identifier: Muller, É. (2020). Une méthode d'éléments finis adaptative pour les écoulements instationnaires complexes  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Nous présentons dans cette thèse le développement d'une procédure générale de résolution des écoulements instationnaires de fluides Newtoniens, construite à partir de la méthode des éléments finis. Ces travaux s'identifiant toutefois davantage à une preuve de concept, la procédure a été formulée dans un contexte 2D uniquement. Cette procédure a pour objectif général de répondre à la difficulté rarement mentionnée de simuler tant adéquatement qu'efficacement cette classe d'écoulements. Pour ce faire, des méthodes adaptatives en espace (adaptation de maillage) et en temps (intégration temporelle adaptative), dont la pertinence a été longuement éprouvée au cours de travaux de recherche antérieurs, sont mises à profit. Se faisant, nous entendons apporter des garanties de précision sur les résultats obtenus, et optimiser le coût de calcul en cours de simulation. La procédure adaptative ainsi mise en place est complètement automatique. Aucune intervention de l'utilisateur n'est donc requise entre l'instant initial et final de l'intervalle de temps simulé. Des procédures similaires ont déjà été proposées dans la littérature, mais l'originalité de celle exposée dans ces pages réside dans le choix et le fonctionnement de ses composantes. Nous avons également mis un accent tout particulier sur la question du transfert d'une solution éléments finis entre deux maillages. Cette opération intervenant après chaque adaptation de maillage, il convient de pouvoir contrôler les inévitables erreurs qui en résultent. L'adaptation du maillage, combinant une méthode de type h et une méthode de type r, permet d'ajuster localement la finesse du maillage au cours de la simulation, tout en préservant sa qualité d'ensemble. La méthode de type h repose sur une estimation de l'erreur spatiale (commise sur chaque élément du domaine de calcul), déduite d'une reconstruction des gradients de la solution éléments finis sur des patchs nodales. Selon le nombre de variables dépendantes actives pour le problème simulé, l'erreur spatiale peut s'exprimer sous la forme d'une ou plusieurs norme(s) d'erreur (approche mononorme et multinorme, respectivement). L'usage d'un opérateur de transition, dont la formulation vise une équidistribution de l'erreur élémentaire pour chaque norme d'erreur, permet de déterminer la taille optimale de chaque élément du maillage. Qui plus est, nous avons utilisé la formulation de l'opérateur de transition pour identifier les éléments du maillage les plus problématiques, soient ceux dont la taille optimale est sensiblement différente de leur taille courante. En retirant uniquement du maillage courant ces éléments et leurs voisins, nous générons ainsi des poches (ou cavités) que nous discrétisons à nouveau avec des éléments d'une taille plus adaptée. Un mailleur frontal est utilisé pour conduire cette dernière opération. La méthode d'adaptation de maillage de type r, résultant de la combinaison de plusieurs méthodes de relaxation de maillage, est finalement appliquée pour maintenir la qualité d'ensemble des éléments du maillage. Ici encore, nous proposons une formulation locale de cette deuxième méthode d'adaptation, en nous appuyant sur une métrique de qualité élémentaire bien choisie. La relaxation du maillage peut ainsi être réalisée uniquement dans les régions du domaine qui le nécessitent. Dans l'ensemble nous proposons et utilisons donc une méthode d'adaptation locale du maillage, de type hr. Cette approche va dans le sens de la réduction des erreurs de transfert, puisqu'aucun transfert de la solution n'est nécessaire sur les éléments préservés par l'adaptation locale du maillage. De la même façon, cette approche accélère la génération des différents maillages. Par ailleurs, des critères d'arrêt sont utilisés pour déclencher automatiquement les cycles d'adaptation de maillage lorsque cela s'avère nécessaire. Ces critères nécessitent une estimation de l'erreur spatiale à chaque pas de temps, et impliquent la surveillance de plusieurs quantités scalaires dérivant de cette estimation. L'intégration temporelle adaptative repose quant à elle sur un intégrateur temporel hp-adaptatif, basé sur les méthodes BDF. Il dispose de deux mécanismes principaux. En premier lieu, une estimation de l'erreur de troncature locale permet d'ajuster la taille h du pas de temps à l'issue de chaque pas de temps convergé. Dans l'éventualité où la cible renseignée pour cette erreur ne serait pas atteinte, la solution du pas de temps courant peut être rejetée, afin d'intégrer à nouveau le pas de temps avec une valeur réduite de h. Un second mécanisme permet d'ajuster l'ordre p de l'intégrateur temporel (soit le nombre de pas de la méthode BDF) en fonction de considérations fournies par un indicateur de stabilité. L'ordre de l'intégrateur est au demeurant toujours compris en 1 et 3. Ce deuxième mécanisme régule l'utilisation de la méthode d'ordre 3, qui ne possède pas la propriété de stabilité absolue. Les méthodes BDF d'ordre 2 et 3 n'étant pas auto-démarrantes, nous proposons dans ces travaux une approche permettant, postérieurement à chaque adaptation de maillage, de relancer l'intégrateur temporel en conservant les dernières valeurs de h et p utilisées. Pour cela, nous procédons au transfert de la solution associée à plusieurs pas de temps antérieurs. Cette approche assure également une forme de continuité pour les mécanismes adaptifs, qui peuvent ainsi opérer à l'issue du premier pas de temps réalisé après une adaptation du maillage. Le transfert de la solution d'un maillage à l'autre a été étudié pour plusieurs méthodes de transfert : l'interpolation linéaire, l'interpolation consistante, et trois formulations de la projection de Galerkin (ou projection L2). La première formulation de la projection de Galerkin repose sur l'usage d'un maillage auxiliaire (le supermesh), construit par intersection du maillage courant et du maillage résultant de son adaptation. Lorsque la frontière du domaine de calcul est composée exclusivement de segments de droite, cette formulation permet de minimiser l'erreur de transfert en norme L2, en plus de conserver les intégrales sur le domaine des variables dépendantes. La deuxième formulation de la projection de Galerkin appliquedes quadratures de Gauss sur l'élément de référence, directement à partir des éléments du maillage adapté. Bien que globalement moins précise cette deuxième formulation, moyennant l'usage d'un nombre suffisant de points de Gauss, permet néanmoins l'obtention de résultats plus précis à proximité des frontières du domaine (ou des interfaces entre fluides) lorsque celles-ci sont courbes. Partant de ce constat, nous avons également proposé une troisième formulation de la projection, qualifiée d'hybride car issue de la combinaison des deux premières formulations. La deuxième formulation est appliquée sur tous les éléments de bord du maillage adapté, tandis que les éléments restants sont traités via la première formulation. De plus, nous avons implémenté une projection de Galerkin 1D pour post-traiter la solution transférée sur les frontières du domaine de calcul. Nous nous sommes aussi intéressés à une situation particulière : l'usage conjoint d'éléments isoparamétriques d'ordre 2 et d'une formulation ALE des équations de Navier-Stokes. Dans cette situation les éléments du maillage courant, au moment de l'adaptation de maillage, sont délimités par des portions de paraboles. Assurer un transfert de solution suffisamment précis dans ces conditions est une tâche extrêmement ardue. Nous proposons donc dans ces travaux une stratégie visant à contourner en partie cette difficulté. La construction d'un maillage hybride, comportant tant des éléments sub-paramétriques qu'isoparamétriques, est préconisée. Finalement, nous avons développé un transfert local de la solution, afin de tirer avantage de l'adaptation locale du maillage. Cette approche permet une réduction substantielle du coût de calcul lié au transfert de la solution, rendant d'autant plus viable la projection de Galerkin. Faisant suite à une description détaillée des différentes méthodes évoquées, de nombreux résultats de vérification et d'analyse sont également présentés dans cette thèse. Nous avons vérifié en profondeur l'implémentation éléments finis de travail, ainsi que l'implémentation de certains outils développés dans le courant de nos travaux, dont la projection de Galerkin. Plusieurs solutions manufacturées ont été utilisées pour ce faire. Des études de convergence ont été menées pour l'erreur spatiale et temporelle, mais aussi pour l'erreur résultant du transfert d'une solution entre deux maillages. Cette dernière étude a démontré la supériorité de la projection de Galerkin vis-à-vis des méthodes d'interpolation. Nous avons également analysé le comportement des composantes de notre méthode d'adaptation de maillage locale. La formations des poches à remailler, et la relaxation locale du maillage ont notamment été étudiées. Nous illustrons finalement l'utilisation de notre procédure de résolution en considérant quatre écoulements instationnaires différents : un écoulement laminaire autour d'un cylindre circulaire, un jet laminaire impactant sur une paroi chauffée, un écoulement turbulent dans un canal subissant une brusque variation de section (marche descendante), et l'instabilité de Rayleigh-Taylor entre deux fluides séparés par une interface explicite. La variété de ces problèmes, et la richesse de la physique impliquée dans chacun d'eux, nous a permis d'éprouver la robustesse et la pertinence des composantes de notre procédure de résolution. Les résultats montrent que la méthode d'adaptation de maillage locale et les critères d'arrêt employés sont particulièrement efficaces pour assurer la capture très progressive des régions critiques dans l'écoulement, tout en sauvegardant une large partie des éléments du maillage à chaque adaptation. La projection de Galerkin a également permis des transferts de solution de qualité, facilitant ainsi le contrôle du niveau de l'erreur spatiale au cours de la simulation. L'intégrateur temporel adaptif, bien qu'ayant démontré sa force lors de l'usage d'un maillage fixe, a cependant vu son fonctionnement sensiblement perturbé par les adaptations de maillage. Nous avons systématiquement observé une recrudescence de l'erreur de troncature locale lors des reprises du calcul. En conséquence, la taille h du pas de temps s'en est trouvée réduite à l'issue du premier pas de temps, après plusieurs rejets de celui-ci. Les erreurs commises lors du transfert de la solution, mais aussi le fait qu'une solution transférée n'est pas pleinement convergée sur le maillage adapté, en sont la cause. Pour ces mêmes raisons, nous avons constaté que l'indicateur de stabilité verrouillait, en tout temps ou presque, l'accès à la méthode BDF d'ordre 3. Il est à noter que ces limites ne font que brider l'efficacité de notre procédure. La précision des résultats n'est en revanche pas affectée. La réduction automatique de h lors des reprises permet au contraire de limiter considérablement les erreurs de nature itérative. Au demeurant, l'adaptation de la taille h du pas de temps s'est avérée efficace dans l'ensemble. En l'état, notre procédure de résolution peut donc être appliquée pour simuler précisément, efficacement, et automatiquement des écoulements complexes de portée industrielle, mais aussi des écoulements faisant intervenir des mécanismes physiques plus fondamentaux. De plus, les écoulements considérés peuvent être monophasiques, ou polyphasiques à phases séparées.  ABSTRACT: We present in this thesis the development of a general solving procedure for unsteady flows of Newtonian fluids, based on the finite element method. However, as this work is more like a proof of concept, the procedure has been designed in a 2D context only. The overall objective of this procedure is to address the neglected difficulty of simulating such flows both accurately and efficiently. To this end, adaptive methods in space (mesh adaption) and in time (adaptive temporal integration), the relevance of which has been proven in many former works, are used. In doing so, we intend to guarantee the accuracy of the results, and to optimize the computing cost of the simulation. The adaptive procedure thus set up is completely automatic. Indeed, no user intervention is needed during the simulation, as the mesh adaption cycles are triggered automatically. Similar procedures have already been suggested in the literature, but the innovation of ours lies in the choice of its components and in the way they work. We have also emphasized a lot the issues resulting from the transfer of a finite element solution between two meshes. As this operation occurs after each mesh adaption, it is essential to control the errors that arise inevitably. Mesh adaption cycles, performed with a h-adaptive and a r-adaptive methods, allow to locally adjust the mesh size during the simulation, while preserving its overall quality. The h-adaptive method relies on an estimate of the spatial error (committed on each element of the computational domain), derived from a gradient recovery method. Depending on the multiphysics nature of the simulated problem, the spatial error can be translated into one or several error norm(s). Then a transition operator, formulated so to equidistribute the spatial error over the elements of the domain, is used to compute the optimal size of each element of the mesh. Moreover, we used the transition operator to identify the most problematic elements in the mesh, i.e. those whose the optimal size is significantly different from their current size. By removing only these elements and their neighbors from the current mesh, we create pockets (also called cavities) that we can discretize again with elements of a more suitable size. An advancing front meshing tool is used to carry out this last step. The r-adaptive method, which is a combination of several mesh relaxation procedures, is finally applied to maintain the mesh overall quality. Here again, we propose a local formulation of this second method, based on a well-chosen quality metric. The mesh relaxation can thus be carried out only in the regions of the domain that require it the most. Altogether, we are therefore proposing and using a local hr-adaptive mesh adaption method. This approach reduces transfer errors, since a transfer of the solution is only necessary on the elements that do not have an exact match in the previous mesh. This approach also makes the mesh generation more efficient.In addition, stopping criteria are used to automatically trigger mesh adaption cycles when necessary. These criteria imply the monitoring of several scalar quantities derived from an estimate of the spatial error at each time step. Adaptive time integration is carried out with a hp-adaptive time integrator, based on the BDF methods. It has two main mechanisms. First, an estimate of the local truncation error is used to adjust the time step-size h at the end of each converged time step. In the event that this error is too large, the solution of the current time step can be rejected, so it can be computed again with a smaller h value. A second mechanism allows to adjust the time integrator order p (i.e. the number of steps involved in the BDF method). This is done using a stability indicator. Still, the order of the integrator can only vary between 1 and 3. This second mechanism enables a safe use of the method of order 3, kwown to be conditionnaly stable only. Since the BDF methods of order 2 and 3 are not self-starting, we propose in this work an approach to relaunch the time integration efficiently after each mesh adaption. This approch aims at restarting the temporal integration with the last used values of h and p. To do so, we transfer not only the last solution but also those of previous time steps. This approach also makes sure that the adaptive mechanisms can operate immediately after each mesh adaption cycle. The solution transfer from one mesh to another has been studied for several transfer methods : linear interpolation, consistent interpolation, and three formulations of the Galerkin projection (also known as L2 projection). The first formulation of the Galerkin projection makes use of an auxiliary mesh (the supermesh), obtained by intersection of the current mesh and the mesh resulting from its adaption. When the boundary of the computational domain is composed exclusively of line segments, this formulation allows to minimize the transfer error computed in L2 norm, in addition to conserving the integral values of the dependent variables. The second formulation of the Galerkin projection applies Gauss quadrature rules on the reference element, directly from the elements of the adapted mesh. Although globally less accurate, this second formulation, with the use of a sufficient number of Gauss points, nevertheless provides more accurate results close to the domain boundaries (or fluid interfaces) when these are curved. Based on this observation, we have also proposed a third formulation of the projection, called hybrid because it is a combination of the first two : the second one is applied on all the edge elements of the adapted mesh, while the remaining elements are treated with the first one. Besides, we have implemented a 1D Galerkin projection to post-process the transferred solution on the boundaries of the computational domain. We also addressed a particular situation : the use of an ALE formulation of the Navier-Stokes equations together with isoparametric elements of order 2. In this situation elements of the current mesh end up being delimited by portions of parabolas at the time amesh adaption cycle goes off. Ensuring a sufficiently accurate solution transfer under these conditions is an extremely difficult task. We therefore propose in this work a strategy to partially circumvent this difficulty. The construction of a hybrid mesh, including both subparametric and isoparametric elements, is recommended. Finally, we have developed a local transfer of the solution, in order to take advantage of our local mesh adaption method. This approach allows a substantial reduction of the solution transfer computational cost, making the Galerkin projection all the more viable. Many verification and analysis activites where carried out as parts of this research project. Following a detailed description of the different methods already mentioned, this thesis also presents some of the results we thereby obtained. We have verified in depth the finite element implementation, as well as the implementation of some tools developed in the course of our work, the Galerkin projection included. Several manufactured solutions have been desgined to perform this task. Convergence studies were conducted for the spatial and temporal errors, but also for the error arising from the solution transfer between two meshes. The latter study demonstrated the superiority of the Galerkin projection over interpolation methods. We have also analyzed the behavior of the components of our local mesh adaption method. In particular, the formation of the pockets to be remeshed, and the local mesh relaxation were studied. We finally illustrate the use of our solving procedure by considering four different unsteady flows : a laminar flow around a circular cylinder, a laminar impinging jet on a heated wall, a turbulent flow in a channel undergoing a sudden variation of section (backward facing step), and the Rayleigh-Taylor instability between two fluids separated by an explicit interface. The variety of these problems, and the complexity of the physics involved in each of them, allowed us to assess our procedure robustness and relevance. The results show that the local mesh adaption method and the stopping criteria used are particularly effective when it comes to gradually capture the critical regions in the flow, while saving a large part of the mesh elements at each adaption. The Galerkin projection also resulted in accurate solution transfers, making it easier to control the global spatial error during the simulation. The adaptive temporal integrator has however seen its functioning appreciably disturbed by the mesh adaptions.We have systematically observed a recrudescence of the local truncation error each time the computation was resumed. As a result, the time step-size h was automalically reduced following the completion of the first time step, which thus has to be computed again several times. The errors made during the transfer of the solution, but also the fact that a transferred solution is not fully converged on the adapted mesh, are the cause. For these same reasons, we noted that the stability indicator locked, at all times or almost, the access to the BDF method of order 3. It should be noted that these limitations only prevent our solvingprocedure from being even more efficient. As a matter of fact, the decrease of the time step-size h acts as a shield against iterative errors, and thus increases the results accuracy. Moreover, the adaption of the step-size h proved to be quite effective on the whole. As it stands, our solving procedure can therefore be applied to accurately, efficiently and automatically compute complex flows of industrial scope, but also flows involving more fundamental physical mechanisms. In addition, the flows considered can either be monophasic, or multiphasic with segregated phases.


identifier: Bérard, A. (2020). Principes fondamentaux de la RTD en phase gazeuse dans les réacteurs à lit fluidisé  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La distribution du temps de résidence (RTD) est une technique de diagnostic appliquée par les chercheurs pour évaluer l'hydrodynamique dans les réservoirs, les tuyaux, les réacteurs et les systèmes à composants multiples. Il détecte les écarts par rapport aux modèles d'écoulement idéaux tels que les zones mortes, les canaux et la dispersion. Les expériences RTD consistent à introduire un traceur détectable soit un gaz inerte, un solide ou un liquide, puis à détecter sa concentration à un certain point du système, généralement à la sortie. Nous avons développé une méthodologie RTD précise et reproductible pour mesurer l'hydrodynamique en phase gazeuse et l'avons appliquée à un micro-réacteur à lit fluidisé (8mm de diamètre). Nous avons comparé une injection en continu (heaviside step) à une injection d'un volume précis (bolus). Dans le premier cas, nous substituons instantanément la composition du débit de gaz et examinons l'évolution de la concentration avec le temps à l'aide d'un spectromètre de masse à une fréquence de 2 Hz. Dans le second cas, nous pivotons une vanne multiport qui pousse un volume du traceur gazeux à travers une bobine vers le réacteur. Pour comprendre l'effet de la diffusivité, de la dispersion et de l'adsorption, nous avons comparé 7 gaz avec des coefficients de diffusivité distincts - Kr, O2, CO2, CO, CH4, He et H2. Nous avons étudié l'hydrodynamique de ces gaz dans le réacteur à lit fluidisé avec des catalyseurs du groupe Geldart A - l'hémihydrate d'hydrogénophosphate de vanadyle (VPOP), le pyrophosphate de vanadyle calciné (VPPC) et équilibré (VPPE), le catalyseur pour le craquage catalytique en lit fluidisé (FCC) ainsi qu'avec une poudre du groupe Geldart B — le sable. H2 et He, avec leurs coefficients de diffusivité élevés, sortent toujours du réacteur à l'avance autant avec un catalyseur poreux et que non poreux ainsi qu'à température ambiante ou à 300 �C. Nous avons ajusté toutes les courbes de réponse RTD avec un modèle de dispersion axiale avec des conditions frontière fermées ouvertes. Lorsqu'un gaz de synthèse simulé — CO2, CO, CH4 et H2 — est injecté sous forme de pulse dans le micro-réacteur chargé de catalyseur FCC, le CO2 est adsorbé à température ambiante. Ceci est représenté sur la courbe de réponse par une queue étendue et un grand écart par rapport au modèle de dispersion axiale. De plus, le CO2 prend deux fois plus de temps pour sortir du réacteur que H2. Ce phénomène chromatographique était inattendu et pourrait être appliqué pour éliminer le CO2 de l'air ou des courants industriels.  ABSTRACT: Residence time distribution (RTD) is a diagnostic technique researcher apply to evaluate hydrodynamics in vessels, pipes, reservoirs, and multi-component systems. It detects deviations from ideal flow patterns non-homogeneity like dead zones, channelling, and dispersion. RTD experiments consist of introducing an identifiable, inert gas, solid or liquid tracer and then detecting it at some point in the system, usually the exit. We developed a precise, reproducible RTD methodology to measure gas phase hydrodynamics and applied it to a micro-fluidized bed reactor (8mm diameter). We compared a Heaviside step function injection against a bolus injection. In the former, we instantaneously switch the composition of the gas flow and monitor the change in concentration with time with a mass spectrometer at a frequency of 2 Hz. In the second case, we switch a multiport valve that pushes a volume of tracer gas from a coil into the reactor. To understand the diffusivity, dispersion, and adsorption effect, we compared 7 gases with distinct diffusivity coefficients – Kr, O2, CO2, CO, CH4, He and H2. We examined the hydrodynamics of these gases in the fluidized bed reactor for Geldart group A catalyst – vanadyl hydrogen phosphate hemihydrate (VPOP), vanadyl pyrophosphate calcined (VPPC) and equilibrated (VPPE), fluid catalytic cracking (FCC), and Geldart group B powder – sand. H2 and He, with high diffusivity coefficients, always egress from the reactor in advance with porous and non-porous catalyst as well as ambient temperature and 300 �C. We fitted all the response curves with an axial dispersion model with closed-open boundary conditions. When a simulated syngas – CO2, CO, CH4, and H2 – is injected as a pulse in the micro reactor loaded with FCC catalyst, CO2 adsorbed at ambient temperature. This is represented on the response curve by an extended tail and a large deviation to the axial dispersion model. Also, CO2 takes double the time to egress the reactor compared to H2. This chromatographic phenomenon was unexpected and might be applied to remove CO2 from the air or industrial streams.


identifier: Sylvestre, É. (2020). Systematic assessment of microbial risks associated with hydrometeorological events for drinking water safety management  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les fortes pluies et le traitement inadéquat des sources d'eau de surface sont des facteurs causaux à l'origine de plusieurs épidémies de maladies d'origine hydrique. Alors que les changements climatiques intensifient le cycle hydrologique, une attention accrue sur la gestion des risques sanitaires liés aux évènements météorologiques est recommandée dans plusieurs guides sur la gestion de la qualité de l'eau potable. Cependant, les jeux de données disponibles permettant de caractériser les concentrations microbiennes à l'eau brute des usines de production d'eau potable et la performance de leurs procédés de traitement sont limités. Conséquemment, les variations à court terme da la qualité microbiologique de l'eau sont hautement incertaines. Le développement de méthodes permettant de quantifier ces variations à court terme et d'évaluer leurs risques est donc nécessaire afin de favoriser le développement des approches d'analyse de risque.  ABSTRACT: Heavy rainfall and inadequate treatment of surface water sources are common causative factors of waterborne disease outbreaks. As climate change intensifies the hydrological cycle, an enhanced focus on the risk management of weather events has been recommended in future revisions of guidance documents for drinking water quality. However, real-world data sets describing concentrations of microbial pathogens in water sources and their full-scale reduction by water treatment processes are typically small. Consequently, short-term changes in microbial water quality are highly uncertain. The development of methods to quantify these short-term fluctuations and evaluate their health risks is needed to enhance the applicability and usefulness of risk assessment approaches.


identifier: Gu, X. (2020). Towards Battery-Free Internet of Things (IoT) Sensors: Far-Field Wireless Power Transfer and Harmonic Backscattering  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Notre vie tend à être plus agréable, plus facile et plus efficace grâce à l'évolution rapide de la technologie de l'Internet des objets (IoT). La clef de voute de cette technologie repose essentiellement sur la quantité de capteurs IoT interconnectés, que l'on est en mesure de déployer dans notre environnement. Malheureusement, l'électronique conventionnelle fonctionnant sur piles ou relié au réseau électrique ne peut pas constituer une solution durable en raison des aspects de coût, de faisabilité et d'impact environnemental. Pendant ce temps, le changement climatique dû à la consommation excessive de combustibles fossiles continue de s'aggraver. Il devient donc urgent de trouver une solution pour l'alimentation électrique des capteurs IoT géographiquement répartis à grande échelle, afin de simultanément soutenir la mise en oeuvre de nombreux capteurs IoT tout en limitant leur poids environnemental. L'énergie radiofréquence (RF) ambiante, qui sert de support à l'information sans fil, est non seulement capitale pour notre société, mais aussi omniprésente dans les zones urbaines et suburbaines. Elle permet de réaliser des communications et des détections sans fil. Cependant, l'énergie RF ambiante est majoritairement « gaspillée » car seule une toute petite partie de la puissance transmise est effectivement reçu ou « consommée » par le destinataire. C'est pourquoi le recyclage de l'énergie RF ambiante est une solution prometteuse pour alimenter les capteurs IoT. Pour certains capteurs IoT consommant une puissance plus élevée, l'apport d'énergie sans fil pourra similairement se faire par des centrales électriques spécialisées, suivant le même schéma d'alimentation sans fil. Pour utiliser et récupérer cette énergie RF, cette thèse présente deux techniques principales : la récupération/réception de puissance sans fil en champ lointain (wireless power transfer: WPT) et la rétrodiffusion d'harmoniques. Le chapitre 2 aborde les différents mécanismes de conversion de fréquence entre le WPT en champ lointain et la rétrodiffusion d'harmoniques. La récupération de WPT en champ lointain consiste à convertir l'énergie RF en puissance continue. En revanche, la rétrodiffusion d'harmoniques a pour but de convertir l'énergie RF dans une autre fréquence, dans la plupart des cas, la composante harmonique de rang 2. A titre d'étape préliminaire de recherche et d'étude de faisabilité, une cartographie de la densité de l'énergie RF ambiante dans les zones centrales de l'île de Montréal est résumée au chapitre 3. Contrairement aux mesures traditionnelles précédentes effectuées à des endroits fixes, cette mesure dynamique a été réalisée le long des rues, des routes, des avenues et des autoroutes pour couvrir une large zone.  ABSTRACT: Our life is becoming more convenient, efficient, and intelligent with the aid of fast-evolving Internet of Things (IoT) technology. One essential foundation of IoT technology is the development of numerous interrelated IoT sensors that are distributed extensively in our environment. However, conventional batteries/cords-based powering solutions are certainly not an acceptable long-term solution, considering the incurred cost, feasibility, most of all, environmental impact. Meanwhile, climate change due to excessive consumption of fossil fuels is worsening day by day. Therefore, a transformative powering solution for such large-scale and geographically scattered IoT sensors is of extreme importance in support of such extensive IoT sensors implementation while simultaneously mitigating its environmental burden. Serving as a critical information carrier, ambient radiofrequency (RF) energy is pervasive in urban and suburban areas to realize wireless communication and sensing. However, part of ambient RF energy is dissipated due to path loss if not fully consumed by end-users. Hence, recycling the wasted ambient RF energy to power IoT sensors is a promising solution. The concept of harnessing wireless energy for powering IoT sensors requiring a higher power supply is also feasible through the dedicated wireless power delivery from specialized power stations, which can be an effective supplement. To realize the RF power scavenging, this thesis research introduces two mainstream techniques: far-field wireless power transfer (WPT) and harmonic backscattering. Chapter 2 discusses the different frequency conversion mechanisms applied for far-field or ambient WPT harvesting and harmonic backscattering. Far-field WPT harvesting converts RF energy into dc power (zeroth harmonic). In contrast, harmonic backscattering upconverts RF energy into its harmonics, in most cases, the second harmonic component. As a preliminary research step and a feasibility study, a survey of ambient RF energy density in the core areas on Montreal Island is summarized in Chapter 3. Different from the previously published traditional measurements at fixed locations, this dynamic measurement is carried out along streets, roads, avenues, and highways to cover a large area. Also, a stationary measurement in Downtown Montreal is to reveal whether human activities are able to bring visible change to ambient RF energy levels. This work demonstrates how much ambient RF energy is available in free space and acts as a significant reference for researchers and engineers designing ambient RF energy harvesting circuits/systems for practical applications.


identifier: Kalonji, A. K. (2020). Évaluation du comportement hydrogéologique et géochimique de recouvrements faits de matériaux miniers pour contrôler la contamination provenant de résidus miniers fortement réactifs  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Résume D'importants volumes de stériles miniers et de rejets de concentrateur sont générés chaque année à travers le monde. Ces deux types de rejets miniers solides contiennent souvent des minéraux sulfurés qui n'ont pas été récupérés pendant le processus de concentration du minerai. Ainsi, en présence des rejets miniers qui contiennent des mineraux sulfurés residuels, il est essentiel de prendre des mesures appropriées pour inhiber l'oxydation des sulfures et contrôler la génération du drainage minier acide (DMA), ainsi que le relargage des contaminants dans l'environnement. En climat humide (ou tempéré), les couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC), sont souvent considérées comme une des options la plus appropriée pour contrôler le DMA. Toutefois jusqu' à ce jour, les CEBC qui ont été étudiées ou appliquées au niveau d'aires d'entreposage de rejets miniers ont principalement été constituées de matériaux naturels ou en partie de matériaux miniers. Les difficultés d'approvisionnement (coût associé au transport et au décapage), lorsque les matériaux d'origine naturelle appropriés ne sont pas disponibles à proximité du site à restaurer, augmentent considérablement le coût de construction des recouvrements. En fonction de la taille du site à restaurer et de l'approche envisagée, les coûts de construction peuvent augmenter de manière importante si les matériaux de recouvrement sont situés loin du site. C'est pourquoi les entreprises minières sont de plus en plus intéressées à mettre sur pied des stratégies de valorisation des rejets (concept de l'économie circulaire), et à étudier davantage l'utilisation des matériaux miniers (roches stériles et résidus de concentrateur) dans les recouvrements. Cependant, des questions subsistent quant à la géochimie des eaux de lixiviat d'une CEBC composée exclusivement de matériaux miniers peu réactifs et placée sur des résidus hautement réactifs, pour lesquels l'eau interstitielle est alors déjà acide et fortement contaminée. Il existe également des incertitudes concernant la capacité des modèles de transport réactifs traditionnels comme MIN3P à simuler efficacement les principaux mécanismes géochimiques clés dans les résidus hautement réactifs ayant une capacité de neutralisation nulle ou très faible. L'objectif général de la présente étude est d'évaluer le comportement hydrogéologique et géochimique d'une CEBC constituée de matériaux miniers (résidus et stériles miniers) et placée sur des résidus hautement réactifs dans une perspective de restauration d'un parc à résidus miniers générateur d'acide. Les cinq matériaux miniers utilisés comprennent un résidu générateur d'acide, un résidu non générateur d'acide, un résidu désulfuré, un stérile minier potentiellement non générateur d'acide (NPAG) et un stérile minier potentiellement générateur d'acide (PAG). Plus spécifiquement, ce projet de recherche vise à : (1) déterminer au laboratoire les principales propriétés physiques, hydrogéologiques, minéralogiques, géochimiques et environnementales de résidus réactifs et des matériaux de recouvrement, (2) étudier à l'aide d'éssais de laboratoire et d'un modèle numérique de transport réactif (MIN3P) le comportement hydrogéochimique des résidus hautement réactifs seuls et lorsque recouverts par un recouvrement de type CEBC constitué totalement des rejets miniers faiblement réactifs, (3) évaluer en colonnes de laboratoire et en cellule experimentale de terrain le comportement hydrogéochimique des résidus hautement réactifs couverts par une CEBC constituée totalement des matériaux miniers et (4) évaluer in situ le comportement hydrogéologique d'un recouvrement incliné fait des matériaux miniers pour contrôler l'infiltration d'eau sur une digue de stériles réactifs. Les travaux de caractérisation des matériaux montrent que les résidus réactifs sont fortement générateurs d'acide avec un lixiviat d'essai cinétique ayant un pH proche de 2, des concentrations élevées de métaux et de sulfates. Les matériaux de recouvrement, soient des rejets de concentrateur faiblement sulfureux, et des stériles peu ou pas réactifs, ne sont pas générateurs d'acide ou ne lixivient pas des métaux. Les propriétés hydrogéologiques des matériaux testés étaient similaires à celles trouvées dans la littérature pour les résidus et les stériles et sont appropriées comme matériaux d'une CEBC. Les résidus à faible teneur en sulfure ont une valeur de conductivité hydraulique saturée (ksat) de l'ordre de 10-5 cm/s et une valeur d'entrée d'air, AEV de 2,5 m d'eau; ces valeurs sont similaires aux valeurs des matériaux utilisés dans le passé dans les CEBC efficaces. Les stériles testés dans cette étude ont de propriétés hydrogéologiques typiques de celles attendues pour les couches de matériaux grossiers d'une CEBC, avec une valeur ksat élevée (10-2 cm/s) et une faible capacité de rétention d'eau (AEV = 0,002-0,003 m d'eau). Les résultats de l'étude du comportement hydrogéochimique des résidus hautement réactifs seuls et lorsque couverts par une CEBC à l'aide des essais de laboratoire et des modélisations numériques montrent que le modèle de transport réactif MIN3P peut prédire le comportement géochimique des résidus hautement réactifs. Les prédictions montrent que, même après 10 ans, les résidus réactifs non couverts génèrent encore beaucoup d'acidité. Les prédictions sur 10 ans ont montré que l'épuisement des principaux sulfures (pyrite, pyrrhotite et sphalérite) obtenus dans le cas de résidus réactifs non couverts soumis aux cycles de mouillage-drainage et saturés est respectivement d'environ 50 et 20%. La mise en place d'une CEBC permet de contrôler la génération de contaminants. La simulation intégrale de la CEBC avec MIN3P n'a pas été possible mais une approche simplifiée où l'on utilise un flux d'oxygène provenant de l'oxygène dissous dans l'eau d'infiltration équivalent à celui qui aurait passé à travers la CEBC a permis de prédire le comportement géochimique des résidus réactifs couverts. Les résultats géochimiques du système simplifié indiquent une diminution de la concentration de sulfate et de la plupart des métaux dans le lixiviat comparativement aux résidus réactifs non couverts. Le comportement hydrogéochimique des résidus hautement réactifs couverts par une CEBC constituée totalement de matériaux miniers a été suivi pour une période de 504 jours pour la colonne de laboratoire et trois années (2017-2019) pour la cellule de terrain. Les comportements hydrogéologiques de la colonne et de la cellule montrent que le degré de saturation moyen de la couche de rétention d'humidité (CRH) de la CEBC se situe entre 89 et 96%. Les résultats montrent aussi qu'une CEBC constituée de matériaux miniers à l'échelle de laboratoire et de terrain serait efficace à réduire le flux d'oxygène et limiter la production de DMA provenant de résidus hautement réactifs. Les flux d'oxygène à la base de la CRH ayant effectivement atteint les résidus réactifs sont de l'ordre de 1 x 10-3 et 5 x 10-3 moles/m2/an respectivement pour les essais en laboratoire et sur le terrain. Ces flux d'oxygène correspondent à une efficacité d'environ 99% par rapport aux résidus réactifs non couverts. L'efficacité moyenne de la couverture à limiter la production de contaminants solubles dans l'environnement par rapport aux résidus réactifs non couverts est comprise entre 95 et 100%, respectivement en laboratoire et sur terrain. Le niveau d'efficacité ne permet pas de réduire les concentrations de Fe et Zn au niveau exigé par la réglementation québécoise et canadienne actuelle. Les résultats géochimiques montrent 1 à 3 ordres de grandeur de différences des concentrations de métaux et de sulfates dans les lixiviats entre les deux échelles de test. Généralement, les concentrations de laboratoire étaient plus élevées que celles de terrain. Les résultats de cette étude indiquent également que les objectifs de conception de recouvrement en terme de flux d'oxygène précédemment élaborés pour les résidus non oxydés frais ou les résidus pré-oxydés (flux d'oxygène < 2 moles d'oxygène/m²/an) ne peuvent pas être directement appliqués aux résidus frais ou pré-oxydés hautement réactifs. Par conséquent, il est nécessaire de mieux sélectionner les cibles de flux d'oxygène pour les résidus hautement réactifs. Le comportement hydrogéologique in situ du recouvrement incliné fait de matériaux miniers pour contrôler l'infiltration d'eau sur une digue de stériles réactifs a été suivi pour une période de trois années (2017-2019). Les résultats montrent que la configuration du système de couverture limite la percolation de l'eau à des valeurs inférieures à 1% des précipitations incidentes (moins de 5 mm de précipitations) dans des conditions climatiques naturelles. Les valeurs du taux de percolation net atteingnent un maximum de 10% (60 mm de précipitations) lorsque des événements de mouillage (un en 2018 et un en 2019) simulant des précipitations importantes (avec une période de retour entre 50 et 100 ans) ont été appliqués à la cellule expérimentale inclinée. Le bilan hydrique de la cellule expérimentale inclinée montre que le contrôle de l'infiltration est principalement dû à l'évaporation, avec une contribution atteignant 75%, suivie du ruissellement et de la percolation latérale. L'eau est détournée à l'interface entre les stériles et les résidus pendant les événements de mouillage sur une certaine distance qui varie pendant le test. A l'issue des deux tests de mouillage artificiel, le point d'infiltration (ou point DDL) était situé entre 12 et 20 m du haut de la pente. Le comportement hydrogéologique observé de la cellule expérimentale inclinée montre que la couverture était capable de revenir à son comportement hydrogéologique initial en environ une semaine après un évènement de mouillage important et de retrouver par la suite sa capacité à détourner l'eau du prochain événement de mouillage. L'ensemble des données obtenues lors de la caractérisation des matériaux, des modélisations hydrogéochimiques, du suivi des colonnes de laboratoire et des cellules de terrain ont été utilisé pour discuter davantage de : l'influence de la minéralogie des résidus miniers et des flux d'oxygène sur la performance géochimique globale de recouvrements; la différence des résultats géochimiques de résidus réactifs seuls ou recouverts par une CEBC à différentes échelles et de la validation du comportement hydrogéologique du modèle physique de la cellule inclinée par la modélisation numérique. Les resultats montrent que le niveau de performance des recouvrements à atteindre en terme de flux d'oxygène pour la restauration d'aires d'entreposage des rejets miniers générateurs d'acide est fonction de la réactivité de résidus miniers à restaurer et n'est pas une valeur unique pour tous les sites. Les taux de réaction moyens des résidus réactifs seuls sont habituellement du même ordre de grandeur et que selon l'élément, les concentrations moyennes peuvent être plus élevées dans la colonne que dans la cellule ou l'inverse. Les principales causes des différences des taux de libération des contaminants entre l'échelle laboratoire et terrain sont la précipitation de minéraux secondaires, la température, les conditions hydrogéologiques (rapport liquide-solide, temps de contact, etc.) et les paramètres géochimiques et minéralogiques. Le comportement hydrogéologique observé dans le modèle physique de la cellule inclinée sur le terrain représente bien le comportement attendu d'un point de vue théorique (par modélisation numérique). Cependant, les résultats numériques suggèrent une moins grande évaporation et une plus grande déviation de l'eau par ruissellement de surface et percolation laterale.  ABSTRACT: Large volumes of tailings and waste rocks are generated each year around the world. These two types of solid mine wastes often contain sulfide minerals that were not recovered during the ore concentration process. Thus, in the presence of mine waste that contains residual sulfide minerals, it is essential to take appropriate measures to limit the oxidation of sulfides and to control the generation of acid mine drainage (AMD) as well as the release of contaminants in the environment. In humid (or temperate) climate, covers with capillary barrier effects (CCBE), are often considered as one of the most suitable options to control AMD. However, until now, CCBE which have been studied or applied to reclaim the storage areas of mine waste, have mainly been made with natural materials or partially with mining materials. Difficulties of supply (costs associated with transport and stripping), when suitable natural materials are not available near the site to be reclaimed, considerably increase the construction costs of covers. Depending on the size of the site to be reclaimed and the approach considered, construction costs can increase significantly if the cover materials are located far from the site. This is why mining companies are increasingly interested in setting up waste valorization strategies (concept of the circular economy), and in further studying the use of mining materials (tailings and waste rock) in the covers. However, questions remain around the geochemistry of the leachate water from a CCBE composed exclusively of low reactive mining materials and placed on highly reactive tailings, for which the pore water is then already acidic and highly contaminated. There are also uncertainties regarding the ability of traditional reactive transport models like MIN3P to effectively simulate the main key geochemical mechanisms in highly reactive tailings with zero or very low neutralization capacity. The main objective of this study is to assess the hydrogeological and geochemical behavior of a CCBE made with mining materials (tailings and waste rock) and placed on highly reactive tailings with the aim to reclaim an acid generating tailings site. The five mining materials used include acid-generating tailings, non-acid-generating tailings, desulfurized tailings, potentially non-acid-generating waste rock (NPAG) and potentially acid-generating waste rock (PAG). More specifically, this research project aims at: (1) determining in the laboratory the main physical, hydrogeological, mineralogical, geochemical and environmental properties of reactive tailings and cover materials, (2) studying using laboratory tests and a reactive transport model (MIN3P), the hydrogeochemical behavior of highly reactive tailings alone and when covered by a CCBE made entirely with low reactive mining waste, (3) evaluating in laboratory columns and in an experimental field cells, the hydrogeochemical behavior of the highly reactive tailings covered by a CCBE made entirely with mining materials and (4) evaluatimg in situ the hydrogeological behavior of an inclined cover made with mining materials to control water infiltration on a reactive waste rock dike. Materials characterization shows that reactive tailings are highly acid generating with a kinetic test leachate having a pH close to 2, high concentrations of metals and sulfates. The cover materials, which are low sulfide tailings, and low or no reactive waste rock, do not generate acid or do not leach metals. The hydrogeological properties of the materials tested were similar to those found in the literature for tailings and waste rock and are suitable as materials for a CCBE. The low sulfide tailings have a saturated hydraulic conductivity (ksat) value of the order of 10-5 cm/s and an air entry value (AEV) of 2.5 m of water; these values are similar to the values of materials used in the past in efficient CCBE. The waste rock tested in this study has typical hydrogeological properties of those expected for coarse material layers from a CCBE, with a high ksat value (10-2 cm/s) and low water retention capacity (AEV = 0.002-0.003 m of water). The results of the study of the hydrogeochemical behavior of highly reactive tailings alone and when covered by a CCBE using laboratory tests and numerical modelling show that the MIN3P reactive transport model can predict the geochemical behavior of highly reactive tailings. Predictions show that even after 10 years, the uncovered reactive tailings still generate acidity. The 10-year predictions have shown that the depletion of the main sulfides (pyrite, pyrrhotite and sphalerite) obtained in the case of uncovered reactive tailings during the wetting-drainage cycles and saturated conditions is about 50 and 20%, respectively. The implementation of a CCBE allows to control the generation of contaminants. The full simulation of the CCBE with MIN3P was not possible but a simplified approach where one uses an oxygen flow coming from the oxygen dissolved in the infiltration water equivalent to that which would have passed through the CCBE allowed to predict the geochemical behavior of the covered reactive tailings. The geochemical results of the simplified system indicate a decrease of the concentration of sulfates and most metals in the leachate compared to uncovered reactive tailings. The hydrogeochemical behavior of the highly reactive tailings covered by a CCBE made entirely with mining materials was monitored for a period of 504 days for the laboratory column and three years (2017-2019) for the field cell. The hydrogeological behaviors of the column and the cell show that the average degree of saturation is between 89 and 96% in the moisture-retention layer (MRL) of the CCBE. The results also show that a CCBE made with mining materials at the laboratory and field scale would be effective in reducing oxygen flux and limiting the production of AMD from highly reactive tailings. The oxygen fluxes at the base of the MRL having actually reached the reactive tailings are of the order of 1 x 10-3 and 5 x 10-3 moles/m2/year for laboratory and field tests, respectively. These oxygen fluxes correspond to an efficiency of about 99% compared to the uncovered reactive tailings. The average efficiency of the cover in limiting the production of soluble contaminants in the environment compared to uncovered reactive tailings is between 95 and 100%, in the laboratory and in the field, respectively. The level of efficiency does not allow the concentrations of Fe and Zn to be reduced to the level required by current Quebec and Canadian regulations. The results show 1 to 3 orders of magnitude of differences in the concentrations of metals and sulfates in the leachate between the two test scales. Generally, laboratory concentrations were higher than those in the field. The results of this study also indicate that the cover design objectives in terms of oxygen flux previously developed for fresh unoxidized tailings or pre-oxidized tailings (oxygen flux <2 moles of oxygen/m²/year) can not be directly applied to fresh or pre-oxidized highly reactive tailings. Therefore, there is a need to better select the oxygen flux targets for the highly reactive tailings. The in situ hydrogeological behavior of the inclined cover made with mining materials to control water infiltration on a reactive waste rock dike was monitored for a period of three years (2017-2019). The results show that the configuration of the cover system limits water percolation to values below 1% of incident precipitation (less than 5 mm of precipitation) under natural climatic conditions. The values of the net percolation rate reach a maximum of 10% (60 mm of precipitation) when wetting events (one event in 2018 and another one in 2019) simulating an important precipitation (with a return period between 50 and 100 years) have been applied to the inclined experimental cell. The water balance of the inclined experimental cell shows that the infiltration control is mainly due to evaporation, with a contribution reaching 75%, followed by runoff and lateral percolation. Water is diverted at the interface between waste rock and tailings during wetting events over a distance which varies during the test. At the end of the two artificial wetting tests, the infiltration point (or DDL point) was located between 12 and 20 m from the top of the slope. The observed hydrogeological behavior of the inclined experimental cell shows that the cover was able to return to its initial hydrogeological behavior in about a week after an important wetting event and subsequently regaining its ability to divert water from the next wetting event. Considering all the results obtained from laboratory characterization, reactive transport modelling and the monitoring of laboratory columns and field cells, a discussion was developed on the influence of mineralogy of mine tailings and fluxes of oxygen on the overall geochemical performance of the covers; differences in the geochemical results of reactive tailings alone or covered by a CEBC at different scales and the validation of the hydrogeological behavior of the physical model of the inclined cell by numerical modelling. The findings show that the level of performance of the covers to be reached in terms of oxygen flux for the reclamation of acid-generating storage areas depends on the reactivity of the tailings to be reclaimed and is not a unique value for all sites. The average of the reaction rates of the uncovered reactive tailings are usually of the same order of magnitude and depending on the chemical element, the average concentrations may be higher in the column than in the cell or vice-versa. The main causes of differences in contaminant release rates between laboratory and field scale are precipitation of secondary minerals, temperature, hydrogeological conditions (liquid-solid ratio, contact time, etc.) and geochemical and mineralogical parameters. The hydrogeological behavior observed in the physical model of the inclined cell in the field represents the expected behavior from a theoretical point of view (by numerical modelling). However, the numerical results suggest less evaporation and greater deviation by runoff and lateral flow.


identifier: Yazdizadeh, M. (2020). Fabrication of Arrays of Ferromagnetic Multilayer Nanowires in Alumina Templates and Modelling the Magnetic Anisotropy Using Effective Field Model  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réseaux de nanofils magnétiques suscitent beaucoup d'intérêt pur un large éventail d'application, incluant les milieux d'enregistrement magnétique haute densité, les cristaux magnoniques et les capteurs magnéto-résistifs.  Parmi les exigences de base pour un déploiement commercial de ces nouveaux matériaux, on retrouve la facilité et le faibles coûts de fabrication, la reproductibilité des propriétés physiques et des caractéristiques magnétiques ajustables telles que la coercivité, anisotropie et la stabilité thermique. Dans des études précédentes, un modèle de champ équivalent basé sur une approche de champ moyen pur a été développé pour décrire l'anisotropie magnétique des systèmes constitués de réseaux de nanofils magnétiques multicouches.  Cependant, ce modèle n'était pas toujours en accord avec l'expérience, en raison d'une simplification excessive de l'interaction dipolaire entre les couches magnétiques, ainsi que des imperfections dans les échantillons, notamment du mauvais contrôle de l'épaisseur des couches de nanofils multicouches et de la pureté chimique de chaque couche.  De plus, l'estimation de la porosité des matrices nanoporeuses manquait de précision, causant des erreurs dans la prédiction du modèle de l'anisotropie.  Ces problèmes sont particulièrement marqués pour les géométries spécifiques de nanofils multicouces, dans lesquelles les couches magnétiques sont rapprochés les unes des autres, produisant des interactions dipolaires inhomogèmes. Dans cette thèse, nous abordons d'abord les problèmes liés à la fabrication des échantillons.  Nous avons proposé une méthode coulométrique, afin d'améliorer notre contrôle sur l'épaisseur des couches lors de la fabriction.  Nous avons également atteint une pureté relativement plus élevée dans nos échantillons en ajustant la qualité de matériau non magnétique dans la solution életrolytique pour l'électrodéposition des couches.  ABSTRACT: Arrays of magnetic nanowires have gained significant interest for a broad range of applications, including high density magnetic storage media, magnonic cristals and magneto-resistive sensors.  Basic requirements for successful commercial deployments are ease of manufacturing, low cost, reproductibility and superior magnetic properties such as coercivity, anisotropy and thermal stability. In previous studies, an effective field model based on a pure mean field approach was developed to describe the magnetic anisotropy of a system of arrays of magnetic nanowires.  However, this model was not in agreement with experiment due to over simplification of dipolar interaction between magnetic layers as well as imperfections in samples, namely poor control over layer thickness of multilayer nanowires and purity of each layer.  Moreover, the estimation of porosity was not precise causing more error in model prediction of anisotropy field.  These issues are more serious for specific geometries of multilayer nanowires where the magnetic disks are close to each other and their dipolar interaction can not be assumed to be homogeneous.  Here, we first address the issues related to samples.  We proposed a so called Coulometry method to have more control over layer thickness.  We also achieved relatively higher purity in our samples by adjusting the amount of non-magnetic material inside the electrolyte bath before electrodeposition. A new method was also proposed to measure the effective porosity of the porous alumina which is used as a template for electrodeposition.  A systematic process is also proposed in order to improve the pore regularity in alumina templates which is necessary in some applications.


identifier: Gondran, M. (2020). Tressage automatisé de pièces complexes avec solution inverse itérative asservie en angle  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le tressage est un procédé de préformage textile utilisé dans l'industrie aéronautique. Les bobines disposées sur la piste circulaire de la tresseuse tournent en directions opposées tandis qu'au centre de la tresseuse, le mandrin représentant la contre-forme de la pièce à fabriquer, avance. Le mouvement conjugué du mandrin et des bobines permet aux fils de former une tresse autour du mandrin. Le procédé est automatisé donc répétable et la déposition de dizaines, voire de centaines de fils simultanément lui confère une excellente productivité. Le textile tressé dispose aussi d'une excellente résistance à l'impact. Les caractéristiques mécaniques sont dépendantes de l'angle de tressage formé par les fils. La connaissance du comportement du tressage et, plus particulièrement du lien entre la vitesse d'avance du mandrin et angle de tressage est limité dans la littérature. Les travaux présentés dans ce mémoire visent à modéliser ce lien et à réaliser l'implémentation dans un laboratoire recherche. De nombreux travaux disponibles dans la littérature ont cherché à établir le lien entre l'angle de tressage et la vitesse d'avance du mandrin. Pour les mandrins circulaires, des relations analytiques existent. Pour les mandrins complexes, des modèles ont été publiés mais sont limités soit par leur précision, soit par leur temps de mise en œuvre. L'objectif principal est de développer une nouvelle approche pour résoudre le problème inverse de prédiction des paramètres de fabrication fonction l'angle de tressage désiré en ayant une meilleure précision tout en limitant le temps de mise en œuvre. Le second objectif est de développer et d'implémenter, chez le partenaire industriel, le post- processeur permettant de faire le lien entre le modèle informatique et l'outil réel de production. Grâce à cela, les essais de tressages ont pu être réalisés afin de valider la modélisation. Les résultats montrent la validité de l'approche. En effet, l'erreur entre l'angle de tressage cible et celui mesuré est limité à 0.87° sur l'ensemble des mesures effectuées alors que la référence de qualité est généralement fixée à 1° dans l'industrie.  ABSTRACT: Braiding is a textile preforming process used in the aeronautical industry. Carriers arranged on the circular track of the braiding machine rotate in opposite directions while in the braiding machine center, the mandrel representing the counterpart of the part to be manufactured advances. The combined movement of the mandrel and the carriers allows the yarns to be braided over the mandrel. The process is automated and therefore repeatable, and the deposition of tens or even hundreds of yarns simultaneously gives excellent productivity. The braided textile also has excellent impact resistance. The mechanical properties of the braided parts are function of the braiding angle formed by the yarns. The knowledge of the braiding behaviour and the link between the take-off speed and braiding angle is sparse in the literature. The work presented in this thesis aims to model this link and to implement it in a research laboratory context. Numerous researches available in the literature have tried to model the link between the braiding angle and the take-off speed of the mandrel. For circular mandrels, analytical relationships exist. For complex mandrels though, models have been published but they have limitations either in accuracy or in processing time. The primary objective is to develop a new approach to solve the inverse problem which aims at identifying the manufacturing parameters that result in the targeted braiding angle with better accuracy while reducing the processing time. The second objective is to develop and implement, at the industrial partner's lab, the post-processor enabling the link between the computer model and the production tool. Thanks to this, the experiments can be carried out in order to validate the model. The results show the validity of the approach and the error between the targeted braiding angle and the measured angle limited to 0.87° on all the measurements carried out while the quality threshold is generally set at 1° in the industry.


identifier: Najarpour Foroushani, A. (2020). Decoding Distributed Neuronal Activity in Extrastriate Cortical Areas for the Visual Prosthetic Applications  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les prothèses visuelles corticales sont planifiées pour restaurer la vision chez les individus non-voyants en appliquant du courant électrique à des sites discrets sur le cortex visuel. À ce jour, la qualité de la vision rapportée dans la littérature est celle d'un petit nombre de phosphènes (percept de spots lumineux spatialement localisés) sans organisation pour générer un percept significatif. Le principal défi consiste à développer des méthodes pour transférer les informations d'une scène visuelle dans un schéma de stimulation compréhensible pour le cerveau. Une connaissance clé pour résoudre ce défi est de comprendre comment les caractéristiques du phosphène (ou en général, les caractéristiques visuelles) sont représentées dans le modèle distribué d'activité neuronale. Une approche pour obtenir ces connaissances consiste à déterminer dans quelle mesure les réponses neuronales bien réparties peuvent détecter les changements dans une caractéristique visuelle spécifique des stimuli. Pour atteindre cet objectif, nous avons étudié la capacité de discrimination des zones corticales extrastriées V4 chez les singes macaques. Ces zones extrastriées ont de petites régions rétinotopiques qui offrent la possibilité d'échantillonner une grande région de l'espace visuel à l'aide de réseaux de microelectrodes standard telles que celles de l'Université d'Utah. Cela aide à construire des prothèses mini-invasives.  Notre contribution concerne la résolution spatiale des potentiels de champs locaux (LFP) dans la zone V4 pour déterminer les limites de la capacité des prothèses visuelles à induire des phosphènes à plusieurs positions. Les LFP ont été utilisés car ils représentent une activité neuronale sur une échelle de 400 microns, ce qui est comparable à la propagation de l'effet de microstimulation dans le cortex. La zone visuelle extrastriée V4 contient également une carte rétinotopique de l'espace visuel et offre la possibilité de récupérer l'emplacement des stimuli statiques. Nous avons appliqué la méthode «Support vector machine» (SVM) pour déterminer la capacité des LFP (par rapport aux réponses à plusieurs unités - MUA) à discriminer les réponses (phosphènes) aux stimuli à différentes séparations spatiales. Nous avons constaté que malgré les grandes tailles de champs récepteurs dans V4, les réponses combinées de plusieurs sites étaient capables de discrimination fine et grossière des positions. Nous avons proposé une stratégie de sélection des électrodes basée sur les poids linéaires des décodeurs (en utilisant les valeurs de poids les plus élevées) qui a considérablement réduit le nombre d'électrodes requis pour la discrimination avec une augmentation des performances. L'application de cette stratégie présente l'avantage potentiel de réduire les dommages tissulaires dans les applications réelles.  Nous avons conclu que pour un fonctionnement correct des prothèses, la microstimulation électrique devrait générer un schéma d'activité neuronale similaire à l'activité évoquée correspondant à un percept attendu. De plus, lors de la conception d'une prothèse visuelle, les limites de la capacité de discrimination des zones cérébrales implantées doivent être prises en compte. Ces limites peuvent différer pour MUA et LFP.  ABSTRACT: Cortical visual prostheses are intended to restore vision to blind individuals by applying a pattern of electrical currents at discrete sites on the visual cortex. To date, the quality of vision reported in the literature is that of a small number of phosphenes (percept of spatially localized spots of light) with no organization to generate a meaningful percept. The main challenge consists of developing methods to transfer information of a visual scene into a pattern of stimulation that is understandable to the brain. The key to solving this challenge is understanding how phosphene characteristics (or in general, visual characteristics) are represented in a distributed pattern of neural activity. One approach is to determine how well neural responses can detect changes in a specific characteristic of stimuli. To this end, we have studied the discrimination capability of V4 extrastriate cortical area in macaque monkeys. Extrastriate cortical areas have small retinotopic maps that can provide an opportunity to sample a large region of visual space using standard devices such as Utah arrays.  Thus, this helps to build minimally invasive prosthetic devices.  Our contribution relates to the spatial resolution of local field potentials (LFPs) in area V4 to determine the limits in the capability of visual prosthetic devices in generation of phosphenes in multiple positions. LFPs were used because they represent neural activity over a scale of 400 microns, which is comparable to the spread of microstimulation effects in the cortex. Extrastriate visual area V4 also contains a retinotopic map of visual space and offers an opportunity to recover the location of static stimuli. We applied support vector machines (SVM) to determine the capability of LFPs (compared to multi-unit responses) in discriminating responses to phosphene-like stimuli (probes) located with different spatial separations. We found that despite large receptive field sizes in V4, combined responses from multiple sites were capable of fine and coarse discrimination of positions. We proposed an electrode selection strategy based on the linear weights of the decoder (using the highest weight values) that significantly reduced the number of electrodes required for discrimination, while at the same time, increased performance. Applying this strategy has the potential to reduce tissue damages in real applications.  We concluded that for the correct operation of prosthetic devices, electrical microstimulation should generate a pattern of neural activity similar to the evoked activity corresponding to an expected percept. Moreover, in the design of visual prosthesis, limits in the discrimination capability of the implanted brain areas should be taken into account. These limits may differ for MUA and LFP.


identifier: Falsafioun, M. (2020). Validation of KAPTATM 3000 AC4 and KAPTATM 3000 OT3 monitoring probes  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La surveillance de la qualité de l'eau potable de la source au robinet est essentielle en gestion du risque en eau potable pour la protection de la santé publique. Dans une approche multi-barrières de gestion du risque, le réseau de distribution représente la dernière barrière de protection avant le consommateur. La détection d'une éventuelle dégradation de la qualité de l'eau (intentionnelle ou non) sur le réseau de distribution est par conséquent critique et nécessite des actions rapides pour protéger la population. La surveillance en continu de la qualité de l'eau à l'aide de sondes intelligentes représente une solution prometteuse et innovante pour mieux appréhender les changements de qualité de l'eau sur le réseau de distribution et agir en prévention plutôt qu'en réaction à ces événements. De telles sondes permettent par ailleurs le suivi de la qualité de l'eau dans des zones critiques du réseau de distribution souvent peu appropriées pour l'application des méthodes conventionnelles de surveillance du réseau.  ABSTRACT: Monitoring drinking water quality from the source to the tap is essential in drinking water risk management and ultimately for public health protection. In a multi-barrier risk management approach, the distribution system represents the last barrier before reaching the consumers tap. The detection of any degradation of the drinking water quality (intentional or not) in the distribution system is therefore a critical issue which requires rapid actions to protect the public. Continuous monitoring of water quality using smart probes represents a promising and innovative solution for utilities to better understand changes in drinking water quality in the distribution system and to act in prevention rather than in reaction to these events. Such probes also allow the monitoring of water quality in critical areas of the distribution system, which are often not suitable for the application of conventional methods used by utilities to monitor the distribution system.


identifier: Ebeling, K. (2020). Biofunctionalization of Gold Nanoparticles with Antibodies to Design an Enhanced Immunological Diagnostic Tool for Cancer  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le cancer du sein est à la fois la forme de cancer la plus diagnostiquée et la deuxième cause de mortalité chez les femmes canadiennes. L'immunohistochimie (IHC) est une technique étalon pour la caractérisation en profondeur des tissus et le diagnostic précis de la tumeur du cancer du sein. Cette technique repose sur l'étude immunologique des tissus, par le biais d'anticorps chromogènes générant un signal colorimétrique. Toutefois, cette technique a plusieurs inconvénients, notamment la perte ou la modification d'antigènes ciblés pendant la préparation du tissu ou encore le risque de photoblanchiment. De plus, l'analyse des résultats peut varier grandement selon le pathologiste responsable de l'examen du tissu. Ces éléments peuvent avoir un impact négatif sur la sensibilité et la spécificité du diagnostic, et ainsi augmenter la probabilité de faux positifs et faux négatifs. Ainsi, augmenter la précision des tests de diagnostic du cancer du sein demeure un enjeu important pour une meilleure prise en charge des patients diagnostiqués.  Ce mémoire présente l'utilisation de nanoparticules d'or (AuNPs) immunoplasmoniques comme une alternative à l'IHC pour le diagnostic du cancer du sein. Des anticorps ciblant des biomarqueurs du cancer du sein sont chimiquement conjugués aux AuNPs par l'intermédiaire de polyéthylène glycol (PEG) portant en bout de chaîne des groupes fonctionnels réactifs.   Dans ce mémoire, d'importantes contributions portant sur le développement d'AuNPs fonctionnalisées sont, dans un premier temps, passées en revue, afin de mettre en lumière les enjeux chimiques et physiques qui entourent la conception de formulations stables, robustes, fiables, reproductibles et sensibles capables de cibler et de se lier à des cellules cancéreuses de façon spécifique. Les travaux expérimentaux présentés dans la suite du mémoire ont pour objectif principal la comparaison de trois différentes stratégies de fonctionnalisation covalente des AuNPs avec des anticorps. Ces stratégies portent sur l'orientation des anticorps greffés par rapport à la surface des AuNPs. Pour chacune, les avantages et inconvénients relatifs à la préparation, l'optimisation, et le comportement des AuNPs lorsque mises en présence de cellules cancéreuses sont évalués. Les propriétés chimiques et physiques, ainsi que les rendements et l'activité biologique sont caractérisés. Enfin, sur la base des résultats expérimentaux rapportés, une comparaison critique des trois stratégies de fonctionnalisation est proposée. Les bénéfices de la conjugaison covalente des anticorps sur les AuNPs, par rapport à leur simple adsorption physique, sont également discutés.  Les travaux présentés dans ce mémoire permettent de mettre en évidence des différences à la fois au niveau des propriétés chimiques, optiques, des rendements et de l'activité lors de la comparaison de deux stratégies de conjugaison covalentes. Des conditions pour un meilleur contrôle de la stabilité, fiabilité et reproductibilité des formulations ont été identifiées. De plus, des différences sont observées dans la capacité des AuNPs à se lier à deux lignées cellulaires cancéreuses, MDA-MB-231 et MDA-MB-453.   Ce mémoire constitue une contribution importante pour le domaine de recherche portant sur la biofonctionnalisation d'AuNPs à des fins diagnostiques, en apportant une caractérisation approfondie de chaque étape de différents protocoles de fonctionnalisation. Des travaux futurs, portant notamment sur la caractérisation de l'activité biologique des anticorps greffés aux AuNPs ainsi que sur l'applications des AuNPs immunoplasmoniques à des systèmes biologiques plus complexes, restent nécessaires. Néanmoins, les travaux présentés dans ce mémoire ont produit des résultats prometteurs permettant d'ouvrir la voie vers la conception d'AuNPs immunoplasmoniques à des fins diagnostiques, avec pour objectif à long terme le développement de techniques diagnostiques alternatives à l'IHC pour le diagnostic du cancer du sein.  ABSTRACT: Breast cancer is the most diagnosed form of cancer in Canadian women, and is the second leading cause of death for them. In a histological setting where breast cancer tissue is examined, immunohistochemistry (IHC) is the go-to technique for providing a more in-depth diagnosis of the breast cancer tumour. The technique relies upon immunological-based staining of the tissue and generation of a colorimetric signal from chromogenic antibodies. However, this technique suffers from several drawbacks, namely loss or modifications of targeted antigens during preparation of the tissue, variations in skill of the examining pathologist, and photobleaching. These can all reduce both the sensitivity and specificity of the diagnosis and increase the likelihood of a misdiagnosis or a failure to detect it. Improving the accuracy of cancer diagnostics is thus an important issue to address, so as to more appropriately proceed to care management of the diagnosed patient.   In this thesis work, functionalized immunoplasmonic gold nanoparticles (AuNPs) are a proposed alternative to IHC for breast cancer diagnosis. Herein, breast cancer-detecting antibodies are chemically conjugated to AuNPs via polyethylene glycol (PEG) linkers containing reactive functional groups located at the ends of their chains. This thesis work will review important contributions discovered in developing these functionalized AuNPs, by elucidating the chemical and physical challenges related to designing stable, robust, reliable, reproducible, and sensitive formulations that can specifically target and bind to cancer cells. The main goals of this thesis work were to compare and contrast different strategies for functionalizing AuNPs with antibodies on the basis of their advantages and disadvantages in preparation, optimization and their ultimate application to cancer cells. Each part of this thesis will review in turn three different strategies that would orient antibodies with respect to AuNPs in different ways, such that both the chemical and physical properties, yield and biological activity could all be characterized. This allowed for a final head-to-head comparison between all three chemical conjugation strategies, alongside a comparison to antibodies physically adsorbed to AuNPs in a non-specific manner.   Overall, differences in chemical and physical properties, yield and activity were all observed for two different chemical conjugation strategies, and various parameters influencing their stability, reliability and reproducibility were optimized. In addition, differences were seen regarding their abilities to bind to two different cancer cell lines, MDA-MB-231 and MDA-MB-453. This thesis work thus constitutes an important contribution to the research field of AuNP functionalization for diagnostic purposes, by providing a more in-depth characterization of each step of the process of functionalization. It also provides insight on how various parameters could be controlled and ultimately influence the ability of each strategy to produce functionalized AuNPs capable of recognizing and binding to cancer cells. Although further work still needs to be pursued in order to better characterize the biological activity of the antibodies bound to these functionalized AuNPs, as well as applying these formulations to more complex biological systems, this work has produced promising results that should hopefully shed light on designing improved immunoplasmonic AuNPs for diagnostic purposes. This could lead to breakthroughs in the field that would ultimately produce an alternative technique to rival IHC in cancer diagnostics.


identifier: Elkommos Daoud, Y. (2020). Évaluation de la précision de systèmes d'acquisition de la géométrie 3D du tronc pour la conception de corsets personnalisés  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La Scoliose Idiopathique de l'Adolescent (SIA) est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale. Quand elle est modérée (20° < Angle de Cobb < 40°), elle est traitée par le port d'un corset rigide. Le corset exerce des forces sur la surface externe du tronc du patient pour arrêter la progression de la déformation. 75% des patients atteints de SIA modérée ont pu éviter la chirurgie en portant un corset. Il est prescrit pour une durée de 18 à 23 heures par jour mais beaucoup de patients n'adhèrent pas au traitement à cause de son incommodité, ce qui affecte le résultat. Vu que la réussite du traitement repose sur le port du corset pour une longue durée, les chercheurs au CHU Sainte-Justine (CHUSJ) ont pu concevoir des corsets confortables, personnalisés à la forme 3D de la géométrie des troncs des patients. Ces corsets sont plus minces et sont plus tolérés par les patients. La conception des corsets personnalisés repose sur la surface externe 3D des troncs des patients acquise par un système de topographie de surface 3D. Ces systèmes sont non irradiants, ils projettent une lumière blanche, infrarouge ou proche infrarouge sur l'objet à numériser. La lumière réfléchie par la cible est captée par la caméra du système qui reconstruit la forme 3D de l'objet. De nombreux systèmes sont disponibles sur le marché utilisant différentes techniques et offrant une variété de choix en termes de résolution et de prix. Le système InSpeck Capturor II LF a été utilisé durant les études faites au CHUSJ, la géométrie 3D reconstruite par ce système présente la précision nécessaire pour la fabrication de ces corsets. InSpeck est formé de 4 numériseurs fixes, chaque numériseur comporte un projecteur de franges à lumière blanche et une caméra. Ils reconstruisent la géométrie 3D de l'objet numérisé ainsi que sa texture. Cependant, ce système est lourd, coûteux et fixe ; c'est pourquoi les orthésistes d'Orthèse Prothèse Rive Sud au CHUSJ utilisent un nouveau système : le Structure Sensor. Structure Sensor est un petit dispositif qui est attaché à un appareil mobile (un iPhone ou un iPad) et qui reconstruit la forme 3D et la texture de l'objet numérisé en le balayant à une distance de 40 à 50 cm. Il est donc mobile, léger, plus facile à manipuler et moins cher que InSpeck. Par conséquent, notre étude a pour objectif de comparer la précision de Structure Sensor par rapport à InSpeck dans le but de concevoir des corsets personnalisés. Le BodyScan, un troisième système de topographie de surface 3D portable, disponible au CHUSJ pour des fins de recherche, est aussi inclus dans l'étude pour l'évaluer par rapport aux deux autres systèmes. Ce système, par contre, ne capte pas la texture. Dans la première partie de l'étude, nous évaluons les systèmes de topographie en numérisant un mannequin anthropomorphique. Nous avons placé 46 marqueurs sur le mannequin, que nous avons numérisé tout d'abord avec une machine à mesurer tridimensionnelle (Coordinate Measuring Machine (CMM)) ayant une résolution de 10 nm. Les coordonnées 3D des marqueurs sont alors obtenues avec une haute précision et servent de vérité terrain. Le mannequin est ensuite numérisé trois fois avec chacun des systèmes. Nous avons évalué la précision de la reconstruction 3D de chacun des numériseurs en calculant la distance normale résiduelle séparant chacune des surfaces du nuage de points obtenu avec la CMM. Ensuite, nous avons calculé la distance moyenne bidirectionnelle qui sépare les paires de surfaces obtenues avec le même système afin d'évaluer leur répétabilité. Enfin, pour comparer le plaquage de texture entre InSpeck et Structure Sensor, nous avons sélectionné les marqueurs apparents sur les reconstructions 3D puis nous avons mesuré la distance euclidienne séparant ces marqueurs de la vérité terrain. Les distances moyennes bidirectionnelles obtenues sont respectivement 0,4755 mm ; 0,5316 mm ; 0,7395mm pour BodyScan, InSpeck et Structure Sensor. La répétabilité des mesures fournies par les trois systèmes est comparable vu l'objectif de l'étude. Une visualisation de la distribution des distances sur les surfaces montre que la variabilité entre les essais n'est pas localisée au niveau des régions du tronc couvertes par le corset. Le résultat des tests statistiques appliqués sur les distances normales résiduelles montre que les trois systèmes présentent une bonne variabilité inter-essais ; les précisions de Structure Sensor et InSpeck sont comparables (moyennes respectives de 0,74 mm et 0,58 mm), BodyScan est légèrement plus précis (moyenne : 0,41 mm). Enfin le plaquage de texture est plus précis sur les acquisitions faites avec InSpeck que celles obtenues avec le Structure Sensor, présentant respectivement des moyennes de distance de 2,5 mm et 3,2 mm. La deuxième partie de l'étude consiste à comparer InSpeck et Structure Sensor en effectuant des acquisitions sur des patients atteints de SIA modérée recrutés au CHUSJ. Nous plaçons 11 marqueurs radio-opaques sur des repères anatomiques puis nous demandons à chaque patient de passer un examen radiographique (acquisition de deux radiographies biplanaires). Nous effectuons ensuite une acquisition du patient avec le système InSpeck et deux acquisitions avec Structure Sensor par deux opérateurs différents. Nous comparons chacune des surfaces Structure Sensor à InSpeck (SS1 - InSpeck, SS2 - InSpeck) et les deux surfaces Structure Sensor entre elles (SS1 - SS2) en mesurant la distance moyenne bidirectionnelle qui les sépare. Nous obtenons une moyenne de 5,65 mm entre les deux systèmes, et de 2,69 mm entre les deux opérateurs du Structure Sensor. Les différences entre les deux systèmes sont dues à des variations au niveau des protocoles expérimentaux et du mouvement du patient. Une simulation du corset sur les modèles 3D des troncs des patients a montré que les différences obtenues n'affectent pas les régions d'appui du corset et par conséquent sa conception. La variation entre les opérateurs du Structure Sensor est essentiellement causée par le mouve-ment du patient et la vitesse de balayage durant l'acquisition qui affecte la qualité de la reconstruction. Nous avons aussi mesuré les indices d'asymétrie du tronc sur les 3 surfaces obtenues pour chaque patient. En évaluant les différences entre les paires (SS1 - InSpeck, SS2 - InSpeck et SS1 - SS2), nous avons constaté que les mêmes variations observées précédemment affectent les mesures. Enfin, nous avons comparé la correction du corset, en simulant l'e˙et des forces appliquées sur les modèles en éléments finis de 6 patients. Les angles de Cobb obtenus après la simulation présentent une variation moyenne de 2,4° entre les systèmes, cette différence est relativement faible par rapport à l'erreur de mesure de l'angle de Cobb. La dernière étape du projet consiste à évaluer le recalage des structures osseuses internes aux surfaces externes par deux méthodes. La première consiste à effectuer un recalage manuel, l'utilisateur positionne les structures l'une par rapport à l'autre ; la deuxième est automatique, le logiciel effectue le recalage en se basant sur les positions des marqueurs radio-opaques. Dans le but de les comparer, nous avons simulé le corset sur les modèles en éléments finis du même patient obtenus suite à un recalage automatique et manuel. La différence d'angle de Cobb obtenue par les deux méthodes est de 1,77°. La méthode de recalage affecte légèrement la simulation du corset, une simulation sur une cohorte plus large de patients est nécessaire pour confirmer le résultat. L'étude faite sur le mannequin anthropomorphique montre que les trois systèmes de topographie de surface 3D présentent une précision comparable, avec BodyScan légèrement plus précis que les deux autres. De plus, la variabilité inter-essais des trois systèmes est bonne. Pour prendre en compte les variations introduites par les patients, nous avons recruté des patients SIA au CHUSJ. L'étude sur les patients a montré que les différences mesurées entre les systèmes n'affectent pas la conception des corsets personnalisés bien que InSpeck soit plus précis que Structure Sensor. Les mesures faites en clinique par les orthésistes compensent les variations. La précision du Structure Sensor peut-être aussi améliorée en amenant quelques modifications au protocole d'acquisition. De plus, la taille de l'appareil, la facilité de son utilisation et son faible coût par rapport à InSpeck, le rend plus pratique en clinique. Les prochains travaux pourront évaluer la répétabilité des mesures fournies par Structure Sensor en demandant au même opérateur d'effectuer plusieurs acquisitions sur le même patient. Cette étude a démontré que le Structure Sensor permet une acquisition fiable de la géométrie externe du tronc et que sa précision est suffisante pour la conception de corsets personnalisés. Ce système pourrait donc être déployé dans les institutions étant donné que son prix est raisonnable.  ABSTRACT: Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is a 3D deformation of the spine, its severity depends on the angle of curvature (the Cobb angle). When it is moderate (20° < Cobb angle < 40°), the patient is asked to wear a brace to stop the worsening of the curvature and to avoid surgery. 75% of patients showing a moderate scoliosis were able to avoid surgery by wearing a brace. A high success rate is achieved when it is worn from 18 to 23 hours a day but due to the discomfort that it causes, patients find it difficult to follow the treatment. This is why researchers at CHUSJ were working for the past 20 years on designing more comfortable braces, by personalizing them to the 3D shape of the patients' trunks. They were able to make thinner braces that are therefore more tolerated by the patients. One major step in making the customized braces is the acquisition of the 3D external surface of the patient's trunk with a 3D surface topography system. These systems project white, in-frared or near-infrared light on the object. The light reflection by the target is then captured by the system's camera. The information captured by the camera is used to reconstruct the 3D shape of the object. There are many systems available on the market using different reconstruction techniques and offering a variety of choices in terms of resolution and price. During the past years, in CHUSJ, the InSpeck Capturor II LF system was used in clinic and in several studies, it shows a good precision for customized braces making. InSpeck comprises 4 fixed digitizers, each digitizer includes a white light fringe projector and a camera. The 3D reconstruction of the object includes its geometry and its texture. However, it is large, heavy, fixed and costly ; this is why Orthèse Prothèse Rive Sud orthotists in CHUSJ use a new system : the Structure Sensor. Structure Sensor is a small apparatus that is attached to a mobile device (iPhone or iPad). By moving it around the object at a distance of 40 to 50 cms, it acquires its 3D shape and texture. It is easier to use, lighter and less expensive than InSpeck. We therefore aim to evaluate Structure Sensor's accuracy and compare it to InSpeck's in order to recommend the most suitable one for making customized braces. The BodyScan is a third 3D surface topography system, it is a handheld device that only acquires the 3D geometry. Being available at CHUSJ for research purposes, we include it in the study to compare its precision and repeatability to the other two systems. In the first part of the study, we assess the systems' accuracy and repeatability by scanning an anthropomorphic manikin. First, we placed 46 markers on the manikin, then we digitized it using a coordinate measuring machine (CMM) having a resolution of 10 nm. The 3D coor-dinates of the markers are therefore obtained with high precision and serve as ground truth. The manikin is then scanned three times with each of the systems. To evaluate their accu-racy, we calculate the residual normal distance separating each of the surfaces to the CMM point cloud. Then, we computed the bidirectional point to surface mean distance between the pairs of surfaces acquired with the same system in order to assess their repeatability. We also compared Structure Sensor's texture mapping to InSpeck's by selecting the visible markers on the 3D reconstructions and measuring the Euclidean distance separating these markers from the ground truth. The three systems show similar repeatability. The measured bidirectional point to sur-face mean distances are 0.4755 mm, 0.5316 mm and 0.7395mm for BodyScan, InSpeck and Structure Sensor respectively. To better assess the repeatability, we displayed the distance distribution on the surfaces. It showed that the regions with the highest variability are not interesting for the making of customized braces. We applied a statistical analysis on the residual normal distances, it confirmed the previous result, the three systems have a similar inter-test variability. It also showed that the difference between Structure Sensor and InSpeck's accuracies is not significant, whereas BodyScan is more accurate. The residual normal distances' respective averages are 0.74 mm, 0.58 mm, 0.41 mm for InSpeck, Structure Sensor and BodyScan. At last, the Euclidean distances averages measured between the selected markers and the ground truth are 2.5 mm for InSpeck and 3.2 mm for Structure Sensor, with InSpeck being more accurate in terms of texture mapping than Structure Sensor. In the second part of the study we compared Structure Sensor to InSpeck by recruiting AIS patients in CHUSJ. We placed radio-opaque markers on 11 anatomical landmarks then did an X-ray examination of the patient (acquisition of 2 biplanar radiographies). We then scanned each patient once with InSpeck and twice with Structure Sensor by two different operators (SS1 and SS2). We coupled the 3 surfaces as follows : SS1 - InSpeck, SS2 - InSpeck and SS1 - SS2, then measured the bidirectional point to surface mean distance between them. The average distances obtained are 5.65 mm between the two systems, and 2.69 mm between Structure Sensor's operators. Variations in experimental protocols as well as the patients' movement are the reason behind the di˙erences observed between the two systems. We simulated the braces' corrections on the patients' 3D models to visualize the pressures applied on the trunk, it showed that the observed differences do not affect the brace's points of support and therefore do not affect its making process. The distance between surfaces acquired by the two Structure Sensor operators is primarily caused by the movement of the patient and the scanning time. The slower the device is moved around the patient, the more points are acquired and less holes are visible. We also measured the trunk asymmetry indices on the 3 surfaces obtained for each patient. The differences observed on the horizontal trunk sections of the pairs (SS1 - InSpek, SS2 -InSpeck and SS1 - SS2) are due to the changes in experimental protocols and in the patients' movements, as discussed previously. Finally, we compared the brace's corrections, by simulating its applied forces on the finite element models of 6 patients. The Cobb angles after the simulation show an average gap of 2.4° between the systems, this difference is relatively small compared to the measurement error of the Cobb angle. In the final part of the project, we evaluated the registration of the internal bone structures to the external surfaces using a manual and an automatic method. The former method relies on the user's manual adjustments of the structures' positions with respect to each other; the latter relies on the radiopaque markers' positions. To compare these two methods, we simulated the brace on the same patient's finite element models obtained by applying an automatic then a manual registration. The difference in Cobb angle between methods is 1.77°. The registration method slightly a˙ects the brace simulation result, a simulation on a larger cohort of patients is necessary to confirm the result. The study done on the anthropomorphic manikin shows that the three 3D surface topography systems have comparable accuracy, with BodyScan being slightly more accurate than the other two. In addition, the inter-test variability of the three systems is good. To take into account the variations introduced by the patients, we recruited AIS patients at the CHUSJ. It showed that the design of customized braces is not a˙ected by the differences measured between the systems. Structure Sensor is less precise than InSpeck but measurements made in clinic by orthotists compensate for variations. The precision of the Structure Sensor can also be improved by making some modifications to the acquisition protocol. In addition, the device's size, ease of use and low cost compared to InSpeck, make it more convenient in clinic. In upcoming work, we will assess Structure Sensor's measurements repeatability by asking the same operator to perform several acquisitions on the same patient. This study showed that the Structure Sensor's reconstruction of the external geometry of the trunk is reliable and it is precise enough for the design of customized braces. This system could therefore be used in the different institutions given his reasonable price.