automatiquement les régions d'intérêt de nos données, cartographier les changements de densité vasculaire et comparer des groupes d'échantillons. L'hypothèse posée dans ce travail est que des changements au niveau de la microvasculature sanguine s'opèrent dans différentes régions d'intérêt durant le développement de la maladie d'Alzheimer. Utilisant le microscope sériel conçu dans ce mémoire, muni d'un objectif 4x procurant une résolution de 2x2x50 um3 et un champ de vue de 1500x1500 um2, il est possible d'imager un cerveau murin complet en l'espace de 3 jours en effectuant des coupes de 200 um par le vibratome.  Nous avons comparé les cerveaux murins de 3 groupes d'âge (2, 4.5 et 8 mois) de souris transgéniques APP/PS1 développant des symptômes semblables à la maladie d'Alzheimer et des souris de type sauvage comme contrôle. Pour cette recherche, nous nous sommes concentrés sur des régions du cerveau ayant des fonctions dans la consolidation et la mémoire telles que les hippocampes et le cortex médial préfrontal. Dans toutes ces régions, nous observons une baisse de la densité de vaisseaux sanguins corrélant avec le processus de vieillissement des souris. Cependant, suite à la création d'atlas de densité vasculaire locale comprenant un volume de 200x200x200 um3 et en utilisant un outil statistique paramétrique, nous observons une tendance de densité vascualaire plus grande lors de la comparaison entre les souris transgéniques et les souris contrôles dans les zones somatosensorielles et motrices du cortex ainsi que dans le bulbe olfactif. Ces données sont très intéressantes malgré qu'elles ne soient pas localisées aux endroits associés à la mémoire, car elles permettent une meilleure compréhension du développement de la maladie dans le modèle murin APP/PS1.  ABSTRACT: Many discoveries in medicine, biology and chemistry are due to ever-developing methods for imaging the small particles in our world. As examples, ex-vivo microscopic imaging has been shown to be an excellent tool to observe and characterize the effects of pathologies on organs. Since the fabrication of the first microscope by Hans Janssen in 1590, improved imaging techniques emerged to answer more specific questions.  Microscopic imaging techniques distinguish themselves by the capacity of informing us on structure, their high resolution and even, for some techniques, the molecular composition. By coupling a common imaging system with a vibratome and a mechanical stage, we can enable 3D imaging of whole biological samples by sequentially removing acquired slices to reveal the tissue beneath it. Called block-face imaging, this method allows for whole organ high-resolution 3D imaging using conventional microscopy techniques, in spite of the limited penetration depth of light in biological tissues. Two-photon microscopy is a non-linear process that has advantages in tissue imaging. Since the wavelength of the used laser is longer, light penetrates deeper into the organs to image what is beneath the surface. In two-photon microscopy, the point spread function (PSF) of the instrument is much smaller than a conventional fluorescent microscope while keeping a high signal to noise ratio making the whole system compatible with a vibratome which is needed to perform 3D imaging. Using scanning mirrors to complete a whole 2D image, one can generate a fluorescence signal from molecular probes and other tissue constituents such as collagen.  The main goal of this research was to develop a high-throughput histology apparatus combining a vibratome and a two-photon fluorescence microscope to perform complete scans of FITC perfused brains. Using two-photon microscopy with FITC labelling gives the opportunity to observe and characterize the microvasculature in different regions of the brain. Coupling this imaging technique with coregistration techniques and a publicly available mouse brain atlas (Allen Brain Atlas), one can extract different cerebellar regions and create maps of vascular density within these brain areas for healthy and sick mouse groups. Our main hypothesis was that vascular density in regions of interest in the brain is affected by the Alzheimer's disease. Using a microscope with a 4x objective giving the system a resolution of 2 x 2 x 50 microns and a field of view of 1500 microns, it was possible to completely scan a brain in three days by making vibratome slices of 200 microns. Considering the viability and repeatability of the imaging process, we investigated vascular density inside the brains of 3 age groups (2, 4.5 and 8 months) of APP/PS1 transgenic mice developing Alzheimer's disease-related syndromes compared to Wild-Type model as a control. For this research, we focused on regions in the brain processing memory and consolidation such as the hippocampal complex and the medial prefrontal cortex. In these regions, we report a loss of vascular density probably caused by the ageing process. Moreover, following the creation of vascular templates for each brain considering local density in a volume of 200*200*200 um3 and using the SPM toolbox, a comparison between the transgenic mice and the WTs shows a tendency of increasing vascular density in the somatomotor and somatosensory cortical regions as well as the olfactory bulb. While not located in memory associated areas, our results give clues on the development of the Alzheimer's disease in APP/PS1 rodent model.


identifier: Darvishi, M. (2018). Characterization of Interconnection Delays in FPGAS Due to Single Event Upsets and Mitigation  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation incessante de composants électroniques à géométrie toujours plus faible a engendré de nouveaux défis au fil des ans. Par exemple, des semi-conducteurs à mémoire et à microprocesseur plus avancés sont utilisés dans les systèmes avioniques qui présentent une susceptibilité importante aux phénomènes de rayonnement cosmique. L'une des principales implications des rayons cosmiques, observée principalement dans les satellites en orbite, est l'effet d'événements singuliers (SEE). Le rayonnement atmosphérique suscite plusieurs préoccupations concernant la sécurité et la fiabilité de l'équipement avionique, en particulier pour les systèmes qui impliquent des réseaux de portes programmables (FPGA). Les FPGA à base de cellules de mémoire statique (SRAM) présentent une solution attrayante pour mettre en oeuvre des systèmes complexes dans le domaine de l'avionique. Les expériences de rayonnement réalisées sur les FPGA ont dévoilé la vulnérabilité de ces dispositifs contre un type particulier de SEE, à savoir, les événements singuliers de changement d'état (SEU). Un SEU est considérée comme le changement de l'état d'un élément bistable (c'est-à-dire, un bit-flip) dû à l'effet d'un ion, d'un proton ou d'un neutron énergétique. Cet effet est non destructif et peut être corrigé en réécrivant la partie de la SRAM affectée. Les changements de délai (DC) potentiels dus aux SEU affectant la mémoire de configuration de routage ont été récemment confirmés. Un des objectifs de cette thèse consiste à caractériser plus précisément les DC dans les FPGA causés par les SEU. Les DC observés expérimentalement sont présentés et la modélisation au niveau circuit de ces DC est proposée. Les circuits impliqués dans la propagation du délai sont validés en effectuant une modélisation précise des blocs internes à l'intérieur du FPGA et en exécutant des simulations. Les résultats montrent l'origine des DC qui sont en accord avec les mesures expérimentales de délais. Les modèles proposés au niveau circuit sont, aux meilleures de notre connaissance, le premier travail qui confirme et explique les délais combinatoires dans les FPGA. La conception d'un circuit moniteur de délai pour la détection des DC a été faite dans la deuxième partie de cette thèse. Ce moniteur permet de détecter un changement de délai sur les sections critiques du circuit et de prévenir les pannes de synchronisation engendrées par les SEU sans utiliser la redondance modulaire triple (TMR).  ABSTRACT: The unrelenting demand for electronic components with ever diminishing feature size have emerged new challenges over the years. Among them, more advanced memory and microprocessor semiconductors are being used in avionic systems that exhibit a substantial susceptibility to cosmic radiation phenomena. One of the main implications of cosmic rays, which was primarily observed in orbiting satellites, is single-event effect (SEE). Atmospheric radiation causes several concerns regarding the safety and reliability of avionics equipment, particularly for systems that involve field programmable gate arrays (FPGA). SRAM-based FPGAs, as an attractive solution to implement systems in aeronautic sector, are very susceptible to SEEs in particular Single Event Upset (SEU). An SEU is considered as the change of the state of a bistable element (i.e., bit-flip) due to the effect of an energetic ion or proton. This effect is non-destructive and may be fixed by rewriting the affected part. Sensitivity evaluation of SRAM-based FPGAs to a physical impact such as potential delay changes (DC) has not been addressed thus far in the literature. DCs induced by SEU can affect the functionality of the logic circuits by disturbing the race condition on critical paths. The objective of this thesis is toward the characterization of DCs in SRAM-based FPGAs due to transient ionizing radiation. The DCs observed experimentally are presented and the circuit-level modeling of those DCs is proposed. Circuits involved in delay propagation are reverse-engineered by performing precise modeling of internal blocks inside the FPGA and executing simulations. The results show the root cause of DCs that are in good agreement with experimental delay measurements. The proposed circuit level models are, to the best of our knowledge, the first work on modeling of combinational delays in FPGAs.In addition, the design of a delay monitor circuit for DC detection is investigated in the second part of this thesis. This monitor allowed to show experimentally cumulative DCs on interconnects in FPGA. To this end, by avoiding the use of triple modular redundancy (TMR), a mitigation technique for DCs is proposed and the system downtime is minimized. A method is also proposed to decrease the clock frequency after DC detection without interrupting the process.


identifier: Fortier, F. (2018). Estimation par analyse statique de la bande-passante d'accélérateurs en synthèse de haut niveau sur FPGA  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'accélération par coprocesseur sur FPGA de portions d'algorithmes logiciels exécutés sur un CPU à usage général est une solution utilisée depuis longtemps dans de nombreux systèmes embarqués lorsque le calcul à effectuer est trop complexe ou la quantité de données à traiter trop grande pour être réalisée par ce processeur trop général pour les contraintes de performance et de puissance données. Avec la fin de la loi de Moore, c'est également une option de plus en plus utilisée dans les centres de données pour pallier à la croissance exponentielle de la consommation de courant des approches CPU et GPGPU. De plus, la réalisation de ces coprocesseurs, bien que restant une tâche plus complexe que la simple programmation d'un processeur, est énormément facilitée par la démocratisation des logiciels de synthèse de haut niveau (HLS), qui permettent la  transformation automatisée de code écrit en langages logiciels (généralement un sous-ensemble statique du C/C++) vers des langages de description matérielle synthétisables (VHDL/Verilog). Bien qu'il soit souvent nécessaire d'apporter des modifications au code source pour obtenir de bons résultats, les outils de synthèse de haut niveau comportent généralement un estimateur de performance rapide de la micro-architecture développée, ce qui facilite un flot de développement itératif. Cependant, en pratique, le potentiel de parallélisme et de concurrence des accélérateurs sur FPGA est souvent limité par la bande-passante vers la mémoire contenant les données à traiter ou par la latence des communications entre l'accélérateur et le processeur général qui le contrôle. De plus, l'estimation de cette bande-passante est un problème plus complexe qu'il ne paraît du premier coup d'œil, dépendant notamment de la taille et de la séquentialité des accès, du nombre d'accès simultanés, de la fréquence des différentes composantes du système, etc. Cette bande-passante varie également d'une configuration de contrôleur mémoire à une autre et le tout se complexifie avec les FPGA-SoC (SoC incluant processeurs physiques et partie logique programmable), qui comportent plusieurs chemins des données fixes différents vers leur partie FPGA. Finalement, dans la majorité des cas, la bande-passante atteignable est plus faible que le maximum théorique fourni avec la documentation du fabricant. Cette problématique fait en sorte que bien que les outils existants permettent d'estimer facilement la performance du coprocesseur isolé, cette estimation ne peut être fiable sans considérer comment il est connecté au système mémoire. Les seuls moyens d'avoir des métriques de performance fiables sont donc la simulation ou la synthèse et exécution du système complet. Cependant, alors que l'estimation de performance du coprocesseur isolé ne prend que quelques secondes, la simulation ou la synthèse augmente ce délai à quelques dizaines de minutes, ce qui augmente le temps de mise en marché ou mène à l'utilisation de solutions sous-optimales faute de temps de développement.  ABSTRACT: FPGA acceleration of portions of code otherwise executed on a general purpose processor is a well known and frequently used solution for speeding up the execution of complex and data-heavy algorithms. This has been the case for around two decades in embedded systems, where power constraints limit the usefulness of inefficient general purpose solutions. However, with the end of Dennard scaling and Moore's law, FPGA acceleration is also increasingly used in datacenters, where traditional CPU and GPGPU approaches are limited by the always increasing current consumption required by many modern applications such as big data and machine learning. Furthermore, the design of FPGA coprocessors, while still more complex than writing software, is facilitated by the recent democratization of High-Level Synthesis (HLS) tools, which allow the automated translation of high-level software to a hardware description (VHDL/Verilog) equivalent. While it is still generally necessary to modify the high-level code in order to produce good results, HLS tools usually ship with a fast performance estimator of the resulting micro-architecture, allowing for fast iterative development methodologies. However, while FPGAs have great potential for parallelism and concurrence, in practice they are often limited by memory bandwidth and/or by the communications latency between the coprocessor and the general purpose CPU controlling it. In addition, estimating this memory bandwidth is much more complex than it can appear at first glance, since it depends on the size of the data transfer, the order of the accesses, the number of simultaneous accesses to memory, the width of the accessed data, the clock speed of both the FPGA and the memory, etc. This bandwidth also differs from one memory controller configuration to the other, and then everything is made more complex when SoC-FPGAs (SoCs including a hard processor and programmable logic) come into play, since they contain multiple different datapaths between the programmable logic and the hard memory controller. Finally, this bandwidth is almost always different (and smaller) than the maximum theoretical bandwidth given by the manufacturer's documentation. Thus, while existing HLS tools can easily estimate the coprocessor's performance if it is isolated from the rest of the system, they do not take into account how this performance is affected by the achievable memory bandwidth. This makes the simulation of the whole system or its synthesis-then-execution the only trustworthy ways to get a good performance estimation. However, while the HLS tool's performance estimation runtime is a matter of a few seconds, simulation or synthesis takes tens of minutes, which considerably slows down iterative development flows. This increased delay increases time-to-market and can lead to suboptimal solutions due to the extra development time needed.


identifier: Meshinchi, A. (2018). QOS-Aware and Status-Aware Adaptive Resource Allocation Framework in SDN-Based IOT Middleware  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'Internet des objets (IdO) est une infrastructure mondiale pour la société de l'information, qui permet de disposer de services évolués en interconnectant des objets (physiques ou virtuels) grâce aux technologies de l'information et de la communication interopérables existantes ou en évolution. »[1] La vision de l'Internet des Objets est d'étendre l'Internet dans nos vies quotidiennes afin d'améliorer la qualité de vie des personnes, de sorte que le nombre d'appareils connectés et d'applications innovantes augmente très rapidement pour amener l'intelligence dans différents secteurs comme la ville, le transport ou la santé. En 2020, les études affirment que les appareils connectés à Internet devraient compter entre 26 milliards et 50 milliards d'unités. [2, 3] La qualité de service d'application IoT dépend non seulement du réseau Internet et de l'infrastructure de communication, mais aussi du fonctionnement et des performances des appareils IoT. Par conséquent, les nouveaux paramètres de QoS tels que la précision des données et la disponibilité des appareils deviennent importants pour les applications IoT par rapport aux applications Internet. Le grand nombre de dispositifs et d'applications IoT connectés à Internet, et le flux de trafic spontané entre eux rendent la gestion de la qualité de service complexe à travers l'infrastructure Internet. D'un autre côté, les dispositifs non-IP et leurs capacités limitées en termes d'énergie et de transmission créent l'environnement dynamique et contraint. De plus, l'interconnexion de bout en bout entre les dispositifs et les applications n'est pas possible. Aussi, les applications sont intéressées par les données collectées, pas à la source spécifique qui les produit. Le Software Defined Networking (SDN) est un nouveau paradigme pour les réseaux informatiques apparu récemment pour cacher la complexité de l'architecture de réseau traditionnelle (par exemple de l'Internet) et briser la fermeture des systèmes de réseau dans les fonctions de contrôle et de données. Il permet aux propriétaires et aux administrateurs de réseau de contrôler et de gérer le comportement du réseau par programme, en découplant le plan de contrôle du plan de données. SDN a le potentiel de révolutionner les réseaux informatiques classiques existants, en offrant plusieurs avantages tels que la gestion centralisée, la programmabilité du réseau, l'efficacité des coûts d'exploitation, et les innovations. Dans cette thèse, nous étudions la gestion de ressources sur l'infrastructure IoT, y compris les réseaux de transport/Internet et de détection. Nous profitons de la technologie SDN comme le futur d'Internet pour offrir un système de support QoS flexible et adaptatif pour les services IoT. Nous présentons un intergiciel basé sur SDN pour définir un cadre de gestion de QoS pour gérer les besoins spécifiques de chaque application à travers l'infrastructure IoT. De plus, nous proposons un nouveau modèle QoS qui prend en compte les préférences de QoS des applications et l'état des éléments de réseau pour allouer efficacement les ressources sur le réseau transport/Internet basé sur SDN tout en maximisant les performances du réseau.  ABSTRACT: The Internet of Things (IoT) is an integration of various kinds of technologies, wherein heterogeneous objects with capabilities of sensing, actuation, communication, computation, networking, and storage are rapidly developed to collect the data for the users and applications. The IoT vision is to extend the Internet into our everyday lives, so the number of connected devices and innovative applications are growing very fast to bring intelligence into as many domains as possible. The QoS for IoT application not only depends on the Internet network and communication infrastructure, it is also impacted by the operation and performance of IoT sensing infrastructure. Therefore, the new QoS parameters such as data accuracy, sampling rate, and device availability become important for the IoT applications compared to the Internet applications. The huge number of the Internet-connected IoT devices and application, and the spontaneous traffic flow among them make the management of the quality of service complex across the Internet infrastructure. On the other hand, the non-IP devices and their limited capabilities in terms of energy and transmission create the dynamic environment and hinder the direct interaction between devices and applications. The quality of service is becoming one of the critical non-functional IoT element which needs research and studies. A flexible and scalable QoS management mechanism must be implemented in IoT system to keep up with the growth rate of the Internet-connected IoT devices and applications as well as their heterogeneity and diversity. The solution should address the IoT application requirements and user satisfaction while considering the system dynamism, limitations, and characteristics. Software-Defined Networking (SDN) is an emerging paradigm in computer networking which separates the control plane and the data plane of the network elements. It makes the network elements programmable via the centralized control plane. This approach enables more agile management and control over the network behavior. In this thesis, we take advantage of SDN technology as the future of the Internet to offer a flexible and adaptive QoS support scheme for the IoT services. We present an SDN-based middleware to define a QoS management framework to manage the application specific QoS needs across the IoT infrastructure including transport and sensing network. Also, we propose a new QoS model that takes into account the application QoS preferences and the network elements status to allocate effectively the resources for the applications across SDN network while maximizing network performance.


identifier: Martin, V. (2018). Evolution of the Hydrogeotechnical Properties of Paste Tailings Deposited on the Surface  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les résidus miniers sont généralement produits et transportés à des teneurs en eau élevées (teneurs en solides inférieures à 45%) et entreposés en surface dans des parcs à résidus. La stabilité géotechnique des ouvrages de retenue constitue un défi pour l'industrie, notamment en raison des quantités d'eau importantes en amont des digues. De plus, les minéraux sulfureux (ex. pyrite) parfois contenus dans les résidus peuvent s'oxyder et générer du drainage minier acide (DMA) ou du drainage neutre contaminé (DNC). Plusieurs solutions ont été proposées ces dernières années afin de tenter de minimiser l'impact environnemental des rejets de concentrateur pendant l'opération de la mine et à sa fermeture. L'épaississement des résidus miniers et en particulier la production de résidus en pâte (avec une teneur en solides entre 70% - 85%), fait partie des solutions potentielles visant à favoriser la gestion intégrée des rejets.  ABSTRACT: Mine tailings are typically produced and transported at high water contents (solids content less than 45%) and stored at the surface in tailings ponds. The geotechnical stability of the retaining structures is a challenge for the mining industry, especially because of the large volumes of water stored upstream the dikes. In addition, sulphides (e.g. pyrite), sometimes present in the tailings, may oxidize and generate acid mine drainage (AMD) or contaminated neutral drainage (CND). Many solutions have been proposed in the last years to minimise the environmental impact of the tailings during the operation and after the closure of a mine. Thickening of the mine tailings, and more specifically production of paste tailings (with a solids content between 70% and 85%), is one of the solutions proposed for integrated management of tailings.


identifier: Boudrias, G. (2018). Évaluation numérique et expérimentale du drainage et de la consolidation de résidus miniers à proximité d'une inclusion de roches stériles  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les résidus miniers sont typiquement déposés hydrauliquement, en surface, sous forme de pulpe dans des parcs entourés (au moins partiellement) de digues. Une méthode de co-disposition des roches stériles dans les parcs à résidus a été développée de manière à améliorer la gestion des rejets au cours du cycle de vie d'une mine (opération, fermeture, post-fermeture). Cette méthode, développée à Polytechnique Montréal, consiste principalement à utiliser des roches stériles, plus perméables et rigides, pour construire des inclusions linéaires continues dans le parc à résidus pour en accélérer le drainage et en améliorer la stabilité géotechnique.  ABSTRACT: Tailings are typically deposited hydraulically as a slurry in surface impoundment surrounded (at least partially) by dykes. A method for the co-disposition of waste rock within tailings impoundment has been developed at Polytechnique Montréal to improve the performance of impoundments during the mine cycle (operation, closure, post-closure) This method consists of using more permeable and stronger waste rock to create continuous inclusions within the impoundment to provide drainage and enhance stability.


identifier: Sarrazin-Mc Cann, L. A. (2018). Opportunisme et ordonnancement en optimisation sans dérivées  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire traite de comparaisons de stratégies algorithmiques applicables à certains algorithmes d'optimisation de boîtes noires. Une boîte noire est un problème typiquement lourd en temps de calcul, non différentiable, bruité et potentiellement propriétaire. Afin de résoudre ces problèmes, des techniques n'utilisant pas les informations sur les dérivées des expressions algébriques définissant les problèmes ont été conçues. Les méthodes ciblées pour y implémenter les stratégies algorithmiques sont celles figurant dans un cadre de travail spécifique. Les méthodes doivent contenir une étape nécessitant une séquence d'évaluations de la fonction objectif à des points figurant dans une liste prédéterminée. Les méthodes de recherche directe correspondent à ces critères ; elles sont des méthodes contenant une série d'évaluations de points, et basent la détermination de la prochaine liste de candidats sur les valeurs obtenues à ces points. Les méthodes d'optimisation par recherche directe identifiées sont la recherche par coordonnées (CS), la recherche par motifs généralisée(GPS), la recherche par ensembles générateurs (GSS), la recherche directe par treillis adaptatifs (MADS) et le filtrage implicite (IMFIL). La stratégie algorithmique étudiée est la stratégie opportuniste. Elle désigne l'arrêt de l'étape de l'algorithme comprenant une série d'évaluations séquentielles. L'arrêt peut-être fait après un ou plusieurs succès, c'est-à-dire l'évaluation d'un point pour lequel la valeur de la fonction objectif est inférieure à la minimale encourue précédemment dans la résolution. Plusieurs déclinaisons de la stratégie sont identifiées, implémentées et testées sur une batterie de problèmes tests, afin de déterminer numériquement leurs impacts. L'arrêt d'une série d'évaluations implique que l'ordre des points à évaluer impacte la performance de la stratégie opportuniste. On identifie les stratégies d'ordonnancements suivantes afin de les jumeler à la stratégie opportuniste et d'étudier leurs impacts : lexicographique, aléatoire, utilisant la direction du dernier succès et utilisant les modèles. Toutes ces stratégies sont implémentées et testées sur l'ensemble de problèmes tests. Les tests numériques sur un ensemble de problèmes incluant une boîte noire révèlent que l'opportunisme le plus rudimentaire, dont le critère d'arrêt est l'obtention d'un simple succès, est bénéfique à divers degrés pour toutes les méthodes de recherche directe identifiées sauf le filtrage implicite. Les stratégies d'ordonnancement utilisant les modèles, aléatoire et utilisant la direction du dernier succès, forment le classement des stratégies bénéfiques. L'ordonnancement lexicographique jumelé à l'opportunisme nuit aux algorithmes.  ABSTRACT: This work considers algorithmic strategies to implement and compare through various blackbox optimization algorithms. A blackbox is a problem to be minimized which is typically computationally heavy, non-differentiable, noisy and may be driven by a private or legacy code. Solving these problems requires optimization techniques that are not using first-order derivative informations of the analytical functions underlying the blackbox. The methods in which the algorithmic strategies are to be implemented need to fit a specific framework. They must contain a step in which there is a sequence of evaluations of the objective function. Those evaluations are to be made at predetermined list of candidate points. A family of derivative-free methods, the direct search methods, qualifies as methods fitting this framework. Direct search methods choose the next list of candidate points based on the function evaluation values at the current list of candidates. The identified direct search methods for this work include the Coordinate Search (CS), Generalized Pattern Search (GPS), Generative Set Search (GSS), Mesh-Adaptive Direct Search (MADS), and Implicit Filternig (IMFIL). The main algorithmic strategy studied in this work is the opportunistic strategy, which designates the premature ending of the algorithm's step consisting of serial function evaluations. This termination occurs after one or more successes. A success indicates the finding of a candidate point for which the objective function value is improved from the past best known point. Three variations of the opportunistic strategy are identified. The termination of the step implies that the order of in the candidate list affects the performance of the strategy. Four main ordering strategies are identified and teamed with the opportunistic strategy in order to determine what impact does ordering have in this context. Those strategies consist of a lexicographic ordering, a random ordering, an ordering based on the direction of the last success and an ordering based on a quadratic surrogate function. Numerical results are obtained via the resolution of a large problem set including a typical blackbox. The results show that the simplest of the opportunistic strategies, the one that terminates immediately after the identification of a single success, benefits the most to all the methods, beside Implicit Fitlering, for which a standard non-opportunistic use works best. The ordering strategies by order of performance gain is the quadratic surrogate-based, the random and the last success direction-based. Lexicographic ordering mixed with opportunism deteriorates the performance of the methods.


identifier: Mejia Jaramillo, A. (2018). Analyse histomorphométrique de la colonne vertébrale porcine instrumentée avec une agrafe intravertébrale  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose est une déformation de la colonne vertébrale dans les trois plans de l‟espace dont la forme la plus courante est la scoliose idiopathique adolescente (SIA). Selon l‟amplitude de la déformation initiale et du potentiel de croissance restant, la déformation peut progresser et causer des problèmes vitaux, au niveau du système respiratoire, par exemple. Le traitement de la SIA vise à empêcher la progression de la courbure et dépend, entre autres, du degré de la déformation initiale. Les courbures de plus de 45º sont sujettes à une chirurgie correctrice avec une instrumentation rigide, généralement combinée à une fusion vertébrale. Cette chirurgie est très invasive et inclut plusieurs risques et complications chez ces jeunes patients. Par conséquent, des nouvelles approches, se basant principalement sur la modulation de croissance (ou loi de Hueter-Volkmann), sont actuellement en développement. Un exemple de ces nouvelles approches a été développé il y a quelques années dans le cadre d‟un projet de thèse. Il s‟agit d‟une agrafe intravertébrale exploitant le potentiel de croissance vertébral et agissant simultanément sur les deux plaques de croissance de chaque vertèbre. Cet implant a été testé dans un modèle porcin avec une approche inverse. Les résultats de cette étude ont montré que l‟implant a réussi l‟induction d‟une scoliose chez les animaux expérimentaux. Néanmoins, les effets locaux sur les tissus entourant l‟implant restent à caractériser. L‟objectif général de ce mémoire était d‟exploiter le matériel expérimental disponible pour mieux comprendre les effets locaux de l‟agrafe intravertébrale.  Une première étude histologique a été réalisée sur les vertèbres porcines (T7-T8-T9, segment testé) préalablement instrumentées avec l‟agrafe intravertébrale (n=7, groupe expérimental) et contrôles (n=4, groupe contrôle). Ces vertèbres ont été préparées pour mesurer le taux de croissance moyen (TCM) et les paramètres suivants pour l‟évaluation de l‟histomorphométrie des plaques de croissance : l‟épaisseur moyenne (EM) des zones proliférative et hypertrophique, la hauteur moyenne des cellules hypertrophiques (HM) ainsi que la densité linéaire des cellules prolifératives (DL). Chaque plaque croissance a été analysée en trois régions: (1) gauche (ou côté non-instrumenté dans le groupe expérimental); (2) centrale; et (3) droite (ou côté instrumentée dans le groupe expérimental). Les mêmes analyses ont été faites sur les vertèbres adjacentes à l‟instrumentation (T11 et T12, segment adjacent) pour les deux groupes : expérimental et contrôle. Les résultats ont été comparés en utilisant la différence entre les régions 1 et 3 (Dif-R1R3) pour les deux groupes à l‟aide d‟une analyse ANOVA à un facteur contrôlé pour des mesures répétées (p<0.05).  Les résultats de cette première série d‟expériences ont montré une augmentation significative de la Dif-R1R3 pour tous les niveaux testés du groupe expérimental par rapport au groupe contrôle, pour le TCM (1.4±0.7 μm/jour et 0.5±0.2 μm/jour, pour les trois niveaux combinées) et l‟EM de la zone hypertrophique (5.0±2.9 μm et 1.4±0.9 μm, respectivement pour les trois niveaux combinées). Par ailleurs, cette Dif-R1R3 a été aussi significativement augmentée dans le groupe expérimental pour la HM au niveau T7, la DL au niveau T8, et l‟EM de la zone proliférative aux niveaux T7 et T8. Ces résultats ont confirmé l‟efficacité de l‟implant pour moduler la croissance des vertèbres du côté instrumenté. Cette modulation a été traduite au niveau de la plaque de croissance par une diminution dans les paramètres histomorphométriques des zones hypertrophique et proliférative, mais seulement à certains niveaux rachidiens. La diminution dans ces paramètres pourrait être associée à la rigidité des zones proliférative et hypertrophique. Ces deux zones ont été observées comme les moins rigides de la plaque de croissance et sont, par conséquent, celles qui expérimentent la plus grande déformation sous compression. Pour le niveau adjacent, aucune courbure compensatoire n‟a pas été détectée; les résultats n‟ont montré aucune différence significative dans les paramètres évalués.  Une deuxième étude a permis d‟évaluer qualitativement l‟histologie du disque intervertébral (DIV) des deux segments, testé et adjacent, provenant des deux groupes. Le système de notation histologique de Rutges a été utilisé afin d‟évaluer le niveau de dégénérescence du DIV. Les résultats de cette étude ont montré un DIV sain ou avec une dégénérescence légère dans 100% des disques du groupe contrôle pour les deux régions 1 et 3. Pour le groupe expérimental, tous les DIVs ont présenté, dans la région 1, une dégénérescence modérée ou sévère. Dans la région 3, 7.1% des DIVs ont été évalués comme légèrement dégénérés, 35.7% avec une dégénérescence modérée, alors que 50% des disques ont présenté une dégénérescence sévère ou même complète. Pour les niveaux adjacents, les DIVs des deux groupes ont présenté des scores totaux très bas (entre 0 et 1 la plus part), indiquant la préservation de la santé à ce niveau. La dégénérescence observée au niveau testé est possiblement causée par un encombrement du disque dû à son épaisseur chez les porcs (deux fois plus mince que chez les humains) et à l‟épaisseur de la dent de l‟agrafe. Dû à ces limites, le modèle animal utilisé n'a pas permis de valider complètement les effets de l‟implant sur le DIV. Par ailleurs, un placement incorrect de l‟implant peut également accentuer ce processus de dégénérescence. Par conséquent, des améliorations seraient requises, entre autres, au niveau de l‟épaisseur des dents de l‟agrafe et de son positionnement par rapport au DIV, ainsi que de la taille et du positionnement des vis, pour assurer la préservation de la santé des disques.  Les résultats obtenus dans cette étude permettent de conclure sur certains aspects contribuant au développement d‟implants sans fusion. En premier lieu, l‟agrafe intravertébrale permet une modulation de croissance locale chez les vertèbres instrumentées. Cette modulation a été confirmée au niveau de la plaque de croissance à partir d‟une réduction du TCM local du côté de l‟implant, et des changements significatifs dans les paramètres histomorphométriques. Cependant, les effets de ce nouveau dispositif sur le DIV n‟ont pas pu être complètement validés, principalement à cause de l‟épaisseur du DIV du modèle animal utilisé. À cet effet, des analyses supplémentaires seraient nécessaires afin d‟évaluer l‟impact inhérent de l‟implant sur les disques. Toutes ces informations sont d‟intérêt pour améliorer et développer de nouveaux implants, qui empêcheraient la progression de certaines pathologies musculo-squelettiques chez les enfants et adolescents.  ABSTRACT: Scoliosis is a 3D spinal deformity, presenting curvature(s) in the coronal plane but also vertebral rotation in the transverse plane and an altered sagittal profile. Its more common form is the Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS). Depending on the initial magnitude of the deformity and on the remaining growth potential, the curvature can progress to eventually affect vital systems, such as the lungs. AIS treatments aim at preventing curve progression and depend on the initial curvature, among other factors. Curves over 45º will undergo surgery with rigid instrumentation of the spine, often combined with vertebral fusion. This is a very invasive procedure, which includes surgical risks and causes severe complications for these young patients. Therefore, efforts are being made to develop new alternatives, based on the mechanical modulation of bone growth (or Hueter-Volkmann law). One of these new alternatives was developed a few years ago as part of a thesis project. This implant consists of an intra-vertebral staple that harnesses the entire growth potential of given vertebrae while acting on both vertebral growth plates. It was tested on a porcine model with the inverse approach. The results of this study successfully showed an induction of scoliosis in the experimental animal subjects. However, the effects of the implant on the surrounding spinal tissues remain to be characterized. The overall objective of this project was to exploit the experimental data to better understand the local effects of this intra-vertebral staple.  First, a histological study was done using the porcine vertebrae (T7-T8-T9, tested segments) previously instrumented with the intra-vertebral staple (n=7, experimental group) and the control vertebrae (n=4, control group). These vertebrae were prepared for measurement of average growth rate (AGR) and histomorphometric parameters including heights of the proliferative (PZH) and hypertrophic (HZH) zones, hypertrophic cells height (CH) and the number of proliferative chondrocytes per column (CC). Each growth plate was analyzed in three regions: (1) left (or non-instrumented side in the experimental group); (2) central; and (3) right (or instrumented side in the experimental group). The same analyses were completed on the adjacent vertebrae (T11 and T12, adjacent segments) for both groups: experimental and control. Results for all analyses were compared for the two groups as the difference between regions 1 and 3 (Dif-R1R3) using a one-way ANOVA for repeated measures (p<0.05).  The results of this first series of experiments showed a significantly higher Dif-R1R3 for all tested segments of the experimental group compared with the control one for the AGR (1.4±0.7 μm/jour and 0.5±0.2 μm/jour, respectively all levels combined) and HZH (5.0±2.9 μm and 1.4±0.9 μm, respectively all levels combined). Moreover, this Dif-R1R3 was also significantly higher in the experimental group for the CH at T7 level, the CC at T8 level, and for the PZH at T7 and T8. These results confirm the potential of the implant to modulate vertebral growth over the instrumented side. This modulation was translated in the growth plate as a decrease in histomorphometrical parameters of hypertrophic and proliferative zones, although not in all tested segments. The changes on these parameters could be associated with the stiffness of the proliferative and hypertrophic zones. These two zones have been characterized as the less rigid growth plate zones, hence the ones that experiences the greatest deformation under compression. On the other hand, no significant changes were found for all analyses in the adjacent segments between the experimental and control group. Indeed, no compensatory curvature was detected at this level.  A second study allowed to qualitatively evaluate the histology of the intervertebral disc (IVD) from the two segments, tested and adjacent, of both groups. This analysis was done using the Rutges histological score system to characterize the degeneration level on the IVD. The results showed that a healthy IVD or slightly degenerated in 100% of control IVDs for both regions 1 and 3. Furthermore, in the experimental group, all IVDs presented a moderate or severe degeneration in region 1. In region 3, 7.1% of IVDs were found with a slight degeneration, 35.7% with a moderate degeneration, whilst 50% of IVDs presented a severe or even complete degeneration. At the adjacent segments, the IVDs from both groups presented the lowest scores (between 0 and 1 mostly), indicating health preservation at this level. The observed degeneration at the tested level was possibly caused by a congestion of the IVD space due to its reduced thickness in pigs (half as thick as that of humans), combined with the thickness of the prong from the staple. Due to these limits, the animal model used for this analysis did not allow the complete validation of implant‟s effects on the IVD. Furthermore, an inaccurate placement of the implant might highlight this degeneration process. Therefore, improvements would be needed on the thickness of the prongs and their placement relative to the IVD, as well as on the length of screws and their respective positioning in order to ensure the preservation of IVD health.  The results from this study allow conclusions on some aspects towards the development of fusionless implants. The intra-vertebral staple could modulate vertebral growth, and this modulation was supported at the growth plate level by a reduction in the AGR and significant changes in the histomorphometric parameters. However, the effect of this new device on the preservation of IVD could not be completely validated, mainly because of the relative thickness of the disc of the animal model used. Therefore, further analyses would be needed in order to better understand the inherent effects of the implant on the IVD. All this information is of interest to improve and develop new implants, which will prevent the evolution of progressive musculoskeletal conditions in children and adolescents.


identifier: Rodrigues De Sousa, V. (2018). Global Optimization of the Maximum K-Cut Problem  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le problème de la k-coupe maximale (max-k-cut) est un problème de partitionnement de graphes qui est un des représentatifs de la classe des problèmes combinatoires NP-difficiles. Le max-kcut peut être utilisé dans de nombreuses applications industrielles. L'objectif de ce problème est de partitionner l'ensemble des sommets en k parties de telle façon que le poids total des arrêtes coupées soit maximisé. Les méthodes proposées dans la littérature pour résoudre le max-k-cut emploient, généralement, la programmation semidéfinie positive (SDP) associée. En comparaison avec les relaxations de la programmation linéaire (LP), les relaxations SDP sont plus fortes mais les temps de calcul sont plus élevés. Par conséquent, les méthodes basées sur la SDP ne peuvent pas résoudre de gros problèmes. Cette thèse introduit une méthode efficace de branchement et de résolution du problème max-k-cut en utilisant des relaxations SDP et LP renforcées. Cette thèse présente trois approches pour améliorer les solutions du max-k-cut. La première approche se concentre sur l'identification des classes d'inégalités les plus pertinentes des relaxations de max-k-cut. Cette approche consiste en une étude expérimentale de quatre classes d'inégalités de la littérature : clique, general clique, wheel et bicycle wheel. Afin d'inclure ces inégalités dans les formulations, nous utilisons un algorithme de plan coupant (CPA) pour ajouter seulement les inégalités les plus importantes . Ainsi, nous avons conçu plusieurs procédures de séparation pour trouver les violations. Les résultats suggèrent que les inégalités de wheel sont les plus fortes. De plus, l'inclusion de ces inégalités dans le max-k-cut peut améliorer la borne de la SDP de plus de 2%. La deuxième approche introduit les contraintes basées sur formulation SDP pour renforcer la relaxation LP. De plus, le CPA est amélioré en exploitant la technique de terminaison précoce d'une méthode de points intérieurs. Les résultats montrent que la relaxation LP avec les inégalités basées sur la SDP surpasse la relaxation SDP pour de nombreux cas, en particulier pour les instances avec un grand nombre de partitions (k � 7). La troisième approche étudie la méthode d'énumération implicite en se basant sur les résultats des dernières approches. On étudie quatre composantes de la méthode. Tout d'abord, nous présentons quatre méthodes heuristiques pour trouver des solutions réalisables : l'heuristique itérative d'agrégation, l'heuristique d'opérateur multiple, la recherche à voisinages variables, et la procédure de recherche aléatoire adaptative gloutonne. La deuxième procédure analyse les stratégies dichotomiques et polytomiques pour diviser un sous-problème. La troisième composante étudie cinq règles de branchement. Enfin, pour la sélection des noeuds de l'arbre de branchement, nous considérons les stratégies suivantes : meilleur d'abord, profondeur d'abord, et largeur d'abord. Pour chaque stratégie, nous fournissons des tests pour différentes valeurs de k. Les résultats montrent que la méthode exacte proposée est capable de trouver de nombreuses solutions. Chacune de ces trois approches a contribué à la conception d'une méthode efficace pour résoudre le problème du max-k-cut. De plus, les approches proposées peuvent être étendues pour résoudre des problèmes génériques d'optimisation en variables mixtes.  ABSTRACT: In graph theory, the maximum k-cut (max-k-cut) problem is a representative problem of the class of NP-hard combinatorial optimization problems. It arises in many industrial applications and the objective of this problem is to partition vertices of a given graph into at most k partitions such that the total weight of the cut is maximized. The methods proposed in the literature to optimally solve the max-k-cut employ, usually, the associated semidefinite programming (SDP) relaxation in a branch-and-bound framework. In comparison with the linear programming (LP) relaxation, the SDP relaxation is stronger but it suffers from high CPU times. Therefore, methods based on SDP cannot solve large problems. This thesis introduces an efficient branch-and-bound method to solve the max-k-cut problem by using tightened SDP and LP relaxations. This thesis presents three approaches to improve the solutions of the problem. The first approach focuses on identifying relevant classes of inequalities to tighten the relaxations of the max-k-cut. This approach carries out an experimental study of four classes of inequalities from the literature: clique, general clique, wheel and bicycle wheel. In order to include these inequalities, we employ a cutting plane algorithm (CPA) to add only the most important inequalities in practice and we design several separation routines to find violations in a relaxed solution. Computational results suggest that the wheel inequalities are the strongest by far. Moreover, the inclusion of these inequalities in the max-k-cut improves the bound of the SDP formulation by more than 2%. The second approach introduces the SDP-based constraints to strengthen the LP relaxation. Moreover, the CPA is improved by exploiting the early-termination technique of an interior-point method. Computational results show that the LP relaxation with the SDP-based inequalities outperforms the SDP relaxations for many instances, especially for a large number of partitions (k � 7). The third approach investigates the branch-and-bound method using both previous approaches. Four components of the branch-and-bound are considered. First, four heuristic methods are presented to find a feasible solution: the iterative clustering heuristic, the multiple operator heuristic, the variable neighborhood search, and the greedy randomized adaptive search procedure. The second procedure analyzes the dichotomic and polytomic strategies to split a subproblem. The third feature studies five branching rules. Finally, for the node selection, we consider the following strategies: best-first search, depth-first search, and breadth-first search. For each component, we provide computational tests for different values of k. Computational results show that the proposed exact method is able to uncover many solutions. Each one of these three approaches contributed to the design of an efficient method to solve the max-k-cut problem. Moreover, the proposed approaches can be extended to solve generic mixinteger SDP problems.


identifier: Laflamme-Mayer, N. (2018). Conception d'un réseau de plots configurables multifonctions analogiques et numériques combiné à un réseau de distribution de puissance intégrés à l'échelle de la tranche de silicium  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nos jours, les systèmes électroniques sont en constante croissance en taille et en complexité. Cette complexité combinée à la réduction du temps de mise en marché rendant le design de systèmes électroniques un grand défi pour les designers. Une plateforme de prototypage a récemment été introduite afin de s'attaquer toutes ces contraintes à la fois. Cette plateforme s'appuie sur l'implémentation d'un circuit configurable à l'échelle d'une tranche de silicium complète de 200mm de diamètre. Cette surface est recouverte d'une mer de plots conducteurs configurables appelés NanoPads. Ces NanoPads sont suffisamment petits pour supporter des billes d'un diamètre de 250 μm et d'un espacement de 500 μm et sont regroupés en matrices de 4×4 pour former des Cellules, qui sont à leur tour assemblées en Réticules de 32×32. Ces Réticules sont ensuite photo-répétés sur toute la surface d'une tranche de silicium et sont interconnectés entre eux pour former le WaferIC. Cet arrangement particulier de plots conducteurs configurables permet à un usager de déposer sur la surface active du WaferIC les circuits intégrés constituant un système électronique, sans tenir en compte l'orientation spatiale de ces derniers, de créer un schéma d'interconnexions, de distribution la puissance et de débuter le prototypage du système en question. Une version préliminaire a été fabriquées et testées avec succès et permet d'alimenter des circuits -intégrés et de configurer le WaferIC pour les interconnecter. Cette thèse par articles présente une nouvelle version du WaferIC avec une nouvelle proposition de distribution de la puissance avec une approche de maîtres-esclaves qui met en valeur l'utilisation de plusieurs rails d'alimentation afin d'améliorer le rendement énergétique. Il est également mis de l'avant un réseau très dense de convertisseurs analogique-numérique (CAN) et numérique-analogique (CNA) de plus de 300k éléments, tolérant aux défectuosités et aux défauts de fabrication. Ce réseau de CAN-CNA permet d'améliorer le WaferIC avec la transmission de signaux analogiques, en plus des signaux numériques. Ce manuscrit comporte trois articles : un publié chez « Springer Science & Business Media Analog Integrated Circuits and Signal Processing », un publié chez « IEEE Transactions on Circuits and Systems I : Regular Papers » et finalement un soumis chez « IEEE Transactions on Very Large Scale Integration ».  ABSTRACT: Nowadays, electronic systems are in constant growth, size and complexity; combined with time to market it makes a challenge for electronic system designers. A prototyping platform has been recently introduced and addresses all those constraints at once. This platform is based on an active 200 mm in diameter wafer-scale circuit, which is covered with a set of small configurable and conductive pads called NanoPads. These NanoPads are designed to be small enough to support any integrated-circuit μball of a 250 μm diameter and 500 μm of pitch. They are assembled in a 4×4 matrix, forming a Unit-Cell, which are grouped in a Reticle-Image of 32×32. These Reticle-Images are photo-repeated over the entire surface of a 200 mm in diameter wafer and are interconnected together using interreticle stitching. This active wafer-scale circuit is called a WaferIC. This particular topology and distribution of NanoPads allows an electronic system designer to manually deposit any integrated-circuit (IC) on the active alignment insensitive surface of the WaferIC, to build the netlist linking all the ICs, power-up the systems and start the prototyping of the system. In this manuscript-based thesis, we present an improved version of the WaferIC with a novel approach for the power distribution network with a master-slave topology, which makes the use of embedded dual-power-rail voltage regulators in order to improve the power efficiency and decrease thermal dissipation. We also propose a default-tolerant network of analog to digital (ADC) and digital to analog (DAC) converters of more than 300k. This ADC-DAC network allows the WaferIC to not only support digital ICs but also propagate analog signals from one NanoPad to another. This thesis includes 3 papers : one submission to "Springer Science & Business Media Analog Integrated Circuits and Signal Processing", one submission to "IEEE Transactions on Circuits and Systems I : Regular Papers" and finally one submission to "IEEE Transactions on Very Large-Scale Integration". These papers propose novel architectures of dualrail voltage regulators, configurable analog buffers and configurable voltage references, which can be used as a DAC. A novel approach for a power distribution network and the integration of all the presented architectures is also proposed with the fabrication of a testchip in CMOS 0.18 μm technology, which is a small-scale version of the WaferIC.


identifier: Tremblay, J.-P. (2018). Études de sources de bruit et de facteurs confondants sur la mesure de spectres raman de tissus biologiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le plan de traitement habituel du cancer du cerveau implique d'effectuer une craniectomie afin d'accéder aux tissus cancéreux pour en faire la résection. L'enjeu principal de cette chirurgie consiste en retirer un maximum de tissus cancéreux tout en retirant un minimum de tissu sain. Les outils conventionnels utilisés en neurochirurgie afin de guider la procédure sont l'Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM) couplée à un système de neuronavigation. Toutefois, ces outils ne suffisent pas à déterminer s'il reste des tissus cancéreux au terme de la chirurgie, lesquels entraîneront une récurrence locale de la maladie le cas échéant. Or, le partenaire industriel ODS Médical travaille présentement à mettre au point un prototype de système de spectroscopie Raman permettant au chirurgien d'interroger des tissus cérébraux en temps réel afin de déceler des traces de tissus cancéreux résiduels au terme de la chirurgie. Son utilisation permettrait ainsi de minimiser le volume de tissus cancéreux résiduels. Cela réduirait donc la récurrence locale du cancer et augmenterait l'espérance de vie du patient. Toutefois, le signal Raman qui porte l'information permettant de déterminer si un tissu est cancéreux ou non est extrêmement faible ce qui le rend très difficile à mesurer, particulièrement lorsque diverses sources de bruit et facteurs confondants contaminent la mesure. Les plus importantes sont le bruit de la caméra, de l'Auto-Fluorescence (AF) des tissus et des sources de lumière ambiante présentes en salle d'opération. Ce projet étudie donc comment ces sources de bruit et facteurs confondants affectent la mesure afin de proposer des stratégies pour améliorer la qualité du signal Raman. Pour chacun, un modèle de la mesure est établi ce qui permet de formuler un indicateur de la qualité du signal Raman, le SNR Raman moyen. Dans un premier temps, le bruit de la caméra est étudié en fonction des paramètres d'acquisition. Il est montré que le détecteur est limité par le bruit de grenaille et que ce dernier est relié à l'intensité du signal détecté par un coefficient de proportionnalité de 0.1. Ensuite, l'utilisation du phénomène de photo-blanchiment des tissus est évaluée afin de « fatiguer » le signal d'AF préalablement à la mesure du signal Raman.  ABSTRACT: The usual treatment for gliomas, or diffusively invasive brain cancer, is microsurgical resection of affected tissues. While most of it must be removed to ensure minimal local recurrence, unnecessary removal of brain tissues can severely impair the individual. However, state-of-the-art neurosurgical imaging tools such as Magnetic Resonance Imaging (MRI) coupled with neuronavigation are not capable of detecting cancerous tissues with the required precision during the surgery. Therefore, ODS Medical Inc. aims to commercialize a Raman-spectroscopy-based tissue classification system to be used intraoperatively. The surgeon would use it to point-by-point interrogate tissues in the cavity and guide the tissue resection, leading to fewer cancerous tissues left in the patient postoperatively. In turn, that would lead to fewer local recurrence and increase individual's life expectation. However, the Raman signal of biological tissues is notoriously weak and difficult to measure because of various noise sources and cofounding factors contaminating the measurement, namely the camera noise, the Auto-Fluorescence (AF) of biological tissues and the operating room ambient light sources. This project proposes an in-depth study of these noise sources and cofounding factors and formulate strategies alleviate their effect. The measurement of Raman signal in those conditions is modelized and a quality indicator is formulated, the mean Raman SNR. Firstly, the camera noise is studied considering various acquisition parameters. It is shown that the detector is shot-noise limited and that it's magnitude is strictly dependent on detected signal's intensity. Secondly, the strategy of using photo-bleaching phenomenon in order to reduce AF signal prior to the measurement is studied. It is show that mean Raman SNR is increased by about 10% when tissues are exposed 3 seconds to the excitation laser prior to the measurement. It is believed that the mean Raman SNR gain is more important when the tissue present higher AF signal. Finally, Coherent Detection (CD) is implemented in ODS Medical's prototype, allowing Raman signal detection despite measurement contamination from ambient light sources. It is shown that CD works as intended but that the shot-noise induced by contaminating light remains on the demodulated Raman signal.