identifier: Majedi, Y. (2018). Attachment of Therapeutic and Imaging Agents to Flagellated Magneto-Aerotactic Bacteria Cells for Tumor Treatment and Targeting Purposes  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Malgré les progrès significatifs dans le domaine technologique et la compréhension du cancer (au niveau biologique), il y aura toujours des défis qui ralentiront le développement et l'implémentation de certaines options de traitements dans les essais cliniques. Les chercheurs dans les secteurs de l'administration du médicament et du génie tissulaire font face à des problèmes majeurs. Ceux-ci incluent notamment l'absence d'un système conventionnel et sélectif d'administration et de diffusion du médicament, les barrières physiologiques rencontrées par les agents antitumeur hématogènes avant de parvenir aux cellules cancéreuses dans les tumeurs solides et la séquestration des médicaments par le système immunitaire qui fait en sorte qu'une petite portion de la dose totale administrée atteint le site ciblé. Ainsi, un dosage fréquent est requis pour l'obtention de l'effet thérapeutique escompté, ce qui cause des effets adverses. Cela résulte ultimement par l'échec du traitement. De plus, l'imagerie médicale est essentielle dans le diagnostic et le traitement du cancer. Toutefois, dû à la complexité structurale des tumeurs et à la profondeur de pénétration limitée dans les tumeurs des agents de contraste disponibles, ceci était infaisable. Avec les développements récents, l'obtention d'images détaillées et à hautes résolutions a été facilitée. L'attachement et l'imagerie d'agents thérapeutiques nanométriques aux microorganismes magnéto-aerotactiques connus sous le nom de BN-1 magnetotactic bacteria (MTB) pour le ciblage des tumeurs ont été étudiés au cours de ce projet de maîtrise. Les microrobots MTB semblent être des agents de ciblage autopropulsés et navigable idéaux. Ils sont capables de voyager contre la pression du fluide interstitiel de la tumeur (TIFP) afin de cibler les régions profondes des tumeurs solides. Les complexes de MTB ont été formulés en attachant aux MTB (i) des liposomes encapsulés avec du SN38 (MTB-LP-SN38) et (ii) des nanoparticules fluidMAG-ARA superparamagnétique d'oxyde de fer magnétiques de 200 nm de diamètre (MTB-MNP). Puisque les nanoparticules magnétiques se comportent comme des agents d'imagerie par résonnance magnétique (IRM), les complexes MTB-MNP facilitent le monitoring de la structure de la tumeur et des zones hypoxiques, tout en agissant comme rétroaction dans les opérations de navigation des MTB. D'une part, les MTB-LP ont été développés par conjugaison covalente directe de liposomes fonctionnalisés à des groupements amine (–NH2) qui sont naturellement présents à la surface des bactéries MTB, via un couplage carbodiimide. D'autre part, le complexe MTB-MNP a été préparé vi selon une procédure en deux étapes. Tout d'abord, les nanoparticules magnétiques ont été fonctionnalisées avec l'anticorps BN-1 (AB) contre la protéine en surface des MTB en utilisant la chimie des carbodiimide. Par la suite, les MNP-AB ont été attachés aux MTB. Les échantillons de LP, LP-SN38 et MTB-LP-SN38 ont été analysés par chromatographie liquide/spectroscopie de mass (LC/MS), spectroscopie UV, diffusion dynamique de la lumière (DLS) et potentiel zeta (ZP). De plus, l'efficacité de l'attachement, l'alignement suivant le champ magnétique et la vitesse moyenne de natation d'échantillons de MTB-MNP soumis à un champ magnétique externe ont été examinés. Subséquemment, les résultats ont montré que les cellules de bactéries MTB sont capables de transporter des quantités thérapeutiques de médicaments et d'agents d'imagerie sans compromettre leur capacité naturelle de nager.  ABSTRACT: Despite the significant progress in technology and in the biological understanding of cancer, there are still multiple challenges that slow down the development and implementation of certain treatment options in clinical trials. The researchers in the fields of drug delivery and tissue engineering are facing major problems. Some of these include the lack of a conventional and selective drug delivery and release system, the physiological barriers that the bloodborne antitumor agents encounter before reaching cancer cells in a solid tumor and sequestration of the drugs by the immune system that makes only a few percent of the total administered dose reaching the intended target site. Hence, there is a necessity for a frequent dosing to achieve the desired therapeutic effect, which can cause adverse side effects or sometimes even treatment failure. Furthermore, medical imaging is essential in cancer diagnosis and treatment. However, current medical imaging methods have limited use due to the structural complexity of the tumor and the limited penetration depth of the previously available contrast agents into tumor tissues. With recent developments, obtaining a high-resolution and detailed image of a tumor has been facilitated. The attachment of therapeutic and imaging nanosize agents to the magneto-aerotactic microorganisms known as BN-1 magnetotactic bacteria (MTB) for tumor targeting purposes has been studied during the accomplishment of this master's project. MTB microbiorobots appear to be ideal self-propelling and navigable targeting agents. They are capable of traveling against the Tumor Interstitial Fluid Pressure (TIFP) to target deep regions in solid tumors. MTB complexes were formulated by attaching to MTB (i) SN38 anticancer drug encapsulated liposomes (MTB-LP-SN38) and (ii) 200 nm fluidMAG-ARA superparamagnetic iron oxide magnetic nanoparticles (MTB-MNP). As the magnetic nanoparticles act as magnetic resonance imaging (MRI) contrast agents, MTB-MNP complexes facilitate monitoring the tumor structure and hypoxic zones while acting as feedback control in the MTB navigation operations. On one hand, the MTB-LP was developed by direct covalent conjugation of functionalized liposomes to amine (–NH2) groups that are naturally present on the surface of MTB bacteria, via carbodiimide-mediated coupling. On the other hand, the MTB-MNP was prepared via a two-step procedure. First, the magnetic nanoparticles were functionalized with the BN-1 antibody (AB) against the MTB protein surface using carbodiimide chemistry, then the MNP-AB were attached to the MTB. The LP, LP-SN38 and MTB-LP-SN38 samples were analyzed with liquid chromatography/mass spectroscopy (LC/MS), UV-Spectroscopy, dynamic light scattering (DLS) and zeta potential (ZP). In addition, the attachment efficiency, alignment in the magnetic field and average swimming velocity of the MTB-MNP samples submitted to an external magnetic field were investigated. Subsequently, results showed that MTB bacteria cells are capable of carrying sufficient therapeutic and imaging agents without altering their natural swimming capability.


identifier: Barbez, A. (2018). Deep Learning Structural and Historical Features for Anti-Patterns Detection  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes logiciels sont devenus une des composantes principales de tous les secteurs d'activité. Dans la course au rendement économique, les développeurs sont susceptibles d'implémenter des solutions non optimales aux problèmes qui leur sont posés. On nomme ainsi anti-patrons ou “design smells” ces mauvais choix de conception introduits par manque de temps et–ou d'expérience. Si ces derniers n'ont pas forcément d'impact à l'exécution, de nombreuses études ont mis en lumière leur influence négative sur la maintenabilité des systèmes. De nombreuses approches de détection automatique des anti-patrons ont été proposées. Pour la plupart, ces approches reposent sur l'analyse statique du code, mais il a été montré que les anti-pattrons sont aussi détectables par une analyse des données historiques des systèmes. Cependant, aucune d'entre elles ne semble clairement se distinguer des autres, et chaque approche identifie des ensembles d'occurrences différents, en particulier quand celles-ci reposent sur des sources d'information complémentaires (i.e., structurelles vs. historiques). Plusieurs approches basées sur l'apprentissage automatique ont tenté d'adresser ce problème. Toutefois, ces approches semblent faire face à des limitations qui leur sont intrinsèques. D'une part, inférer des caractéristiques de haut niveau sur les systèmes à partir de données brutes nécessite des modèles d'une grande complexité. D'autre part, l'entrainement de tels modèles requière un nombre conséquent d'exemples d'apprentissage, qui sont fastidieux à produire et existent en nombre très limité. Ce travail tire profit des méthodes d'apprentissage automatique pour répondre aux limitations évoquées précédemment. Dans un premier temps, nous proposons une méthode ensembliste permettant d'agréger plusieurs outils de détection. Nous montrons qu'une telle méthode atteint des performances nettement supérieures à celles des outils ainsi agrégés et permet de générer des instances d'apprentissage pour des modèles plus complexes à partir d'un nombre raisonnable d'exemples. Ensuite, nous proposons un modèle d'apprentissage profond pour la détection des anti-patrons. Ce modèle est basé sur l'analyse de l'évolution des métriques logicielles. Plus précisément, nous calculons les valeurs de certaines métriques pour chaque révision du système étudié, et, entrainons un réseau de neurones convolutif à y détecter les anti-patrons à partir de ces données. Nous montrons qu'en s'appuyant ainsi sur les aspects structurels et historiques des systèmes, notre modèle surpasse les approches existantes. Nos approches ont été expérimentées dans le cadre de la détection de deux anti-patrons populaires : God Class et Feature Envy, et leurs performances comparées avec celles de l'état de l'art.  ABSTRACT: Software systems are constantly modified, whether to be adapted or to be fixed. Due to the exigence of economic performances, these modifications are sometimes performed in a hurry and developers often implement sub optimal solutions that decrease the quality of the code. In this context, the term “anti-pattern” have been introduced to represent such “bad” solutions to recurring design problems. A variety of approaches have been proposed to identify the occurrences of anti-patterns in source code. Most of them rely on structural aspects of software systems but some alternative solutions exist. It has been shown that anti-patterns are also detectable through an analysis of historical information, i.e., by analyzing how code components evolve with one another over time. However, none of these approaches can claim high performances for any anti-pattern and for any system. Furthermore different approaches identify different sets of occurrences, especially when based on orthogonal sources of information (structural vs. historical). Several machine-learning based approaches have been proposed to address this issue. However these approaches failed to surpass conventional detection techniques. On the one hand, learning high level features from raw data requires complex models such as deep neuralnetworks. On the other hand, training such complex models requires substantial amounts of manually-produced training data, which is hardly available and time consuming to produce for anti-patterns. In this work, we address these issues by taking advantage of machine-learning techniques. First we propose a machine-learning based ensemble method to efficiently aggregate various anti-patterns detection tools. We show that (1) such approach clearly enhances the performances of the so aggregated tools and; (2) our method produces reliable training instances for more complex anti-pattern detection models from a reasonable number of training examples. Second we propose a deep-learning based approach to detect anti-patterns by analyzing how source code metrics evolve over time. To do so, we retrieve code metrics values for each revision of the system under investigation by mining its version control system. This information is then provided as input to a convolutional neural network to perform final prediction. The results of our experiments indicate that our model significantly outperforms existing approaches. We experiment our approaches for the detection of two widely known anti-patterns: God Class and Feature Envy and compare their performances with those of state-of-the-art.


identifier: Massé, C. (2018). Modélisation et commande d'un quadricoptère en présence de vent  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les multicoptères sont utilisés à toutes sortes de fins, mais limités par ce que permet la technologie actuelle. Il incombe alors de développer des solutions qui vont permettre de repousser ces limites. Une des plus grandes limites à l'heure actuelle est le vent. Les drones sont souvent appelés à opérer dans des milieux extérieurs, pour l'inspection de structures notamment. Leur vulnérabilité face aux perturbations occasionnées par un environnement venteux en réduit toutefois les performances et limite leur spectre d'utilisation. Dans cet optique, on présente dans ce projet une solution pour améliorer la résistance d'un quadricoptère à ce type de perturbations et ainsi rendre l'utilisateur moins dépendant de son environnement lors de ses activités. L'approche suggérée vise à améliorer la résistance du quadricoptère au vent via une loi de commande plus robuste. Pour ce faire, on établit d'abord les équations non linéaires caractérisant la dynamique d'un quadricoptère dans le vent. À partir de ces équations, on peut établir l'expression du modèle d'état linéaire invariant dans le temps (Linear Time Invariant (LTI)) en fonction des valeurs d'équilibre du drone. On synthétise ensuite une loi de commande efficace en maintien de position. On compare alors deux techniques de synthèse différentes ; la synthèse Linear Quadratic Regulator (LQR) et la synthèse H1 structurée. On conclut que la synthèse H1 structurée est plus appropriée, puisqu'elle permet de traiter les problématiques de stabilité et de robustesse aux perturbations directement lors de la synthèse alors que la synthèse LQR ne le permet pas. Elle a aussi l'avantage d'offrir plus de flexibilité au niveau de l'architecture de la loi de commande. On étend finalement les performances de la synthèse H1 structurée, non seulement pour une position d'équilibre en vol stationnaire, mais pour un ensemble de points d'équilibre. En gardant la même technique, on développe, pour chacun de ces points d'équilibre, le modèle LTI associé et on cherche à faire en sorte que les performances soient rencontrées pour chacun des points. La dynamique du quadricoptère étant non linéaire, les modèles peuvent grandement varier et il devient difficile de rencontrer les performances sur l'ensemble avec des gains fixes. Pour pallier à ce problème, on utilise un séquencement des gains de la loi de commande (gain-scheduling). Les gains dépendent alors des variables d'état caractérisant l'attitude du quadricoptère. En augmentant ainsi les degrés de liberté du contrôleur, on arrive à imposer de meilleures performances sur un ensemble plus grand de points d'équilibre. Un problème survient toutefois en utilisant cette technique.  ABSTRACT: Multicopters are used for all kinds of purposes, but limited by what current technology allows. New solutions must be developped in order to push these limits. One of the biggest limitations at the moment is the wind. Drones are often called upon to operate in external environments, particularly for the inspection of structures. However, their vulnerability to disturbances caused by a windy environment reduces their performance and limits their range of use. With this in mind, this project presents a solution to improve the resistance of a quadricopter to this type of disturbance and thus make the user less dependent on his environment during his activities. The suggested approach aims to improve the wind resistance of the quadricopter's through a more robust control law. To do this, we first establish the non-linear equations characterizing the dynamics of a quadricopter in the wind. From these equations, we can establish the expression of the time-invariant linear state model (LTI) as a function of the equilibrium values of the drone. An effective control law is then synthesized to hold position. We compare two different synthesis techniques ; the synthesis LQR and the structured synthesis H1W˙ e conclude that the structured synthesis H1 is more appropriate, since it allows to treat the problems of stability and robustness to disturbances directly during the synthesis while the LQR synthesis does not allow it. It also has the advantage of offering more flexibility in the architecture of the control law. Finally, the performance of the structured synthesis H1 is extended, not only for hovering, but for a set of equilibrium points. By keeping the same technique, we develop, for each of these equilibrium points, the associated LTI model and we try to ensure that the performances are met for each of the points. The dynamics of the quadricopter being non-linear, models can vary greatly and it becomes difficult to meet the performance on the whole set with fixed gains. To overcome this problem, we use a scheduling of the control law gains. The gains depend on the state variables characterizing the quadricopter's attitude. By increasing the controller's degrees of freedom in this way, better performance can be imposed on a larger set of equilibrium points. However, a problem arises when using this technique. Indeed, the scheduling function introduces a non-linearity into the control law, which takes the form of hidden coupling terms.


identifier: Darveau, P. (2019). Développement de piles de ponts préfabriquées résistant aux séismes  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours des dernières années, le développement de nouveaux matériaux plus performants a permis de repenser la conception des structures afin de développer un concept innovateur de construction accélérée de ponts (projet CAP). Les bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUP),caractérisés par leur grande résistance mécanique en traction et leur durabilité à long terme, ont déjà fait leurs preuves dans le renforcement sismique de structures existantes (Dagenais,Massicotte, & Boucher-Proulx, 2017).  ABSTRACT: In recent years, the new development of more efficient materials allowed to rethink the structural design through the development of an innovative concept of accelerated bridge construction (ABC project). Ultra-high performance fiber reinforced concretes (UHPFRC), characterized by their high tensile strength and long-term durability, have already proved their value in the seismic reinforcement of existing structures (Dagenais, Massicotte, & Boucher-Proulx, 2017). Thus, in the context where it is possible to repair or reinforce an existing column with UHPFRC, the idea has emerged to build prefabricated piers in different sections that can subsequently be directly assembled on site with UHPFRC joints.


identifier: Lapointe, M. (2019). Impact de médias lestants et de polymères alternatifs sur la performance de la floculation lestée  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La floculation lestée est largement utilisée en Amérique du Nord et en Europe lors du traitement des eaux potables, usées et industrielles. Sa popularité s'explique notamment par son efficacité d'enlèvement des flocs, sa compacité, sa facilité de mise en œuvre et sa robustesse vis-à-vis des variations de qualité de l'affluent. Cette technologie de traitement requiert l'utilisation d'un média lestant, ce dernier permettant d'augmenter la densité et la taille des flocs. Plusieurs types de médias peuvent être utilisés. Des technologies employant du sable de silice, de la magnétite, du charbon actif ou des boues de décantation comme médias lestants sont commercialisées depuis plus de 30 ans. Un floculant synthétique de poids moléculaire élevé (viz, le polyacrylamide) est indispensable à la floculation lestée. En plus de permettre la liaison entre les microflocs coagulés et le média lestant, il améliore la cinétique d'agrégation et augmente la résistance des flocs au cisaillement.  ABSTRACT: Ballasted flocculation, a process consisting in injecting micron-sized granular media to increase the specific gravity and size of flocs, is being increasingly used in the water treatment industry owing to its potential to achieve very high superficial design velocities. This offers the advantages of a more compact process (i.e., smaller footprint), stable suspended solids removal performance, faster start-up, and important cost savings compared to conventional flocculation. Flocculation requires the use of synthetic polymers, mainly polyacrylamide, which are frequently used in water treatment to improve the performance of conventional clarification and ballasted flocculation, as they increase the floc resistance to shearing (the shearing being notably high in ballasted flocculation, around 165 s-1).


identifier: Beji, S. (2018). Intégration itérative des systèmes avioniques communicants en mode synchrone et asynchrone  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes avioniques modernes sont des systèmes distribués complexes et évolutifs. Ces systèmes sont conçus d'une manière itérative en intégrant à chaque itération une ou plusieurs fonctionnalités. L'ajout de nouvelles fonctionnalités impose des coûts supplémentaires de reconfiguration de telle sorte que l'ensemble du système soit conforme aux exigences temps-réel. Ces systèmes reposent également sur l'adoption d'un protocole de communication déterministe tel que le protocole AFDX. Ce dernier est utilisé dans les avions modernes tels que l'A380 de Airbus et le B787 de Boeing. Il repose sur une communication asynchrone avec limitation de la bande passante. Ce mécanisme permet d'assurer des délais finis de communication. La recherche de plus de déterminisme a poussé la communauté scientifique à chercher d'autres alternatives à AFDX. Le standard Time-triggered Ethernet constitue une bonne alternative. En plus de la communication asynchrone à bande passante limitée, il définit également une communication synchrone. Suivant le type de communication, les approches de vérification des exigences temps-réel diffèrent. Pour analyser les flux asynchrones, on utilise principalement des approches analytiques. Elles assurent un bon compromis entre performance et pessimisme. Pour les flux synchrones, on s'appuie plutôt sur le formalisme de contraintes pour synthétiser un ordonnancement faisable. La combinaison des deux flux constitue un défi en termes de vérification. De plus, les approches de vérification définies ne modélisent ni l'aspect évolutif ni la notion coût.  ABSTRACT: Modern avionics systems are complex and evolving distributed ones. They are designed iteratively by integrating at each iteration one or more functionalities. Adding new functionality may impose additional reconfiguration costs so that the whole system complies with the realtime requirements. These systems also rely on the adoption of a deterministic communication protocol such as AFDX. The latter is used in modern aircrafts such as the Airbus A380 and the Boeing B787. It relies on asynchronous communication with bandwidth limitations. This mechanism ensures finite communication delays. The search for more determinism encourage the scientific community to look for other alternatives to AFDX. The Time-triggered Ethernet standard is a good alternative. In addition to asynchronous communication with limited bandwidth, it also defines synchronous ones. Depending on the type of communication, verification approaches of real-time requirements differ. To analyze asynchronous flows, we mainly use analytical approaches. They ensure a good compromise between performance and pessimism. For synchronous flows, we rely instead on constraint formalism to synthesize a feasible scheduling. The combination of the two flows is a challenge in terms of verification. In addition, defined verification approaches do not model neither the evolving aspect nor the cost concept.


identifier: Touttée, J.-M. (2019). Caractérisation de la vulnérabilité d'une prise d'eau aux rejets de proximité et de rive dans un contexte urbain  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un bassin de drainage urbain (BDU) est une unité territoriale urbaine caractérisée par un système de drainage qui acheminera les eaux vers un même exutoire. Le BDU se déchargeant ainsi dans le cours d'eau est à l'origine de rejets de rive pouvant impacter les prises d'eau situées en aval. L'objectif de ce projet est de développer une méthode d'évaluation simple et efficace des risques encourus par une prise d'eau située en aval d'un bassin de drainage urbain. Pour ce faire, l'évaluation conjointe de la vulnérabilité intrinsèque de la prise d'eau et des menaces pouvant exercer une pression sur celle-ci doit être réalisée.  ABSTRACT: An urban drainage basin (BDU) is an urban territorial unit characterized by a drainage system that will carry wastewater to the same outlet. The BDU that discharges into the watercourse causes shoreline discharges that may impact downstream water intakes. The objective of this project is to develop a simple and effective risk assessment method for a water intake located downstream of a densely urbanized area. Thus, the project studies the intrinsic vulnerability of the water intake and the threats that may put pressure on it.


identifier: Ghasemi, A. (2018). Beam Scanning Slot Array Antennas with Electromechanical Reconfigurability  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La possibilité de reconfigurer facilement les petites pièces des antennes réseau pour balayer le faisceau principal joue un rôle essentiel dans plusieurs applications, notamment les communications par satellite et les radars. Ces antennes reconfigurables ont des exigences particulières en matière de capacité de balayage de faisceau, de faible poids/taille, de capacité de puissance élevée, de gain élevé, de niveau de lobes secondaires faibles, de vitesse de poursuite élevée, de coût faible et de profil bas. Trouver une solution capable d'intégrer toutes ces caractéristiques est un défi et nécessite l'introduction de solutions innovantes. L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer la capacité de balayage continu de faisceau de haute puissance dans deux polarisations linéaires différentes avec reconfigurabilité électromécanique. Pour réussir cela, nous prenons en compte la rotation électromécanique d'une ou deux tiges diélectriques à l'intérieur d'un guide d'onde à fentes. La première approche est basée sur un guide d'onde rectangulaire à fentes à large paroi. Nous utilisons un guide d'onde rectangulaire WR-62 standard. Le réseau linéaire à 20 fentes proposé permet le balayage du faisceau en faisant tourner deux tiges diélectriques à l'intérieur du guide d'ondes. Des tiges faites de diélectrique ont été choisies pour éliminer le mode TEM. La longueur d'onde de l'onde progressive et par conséquent les phases des éléments sont modifiées en fonction de l'angle de rotation des tiges par rapport au champ de mode dominant. Une étude détaillée du couplage mutuel entre les fentes et de la méthodologie de conception du réseau de fentes est menée. Les longueurs des fentes et leurs décalages par rapport au plan central du guide d'ondes doivent être évalués, de manière à obtenir un motif spécifié et un niveau d'impédance d'entrée spécifié. Pour réussir cela, nous devons prendre en compte le couplage mutuel entre les fentes. Une distribution d'amplitude triangulaire superposée à un niveau inférieur constant est utilisée afin de démontrer la capacité de contrôler le niveau des lobes secondaires (SLL). Une nouvelle conception pour la transition avec un guide d'ondes à rainure utilisant des tiges diélectriques à l'intérieur est proposée. Cette transition se compose d'un guide d'onde coaxial à l'arête et d'un guide d'onde chargé de tiges diélectriques. Les pointes en forme de coin sur l'arête et les plaques diélectriques entraînaient une faible perte de retour (inférieure à 10 dB) pour tous les angles de rotation des tiges.  ABSTRACT: The capability of easily reconfiguring the small parts of array antennas in order to scan the main beam plays a key role in several applications, including satellite communications and radars. These reconfigurable antennas have special demands regarding beam scanning capability, small size/weight, high power handling, high gain, low side lobe level, high tracking speed, low cost, and low profile. Finding a solution able to integrate all these characteristics is challenging, and needs the introduction of innovative solving. The main goal of this thesis is to evaluate the capability of high power continuous beam scanning in two different linear polarizations with electromechanical reconfigurability. To do this successfully, we account for the electromechanically rotating one or two dielectric slabs inside a slotted waveguide. The first approach is based on a broad wall slotted rectangular waveguide. We employ a standard WR-62 of rectangular waveguide. The proposed linear 20-slotted array allows beam scanning by rotating of two dielectric slabs inside the waveguide. The slab made of dielectric has been chosen in order to eliminate the TEM mode. The wavelength of the travelling wave and consequently the element's phases are changed depending on the angle of the slabs relative to the dominant mode field. A detailed investigation of the coupling between the slots and the design methodology of the slot network is conducted. The lengths of the slots and their offsets from the waveguide center plane need to be evaluated, in such a way that a specified pattern and a specified input impedance level are achieved. To do this successfully, we must take into account the mutual coupling between slots. A triangular amplitude distribution superimposed on a constant lower level is used in order to demonstrate the capability to control the side lobe level (SLL). A novel design for the transition with a ridge waveguide using slabs inside it is proposed. This transition consists of a coaxial to ridge waveguide and a dielectric slabs loaded waveguide. Wedge shaped tips on both the ridge and the dielectric slabs led to good return loss (below -10 dB) for all rotation angles of the slabs. A 14° beam scanning from near broadside toward end-fire direction at the design frequency of 9.35


identifier: Wang, K. (2020). Active Backscattering Positioning System Using Innovative Harmonic Oscillator Tags for Future Internet of Things: Theory and Experiments  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: D'ici 2020, l'Internet des objets (IoT) permettra probablement de créer 25 milliards d'objets connectés, 44 ZB de données et de débloquer 11 000 milliards de dollars d'opportunités commerciales. Par conséquent, ce sujet a suscité d'énormes intérêts de recherche dans le monde académique entier. L'une des technologies clés pour l'IoT concerne le positionnement physique intérieur précis. Le principal objectif dans ce domaine est le développement d'un système de positionnement intérieur avec une grande précision, une haute résolution, un fonctionnement à plusieurs cibles, un faible coût, un faible encombrement et une faible consommation d'énergie. Le système de positionnement intérieur conventionnel basé sur les technologies de Wi-Fi ou d'identification par radiofréquence (RFID) ne peut répondre à ces exigences. Principalement parce que leur appareil et leur signal ne sont pas conçus spécialement pour atteindre les objectifs visés. Les chercheurs ont découvert qu'en mettant en oeuvre de différents types de modulation sur les étiquettes, le radar à onde continue (CW) et ses dérivés deviennent des solutions prometteuses. Les activités de recherche présentées dans cette thèse sont menées dans le but de développer des systèmes de positionnement en intérieur bidimensionnel (2-D) à plusieurs cibles basées sur des étiquettes actives à rétrodiffusion harmonique avec une technique à onde continue modulée en fréquence (FMCW). Les contributions de cette thèse peuvent être résumées comme suit: Tout d'abord, la conception d'un circuit actif harmonique, plus spécifiquement une classe d'oscillateurs harmoniques innovants utilisée comme composant central des étiquettes actives dans notre système, implique une méthodologie de conception de signal de grande taille et des installations de caractérisation. L'analyseur de réseau à grand signal (LSNA) est un instrument émergent basé sur les fondements théoriques du cadre de distorsion polyharmonique (PHD). Bien qu'ils soient disponibles dans le commerce depuis 2008, des organismes de normalisation et de recherche tels que l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) des États-Unis travaillent toujours à la mise au point d'un standard largement reconnu permettant d'évaluer et de comparer leurs performances. Dans ce travail, un artefact de génération multi-harmonique pour la vérification LSNA est développé. C'est un dispositif actif capable de générer les 5 premières harmoniques d'un signal d'entrée avec une réponse ultra-stables en amplitude et en phase, quelle que soit la variation de l'impédance de la charge.  ABSTRACT: By 2020, the internet of things (IoT) will probably enable 25 billion connected objects, create 44 ZB data and unlock 11 trillion US dollar business opportunities. Therefore, this topic has been attracting tremendous research interests in the entire academic world. One of the key enabling technologies for IoT is concerned with accurate indoor physical positioning. The development of such an indoor positioning system with high accuracy, high resolution, multitarget operation, low cost, small footprint, and low power consumption is the major objective in this area. The conventional indoor positioning system based on WiFi or radiofrequency identification (RFID) technology cannot fulfill these requirements mainly because their device and signal are not purposely designed for achieving the targeted goals. Researchers have found that by implementing different types of modulation on the tags, continuous-wave (CW) radar and its derivatives become promising solutions. The research activities presented in this Ph.D. thesis are carried out towards the goal of developing multitarget two-dimensional (2-D) indoor positioning systems based on harmonic backscattering active tags together with a frequency-modulated continuous-wave (FMCW) technique. Research contributions of this thesis can be summarized as follows: First of all, the design of a harmonic active circuit, more specifically, a class of innovative harmonic oscillators used as the core component of active tags in our system, involves a large signal design methodology and characterization facilities. The large signal network analyzer (LSNA) is an emerging instrument based on the theoretical foundation for the Poly-Harmonic Distortion (PHD) framework. Although they have been commercially available since 2008, standard and research organizations such as the National Institute of Standards and Technology (NIST) of the US are still working towards a widely-recognized standard to evaluate and cross-reference their performances. In this work, a multi-harmonic generation artifact for LSNA verification is developed. It is an active device that can generate the first 5 harmonics of an input signal with ultra-stable amplitude and phase response regardless of the load impedance variation.


identifier: Li, H. (2018). Wet Media Mill of Lithium Iron Phosphate  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au cours de la dernière décennie, l'intérêt pour les véhicules à piles s'est accru. En 1997,Padhil(Padhi et al., 1997) a proposé pour la première fois que le modèle LiFePO4 vêtu de carbone (LFP) pourrait devenir un excellent matériau pour la cathode. Comparé à d'autres matériaux de cathode tels que LiCoO2, LiMn2O4, le LFP est moins dommageable pour l'environnement, sécuritaire et thermiquement stable. Les batteries au LFP, en raison de leurs propriétés électriques, ainsi que l'abondance en fer et la faible toxicité du matériau, ont par conséquent été considérés comme l'un des composants les plus prometteurs pour la cathode. Depuis lors, de nombreux chercheurs ont travaillé sur l'utilisation du modèle LFP en tant que matériau de cathode de batterie pour les véhicules électriques (VE).  ABSTRACT: Interest has grown in the last decade for battery-powered vehicles. In 1997 Padhil et al.(Padhi et al., 1997) theorized for the first time that carbon coated LiFePO4 (LFP) had the potential as an excellent cathode material. Compared to other cathode materials such as LiCoO2, LiMn2O4, LFP is environmentally friendly, safe and thermally stable. LFP batteries have been regarded as one of the most promising components for the cathode for their electrical properties, along with iron abundance and its low toxicity. Many researchers worked on applying LFP as cathode material in batteries for electric vehicles (EV). There is no doubt of their commercial interest for the EV market.


identifier: Harper-Cyr, C. (2018). Points de trace rapides et flexibles en X86  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le traçage est une technique très utile pour les développeurs afin de trouver les problèmes dans les systèmes complexes, et pour analyser l'exécution de ceux-ci. Le traçage permet d'enregistrer les informations de bas niveau d'un système avec un dérangement minimal de celui-ci. Ces informations présentent une vue d'ensemble de l'exécution du système sous test et permettent d'analyser son comportement. Plusieurs outils de traçage permettent à un développeur d'instrumenter un système en y ajoutant des appels d'enregistrement d'information. L'utilisation de ces outils n'est par contre pas toujours possible. En effet, il est nécessaire de recompiler et redéployer le système afin de modifier la définition des points de trace existants et d'en ajouter. Pour pallier à ce problème, des outils de traçage avec instrumentation dynamique peuvent être utilisés. Ceux-ci permettent l'ajout de traçage dans un programme, sans modification des exécutables concernés. Certains outils permettent aussi l'ajout d'instrumentation dans un processus en exécution avec un minimum de dérangement de celui-ci. Ainsi, il est possible pour un développeur d'instrumenter un programme déployé sans déranger l'exécution de celui-ci. La modification dynamique de processus en exécution est un procédé délicat qui demande une modification du code machine sans changement apparent à l'exécution de celui-ci. L'architecture multi-processeur des systèmes modernes pose un problème majeur pour la modification de processus en exécution : l'exécution d'opérations invalides durant la modification du processus. En effet, les fils d'exécution d'un système ne doivent pas être affectés durant la modification du code machine par un des fils. Plusieurs techniques peuvent être utilisées afin de modifier sans danger les programmes multi-fils en exécution.  ABSTRACT: Tracing is a very useful technique used by developers in order to find problems in complex systems, and to analyze the execution of these systems. Tracing is the gathering of low level information about a system, disturbing said system as little as possible. A multitude of tracing tools enable a developer to instrument a system by adding tracepoints. The use of these tools is not always possible, however, since a recompilation and redeployment of the target system is necessary to modify existing tracepoints or add new ones. Indeed, in most cases, it is impossible to modify the tracing instrumentation of a running system. To resolve this problem, tracing tools with dynamic instrumentation can be used instead. These tools enable a user to add and modify the tracepoints of a running system, while affecting as little as possible the execution of this system. The dynamic modification of a running process is a delicate procedure that requires changing the machine code without affecting the execution of the process. The multi-core architecture of modern systems introduces a major hassle when trying to dynamically modify machine code: the execution of invalid instructions during the modification. Indeed, it is important that no thread be affected during the modification of a process. Multiple techniques can be used to safely modify running multi-threaded processes. First of all, stopping all threads of a process is an effective technique to insert a tracepoint into a running process. While a process is stopped, a tool can safely add instructions that branch to tracing code. This ensures that no thread is executing invalid instructions during the insertion. Every thread must be stopped to guarantee the safety of the insertion. It is not always possible to stop every thread in performance sensitive situations.


identifier: Al-Haiek, A. (2018). Scaling the Production of Solid-Stabilized Emulsions  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un processus d'émulsification est rencontré chaque jour ! Que ce soit simplement en lavant les mains ou nettoyant les vêtements, en utilisant une vinaigrette ou en buvant du lait, ou avec l'émulsification de l'eau dans l'huile extraite par la suite. Ce peut être un objectif ou un problème. Néanmoins, l'émulsification fait partie d'un plus grand domaine en ingénierie appelé mélange… et ce dernier ne manque pas de lacunes. Sur le plan industriel, la résolution des problèmes de mélange repose principalement sur l'expérience de l'ingénieur et sur une méthode basée sur l'essai et l'erreur. Cette façon de faire mène à des produits non conformes aux spécifications et génère des pertes de l'ordre de millions de dollars. Heureusement, ce comportement est en disparition grâce aux méthodes scientifiques qui sont étudiées et publiées chaque année. L'objectif principal ici est de comprendre le procédé et non pas simplement d'atteindre les spécifications requises.  ABSTRACT: An emulsification process is encountered every single day! Whether it is simply when washing hands or clothes, using vinaigrettes or milk, or with water emulsified in oil that is then extracted. It can be either an objective or a problem. Nonetheless, emulsification is part of a larger engineering field called mixing which does not lack issues. Industrially, resolving mixing issues have mainly relied on the engineer's experience and on a trial-and-error method. Products that did not match specifications generated millions of dollars in losses. However, this behavior is changing with a large amount of scientifically based methods that are investigated and published every year. The main objective here is to understand the process and not simply achieve the required specifications.


identifier: El Maâchi, I. (2018). Algorithmes de détection des maladies neurodégénératives à partir de la démarche d'un individu  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le diagnostic des maladies neurodégénératives est un défi en médecine. Il repose principalement sur l'interprétation des symptômes par les médecins. Il existe donc un besoin important d'outils automatiques pouvant assister les médecins dans leurs prises de décision. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est de développer des algorithmes de détection des maladies neurodégénératives à partir des données de la démarche des patients. Dans un premier temps, nous avons développé un algorithme de détection de la maladie du Parkinson. En entrée, l'algorithme utilise les forces de réaction verticale du sol (vertical ground reaction force-VGRF) enregistrées par plusieurs capteurs placés sous les pieds. La première composante de notre algorithme est constituée de 18 réseaux neuronaux convolutifs 1D (1D-Convnets) parallèles, traitant chacun un signal de VGRF. Chacun de ces 1D-Convnets extrait un vecteur de caractéristiques propre au signal traité. Ensuite, tous ces vecteurs de caractéristiques sont concaténés et envoyés à un réseau pleinement connecté qui les intègre et donne en sortie la classification finale. L'algorithme a été comparé à d'autres méthodes récentes dans la littérature et a démontré une amélioration de la précision de classification. Dans un deuxième temps, nous avons utilisé les données spatio-temporelles de la démarche pour développer quatre détecteurs de maladies neurodégénératives : détecteur de Parkinson, de Huntington, de sclérose latérale amyotrophique et un détecteur de l'ensemble de ces maladies neurodégénératives combinées. Puisque la base de données était de taille réduite, nous avons utilisé les algorithmes d'apprentissage machine classiques. Pour ce faire, nous avons extrait les caractéristiques de l'amplitude et de la dynamique des fluctuations des données spatio-temporelles. Ensuite, nous avons entraîné différents classificateurs à classifier ces vecteurs. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec une machine à support de vecteurs. Les résultats obtenus confirment la performance des algorithmes développés. Ceux-ci pourraient être utilisés en milieu clinique dans le but d'effectuer des tests précoces pour identifier les patients qui peuvent être atteints de maladies neurodégénératives.  ABSTRACT: Neurodegenerative disease diagnosis is still a very challenging problem in medicine. It relies mainly on physician expertise and interpretation of patient's physical symptoms. Therefore, there is a great need for automatic tools that can assist physicians in their decision making. In this context, the objective of this research work is to develop algorithms for the detection of neurodegenerative diseases. First, we developed a detection algorithm for Parkinson's disease. As input, the algorithm uses vertical ground reaction forces (VGRF) recorded from several sensors placed under the subjects' feet. The first component of our algorithm consists of 18 parallel 1D convolution neural networks (1D-Convnets), each processing a VGRF signal. Each of these convolution networks extracts a feature vector of the processed signal. Then, all these feature vectors are concatenated and sent to a fully connected network that integrates them and outputs the final classification. The algorithm has been compared to recent state-of-the-art methods and has shown an improved classification accuracy. Second, we used spatiotemporal data of gait to develop four detectors of neurodegenerative diseases: a detector of Parkinson, Huntington, of amyotrophic lateral sclerosis and a detector of all these neurodegenerative diseases combined. Since the database was smaller, we explored classic machine learning algorithms. We first extracted fluctuation magnitudes and dynamic features of the spatiotemporal data. Then we trained different classifiers to classify these vectors. The best results were obtained with a support vector machine. The obtained results confirm the performance of our algorithms. Our method could be used clinically to screen patients in order to identify those who may potentially have neurodegenerative diseases.


identifier: Ghesquiere, P. (2018). Segmentation automatique des images de fibres d'ADN pour la quantification du stress réplicatif  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La réplication de l'ADN est un processus complexe géré par une multitude d'interactions moléculaires permettant une transmission précise de l'information génétique de la cellule mère vers les cellules filles. Parmi les facteurs pouvant porter atteinte à la fidélité de ce processus, on trouve le Stress Réplicatif. Il s'agit de l'ensemble des phénomènes entraînant le ralentissement voire l'arrêt anormal des fourches de réplication. S'il n'est pas maîtrisé, le stress réplicatif peut causer des ruptures du double brin d'ADN ce qui peut avoir des conséquences graves sur la stabilité du génome, la survie de la cellule et conduire au développement de cancers, de maladies neurodégénératives ou d'autres troubles du développement. Il existe plusieurs techniques d'imagerie de l'ADN par fluorescence permettant l'évaluation de la progression des fourches de réplication au niveau moléculaire. Ces techniques reposent sur l'incorporation d'analogues de nucléotides tels que chloro- (CldU), iodo- (IdU), ou bromo-deoxyuridine (BrdU) dans le double brin en cours de réplication. L'expérience la plus classique repose sur l'incorporation successive de deux types d'analogues de nucléotides (IdU et CldU) dans le milieu cellulaire. Une fois ces nucléotides exogènes intégrés dans le double brin de l'ADN répliqué, on lyse les cellules et on répartit l'ADN sur une lame de microscope. Les brins contenant les nucléotides exogènes peuvent être imagés par immunofluorescence. L'image obtenue est constituée de deux couleurs correspondant à chacun des deux types d'analogues de nucléotides. La mesure des longueurs de chaque section fluorescente permet la quantification de la vitesse de progression des fourches de réplication et donc l'évaluation des effets du stress réplicatif. La mesure de la longueur des fibres fluorescentes d'ADN est généralement réalisée manuellement. Cette opération, en plus d'être longue et fastidieuse, peut être sujette à des variations inter- et intra- opérateurs provenant principalement de déférences dans le choix des fibres. La détection des fibres d'ADN est difficile car ces dernières sont souvent fragmentées en plusieurs morceaux espacés et peuvent s'enchevêtrer en agrégats. De plus, les fibres sont parfois difficile à distinguer du bruit en arrière-plan causé par les liaisons non-spécifiques des anticorps fluorescents. Malgré la profusion des algorithmes de segmentation de structures curvilignes (vaisseaux sanguins, réseaux neuronaux, routes, fissures sur béton...), très peu de travaux sont dédiés au traitement des images de fibres d'ADN. Nous avons mis au point un algorithme intitulé ADFA (Automated DNA Fiber Analysis) permettant la segmentation automatique des fibres d'ADN ainsi que la mesure de leur longueur respective. Cet algorithme se divise en trois parties : (i) Une extraction des objets de l'image par analyse des contours. Notre méthode de segmentation des contours se basera sur des techniques classiques d'analyse du gradient de l'image (Marr-Hildreth et de Canny). (ii) Un prolongement des objets adjacents afin de fusionner les fibres fragmentées. Nous avons développé une méthode de suivi (tracking) basée sur l'orientation et la continuité des objets adjacents. (iii) Une détermination du type d'analogue de nucléotide par comparaison des couleurs. Pour ce faire, nous analyserons les deux canaux (vert et rouge) de l'image le long de chaque fibre. Notre algorithme a été testé sur un grand nombre d'images de qualité variable et acquises à partir de différents contextes de stress réplicatif. La comparaison entre ADFA et plusieurs opérateurs humains montre une forte adéquation entre les deux approches à la fois à l'échelle de chaque fibre et à l'échelle plus globale de l'image. La comparaison d'échantillons soumis ou non soumis à un stress réplicatif a aussi permis de valider les performances de notre algorithme. Enfin, nous avons étudié l'impact du temps d'incubation du second analogue de nucléotide sur les résultats de l'algorithme. Notre algorithme est particulièrement efficace sur des images contenant des fibres d'ADN relativement courtes et peu fractionnées. En revanche, notre méthode de suivi montre des limites lorsqu'il s'agit de fusionner correctement de longues fibres fortement fragmentées et superposées à d'autres brins. Afin d'optimiser les performances d'ADFA, nous recommandons des temps d'incubation courts (20 à 30 minutes) pour chaque analogue de nucléotide dans le but d'obtenir des fibres courtes. Nous recommandons aussi de favoriser la dilution des brins sur la lame de microscope afin d'éviter la formation d'agrégats de fibres difficiles à distinguer. ADFA est disponible en libre accès et a pour vocation de servir de référence pour la mesure des brins d'ADN afin de pallier les problèmes de variabilités inter-opérateurs.  ABSTRACT: DNA replication is tightly regulated by a great number of molecular interactions that ensure accurate transmission of genetic information to daughter cells. Replicative Stress refers to all the processes undermining the fidelity of DNA replication by slowing down or stalling DNA replication forks. Indeed, stalled replication forks may “collapse” into highly-genotoxic double strand breaks (DSB) which engender chromosomal rearrangements and genomic instability. Thus, replicative stress can constitute a critical determinant in both cancer development and treatment. Replicative stress is also implicated in the molecular pathogenesis of aging and neurodegenerative disease, as well as developmental disorders. Several fluorescence imaging techniques enable the evaluation of replication forks progression at the level of individual DNA molecules. Those techniques rely on the incorporation of exogene nucleotide analogs in nascent DNA at replication forks in living cells. In a typical experiment, sequential incorporation of two nucleotide analogs, e.g., IdU and CldU, is performed. Following cell lysis and spreading of DNA on microscopy slides, DNA molecules are then imaged by immunofluorescence. The obtained image is made up of two colors corresponding to each one of the two nucleotide analogs. Measurement of the respective lengths of these labeled stretches of DNA permits quantification of replication fork progression. Evaluation of DNA fiber length is generally performed manually. This procedure is laborious and subject to inter- and intra-user variability stemming in part from unintended bias in the choice of fibers to be measured. DNA fiber extraction is difficult because strands are often fragmented in lots of subparts and can be tangled in clusters. Moreover, the extraction of fibers can be difficult when the background is noised by non specific staining. Despite the large number of segmentation algorithms dedicated to curvilinear structures (blood vessels, neural networks, roads, concrete tracks...), few studies address the treatment of DNA fiber images. We developed an algorithm called ADFA (Automated DNA Fiber Analysis) which automatically segments DNA fibers and measures their respective length. Our approach can be divided into three parts: 1. Object extraction by a robust contour detection. Our contour segmentation method relies on two classical gradient analyses (Marr and Hildreth, 1980; Canny, 1986) 2. Fusion of adjacent fragmented fibers by analysing their continuity. We developped a tracking approach based on the orientation and the continuity of adjacent fibers. 3. Detection of the nucleotide analog label (IdU or CldU). To do so, we analyse the color profile on both channels (green and red) along each fiber. ADFA was tested on a database of different images of varying quality, signal to noise ratio, or fiber length which were acquired from two different microscopes. The comparison between ADFA and manual segmentations shows a high correlation both at the scale of the fiber and at the scale of the image. Moreover, we validate our algorithm by comparing samples submitted to replicative stress and controls. Finally, we studied the impact of the incubation time of the second nucleotide analog pulse. The performances of our algorithm are optimised for images containing relatively short and not fragmented DNA fibers. Our tracking methods may be limited when connecting highly split fibers superimposed to other strands. Therefore, we recommend to reduce the incubation time of each nucleotide analog to about 20-30 minutes in order to obtain short fibers. We also recommend to foster the dilution of fibers on the slide to reduce clustering of fluorescent DNA molecules. ADFA is freely available as an open-source software. It might be used as a reference tool to solve inter-intra user variability.


identifier: Wan, B. (2018). The Role of Particles in the Processing of the Solid-Stabilized Emulsions  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: - L'utilisation de particules solides pour la stabilisation d'émulsions suscite de plus en plus l'intérêt des industriels en raison de leur capacité à générer des émulsions très stables en plus de leurs potentiels à produire des nouveaux matériaux. La présence de particules aux interfaces huile-eau peut cependant être à l'origine de problèmes de séparation au niveau industriel tel que c'est le cas dans le domaine pétrolier lors du traitement du pétrole brut ou de son dessalage. L'impact des propriétés des particules (mouillabilité, taille, forme, concentration, etc…) sur les émulsions produites a été largement étudié. Cependant, le manque d'information sur le comportement des particules durant le processing empêche l'optimisation des procédés d'émulsification et de déstabilisation. L'objectif de ce travail est donc de mettre la lumière sur le rôle exacte des particules durant les procédés d'émulsification, d'inversion de phase ou de déstabilisation d'émulsion. Ces trois opérations ont notamment été reproduites à l'échelle du laboratoire dans un dispositif standard de mélange en utilisant un système modèle avec des matériaux bien caractérisés incluant des huiles silicones, de l'eau déminéralisée et des microbilles de verre.  ABSTRACT: - The use of solid particles as an emulsion stabilizer is attracting an increasing interest of industry because of their ability to produce the well-stabilized emulsions (namely solid-stabilized emulsions or Pickering emulsions), together with their promising potential to create new materials. Nonetheless, the presence of particles at the oil-water interface generates separation problems in the industrial processes, such as in the case of crude oil dewatering, crude oil desalting. The impact of particle properties (wettability, size, shape, concentration, etc.) on the resulting emulsions was extensively investigated by researchers. However, given the lack of consideration regarding the particle behaviour during the process, optimization of the emulsification and the demulsification of solid-stabilized emulsions appears to be a challenge. Thus, this work aims at exploring the role of particles during the dynamic processes involving emulsification, phase inversion and destabilization.


identifier: St-Georges-Robillard, A. (2018). Wide-Field Fluorescence Hyperspectral Imaging to Quantify Cell Populations in Spheroids Formed and Cultured in Microfluidic Chips  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le cancer de l'ovaire a le taux de mortalité le plus élevé de tous les cancers gynécologiques. Malgré les avancements en techniques de chirurgie et les développements en chimiothérapie au cours de la dernière décennie, son taux de survie après cinq ans demeure inférieur à 45%, en raison du diagnostic tardif de ce cancer et du phénomène de résistance aux médicaments. Les patients présentant un cancer épithélial de l'ovaire (CÉO), la forme la plus courante de la maladie, répondent généralement bien au traitement de chimiothérapie standard à base de platine et de taxane. Cependant, une forte proportion de patients rechute et cette récurrence se révèle souvent résistante au traitement standard. Une des hypothèses de cette résistance chez le CÉO est que son instabilité génétique élevée se traduit par une hétérogénéité clonale dans les tumeurs, où le nombre de clones (populations de cellules identiques) dans les tumeurs augmente avec le temps, créant de nouvelles mutations présentant différents niveaux de sensibilité aux traitements. Par exemple, le premier traitement de chimiothérapie d'une patiente peut tuer les clones sensibles et laisser une faible population de cellules résistantes qui finiront par croître et provoquer une rechute du cancer. Il est donc nécessaire d'étudier l'hétérogénéité clonale et ses effets sur la résistance aux médicaments. Divers modèles de cancer in vitro ont été développés pour la recherche en laboratoire. Le modèle le plus simple et le plus courant est la culture en monocouches bi-dimensionnelles (2D), pour laquelle les cellules cancéreuses adhèrent à une surface, comme les boîtes de pétri, et croissent en monocouche. Le modèle le plus réaliste consiste à utiliser directement les tumeurs de patients, car elles incluent le microenvironnement complet du cancer en trois dimensions (3D). Cependant, comme le tissu du patient est souvent disponible en quantités limitées, le nombre d'expériences qu'il est possible de faire est aussi limité. Les sphéroïdes sont des agrégats de cellules 3D formés in vitro et représentent un compromis idéal entre la simplicité, leur composition cellulaire étant connue et contrôlée, et le réalisme, car ils imitent mieux la nature 3D des tumeurs humaines que la culture en monocouches 2D. Les sphéroïdes peuvent facilement être utilisés pour étudier l'hétérogénéité clonale car plusieurs lignées cellulaires peuvent être mélangées à des ratios précis pour former des sphéroïdes de coculture. La communauté microfluidique a mis au point des puces microfluidiques qui peuvent facilement former et traiter des centaines de sphéroïdes. Dans ce projet, les puces microfluidiques sont utilisées pour réduire le travail en laboratoire en formant des dizaines de sphéroïdes en une seule étape et en les piégeant en place, de sorte que les changements de milieu de culture et de médicaments peuvent être rapidement effectués. L'un des principaux avantages de l'utilisation de sphéroïdes comme modèle de cancer in vitro est que des centaines de sphéroïdes de coculture identiques peuvent être utilisés pour étudier facilement diverses conditions. Cependant, l'analyse de la réponse dynamique de chacune des populations de cellules composant ce grand nombre de sphéroïdes reste un défi. Les études utilisent souvent la morphologie cellulaire, les marqueurs immunologiques ou les marqueurs fluorescents pour identifier les populations cellulaires. Mais beaucoup de ces techniques reposent sur l'observation directe de chaque cellule composant le sphéroïde et nécessitent soit une digestion du sphéroïde en une suspension cellulaire, soit une coupe du sphéroïde en fines tranches. Pour analyser des échantillons 3D intacts, des techniques de microscopie telles que la microscopie confocale, multiphotonique et à feuilles de lumière (light sheet microscopy) ont été développées. Bien qu'elles présentent de nombreux avantages, ces techniques ne sont pas adaptées pour analyser un haut nombre de sphéroïdes en une seule acquisition ou ne peuvent pas analyser les sphéroïdes de diamètres supérieurs à 70-100 µm. Au cours de ce doctorat, un système d'imagerie hyperspectrale (HSI) en fluorescence à large champ a été conçu, construit et validé pour l'étude de sphéroïdes en coculture. Le système HSI a été spécifiquement conçu pour imager plusieurs sphéroïdes en une seule acquisition et pour l'imagerie in situ de sphéroïdes dans des puces microfluidiques. La conception du système HSI, présentée dans l'article 1, repose sur l'utilisation d'un filtre accordable à cristaux liquides et d'une caméra à dispositif à transfert de charges à multiplication d'électrons (EMCCD) pour l'imagerie des sphéroïdes dans un champ de vision de 7,25 mm de diamètre. Un algorithme d'analyse d'image a également été développé pour compenser toute réponse du système influençant l'intensité de fluorescence mesurée pour chaque sphéroïde présent dans l'image. Une étape finale de quantification pour compenser les propriétés optiques de l'échantillon a également été développée et validée à l'aide de fantômes optiques. L'article 2 présente une méthodologie pour étudier l'hétérogénéité clonale et sa relation avec la réponse au traitement. Deux lignées cellulaires fluorescentes ont été dérivées de la même lignée cellulaire du cancer de l'ovaire et ont été utilisées pour former des sphéroïdes de coculture avec différents ratios d'ensemencement cellulaire initiaux. Les résultats montrent que le système HSI permet de suivre la croissance de chaque population cellulaire et sa réponse aux médicaments en fonction du temps, y compris pour les populations occupant seulement 10% des sphéroïdes. L'accaparement d'un clone par rapport à l'autre dans les sphéroïdes a également été observé lorsqu'une forte dose de chimiothérapie était utilisée pour traiter les sphéroïdes. Le système HSI a également pu mettre en évidence différentes dynamiques de réponse au médicament entre les deux populations de cellules. L'imagerie hyperspectrale en fluorescence à champ large est une technique idéale pour l'imagerie de plusieurs sphéroïdes en une seule acquisition. Sa résolution spectrale permet de quantifier un plus grand nombre de fluorophores que les cubes de filtres de microscopie standards. L'imagerie hyperspectrale pourrait également être utilisée pour étudier les sphéroïdes de coculture constitués de différents types de cellules, tels que les cellules épithéliales et stromales ou les cellules cancéreuses et immunitaires.  ABSTRACT: Ovarian cancer has the highest mortality rate of all gynecological cancers. Despite advancement in surgery and chemotherapy over the past decade, its five-year survival rate is still less than 45%, due to late diagnosis and drug resistance. Patients presenting epithelial ovarian cancer (EOC), the most common form of the disease, usually respond well to the standard platinum- and taxane-based chemotherapy treatment. However, a high proportion of patient relapses, and this recurring cancer is often found to be resistant to the standard treatment. One hypothesis for this drug resistance in EOC is that its known high genetic instability translates into clonal heterogeneity in tumours, where the number of clones (i.e. populations of identical cells) in tumours increases over time as new mutations create new clones of various drug sensitivity levels. A patient's first chemotherapy treatment can kill the sensitive clones and leave a small population of resistant cells that will eventually grow and cause a cancer relapse. There is a need to study clonal heterogeneity and its effect on drug resistance. Various in vitro cancer models were developed to research cancer treatments. The simplest and more common model is the 2D monolayer culture, where cancer cells adhere to a surface, such as petri dishes, and grow in a monolayer. The most realistic model involves using actual patient tumours, as they include the complete cancer microenvironment in three dimensions (3D). However, limited patient tissue is usually available to perform large experiment repetitions. Spheroids are 3D cell aggregated formed in vitro and represent an ideal compromise between simplicity, as the cell composition is known and controlled, and realism, as they better mimic the 3D nature of human tumours compared to monolayer 2D culture. Spheroids can easily be used to study clonal heterogeneity as multiple cell lines can be mixed at specific ratios to form co-culture spheroids. The microfluidic community has developed microfluidic chips that can easily form and treat hundreds of spheroids. Here, microfluidic chips are used to reduce laboratory work by forming 120 spheroids in a single step and trap the spheroids in place so that medium and drug changes can be quickly done. One of the main advantages of using spheroid as an in vitro cancer model is that hundreds of identical co-culture spheroids can be made to easily study various conditions. However, analyzing the dynamic response of individual cell populations of this large number of spheroids is still a  ix    challenge. Researchers often use cell morphology, immunostains or fluorescent markers to identify cell populations. But many of these techniques rely on the direct observation of each cell in the spheroid and require either spheroid digestion into a single cell suspension or spheroid slicing into thin tissue slices. To analyze intact 3D samples, microscopy techniques such as confocal, multiphoton, and light sheet microscopy were developed. While they present many advantages, these techniques are either not adapted to analyze many spheroids in a single acquisition or cannot analyze up to the centre spheroids larger than 70-100 μm in diameter. In this dissertation, a wide-field fluorescence hyperspectral imaging (HSI) system was designed, build and validated for co-culture spheroid research. The HSI system was specifically designed to image multiple spheroids in a single acquisition and for in situ imaging of spheroids in microfluidic chips. The HSI system design, presented in Article 1, is based on the use of a liquid crystal tunable filter and an electron-multiplying charged-coupled device camera to image spheroids in a 7.25 mmin diameter field of view. An image analysis algorithm was also developed to compensate for any system response influencing the measured fluorescence intensity from each spheroid present in the image. A final quantification step to compensate for the optical properties of the sample was also developed and validated using optical phantoms. Article 2 presents a methodology to study clonal heterogeneity and its relation to treatment response. Two fluorescent cell lines were derived from the same ovarian cancer cell line and used to form co-culture spheroids with various initial cell seeding ratios. Results show that the HSI system was able to follow each cell population growth and response to drugs over time, including for populations occupying only 10% of the spheroid. The onset of a clonal takeover was also observed when a high dose of chemotherapy drug was used to treat the spheroids. The HSI system was also able to highlight different response rates to the drug between the two cell populations. Wide-field fluorescence hyperspectral imaging is an ideal technique to images multiple spheroids in a single acquisition. Its spectral resolution can quantify a larger number of fluorophores than standard microscopy filter sets. Hyperspectral imaging could also be used to study co-culture spheroids made of different cell types, such as epithelial and stromal cells, or cancer and immune cells.


identifier: Chénier, É. (2018). Agrégation d'un grand nombre de petites charges en incluant l'incertitude de la disponibilité des ressources  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le réseau électrique en continuel changement demande une gestion des ressources efficace pour assurer sa stabilité. Avec la nouvelle technologie de communication et les nouvelles ressources d'énergie renouvelables, la gestion du réseau électrique fait face à de nombreux défis. On anticipe une croissance de l'utilisation de la voiture électrique dans les années à venir. Si la recharge des voitures ne se fait pas de façon intelligente, on pourra observer une forte croissance de la demande énergétique en heure de pointe. Grâce à des programmes de Gestion de la demande (Demand Response (DR)), les clients peuvent adapter leur consommation d'électricité en échange d'incitatifs. Une requête de DR envoyée à un client lui permet d'adapter sa consommation d'électricité selon les besoins de l'utilité. Les producteurs d'électricité sont appelés utilités dans cette recherche. Les secteurs résidentiel et commercial offrent un grand potentiel pour les programmes de DR, car ensemble ces secteurs représentent près d'un tiers de la consommation totale. Bien que ces secteurs offrent un grand potentiel, l'exploitation de ceux-ci comporte également de grands défis. Un grand nombre de clients consommant de petites charges doivent être gérés efficacement. C'est pourquoi les agrégateurs sont introduits en tant qu'intermédiaires entre l'utilité et les consommateurs. Le rôle des agrégateurs est de faire la gestion des programmes de DR avec les clients. Grâce à eux, les requêtes de DR sont distribuées parmi les clients dans le but de satisfaire la requête d'utilité. La requête d'utilité quant à elle est une commande de réduction ou d'augmentation de la consommation globale dans le but d'équilibrer la production et la consommation d'électricité. Le problème connu de répartition économique est utilisé comme référence pour développer le modèle mathématique de distribution des requêtes de DR. Ce problème de base est trivial à résoudre et ne comporte pas de complexité. Par contre, la difficulté résulte du fait qu'il existe une certaine probabilité qu'un client ne réponde pas à la requête de DR. Lorsqu'un client répond à une requête, cela signifie que le client adapte sa consommation selon la requête. S'il ne répond pas à la requête, cela signifie qu'il n'adapte pas sa consommation. L'agrégateur doit donc distribuer plus de requêtes de DR pour pallier l'incertitude de la réponse. L'objectif de cette recherche est de modéliser un problème mathématique réaliste de l'agrégateur en incluant l'incertitude de la réponse des clients. Le modèle est résolu trois fois par jour pendant une semaine. Les résolutions sont interreliées pour éviter d'envoyer les requêtes de DR toujours aux mêmes clients. Comme les requêtes de DR requièrent un coût, l'agrégateur doit faire une distribution de façon à minimiser ses coûts tout en assurant le respect de la requête d'utilité.  ABSTRACT: The grid has changed a lot over the years. New technologies of communication and renewable production have arisen and create new challenges for the grid. We expect a higher penetration of electric vehicles in the next years. The increase use of electric vehicles can cause a large demand during peak times and have to be managed effectively. The utility can now communicate with the customers in real time. Utilities can have access to the load consumption information through smart meter. New technologies allow a new type of resources called Demand Response (DR). DR programs send requests to the customers to adapt their load consumption. The objective of the DR programs is to fit the load consumption curve to the production curve. The balance between the production and the consumption is essential to the stability of the grid. To do so, the customers adapt their load consumption according to DR requests. The load consumption can be reduced by a smart thermostat or smart water heater. It can also be shifted during off-peak periods with the charge or discharge of electric vehicles. To help the utility to dispatch DR requests among the customers, aggregators are introduced. Aggregators act as intermediaries between the utility and the customers. They receive an incentive and utility request from the utility and distribute DR requests and incentives to customers. DR requests are defined by the load in kW to reduce, to increase or to shift. Their objective is to maximize their own profit. This research focuses on formulating an optimization problem of the aggregators. They aim to reduce the total load consumption during peak periods or to increase the total load consumption when the renewable production is high. In this research, 21 resolutions are made per week, three per day during peak times. The resolutions are interconnected to avoid the overuse of the same clients. The optimization model is based on the Economic Dispatch problem which is trivial to solve. The model dispatches DR requests among the customers while minimizing the total cost of the aggregator. The utility request has to be satisfied in order to keep the stability of the grid. The complexity of the problem comes with the uncertainty of the response of the clients. In the literature, this uncertainty is not included in the aggregator optimization problem. Several external factors influence the responsiveness of the clients like the time of the day, the day of the week, the frequency of the requests and the direction of the requests. When a client respond to the DR request, it means that the load consumption has been changed according to the request. Otherwise, the load consumption is unchanged and the client does not respond to the request. This uncertainty has to be included in the model to make it more realistic.


identifier: Zimmermann, Y. (2018). Développement d'une modélisation par éléments finis pour caractérisation non destructive de la biomécanique osseuse à partir d'images MICRO-CT  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nombreuses pathologies affectant les os peuvent détériorer leurs propriétés mécaniques, augmentant ainsi leur risque de fracture. Afin de prévenir ces risques inapparents, de nombreuses études visent à caractériser la biomécanique osseuse. Plusieurs approches permettent d'évaluer le comportement et les paramètres mécaniques des tissus osseux. Une de ces approches consiste à combiner les techniques d'imagerie médicale, entre autres la microtomographie (micro-CT), et de modélisation par éléments finis (ÉF) afin d'évaluer, de manière non destructive, les propriétés mécaniques de sujets vivants au cours du temps. De telles approches analytiques ont été développées pour prédire le comportement biomécanique de différents os, provenant de divers modèles animaux et soumis à des cas de chargements variés. Cependant, le développement de ces modèles est spécifique au contexte de l'étude et au spécimen étudié. Une étude expérimentale visant à caractériser les effets de chargements d'impact appliqués à des tibiae de rats en période de croissance a été réalisée dans le cadre d'un projet complémentaire. Parmi les effets à analyser, on retrouve l'évaluation des changements dans la résistance mécanique des tibiae pendant cette période de chargement. L'objectif principal de ce projet était de développer et de vérifier un outil de modélisation par éléments finis combiné à l'imagerie par micro-CT permettant de caractériser la réponse d'un tissu osseux soumis à un chargement mécanique. Une première étude a permis dans un premier temps de développer une modélisation par éléments finis de tibiae de rats, préalablement imagés par micro-CT, puis dans un second temps de calibrer et vérifier cette modélisation à parti d'essais expérimentaux. Cette étude a été réalisée sur vingt-quatre spécimens de rats Sprague Dawley mâles répartis en trois groupes (n=8/groupe) âgés de 28, 56 et 84 jours, dont six spécimens par groupe ont servi à calibrer les modèles ÉF (MÉF) et deux spécimens par groupe à les vérifier. Les spécimens ont été radiographiés par micro-CT puis testés mécaniquement par flexion trois-points afin d'extraire les raideurs expérimentales (K_exp) des tibiae. La méthode de reconstruction par voxels a été utilisée afin de générer les MÉFs de chaque spécimen d'os, à partir des informations géométriques et densitométriques contenues dans les images micro-CT. Une loi liant le module d'Young (E) de chaque élément à ses propriétés densitométriques a été implantée dans le modèle et, par la suite, calibrée pour chaque groupe en minimisant l'erreur entre K_exp et la raideur évaluée numériquement à partir des MÉFs (K_FEA). La variabilité des propriétés mécaniques des spécimens et les prédictions des modèles ont été évaluées à l'aide d'outils statistiques. Les résultats obtenus pour cette première étude ont montré une évolution des paramètres mécaniques des tibiae de rat au cours de leur croissance, résultant en trois relations différentes E-densité, spécifiques à chacun des trois groupes d'âge étudié (E_28=10320∙ρ_cendres^3.45; E_56=43620∙ρ_cendres^4.41; E_84=20090∙ρ_cendres^2.0). Par ailleurs, des variabilités plus importantes ont été observées pour les raideurs expérimentales K_exp des spécimens de 56 jours (±15.3N/mm), qui sont en période de croissance accélérée à cet âge. Ce facteur pubertaire a également entrainé une moins bonne fiabilité de prédiction des paramètres mécaniques à ce stade de croissance (r=0.10). Une augmentation de la raideur expérimentale K_exp a été observée entre les spécimens de 28 et 84 jours (+259%). En parallèle, le module d'Young a augmenté avec l'âge des spécimens (+210%), un facteur contribuant ainsi de façon importante, comparativement aux changements géométriques, à l'augmentation des raideurs mécaniques pendant la croissance du rat. L'approche de modélisation développée, qui prend en compte les facteurs géométriques et mécaniques locaux de l'os, a permis d'évaluer efficacement ses paramètres mécaniques sans utiliser les simplifications reliées à la théorie des poutres. L'ajout de spécimens, tant pour les étapes de calibration que de vérification, ainsi que l'utilisation de modèles surfaciques, qui permettraient de simplifier les conditions limites appliquées au MÉF, seraient à considérer pour augmenter davantage la fiabilité des modélisations développées. Une deuxième étude a permis d'exploiter les outils développés afin d'évaluer de manière périodique les effets des chargements d'impact sur les propriétés mécaniques des tibiae de rats en période de croissance. Elle a été réalisée sur six spécimens de rats Sprague Dawley mâles, âgés de 28 jours au début de l'expérience, et provenant d'une étude complémentaire. Un chargement périodique a été appliqué au tibia droit de trois spécimens de la cohorte sur un intervalle de temps de 8 semaines, les trois autres étant gardés comme spécimens contrôles. Les spécimens ont été radiographiés par micro-CT à différents intervalles entre le début (28 jours) et la fin de l'expérience (84 jours). Les MÉFs correspondants aux spécimens ont été reconstruits en utilisant l'approche de modélisation présentée dans la première étude, et les raideurs numériques  K_FEA ont été calculées pour chacun des six spécimens. Une étude approfondie des images micro-CT a été effectuée afin d'extraire les données densitométriques et géométriques des spécimens. Les résultats de cette deuxième étude ont montré une augmentation de densité (+15.8%), d'aire transverse (+10.5%) ainsi que de raideur K_FEA (+33.5%), pour les spécimens âgés de 84 jours chargés mécaniquement comparativement aux spécimens contrôles. Aucun changement n'a été constaté entre les tibiae chargés et ceux de contrôles à l'âge de 28 jours, ces rats étant analysés au premier jour de l'expérience. Ces résultats dévoilent que les chargements d'impact permettent de stimuler la croissance géométrique des tibiae de rats et d'en augmenter la densité osseuse. Ce phénomène de densification n'a d'ailleurs pas été observé pour des spécimens adultes soumis à des conditions de chargement comparables, suggérant que l'augmentation de raideur des os matures serait davantage liée au changement de géométrie, comparativement aux spécimens en période de croissance, pour lesquels cette augmentation serait également liée au phénomène de densification du tissu osseux. Une radiographie par micro-CT plus fine (i.e. résolution plus petite) que celle utilisée dans cette étude (18µm), serait pertinente afin de caractériser et quantifier davantage ce phénomène de densification pour les rats en croissance. Ce projet a permis de confirmer l'utilisation d'une modélisation par éléments finis pour déterminer la biomécanique osseuse des tibiae de rats en période de croissance. En effet, des relations ont été établies entre les paramètres mécaniques de l'os et l'information fournie par les images micro-CT, permettant ainsi de générer des modèles par éléments finis simulant le comportement en flexion des tibiae de rats âgés de 28, 56 et 84 jours. Ce projet a aussi permis de dévoiler que le comportement mécanique des tibiae ne peut être évalué avec la même modélisation tout au long de la phase de croissance des rats. En effet, la résolution adoptée pour l'imagerie micro-CT dans ce projet n'a pas permis d'observer les changements densitométriques au fil de la croissance des rats, alors que les valeurs de E ont crû pour ces spécimens, résultant en trois modélisations ÉF spécifiques aux trois groupes d'âges. Des résultats complémentaires ont permis de mettre en lumière l'utilité de cet outil pour des études nécessitant l'évaluation de la biomécanique osseuse au cours du temps des rats en période de croissance, sous l'effet de chargements d'impact. Cette approche de modélisation développée pour des rats en période de croissance représente une nouveauté dans le domaine de l'évaluation non-destructive de la biomécanique osseuse, apportant une contribution d'intérêt en biomécanique osseuse. Les résultats obtenus et les modèles développés au cours de ce projet pourront être exploités dans diverses études expérimentales, afin de caractériser l'influence d'une multitude de facteurs sur la biomécanique osseuse des rats en croissance.  ABSTRACT: Many pathologies affecting the bones can deteriorate their mechanical properties, increasing their risk of fracture. In order to prevent these non-apparent risks, many studies aim to characterize bone biomechanics. Several approaches are used to evaluate the behavior and the mechanical parameters of bone tissue. One of these consists in combining medical imaging techniques, such as microtomography (micro-CT), and finite element modeling (FE) in order to non-destructively evaluate bone mechanical properties of living subjects overtime. Such analytical approaches have been developed to predict biomechanical behavior of different bones, from various animal models and submitted to various loading cases. However, the development of these models is specific to the context of the study and the studied specimen. An experimental study aimed at characterizing the effects of impact loading applied to rat tibiae during their growing period was carried out as part of a complementary project. Among the studied effects, it is required to evaluated changes in the mechanical strength of the tibiae during this loading period. The main objective of this project was to develop and verify a micro-CT based finite element modeling tool to characterize the response of bone tissue subjected to mechanical loading. A first study allowed to develop a finite element model of tibiae rats, previously imaged by micro-CT, and then to calibrate and verify this modeling approach using experimental tests. This study was performed on twenty-four specimens of Sprague-Dawley male rats divided into three groups (n=8/group) aged 28, 56, and 84 days old (d.o.), among which six specimens per group were used to calibrate the FE models (FEM) and two specimens per group were used to verify them. The specimens were micro-CT scanned and then mechanically tested under three-point bending to extract the tibiae experimental stiffness (K_exp). The voxel reconstruction method was used to generate the FEMs of each bone specimen, based on the geometric and densitometric information embedded in the micro-CT images. A relationship between the Young's modulus (E) of each element to its densitometric properties was integrated in the model and, subsequently, calibrated for each group by minimizing the error between K_exp and the numerically evaluated stiffness from the FEMs (K_FEA). The obtained variability in mechanical properties amongst specimens as well as the model predictions were evaluated using statistical tools. Obtained results for this first study showed an evolution of the mechanical parameters of the rat tibiae during their growth, resulting in three different E-density relationships, specific to each of the three age groups (E_28=10320∙ρ_ash^3.45; E_56=43620∙ρ_ash^4.41; E_84=20090∙ρ_ash^2.0). Greater variability was also observed in experimental stiffness K_exp of 56 d.o. specimens (±15.3N/mm), which are at a stage of accelerated growth at this age. This pubertal factor also led to a poorer reliability in predicting mechanical parameters at this stage of growth (r = 0.10). An increase in experimental stiffness  K_exp was observed between 28 and 84 d.o. specimens (+259%). In parallel, the mean Young's modulus increased that same age period (+210%), an important contributing factor to the mechanical stiffness increase during the rat's growth, compared to geometrical changes. The developed modeling approach, which takes into account local bone geometrical and mechanical factors, made it possible to evaluate its mechanical parameters efficiently without using simplifications related to the beam theory, which is often used as a simplified bone model. Adding specimens, both for the calibration and verification steps, as well as using surface instead of voxels models, which would simplify the boundary conditions applied to the FEM, should be considered to further increase the reliability of the developed modeling approach. A second study allowed exploiting the developed tools to evaluate periodically the effects of impact loading on the mechanical properties of rat tibiae during their growth period. It was performed on six Sprague-Dawley male rats, aged 28 d.o. at the beginning of the experiment, which was part of a complementary study. Periodic loading was applied to the right tibia of three specimens of the cohort over a time interval of 8 weeks, the remaining three rats kept as control specimens. All six specimens were micro-CT scanned at different intervals between the beginning (28 days) and the end of the experiment (84 days). The FEMs corresponding to the specimens were reconstructed using the modeling approach presented in the first study, and the numerical stiffnesses K_FEA were calculated for each of the six specimens. An in-depth study of micro-CT images was performed to extract the densitometric and geometric data from the specimens. Obtained results for this second study showed an increase in density (+ 15.8%), transverse area (+ 10.5%) and stiffness K_FEA (+ 33.5%), for mechanically loaded specimens compared to control specimens at age 84 d.o. No changes were found between loaded and control tibiae at age 28 d.o., these rats being analyzed on the first day of the experiment. These results reveal that impact loading can stimulate the geometrical growth of rat tibiae and can increase bone density. This increased bone density phenomenon has not been observed for adult specimens subjected to comparable loading conditions, suggesting that the increase in stiffness of mature bones is more related to a geometry change, when compared to immature specimens, for which this increase would also be related to a bone densification phenomenon. A finer micro-CT radiography (i.e. with increased resolution) than the one used in this study (18μm) would be relevant to further characterize and quantify this densification phenomenon for growing rats. This project allowed confirming on the use of finite element modeling as a tool to determine bone biomechanics in growing rat tibiae. Indeed, relationships have been established between the bone mechanical parameters and the micro-CT based information, allowing the generation of finite element models simulating the flexural behavior of tibiae from 28, 56 and 84 d.o. rats. This project also revealed that the mechanical behavior of growing tibiae cannot be evaluated with the same modeling throughout the rat growth phase. Indeed, the micro-CT resolution used in this project did not allow detecting densitometric changes during the rat growth, whereas the rigidity (E) values increased for these specimens, resulting in three FE modeling specific to the three age groups. Additional results have highlighted the usefulness of this tool for studies over time requiring evaluation of the bone biomechanics of rats during growth, under the effect of impact loads. This modeling approach developed for growing rats is a novelty in the field of non-destructive evaluation of bone biomechanics, making a contribution of interest in bone biomechanics. Obtained results and developed models could be exploited in various longitudinal experimental studies, in order to characterize the influence of a multitude of factors on the bone biomechanics of growing rats.


identifier: Bolduc Beaudoin, S. (2018). Révision du processus de fabrication de coupleurs fusionnés à quelques fibres  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire se concentre sur la théorie et les méthodes de fabrication relatives à la fabrication de coupleurs directionnels à plus de 2 fibres. Plus spécifiquement, on s'intéresse à faire la révision du design de coupleurs doublement asymétriques dans le but de fabriquer des hybrides optiques complètement fibrés. Ce coupleur est défini par sa symétrie transverse et sa symétrie longitudinale. Sa coupe transverse, qu'on appelle structure ABAB, possède deux symétries miroir, mais ne possède pas la symétrie de rotation par 90°. Sa coupe longitudinale est définie par le fait qu'elle ne possède pas de symétrie de réflexion, contrairement aux coupleurs fibrés habituels. Sa structure qu'on qualifie de doublement asymétrique lui confère des propriétés particulières qui en simplifient la fabrication. Le coupleur doublement asymétrique est un équipartiteur de puissance inconditionnel et une seule condition doit être remplie lors de la fabrication afin de garantir qu'il ait le comportement d'un hybride optique. L'hybride optique doublement asymétrique possède une description mathématique simple et élégante. Elle nous permet de définir une métrique expérimentale, que nous appelons l'intégrant de l'hybride, permettant de déterminer sans ambiguïté le moment où la fabrication du composant doit être arrêtée. Elle nous permet aussi d'écrire sa dépendance en longueur d'onde de manière simple et compacte. La difficulté principale associée à la fabrication d'un coupleur à 3 ou 4 fibres est d'arriver à fabriquer la préforme fusionnée qui précède l'étape d'étirage. Des essais de fabrication de structures à 3 fibres ont montré qu'une technique utilisant des blocs de fusion spécialisés permet d'obtenir un rendement en fabrication des préformes se situant entre 13 et 18%. Pour augmenter ce rendement en fabrication, il sera nécessaire de fabriquer des coupleurs plus courts, qui permettront à leur tour de fabriquer des préformes fusionnées plus courtes. Dans cette optique, nous avons démontré que des dispositifs faisant intervenir des fibres à double gaine correctement paramétrées nous permettaient de réduire radicalement la taille de nos coupleurs fibrés. Des essais d'effilages de fibre simple ont montré expérimentalement qu'il était possible de réduire la taille d'un effilage adiabatique monomode d'un facteur 4, et ce, en gardant les pertes d'effilages en dessous de 0,06 dB sur l'ensemble de la plage λ∈ (630, 830) nm. Des calculs numériques ont montré qu'il serait possible d'obtenir un dispositif 20 fois plus court que son équivalent standard. Des calculs numériques ont aussi montré que des effilages simples de fibre à double gaine pourraient être utilisés pour effectuer des transitions très courtes à quelques modes. Ceci pourrait être utilisé pour fabriquer un nouveau type de composant qu'on appelle Dé/multiplexeur de modes spatiaux.  ABSTRACT: This thesis focuses on the theory and manufacturing methods for the fabrication of directional fiber optic couplers with more than 2 fibers. More specifically, we are interested in reviewing the design of doubly asymmetrical couplers in order to manufacture optical hybrids made only from fiber optic. This coupler is defined by its transverse symmetry and its longitudinal symmetry. Its transverse section, called ABAB structure, has two mirror symmetries, but does not have rotation symmetry by 90°. Its longitudinal section is defined by the fact that it does not possess a symmetry of reflection , unlike other fiber couplers. Its so-called doubly asymmetrical structure gives it unique properties that simplify manufacturing. The doubly asymmetrical coupler is an unconditional power splitter and only one condition must be met during manufacture to ensure that it has the behavior of an optical hybrid. Furthermore, the doubly asymmetrical optical hybrid has a simple and elegant mathematical description. It allows to define an experimental metric, which we call the integrant of the hybrid, that dictates when the tapering process must be stopped. Also, the doubly asymmetrical optical hybrid has a wavelength dependence that can be written simply and has the potential to be made achromatic. The main difficulty associated with the manufacture of a coupler with 3 or 4 fibers is to manufacture the fused preform. Production yields ranging between 13 and 18 % have been achieved in essays intended to make 3 fibers fused preform. These essays have been conducted using precisely made fusion blocks. To increase manufacturing yields even more, it is necessary to reduce the length of the fused preform which can only be made by reducing the total length of the coupler. We minimize the length of our directional couplers by modifying the index profile of the structure in order to reduce the coupling coefficient in between modes. This process is made by studying the adiabatic power criterion of the structure. We have demonstrated that by using properly parameterized double-clad fibers we were able to make radically shorter adiabatic components. This applies to single fiber taper and directional couplers. We have shown experimentally that single mode taper length can be reduced by a factor of 4, keeping the excess losses below 0.06 dB in λ∈ (630, 830) nm. Numerical calculations have shown that it would reduce the length of a single mode transition for a single fiber taper up to a factor 20. Numerical calculations have also shown that multimode transition could also be made shorter by using double clad fiber. In this case the single fiber taper is made using a properly parametrized double clad fiber whose core contains many modes.