identifier: Kossar, D. (2017). Réservation de capacité de production dans le domaine du traitement de surface pour l'aéronautique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les entreprises de traitement de surface dans le secteur aéronautique font face à de nombreux problèmes concernant leur charge de travail, les délais accordés par leur client et leur réactivité. Deux des principales causes sont la variabilité et la très grande diversité de la demande. Afin de mieux planifier l'utilisation de leur ressource, les manufacturiers du secteur ont besoin de construire des relations basées sur une plus grande collaboration avec leur clientèle. Alors que de très nombreuses pratiques collaboratives ont été proposées dans la littérature, la plupart d'entre elles sont centrées sur la production sur stock dans le secteur de la distribution et ne peuvent pas être directement applicables dans notre cas d'étude, à savoir une production sur commande. Aussi, la gestion des priorités est un sujet largement traité par la littérature et il existe des règles d'ordonnancement très performantes et adaptées à des situations bien identifiées. Notre cas d'étude ne permet pas non plus l'application directe de ces règles, notamment en raison de la grande diversité des produits impliqués. L'objet de cette recherche est d'évaluer les impacts et la faisabilité d'une approche collaborative innovante basée sur une réservation de la capacité de la production et une gestion des priorités qui s'y associe de manière pertinente. Une modélisation du processus actuellement utilisé est d'abord réalisée et sert de base à la modélisation du nouveau processus. Le processus proposé s'accompagne, d'une part, des termes d'un contrat de réservation de la capacité de la production du manufacturier qui stipule les engagements du client en termes d'échange d'information sur sa demande future, et d'autre part, des engagements du manufacturier au niveau de la prise en charge des commandes issues de la réservation. La relation contractuelle se base notamment sur des niveaux de priorité des commandes associés à des niveaux de partage de la demande future des clients. La simulation à évènements discrets est utilisée pour confronter la solution proposée à différentes mises en situation, notamment des variations conséquentes de la demande qui engendrent une dégradation des performances de manière irrégulière et imprévisible. Ainsi, les résultats obtenus nous permettent de conclure quant à l'intérêt du processus proposé : on observe un lissage et une augmen-tation des performances globales. Aussi, les résultats montrent qu'une augmentation du nombre de clients engagés dans un contrat de réservation de la capacité est bénéfique pour les acteurs de la collaboration.  ABSTRACT: Surface finishing manufacturers in the aeronautics industry face numerous problems related to their workload, deadlines, and reactivity. The main causes of these challenges are the variability and diversity of demand. Manufacturers need to improve plan production resource utilization to foster more collaborative relationships with their clients. Academic literature presents many collaborative practices, but most are dedicated to make-to-stock production and retail business; such practices cannot be used directly in relation to surface finishing manufacturers, i.e. make-to-order activities. There are many existing studies about priority management, and it is easy to find efficient and relevant scheduling rules, but few studies specifically concern surface finishing manufacturing. One possible reason for the gap in literature is the diversity of involved products. One of the goals of our study is to evaluate the feasibility and the impacts of an innovative manufacturing approach based on production capacity reservation and relevant priority rules. First, a model of the current process was tested. The study compares it to a new proposed model. The new proposed model involves production capacity reservation contracts, client commitments and surface finishing manufacturer commitments to contract-based orders processing. The proposed collaborative relationship is based on different order priority levels related to the way clients share their future demand or not. The proposed model is evaluated in different situations using discrete event simulation, with particular attention to high variability and uncertain demand, which worsens performance. The study concludes with the benefits of the proposed model: it smoothens performances over the observed horizon. Also, more client involvement in the collaboration results in greater benefits to all stakeholders


identifier: Foundjem, A. T. (2017). Towards Improving the Reliability of Live Migration Operations in Openstack Clouds  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Grâce au succès de la virtualisation, les solutions infonuagiques sont aujourd'hui présentes dans plusieurs aspects de nos vies. La virtualisation permet d'abstraire les caractéristiques d'une ma- chine physique sous forme d'instances de machines virtuelles. Les utilisateurs finaux peuvent alors consommer les ressources de ces machines virtuelles comme s'ils étaient sur une machine physique. De plus, les machines virtuelles en cours d'exécution peuvent être migrées d'un hôte source (généralement hébergé dans un centre de données) vers un autre hôte (hôte de destination, qui peut être hébergé dans un centre de données différent), sans perturber les services. Ce processus est appelé migration en temps réel de machine virtuelles. La migration en temps réel de machine virtuelles, est un outil puissant qui permet aux administrateurs de système infonuagiques d'équilibrer les charges dans un centre de données ou encore de déplacer des applications dans le but d'améliorer leurs performances et–ou leurs fiabilités. Toutefois, si elle n'est pas planifiée soigneusement, cette opération peut échouer. Ce qui peut entraîner une dégradation significative de la qualité de service des applications concernées et même parfois des interruptions de services. Il est donc extrêmement important d'équiper les administrateurs de systèmes infonuagiques d'outils leurs permettant d'évaluer et d'améliorer la performance des opérations de migration temps réel de machine virtuelles. Des efforts ont été réalisées par la communauté scientifique dans le but d'améliorer la fiabilité de ces opérations. Cependant, à cause de leur complexité et de la nature dynamique des environnements infonuagiques, plusieurs migrations en temps réel de machines virtuelles échouent encore.  Dans ce mémoire, nous nous appuyons sur les prédictions d'un modèle de classification (Random Forest) et sur des politiques générées par un processus de décision markovien (MDP), pour décider du moment propice pour une migration en temps réel de machine virtuelle, et de la destination qui assurerait un succès a l'opération. Nous réalisons des études de cas visant à évaluer l'efficacité de notre approche. Les défaillances sont simulées dans notre environnement d'exécution grâce à l'outils DestroyStack. Les résultats de ces études de cas montrent que notre approche permet de prédire les échecs de migration avec une précision de 95%. En identifiant le meilleur moment pour une migration en temps réel de machine virtuelle (grâce aux modèles MDP), en moyenne, nous sommes capable de réduire le temps de migration de 74% et la durée d'indisponibilité de la machine virtuelle de 21%.  ABSTRACT: Cloud computing has become commonplace with the help of virtualization as an enabling technology. Virtualization abstracts pools of compute resources and represents them as instances of virtual machines (VMs). End users can consume the resources of these VMs as if they were on a physical machine. Moreover, the running VMs can be migrated from one node (Source node; usually a data center) to another node (destination node; another datacenter) without disrupting services. A process known as live VM migration. Live migration is a powerful tool that system administrators can leverage to, for example, balance the loads in a data center or relocate an application to improve its performance and–or reliability. However, if not planned carefully, a live migration can fail, which can lead to service outage or significant performance degradation. Hence, it is utterly important to be able to assess and forecast the performance of live migration operations, before they are executed. The research community have proposed models and mechanisms to improve the reliability of live migration. Yet, because of the scale, complexity and the dynamic nature of cloud environments, live migration operations still fail.  In this thesis, we rely on predictions made by a Random Forest model and scheduling policies generated by a Markovian Decision Process (MDP), to decide on the migration time and destination node of a VM, during a live migration operation in OpenStack. We conduct a case study to assess the effectiveness of our approach, using the fault injection framework DestroyStack. Results show that our proposed approach can predict live migration failures with and accuracy of 95%. By identifying the best time for live migration with MDP models, in average, we can reduce the live migration time by 74% and the downtime by 21%.


identifier: Housseiny Milany, S. R. (2017). Development of a Hybrid Deterministic-Stochastic Method for Full Core Neutronics  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: de l'étude de l'équation de transport et de l'approximation des probabilités de collision est présenté. En plus de la solution du mode fondamental décrivant la répartition asymptotique du flux neutronique, l'équation de transport suppose un grand nombre de solutions qui peuvent être très utiles dans les études de la perturbation, la cartographie et la synthèse des flux neutroniques.  ABSTRACT: Research efforts in reactor physics focus on the improvement of current analysis methods for neutronics or development of advanced ones. Recently, there is a renewed interest in stochastic simulations due to their superior accuracy and the advances in computing platforms. In particular, there is an interest in the development of hybrid stochastic deterministic methods for accelerating the inactive cycles of Monte Carlo. However, such hybrid approaches are not very efficient as the inactive cycle constitute a very small portion of the simulation. In this work, a novel hybrid method is developed and discussed. The approach combines conventional Monte Carlo with deterministic flux mapping to reduce computational costs of full core simulations. The main contributors to the computational expenses of Monte Carlo is the number of tallies scored and the number of neutron histories tracked. In the proposed hybrid method, the Monte Carlo simulation is performed with a small number of neutron histories while maintaining good confidence and scoring flux tallies on a coarse mesh. Then,the dominant modes of the transport equation and flux mapping are employed to reconstruct the neutron flux and reaction rates on a finer mesh. Application to a number of example problems show that the studied hybrid method can achieve up to 90% reduction in the computational time compared to conventional Monte Carlo while maintaining comparable accuracy.


identifier: Marouane, H. (2017). Biomécanique de l'articulation du genou humain durant la marche - un modèle musculosquelettique hybride  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'articulation du genou est l'une des articulations les plus complexes du corps humain. Elle est exposée à des charges et des mouvements de grandeurs importantes pendant les activités professionnelles, récréatives et même quotidiennes. Cet environnement mécanique exigeant l'expose à diverses contraintes et déformations excessives, des blessures impliquant à la fois les articulations patello-fémorales (PF) et tibio-fémorales (TF). L'arthrose (OA) est l'un des troubles musculo-squelettiques les plus répandus touchant environ 27 millions d'adultes aux États-Unis seulement. La rupture du ligament croisé antérieur (LCA) est également une lésion articulaire commune avec une prévalence beaucoup plus élevée chez les sujets féminins que chez les sujets masculins. Une bonne connaissance de la biomécanique fonctionnelle de l'articulation du genou et des facteurs qui l'affectent, dans des conditions saines et pathologiques, est une condition préalable pour élaborer des stratégies efficaces pour la prévention et le traitement de ces blessures. Les modèles musculo-squelettiques (MS) de l'extrémité inférieure promettent d'améliorer notre compréhension de la fonction articulaire du genou, de ses blessures et aussi des programmes de prévention et des traitements associés. Plusieurs modèles analytiques et d'éléments finis (EF) avec différents degrés de précision et de raffinement ont été développés. Ils se sont présentés comme une alternative fiable aux méthodes expérimentales qui ont des limitations majeures, principalement liées à leurs coûts élevés, aux difficultés liées aux précisions des mesures et à la reproduction parfois impossible de certaines situations physiologiques. Cependant, de nombreuses hypothèses sont souvent formulées dans certains modèles MS (lors de l'estimation des forces musculaires et des forces de contacts articulaires). Le genou est généralement idéalisé comme une articulation 2D avec son mouvement contraint dans le plan sagittal, négligeant ainsi les déplacements et les équations d'équilibre dans les plans restants. Avec les forces musculaires estimées, l'équilibre statique dans le plan frontal est donc considéré pour estimer les forces du plateau tibial négligeant la résistance passive du genou, la géométrie articulaire, et en supposant des centres de contact médial/latéral fixes. Pour évaluer les effets de telles hypothèses, un modèle MS hybride de l'extrémité inférieure incluant un modèle élément finis (EF) du genou 3D a été utilisé pour simuler la phase d'appui de la marche.  ABSTRACT: Human knee joints experience loads and movements of substantial magnitudes during occupational, recreational and even regular daily living activities. This demanding mechanical environment exposes them to a host of painful and debilitating deformities, injuries and degenerations involving both patellofemoral (PF) and tibiofemoral (TF) articulations. Osteoarthritis (OA) is one of the most prevalent musculoskeletal (MS) disorders affecting approximately 27 million adults in the US alone. ACL rupture is, also, a common joint injury with much higher prevalence reported in female athletes compared to their male counterparts. Effective preventive measures and treatment managements of such disorders require a sound knowledge of the joint behavior in both healthy and pathologic conditions. MS modeling of the lower extremity is promising to improve the current understanding of the knee joint function and injuries and consequently associated prevention and treatment programs. Several analytical and finite element (FE) models with different degrees of precision and refinement have been developed. They are considered as a reliable alternative to experimental methods that have major limitations, mainly related to their high costs, difficulties related to measurement accuracy and reproduction of some physiological situations. However, numerous assumptions are often made in some MS models (when estimating muscle forces and joint contact loads). The knee is commonly idealized as a planar (2D) joint with its motion constrained to remain in the sagittal plane, neglecting thus both displacements and equilibrium equations in remaining planes. With muscle forces predicted, the static equilibrium in the frontal plane is consequently considered to estimate tibial compartmental loads neglecting the knee joint passive resistance, the knee geometry, and assuming medial/lateral contact centers. To evaluate the effects of such assumptions, a hybrid MS model of the lower extremity incorporating a detailed validated 3D knee FE model was used to simulate the stance phase of gait. This model of the knee joint is made of bony structures (tibia, femur and patella) and their compliant cartilage layers as well as menisci, major TF (anterior cruciate ligament, ACL; posterior cruciate ligament, PCL; lateral collateral ligament, LCL; medial collateral ligament, MCL) and PF (medial PF ligament, MPFL; lateral PF ligament, LPFL) ligaments, patellar tendon (PT), and lower extremity muscles (e.g., quadriceps, hamstrings and gastrocnemius).


identifier: Diffo Téguia, C. (2017). Cadre méthodologique d'identification de stratégies préférentielles de bioraffinage forestier par une approche stage-and-gate  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réalités entourant le secteur des produits forestiers ont favorisé la mise en place de stratégies de diversification de produits et l'émergence du bioraffinage, principalement dans les compagnies papetières qui ont vu leur compétitivité être sévèrement affaiblie dans la dernière décennie. Au développement du bioraffinage s'associent indéniablement de nombreux défis, lesquels sont reliés aux diverses perspectives de risques technologique, économique, et stratégique qu'implique la transformation du modèle d'affaires des compagnies concernées. Une des difficultés majeures dans ce contexte réside en la sélection des produits sur lesquels bâtir la transformation envisagée, étape que rend complexe la vaste panoplie de possibilités qu'offrent la biomasse végétale et les technologies de conversion existantes. Le présent projet de recherche s'est penché sur cette problématique avec pour objectif principal le développement d'une approche de conception permettant de considérer de manière systématique différentes perspectives de risque auxquelles une compagnie forestière pourrait faire face, dans le but d'identifier les stratégies qui selon son contexte, peuvent être qualifiées de préférentielles. La revue des notions relatives à la conception et au développement de nouveaux produits dans la littérature a permis de recommander les processus de type stage-and-gate pour le développement des alternatives de bioraffinage en raison de l'approche multidisciplinaire d'atténuation du risque qui y est intrinsèque, moyennant toutefois une adaptation pour l'évaluation de portefeuilles multiproduits. Dans la présente thèse, cette adaptation s'est concentrée sur les étapes initiatrices du processus d'innovation. Elle a porté sur la considération d'approches d'implantation séquentielle des portefeuilles de produits de bioraffinage, et sur la définition de critères d'évaluation en vue de l'amélioration de la prise de décision. Les travaux qui ont supporté le développement de l'approche méthodologique ont été axés autour de deux études de cas, la première examinant l'implantation de stratégies de bioraffinage basé sur la lignine dans une compagnie forestière nord-américaine, et la seconde couvrant le développement de critères représentatifs des perspectives de marché et de compétitivité dans le contexte du bioraffinage basé sur le triticale. En a résulté une méthodologie constituée de deux stages et deux gates, qui correspond à une évolution des stages « Découverte » et « Définition du projet », dans le processus stage-and-gate de deuxième génération typique. La première étape met l'emphase sur la clarification des objectifs stratégiques de la compagnie forestière relativement au bioraffinage, notamment de son envergure et de son importance dans la vision à long-terme vis-à-vis de l'activité principale de la compagnie. L'interprétation des motivations et barrières qui en découlent oriente la génération des alternatives à considérer, mais permet principalement d'établir les critères à employer au premier jalon de triage. Il a été démontré que leur utilisation avec des seuils de préférence stricte permet de réduire considérablement l'ensemble d'alternatives initialement défini à un nombre gérable pour les étapes subséquentes de développement. Aux alternatives retenues sont ensuite associés des plans d'implantation par phases, lesquels sont définis en fonction du positionnement sur la chaîne de valeur associée aux produits ciblés dans chacune des phases, et du mode de développement en intégration verticale ou horizontale qui relie les phases. La comparaison des interprétations faites des critères d'évaluation découlant des analyses de la première étude de cas – pour laquelle des combinaisons procédé-produits-plan d'implantation ont été systématiquement définies – et de ceux de la seconde étude – pour laquelle uniquement des combinaisons procédé-produits ont été considérées – a permis de mettre en relief les améliorations qu'apporte la considération d'une approche d'implantation séquentielle dans le processus stage-and-gate, notamment quant à l'appréciation des sources majeures de risque associés aux variantes des portefeuilles de produits lors de leur mise en place. Les analyses menées selon les perspectives technico-économique, environnementale et de compétitivité donnent ensuite lieu à la définition de critères représentatifs des potentiels de création de valeur et d'atténuation de risque associés à chacune des stratégies. L'emploi d'une méthode de prise de décision à critères multiples (MCDM) est recommandé à cet effet pour faciliter l'agrégation des préférences des acteurs de décision en considérant ces diverses perspectives.  ABSTRACT: The business environment surrounding the forest products sector has favored the implementation of product diversification strategies and the emergence of biorefining, mainly in pulp and paper companies whose competitiveness has been severely weakened in the last decade. Developing a biorefinery undeniably implies many challenges, in link with the various technological, economic and strategic risks involved in business model transformation. One of the most critical challenges in this context concerns the selection of products on which the transformation would be built, a step that is especially complex due to the wide range of possibilities relative to vegetal biomass and to the existing conversion technologies. The main objective of this research project was to develop a product design approach that systematically considers the different perspectives of risk that a forest products company can face, in order to identify strategies that can be characterized as preferred considering the specific context of the company. The review of concepts relative to product design and to new product development in the literature has led to recommending stage-and-gate processes for the development of biorefinery alternatives, due to the multidisciplinary risk mitigation approach that is intrinsic to those processes. Nevertheless, an adaptation must be defined for biorefinery product portfolios, considering limitations of stage-and-gate processes in regards to the development of portfolios that include multiple products. In this thesis, that adaptation focused on the fuzzy front-end (FFE) section of the innovation process. It consisted of the consideration of phased-implementation approaches for biorefinery product portfolios and of defining refined assessment criteria to improve decision-making. Research activities that supported the development of the methodological approach were defined around two case studies, the first examining the implementation of lignin-based biorefinery strategies in a North American forest company, while the second assessed the development of criteria representative of market and competitiveness perspectives in the context of a triticalebased biorefinery. x These efforts resulted in a methodology consisting of two stages and two gates, which correspond to an evolution of the ''Discovery'' and ''Scoping" stages in the typical second-generation stageand- gate process. The first step aims at clarifying the company's strategic objectives considering the biorefinery, including mainly its scope and role in the long-term vision in regards to the core business activity. The interpretation of drivers and barriers follows ; it orients the generation of biorefinery alternatives to be considered, besides enabling to establish the set of criteria for the first triage gate. It has been shown that using these criteria as showstopper (with strict preference thresholds) leads to significantly reducing the initial set of possible alternatives to a manageable number, that is practical to be assessed in subsequent stages. Following the early triage, phased-implementation plans are defined for retained alternatives, based on the positioning on the value chains of targeted products in each phase, and on the vertical or horizontal integration approach that would shape the transition between phases. A comparison between the interpretations established by decision panels of criteria deriving from analyses in the first case study – for which process-products-implementation plan combinations were systematically defined – and those of the second study – for which only process-products combinations were considered – highlighted improvements in the stage-and-gate process resulting from the consideration of a sequential implementation approach. This mainly concerns the assessment of major sources of risk associated with product portfolios variants at different steps of their implementation. Assessment studies carried out under techno-economic, environmental and competitiveness perspectives then result in the definition of criteria representing value proposal and potential risks associated with each strategy. The use of a multi-criteria decision-making (MCDM) method is recommended, as it facilitates the aggregation of decision-maker preferences while considering these various perspectives. When combined, the results of the decision-making activities in the two case studies showed the overriding importance of market and competitiveness criteria as decision factors in the evaluation of biorefinery strategies. This has been made evident by the importance weights that decisionmakers attributed to that category and by their role in distinguishing strategies that had similar scores, in comparison with criteria representing the techno-economic and environmental perspectives. Employing the entire set of value- and risk-related criteria at the second gate of the methodology enables to effectively establish preferences between the strategies. The methodology developed in this thesis thus results in the systematic identification of a group that includes the most promising strategies given the context and the preferences of decision-makers within the forest products company. These strategies are characterized as preferred and are therefore approved to proceed to subsequent stages of the design process. The methodology also leads to identifying a second group of strategies, which are considered as alternative to the preferred ones. Given changes in the business environment, those might be re-evaluated and eventually be included in the first group.


identifier: Boubée de Gramont, F. (2017). Electrospinning of Conducting Polymer Fibers for Stretchable Electronics  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'électronique étirable est un domaine prometteur en ce qui concerne les applications au biomédical. En effet, les dispositifs étirables peuvent être utilisés pour remplir diverses fonctions, qui incluent l'électronique portable (ou les vêtements intelligents), la peau artificielle, et de façon plus générale l'ensemble des fonctions qui exigent d'avoir de l'électronique placée directement sur la peau apte à se conformer au style de vie du patient, par exemple pour de la surveillance quotidienne des constantes biologiques d'un patient. De nombreuses stratégies ont été mises en place jusqu'à présent pour produire de l'électronique étirable, cependant celles-ci peuvent être grossièrement séparées en deux catégories principales. Dans la première se retrouvent toutes les stratégies où les matériaux sont étirés grâce à l'utilisation d'une géométrie spécifique, tandis que la seconde catégorie comprend l'ensemble des matériaux qui sont intrinsèquement étirables. Ainsi, des formes spécifiques comme des fibres peuvent être utilisées pour améliorer la capacité à s'étirer d'un matériau autrement peu étirable, ce qui inclut des matériaux conducteurs comme les métaux ou certains polymères conducteurs et semi-conducteurs utilisés en électronique organique. Cependant, la mise en pratique de ces fibres requière l'utilisation d'une technique apte à aisément générer des fibres conductrices. Pour les applications en biomédical, les matériaux électroniques organiques présentent l'avantage sur l'électronique classique de posséder une bonne compatibilité avec les systèmes biologiques du fait de leur capacité à aisément faire l'interface avec le milieu biologique. Ils présentent aussi l'avantage pour ces applications de disposer d'une capacité à conduire à la fois les ions et les électrons. Le but de ce projet de recherche est de démontrer la faisabilité de la fabrication de tels films, faits de nanofibres en polymère conducteur, qui maintiennent leur capacité à conduire le courant même lorsque ceux-ci sont étirés. Bien que de nombreuses méthodes existent pour produire de telles fibres, l'électrofilage apparaît comme étant l'une des méthodes les plus simples pour réaliser des couches poreuses et non tissées de nanofibres, couches qui peuvent aisément se conformer à la surface de leur substrat. En combinant l'électrofilage avec une technique appelée la polymérisation en phase vapeur, nous avons fabriqué des nanofibres conductrices de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) dopé avec de l'acide paratoluènesulfonique (tosylate, PEDOT:Tos) directement sur du polydiméthylsiloxane (PDMS), un élastomère organique siliconé. Cette méthode simple à deux étapes nous a permis de produire des nanofibres de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) dopé avec du tosylate (PEDOT:Tos) sur du PDMS. Des couches fibreuses non tissées composées de nanofibres conductrices possédant un diamètre moyen d'un peu moins de 700 nm ont ainsi été obtenues directement sur le PDMS. Nous avons caractérisé ces fibres pour étudier leur comportement électrique lorsqu'une tension était appliquée à leurs extrémités. Ces tapis de fibres ont alors pu être étirés tandis qu'un voltage fixé appliqué directement dessus forçait l'écoulement d'un courant à l'intérieur des films, courant qui a été mesuré. Cela nous a permis de démontrer que ces films possédaient la capacité de s'étirer jusqu'à 140% de leur longueur initiale sans variation majeure de la quantité de courant s'écoulant dans les films.  ABSTRACT: Stretchable electronics is a promising field for biomedical applications. Stretchable devices can be used for various purposes, including wearable electronics (or smart clothes), artificial skin, and more generally for any purpose requiring to have on-skin electronics that conform to the lifestyle of the patient, for example day-by-day biomonitoring. Many strategies have been used so far to produce stretchable electronics, however these can be split between two main categories. In the first one are the materials that stretch due to a specific geometry, while in the second category are the materials that are intrinsically stretchable. Specific shapes such as fibers can thus be used to improve the stretchability of an otherwise poorly-stretchable material, including conductive materials such as metals or conducting and semi-conducting polymers used in organic electronics. However, the practical application of fibers in stretchable electronics requires the use of a technique that can easily yield conductive fibers. For biological applications, organic electronic materials present the advantage over conventional electronic materials to possess a good compatibility with biological systems due to their ability to easily interface with the biological milieu and their mixed ionic / electronic conduction.  The objective of this research project is to demonstrate the fabrication of such films, made with conductive polymer nanofibers that can still conduct the current even when stretched. Although many methods exist to produce such fibers, electrospinning is one of the easiest ways to directly make non-woven porous nanofiber mats that can conform to the surface of their substrate. By combining electrospinning with vapor phase polymerization, we fabricated conductive nanofibers of poly-(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with paratolenesulfonate (tosylate, PEDOT:Tos) directly on polydimethylsiloxane (PDMS), an organosilicon elastomer. Non-woven fiber mats composed of conductive nanofibers with an average diameter of around 700 nm were obtained directly on PDMS. We characterized these fibers to study their electrical behavior when a strain was applied to them. These mats were then stretched while the current flowing inside them was measured, at fixed voltage. This allowed us to demonstrate a stretchability up to 140% of the initial length without major variation of the current flowing in the mats.


identifier: Zhang, C. (2016). Microscopic Studies of Neurovascular Coupling During Epilepsy in the Mouse Brain  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les mécanismes liant l'activité neuronale au changement local du flot sanguin sont regroupés dans un ensemble nommé couplage neurovasculaire. Ce lien neurovasculaire, qui est à la base de plusieurs principes d'imagerie fonctionnelle du cerveau, est altéré par l'épilepsie. Ces dernières années, des techniques d'imagerie tel l'IRMf, IOS et la NIRS ont été utilisées pour l'étude de cette maladie, montrant une forte corrélation entre l'activité épileptique et le signal mesuré. Par contre, la plupart de ces travaux se sont concentrés sur les changements d'hémoglobine, qui peuvent être liés à des phénomènes non-linéaires et qui ne renseignent pas directement sur la quantification de l'oxygène délivré localement. Le but de cette thèse est d'investiguer l'utilisation de la microscopie avec de nouvelles sondes moléculaires permettant l'imagerie de l'oxygénation des tissus durant les évènements épileptiques dans le cortex sensori-moteur de la souris.  Dans un premier temps, une méthode de mesure de la pression partielle d'oxygène (PO2) en microscopie confocale du temps de vie de phosphorescence fut développée. Ce système permet une mesure minimalement invasive du PO2 dans les tissus corticaux à haute fréquences spatiale et temporelle lorsqu'il est utilisé conjointement avec la sonde phosphorescente OxyphorG4. Les mesures réalisées durant les crises épileptiques, induites avec l'agent 4-aminopyridine (4-AP), montrent des changements significatifs de l'oxygénation tissulaire. De plus, la distribution spatio-temporelle de la chute initiale de la réserve en oxygène, à proximité du point d'injection et le long des artérioles, a été caractérisé durant ces mêmes épisodes épileptiques. Une corrélation positive entre la variation du PO2 durant cette première phase et la durée de la crise épileptique a aussi été mesurée. Cette mesure pourrait s'avérer utile dans la localisation des foyers épileptique et dans la prédiction de la durée des crises.  La deuxième étude présentée dans cette thèse se concentre sur le possible rôle joué par les astrocytes, qui sont un des acteurs importants dans le couplage neurovasculaire, dans la propagation des crises épileptiques. La concentration en ions calciques libres à la base axonale des astrocytes, conjointement avec le diamètre des artérioles adjacentes a été mesuré in-vivo en simultané sur des souris durant les épisodes épileptiques. Pour la mesure du calcium, la sonde fluorescente OregonGreen BAPTA-1 AM (OGB-1) a été utilisée en imagerie du temps de demie-vie de fluorescence avec un microscope 2-photons. Les résultats montrent que l'augmentation de calcium induirait une vasodilatation à chaque ictus dans la région du foyer épileptique. Dans les régions plus éloignées, cette même mesure corrèlerait plutôt avec une vasoconstriction dans les premiers moments de la crise, suivi par une vasodilatation selon la durée de l'épisode. De plus, une augmentation lente du niveau absolu de la concentration calcique a été observée lors de longues séquences d'évènements. Cette tendance à la hausse semble induire à son tour une constriction des artérioles dans les régions adjacentes. Ces observations confirment le rôle des astrocytes dans le contrôle local de la microcirculation et suggèrent un second rôle de modulation du niveau de la concentration calcique autour de leur base axonale.  Puisqu'il n'a pas été possible de mesurer le PO2 en profondeur dans le cerveau ou de pouvoir imager adéquatement les réseaux de capillaires en microscopie confocale, et suivant le développement d'une sonde sensible aux ions d'oxygène en microscopie 2-photons, il a donc été possible, dans le cadre de la dernière étude de cette thèse, d'acquérir cette mesure en profondeur durant des épisodes épileptiques. Des changements significatifs du PO2 dans les tissus et les vaisseaux ont pu être observés. La distribution spatiale de la chute initiale de ce paramètre autour des artérioles, des capillaires, des veinules et du tissu près du foyer a pu être caractérisée. Les résultats obtenus pourraient avoir des implications profondes dans notre compréhension des mécanismes de livraison de l'oxygène dans les tissus en profondeur et leur capacité à supporter le cortex adéquatement dans les situations pathologiques. Le potentiel de la microscopie dans l'étude du couplage neurovasculaire et des changements liés à des pathologies a pu être pleinement démontré par les travaux de cette thèse.  ABSTRACT: Neurovascular coupling (NVC) is the mechanism that links a transient neural activity to the corresponding increase of cerebral blood flow (CBF). It underlies the local increase in blood flow during neural activity, forms the basis of functional brain imaging and is altered in epilepsy. For the last decades, functional imaging using BOLD fMRI, IOS and fNIRS and others have been applied to epilepsy, and yielded good correlation between epileptic activity and the measured signal. However, most previous work on epilepsy focused on the measurement of hemoglobin changes which sometimes leads to non-linear phenomena and does not quantify oxygen delivery in tissue. The aim of this thesis is to study oxygen delivery using microscopy with new oxygen sensitive molecular probes during epileptic events in the mouse somatosensory cortex.  First, a confocal phosphorescence lifetime microscopy system for measuring brain oxygen partial pressure (PO2) was developed. This system enabled minimally invasive measurements of oxygen partial pressure in cerebral tissue with high spatial and temporal resolution using a dendritic phosphorescent probe, Oxyphor G4. Significant changes of PO2 in tissue were found at the epileptic focus and in remote areas during 4-aminopyridine (4-AP) induced epilepsy. The spatio-temporal distribution of the “initial dip” in PO2 near the injection site and along nearby arterioles was characterized by investigating epileptic events. A positive correlation between the percent change in the PO2 signal during the “initial dip” and the duration of seizure-like activity was revealed in this work, which may help localize the epileptic focus and predict the length of seizures. Because astrocytic calcium signalling is involved in neurovascular coupling, the second study investigated the role of this pathway in epilepsy. The free calcium concentration in astrocytic endfeet and diameter of adjacent arterioles were simultaneously monitored with the calcium-sensitive indicator OGB-1 by two-photon fluorescence lifetime measurements following 4-AP injection. Our results revealed that, increases in calcium concentration induced vasodilation for each ictal event in the focus. In the remote area, increases in calcium concentration correlated with vasoconstriction at the onset of seizure and vasodilation during the later part of the seizures. Furthermore, a slow increase in absolute calcium concentration following multiple seizures was observed, which in turn, caused a trend of arteriolar constriction both at the epileptic focus and remote areas. These observations confirmed the role of astrocytes in the control of local microcirculation and suggest a modulating role for baseline absolute calcium concentration in astrocytic endfeet. Since the confocal phosphorescence microscopy system was not able to measure PO2 deep in the cortex or resolve capillaries, two-photon phosphorescence microscopy was then used in the last project to study the PO2 delivery during epilepsy in deep tissue and vessels. Significant changes of PO2 in tissue and vasculature were observed during epileptic events. The spatial landscape of “initial dip” in PO2 signals around arterioles, veins and tissue near the injection site was characterized. These results may have profound implications for evaluating microvascular oxygen delivery capacity to support cerebral tissue in disease. The results of this thesis confirmed the potential of using microscopy to study neurovascular coupling during epilepsy.


identifier: Dwivedi, G. (2017). Identification of in Situ Progenitor Cell Features Contributing to Cartilage Repair and Strategies for Cartilage Repair Augmentation  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le cartilage articulaire hyalin recouvre l'extrémité des os longs. Sa capacité de guérison intrinsèque est faible puisqu'il n'est pas vascularisé. Suite à une blessure, la guérison n'a généralement pas lieu, ou demeure de faible amplitude. Une dégénérescence des lésions peut également survenir suite au relargage de cytokines et autres facteurs inflammatoires. Un déséquilibre entre les activités anaboliques et cataboliques peut éventuellement induire l'érosion du cartilage, l'exposition de l'os sous-jacent et l'ostéoarthrite.  Les techniques de stimulation de la moelle osseuse sont une façon de stimuler la guérison du cartilage en perçant l'os situé sous les lésions du cartilage. Les canaux percés permettent aux cellules progénitrices qui se trouvent dans la moelle osseuse (bone marrow progenitor cells en anglais) de migrer vers les lésions. Ces cellules progénitrices se différencient et synthétisent un tissue de granulation qui sera remodelé en tissue de guérison. Les techniques de stimulation de la moelle osseuse sont beaucoup utilisées en clinique puisqu'elles sont simples et peu coûteuses à effectuer, que les patients se rétablissent rapidement après la chirurgie et qu'elles sont efficaces pour diminuer la douleur. Cependant, les bienfaits ressentis ne sont pas durables puisque le tissu de guérison est un tissue fibrocartilagineux qui ne possède pas les propriétés biologiques et mécaniques du cartilage hyalin. Les inconvénients les plus communs observés au cours d'études pré-cliniques et cliniques portant sur les techniques de stimulation de la moelle osseuse sont une guérison incomplète, une grande variabilité inter-individu, et des résultats insatisfaisants, surtout chez les individus plus âgés. Il a déjà été démontré dans des études pré-cliniques que l'emplacement de la lésion ainsi que l'âge de l'animal sont deux paramètres qui affectent grandement la guérison. Plus spécifiquement, chez le lapin, les lésions situées sur la trochlée guérissent mieux que les lésions situées sur le condyle fémoral médial, ce qui suggère que les cellules progénitrices de la moelle osseuse présentes aux deux emplacements ne possèderaient pas les mêmes propriétés biologiques intrinsèques.  L'objectif de la première étude de cette thèse était de déterminer l'effet de l'emplacement et de l'âge de l'animal sur les propriétés biologiques intrinsèques des cellules progénitrices de la moelle osseuse. Pour ce faire, les propriétés biologiques des cellules isolées à partir de la trochlée et des condyles chez des lapins jeunes et âgés ont été caractérisées. Ensuite, puisque de précédentes études chez le lapin ont démontré qu'un perçage profond à 6 mm favorise la guérison du cartilage dans la trochlée en comparaison à un perçage peu profond, les propriétés biologiques de cellules progénitrices isolées à partir de la moelle métaphysaire (région profonde) et de la moelle épiphysaire (région peu profondes) ont été caractérisées. Deux méthodes d'isolation des cellules progénitrices ont été utilisées, soit la digestion enzymatique à la collagénase et la culture d'explants osseux. Pour chaque population de cellules progénitrices, le rendement cellulaire, le potentiel clonogénique et l'expression de différents marqueurs ont été déterminés in vitro. Le potentiel chondrogénique a, quant à lui, été déterminé en stimulant les cellules progénitrices avec un milieu de culture chondrogénique contenant de l'ascorbate, ITS et TGF-III. Enfin, le potentiel ostéogénique a été déterminé en stimulant les cellules progénitrices avec un milieu de culture ostéogénique contenant du dexamethasone, de la β-glycerophosphate et de l'ascorbate. Une comparaison entre les propriétés biologiques obtenues pour les cellules progénitrices provenant des condyles, de la trochlée profonde, ou de la trochlée peu profonde, pour les lapins jeune ou âgés et pour les cellules isolées par digestion enzymatique ou par culture d'explants a ensuite été effectuée. Selon les critères établis par l'International Society for Cell Therapy, les cellules progénitrices isolées lors de l'étude pouvaient être décrites comme une population de cellules souches mésenchymateuses. Les condyles avaient un faible rendement cellulaire en comparaison à la trochlée et les cellules progénitrices isolées à partir des condyles avaient également de faibles potentiels clonogénique et chondrogénique. En revanche, les cellules progénitrices isolées à partir de la trochlée possédaient un haut rendement cellulaire, des potentiels clonogénique et chondrogénique élevés et exprimaient beaucoup de glycosaminoglycanes et de collagène type II, deux molécules présentes dans le cartilage articulaire hyalin. Le site d'isolation ou l'emplacement était donc un facteur déterminant pour les propriétés biologiques des cellules progénitrices, ce qui suggère que le potentiel de guérison élevé observé dans la trochlée du lapin serait dû à la présence d'une population nombreuse de cellules progénitrices ayant un fort potentiel chondrogénique. L'âge des lapins s'est aussi avéré être un facteur important puisque le rendement cellulaire, l'expression de marqueurs pour cellules souches et la différenciation chondrogénique et ostéogénique étaient meilleurs chez les lapins jeunes que chez les lapins âgés. Enfin, il n'y avait pas de différence entre les cellules isolées par digestion enzymatique ou par culture d'explants. L'objectif de la deuxième étude de cette thèse était de déterminer s'il existe une corrélation entre les propriétés biologiques intrinsèques des cellules progénitrices de la moelle osseuse et la capacité de guérison du cartilage sus-jacent. Pour ce faire, un modèle bilatéral a été effectué chez 8 lapins. Pour chaque lapin, des lésions cartilagineuses ont été créées sur un genou à deux emplacements (la trochlée et le condyle fémoral médial) puis traitées par microperçage, tandis que l'autre genou demeurait intact. Après 3 semaines de guérison, les lapins ont été sacrifiés et des sections histologiques ont été récoltées du genou traité par microperçage afin d'évaluer la guérison. Parallèlement, les cellules progénitrices du genou intact ont été récoltées et leurs propriétés biologiques caractérisées tel que décrit ci-haut. Chez tous les lapins, la guérison induite par stimulation de la moelle osseuse était compromise dans le condyle fémoral médial, où très peu de tissu de guérison était présent après 3 semaines. En revanche, une guérison modérée à excellente était apparente dans la trochlée de 6 lapins sur 8, alors que 2 lapins ont été classifiés comme faisant partie d'un groupe ayant un plus faible potentiel de guérison. Tout comme pour la première étude, les cellules progénitrices de la trochlée avaient un meilleur rendement cellulaire et de forts potentiels clonogénique et chondrogénique que les cellules des condyles. Une variabilité inter-individu était également présente dans le cas des propriétés biologiques des cellules progénitrices. Les tissus de guérison de la trochlée ainsi que la matrice extracellulaire synthétisée par les cellules progénitrices isolées à partir de la trochlée contenaient une grande quantité de glycosaminoglycanes et de collagène type II. Des analyses statistiques ont permis de déterminer qu'il existait de fortes corrélations positives entre les propriétés intrinsèques des cellules progénitrices de la moelle osseuse et la capacité de guérison du cartilage sus-jacent. Les propriétés biologiques ayant le plus d'impact sur la guérison ont été identifiées.  L'objectif de la troisième étude de cette thèse était de développer un modèle animal représentatif de la situation clinique, et d'y tester une nouvelle méthode de guérison. En clinique, les lésions du cartilage sont rarement détectées rapidement, ce qui complique le traitement. Une grande variabilité de la réponse et une guérison compromise sont également observées chez les patients plus âgés souffrant de lésions dégénératives chroniques. La rétraction du caillot sanguin qui remplit les lésions cartilagineuses suite au microperçage et sa perte subséquente sont une raison qui pourrait expliquer les résultats insatisfaisants observés en clinique. Il a été démontré que le chitosane permet d'inhiber la rétraction du caillot sanguin et, par le fait même, qu'il promeut la guérison du cartilage en ayant des effets sur le recrutement cellulaire, la vascularisation and le remodelage osseux. Le plasma riche en plaquettes (PRP) contient une concentration élevée de facteurs de croissance capables de stimuler le recrutement cellulaire et la différenciation chondrogénique. Il a été démontré que le chitosane favorise la stabilité du PRP et le relargage de facteurs de croissance. Un modèle de lésions cartilagineuses chroniques a d'abord été développé chez le lapin. Deux chirurgies était nécessaires pour effectuer ce modèle. Au cours de la première chirurgie, des lésions cartilagineuses bilatérales ont été induites dans la trochlée de 8 lapins et laissées sans traitement pendant 4 semaines afin qu'elles dégénèrent à un stade chronique. Au cours de la deuxième chirurgie, ces lésions cartilagineuses ont été traitées par microperçage et par l'implantation de chitosane lyophilisé solubilisé dans du PRP autologue, ou par injection de PRP seul, comme contrôle. Le tissu de guérison a été récolté après 2 mois et des sections histologiques ont permis d'évaluer la quantité et la qualité du tissu de guérison. La guérison osseuse ainsi que le remodelage osseux ont également été caractérisées par analyse micro-CT. Les implants chitosane-PRP favorisaient la guérison des lésions cartilagineuses chroniques comparées au PRP seul. La composition biochimique de la matrice cartilagineuse ressemblait plus à du cartilage hyalin en présence des implants chitosane-PRP. Finalement, l'analyse micro-CT démontrait que les implants chitosane-PRP favorisent le remodelage osseux mais que le phénomène est toujours en cours après 2 mois de guérison.  En résumé, le contenu de cette thèse nous a permis d'identifier certaines variables liées à l'emplacement, au donneur et à l'âge qui expliqueraient partiellement la variabilité inter-individu et les résultats décevants parfois obtenus suite à une stimulation de la moelle osseuse. Le modèle de lésions chroniques décrit dans cette thèse contribuera grandement au développement de nouvelles techniques et de nouveaux produits pour favoriser la guérison du cartilage articulaire. Enfin, les implants chitosane-PRP étudiés au cours de cette thèse constituent une approche prometteuse qui pourrait éventuellement servir à soulager des patients souffrant de lésions chroniques ou dégénératives.  ABSTRACT: Articular cartilage is a thin layer of hyaline cartilaginous tissue covering the ends of long bones. Due to its avascular nature, it possesses very limited regeneration potential. In the event of an injury, the repair is either very limited or not initiated at all. As a result, cartilage lesions degenerate extensively under the influence of damaging cytokines and proinflammatory factors released. An imbalance in anabolic and catabolic activities continues to erode the cartilaginous surface exposing subchondral bone leading to osteoarthritis.  Bone marrow stimulation (BMS) initiates repair by fracturing or drilling into subchondral bone. The channels created provide access to the underlying subchondral progenitor cells that are recruited into the defect. Granulation tissue thus formed undergoes a complex cascade of events to generate a repair tissue. BMS is considered a gold standard of cartilage repair strategies since it is easy, relatively less invasive with swift recovery, more economical and appreciable short-mid term relief. However, long term outcome is generally discouraging due to poor durability of repair tissue. The quality of repair tissue is generally fibrocartilagenous with inferior mechanical and biological characteristics compared to hyaline cartilage. The most common drawbacks of the procedure include incomplete regeneration, high inter-individual variability and poor repair outcome especially in older individuals in preclinical as well as clinical studies. Earlier studies have shown that defect location and animal age affect the cartilage repair outcome observed in vivo, suggesting a strong influence of biological characteristics of progenitor cells (Bone Marrow stem cells; BMSCs or mesenchymal stem cells; MSCs) present in subchondral bone. Specifically, rabbit trochlea showed a superior repair and chondrogenic potential compared to the medial femoral condyle. Inspired by these observations, we carried out a study for comprehensive analysis of progenitor cells present in the subchondral bone of condyle and trochlea in young and old rabbits in order to determine the influence of location and age on the properties of progenitor cells. Earlier we had found that drilling to 6 mm improves the repair outcome in rabbit trochlea possibly by providing access to metaphyseal marrow and thus higher progenitor cell population. As a result, MSCs were isolated from epiphyseal (trochlea upper) and metaphyseal (trochlea lower) regions of the trochlea. Collagenase-derived MSCs originated from collagenase digest of bone chips while the digested explants were subsequently cultured to obtain explant-derived MSCs via cell outgrowth. In vitro characterization assays were used to determine the cell yield, clonogenic potential and surface marker expression profile. Chondrogenic differentiation was stimulated using pellets of condylar and trochlear MSCs in the presence of chondrogenic media, rich in chondrogenic stimulating factors such as ascorbate, insulin-transferrin-selenium (ITS) and TGF-βIII. Finally, MSCs were differentiated into osteogenic lineage in presence of osteogenic media containing osteogenic stimulants such as dexamethasone, β-glycerophosphate and ascorbate. The aforementioned MSC characteristics were compared for trochlea vs. condyle, old vs. young and collagenase- vs. explant-derived cultures. MSCs isolated from distal femur epiphyseal bone had stem cell characteristics and fulfilled the stem cell criteria outlined by International Society for Cell Therapy. Location was an important factor influencing the properties of MSCs indicated by low cell yield, clonogenic potential and inferior chondrogenic potential of condylar cells. Results showed that rabbit trochlear vs. condylar subchondral bone yielded a greater number of progenitors with superior cartilaginous matrix expression under chondrogenic conditions suggesting higher intrinsic capacity for cartilage repair compared to condylar subchondral bone. Trochlear MSCs displayed superior chondrogenic differentiation evidenced by higher glycosaminoglycan (GAG) and collagen type II deposition. Age of the donor was an additional factor with significant bearing on the inherent properties of MSCs since growth rate, cell yield, expression of stem cell markers and osteogenic differentiation were found to be significantly superior in younger animals. As expected, no significant difference was observed between collagenase- and explant-derived cultures.  Continuing our exploration of the mechanisms underlying variability in BMS procedure, we carried out the next study to verify if the cartilage repair outcome in condyle and trochlea correlated with the pre-existing properties of progenitor cells present in these two sites. A bilateral rabbit model was used to test this hypothesis. For each rabbit, full thickness acute defects were created in one knee and treated by BMS by microdrilling, while the second knee was left intact. Animals were sacrificed 3 weeks later and transverse sections of repair tissue from the treated knee were used to analyze the quality and quantity of repair macroscopically and by safranin- O (Saf-O) and immunostaining. At the time of animal sacrifice, distal femurs were separated and MSCs were isolated from condylar and trochlear regions of the intact contralateral knee for biological characterization of cell yield, clonogenic potential, cell surface marker profile and differentiation potency. BMS induced inferior cartilage repair in condyles of all donors studied further underlining the implication of location in influencing repair outcome. Macroscopic examination revealed extremely poor fill in condylar defects. In contrast, moderate to excellent fill was observed in six out of eight trochlear defects. This led us to identify a donor-dependent variability in repair outcome and the donors were classified as good trochlear responders and poor trochlear responders. In another observation, trochlear MSCs were characterized by increased cell yield, higher clonogenic potential and superior chondrogenic potential. Histopathological analysis indicated better matrix composition, rich in GAG and collagen type II in trochlea both in vivo and in vitro. Donor related variability in repair outcome was also observed in vitro through biological characterization of MSCs. Statistical analysis provided substantial evidence to identify strong, positive location- and donor-dependent correlations between inherent properties of MSCs and cartilage repair outcome in condyle and trochlea and factors with maximum influence on the repair outcome were identified.  By this stage, it became imperative to seek after a clinically relevant application of our understanding based on current and past findings. Cartilage lesions are rarely detected in early stages, unfortunately reducing the efficacy of BMS procedure. Unpredictable, highly variable repair of poor quality is observed in degenerative defects, especially in older patients. Platelet-mediated retraction of the blood clot that fills cartilage lesions following BMS is believed to be one underlying cause of inferior quality and durability of repair tissue. Chitosan inhibits this blood clot shrinkage and leads to the formation of a voluminous, adherent and stable clot and thereby enhances cartilage repair by promoting cell recruitment, transient vascularization and subchondral bone remodeling. Platelet-rich-plasma (PRP) contains a 2-10 fold concentration of growth factors and cytokines and has been shown to improve recruitment and chondrogenic potential of subchondral MSCs. Chitosan increases the stability of PRP and promotes the release of platelet-derived growth factors in a more sustained manner. Using a more clinically relevant chronic defect model, we tested the efficacy of implants composed of freeze-dried chitosan solubilized in PRP in improving marrow stimulated cartilage repair outcome compared to BMS augmented with just PRP. Two surgeries were performed in skeletally mature rabbits to create a bilateral trochlear defect model. Defects created in the first surgery were allowed to degenerate over 4 weeks and repaired in a second surgery by BMS. Treatments included BMS augmented with chitosan/PRP implants in one knee and BMS with PRP in the other knee. Repair tissue was harvested 2 months later and transverse sections were used to characterize the quality and quantity of repair by assessing the GAG and coll-II deposition. Subchondral bone repair was analysed by micro-CT. Augmentation of BMS with freeze-dried chitosan/PRP implants in chronic defects improved cartilage repair compared to PRP by increasing quantity and quality of repair tissue and promoting subchondral bone repair. Matrix composition was improved in presence of chitosan/PRP indicated by increased GAG and collagen deposition. MicroCT analysis showed further evidence of increased, albeit incomplete, subchondral bone remodeling induced by chitosan/PRP.  In summary, these studies led us to recognize significant donor-, age- and location-dependent variability which might help in understanding the mechanism underneath the unpredictability and inter-individual variability observed with BMS. Needless to say, these observations would be extremely valuable in improving the consistency, durability and quality of BMS repair procedure. Moreover, the innovative chronic model studied here is expected to make significant contributions in progress of cartilage repair field. Finally, chitosan/PRP implants investigated in this research are a promising approach to treat chronic cartilage lesions and could eventually provide relief to osteoarthritic patients with challenging, degenerative defects.


identifier: Safdari Shadlou, F. (2017). Cellulose Nanofiber-Reinforced Polymer Biocomposites  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'intérêt d'incorporer des nanofibres de cellulose (CNFs) comme agents de renforcement pour améliorer les propriétés des matrices polymères a considérablement augmenté dernièrement, compte tenu de l'origine biologique de ces nanoparticules ainsi que leurs bonnes propriétés physiques et mécaniques, comparées aux renforts inorganiques. Cependant, il existe des défis importants liés à leur grand facteur de forme, nature fibrillaire, flexibilité élevée et hydrophilicité qui rendent les CNFs fortement enchevêtrées, et qui compliquent leur dispersion/distribution dans les polymères, en particulier dans les matrices hydrophobes. Cette thèse vise à développer des biocomposites polymères/CNF avec une microstructure bien dispersée et des propriétés améliorées. Nous avons choisi deux polymères qui nécessitent des améliorations au niveau de leurs propriétés thermomécaniques: le polylactide (PLA), qui est un polymère hydrophobe et d'origine biologique, et le poly(oxyde d'éthylène) (PEO), qui est un polymère hydrophile, biocompatible et biodégradable. Les biocomposites ont été préparés par des méthodes de mélange simple, soit en utilisant du N,N-diméthylformamide (DMF), soit en utilisant de l'eau comme solvant. À titre de comparaison, certains composites ont aussi été préparés à l'état fondu. Des composites à haute performance comprenant du PLA et des CNFs (0,25–5% massique) ont été d'abord préparés par coulée de solvant sans aucune comptabilisation. La viscosité complexe et le module élastique des biocomposites PLA/CNF ont été augmentés jusqu'à deux et cinq ordres de grandeur, respectivement, à basses fréquences comparativement au PLA. Une amélioration jusqu'à 50% pour le module d'Young du PLA a été obtenue par incorporation des CNFs. De même, la résistance à la traction a été augmentée de 31%. Le module élastique en flexion dans l'analyse thermique mécanique dynamique (DMTA) a été augmenté jusqu'à 51 et 264% à température ambiante et 70 °C, respectivement. Une bonne transparence a été retenue pour les films biocomposites dans la plage de lumière visible, comparativement à celle du PLA. La seconde partie de ce projet était liée à la préparation de biocomposites de PEO/CNF renforcés avec différents chargements de nanofibres, c'est-à-dire de 1 à 3% massique, par mélange en solution aqueuse. À basses fréquences, pour les biocomposites PEO/CNF, on a obtenu des augmentations allant jusqu'à deux et trois ordres de grandeur pour la viscosité complexe et le module élastique, respectivement, comparé au PEO seul. Le module d'Young et le module élastique en DMTA à température ambiante ont été améliorés par environ 48% en ajoutant 3% massique de CNFs au PEO; la résistance à la traction a également augmenté de 35%. De plus, la transparence des films composites dans la plage de lumière visible était similaire à celle du film de PEO non chargé. Pour les biocomposites préparés à l'état fondu, les CNFs étaient mal dispersés et, par conséquence, aucune amélioration des propriétés n'a été observée. Dans la dernière partie, un polyéthylène glycol (PEG) a été utilisé comme agent comptabilisant pour le système PLA/CNF. Initialement, un « masterbatch » CNF/PEG (rapport 1:2) a été préparé en solution aqueuse. Ensuite, les biocomposites ont été élaborés par la méthode de coulée de solvant. Différentes techniques microscopiques ont montré que les CNFs étaient mieux dispersées/distribuées dans le PLA lorsque l'agent comptabilisant était présent. La viscosité complexe et le module élastique de composites comptabilisés ont été augmentés d'un ordre de grandeur par rapport aux composites non compatibilisés. En utilisant un agent comptabilisant, les modules élastiques en DMTA du PLA contenant 2% massique de nanofibres, à température ambiante et à 80 °C, ont été augmentés jusqu'à 42 et 553%, respectivement, par rapport au PLA. L'effet de nucléation des CNFs sur la cristallisation du PLA était plus prononcé par rapport aux échantillons non compatibilisés. Aussi, une meilleure transmission de la lumière a été mesurée pour les films composites PLA/CNF/PEG par rapport aux films PLA/CNF. D'autre part, aucune amélioration des propriétés, par rapport à la matrice, n'a été observée pour les biocomposites préparés à l'état fondu. En conclusion, la morphologie, la rhéologie, les propriétés mécaniques et les résultats de transmission de la lumière ont confirmé qu'en utilisant des méthodes de préparation en solution simples, une bonne dispersion et distribution des CNFs dans les matrices polymères PLA, PEO et PLA/PEG a été obtenue. Des améliorations substantielles des propriétés thermomécaniques des composites ont été constatées à faibles teneurs en nanofibres.  ABSTRACT: The interest to incorporate cellulose nanofibers (CNFs) as reinforcing agents to enhance the properties of polymer matrices has recently grown considerably, as these nanoparticles are bio-based and have good physical and mechanical properties, comparable to those of inorganic fillers. However, one faces important challenges associated with their large aspect ratio, fibrillated nature, high flexibility and hydrophilicity that make CNFs highly entangled, which render their dispersion/distribution in polymers quite difficult, especially in hydrophobic matrices. This thesis aims at developing polymer/CNF biocomposites with well-dispersed microstructure and enhanced properties. We chose two polymers that need improvements in thermomechanical properties: polylactide (PLA), which is a commonly used bio-based hydrophobic polymer, and poly(ethylene oxide) (PEO), which is a biocompatible/biodegradable hydrophilic polymer. The biocomposites were prepared via simple mixing methods, either using N,N-dimethylformamide (DMF) or water as solvents. For comparison, some composites were prepared in the molten state. High-performance composites comprising PLA and CNFs (0.25–5 wt%) were first prepared via solvent casting without any compatibilization. The complex viscosity and storage modulus of the PLA/CNF biocomposites were increased by up to two and five orders of magnitude, respectively, at low frequencies compared to the neat PLA. An improvement of up to 50% for the Young modulus of PLA was achieved by incorporating CNFs. Similarly, the tensile strength was raised by 31%. The flexural storage modulus in dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) was increased by up to 51 and 264% at room temperature and 70 °C, respectively. Good transparency was retained for the biocomposite films in the visible light range comparable to that of neat PLA. The second part of this project was related to the preparation of enhanced PEO/CNF biocomposites with different nanofiber loadings, i.e., 1–3 wt%, via aqueous solution mixing. At low frequencies, increases of up to two and three orders of magnitude were obtained for the complex viscosity and storage modulus, respectively, of PEO/CNF biocomposites relative to the neat PEO. The Young modulus and the room temperature DMTA storage modulus were improved by ca. 48% by adding 3 wt% CNFs to PEO; the tensile strength also increased by 35%. Moreover, the transparency of the composite films in the visible range was similar to that of the neat PEO film. For the melt-prepared biocomposites, however, the CNFs were poorly dispersed and consequently no property enhancement was observed. In the last part, poly(ethylene glycol) (PEG) was used as a compatibilizer for the PLA/CNF system. Initially, a CNF/PEG masterbatch (ratio of 1/2) was prepared in an aqueous solution. Then, the biocomposites were prepared using a solvent-casting method. Different microscopic techniques showed that CNFs were better dispersed/distributed within PLA when the compatibilizer was employed. The complex viscosity and storage modulus were increased by one order of magnitude for the compatibilized composites compared to those of the uncompatibilized composites. With compatibilization, the DMTA storage moduli of the PLA containing 2 wt% nanofibers at room temperature and 80 °C were enhanced by up to 42 and 553%, respectively, compared to the neat PLA. The nucleation effect of the CNFs on PLA crystallization was more pronounced relative to the uncompatibilized samples. Also, better light transmittance was measured for the PLA/CNF/PEG composite films relative to the PLA/CNF composite films. On the other hand, no property enhancement, compared to the matrix, was observed for the biocomposites prepared in the melt. In conclusion, the morphology, rheology, mechanical properties and light transmittance results confirmed that, using simple solution methods, good dispersion and distribution of CNFs within the host polymer matrices, PLA, PEO and PLA/PEG, was achieved. Substantial enhancements in the thermomechanical properties of the composites were obtained at low nanofiber contents.


identifier: Pinard, P.-F. (2017). Effet du chargement sur la précision d'une machine-outils cinq-axes  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet de recherche porte sur l'étude d'une potentielle relation entre le chargement dû au poids de la pièce et les erreurs volumétriques sur une machine-outil 5-axes à table verticale. Il prend le relais de l'étude de B. Asadishad [1] dans lequel le lien entre le chargement et les erreurs paramétriques fut étudié. Ici, l'étude des performances de la machine en termes de précision et de répétabilité des erreurs volumétriques sous charge sera privilégiée. Les charges appliquées dans l'étude précédente sont reprises mais le protocole de test et de mesures a été adapté. Ainsi, les tests développés pour la présente étude se servent de blocs (acier) simulant une force, des entretoises légères (aluminium) couplés aux blocs simulant un moment et des sphères montées sur des tiges de 280 mm de hauteur. Un protocole de test a ensuite été mis au point spécifiant les indexations des axes rotatifs B et C de la machine-outil et leur ordre, le nombre de blocs et d'entretoises ainsi que leur position sur la table et le nombre de sphères palpées. Ensuite, la machine comportant une zone de travail et une zone de chargement, un test de répétabilité a été effectué pour quantifier la précision de placement de la table après être passée dans la zone de chargement. La hauteur des tiges pouvant engendrer des erreurs de mesure en raison de déflexion sous leur propre poids et sous l'effet de la force du palpeur un test nommé « 0 » sera utilisé comme référence afin d'annuler les erreurs dues à la déflexion de la tige lors des palpages. Une série de 16 tests a été effectuée avec 16 chargements différents, chaque test a demandé 2 heures de temps à la machine et à l'opérateur pour être réalisé. A l'issu de ces tests, les données brutes sont analysées. D'autre part, les forces et moments engendrés par les poids, les erreurs volumétriques, les déviations linéaires et angulaire de chaque plan de palpage par rapport au plan de référence ainsi que la matrice des p-values de l'ensemble des données sont calculés. Certains comportements redondants ont pu être observés dans lesquels des conclusions ont pu être tirées par rapport à la précision de la machine en fonction du chargement et de la position de la table de la machine dans l'espace de travail. Enfin, cette étude s'est focalisée sur les erreurs volumétriques engendrées par un chargement sans prendre en compte les nombreuses autres sources d'erreurs comme la thermique et la dynamique. Il serait alors intéressant de coupler cette étude sur les effets du chargement avec des études plus générales portant sur les sujets cités précédemment. Au terme de cette étude, il a été possible de mettre en avant l'existence de corrélations significatives entre le chargement et les erreurs mesurées et calculés. Le lien entre la charge et les erreurs volumétriques apparaît comme le plus fort.  ABSTRACT: This thesis presents a study of a possible relation between the load from the weight of the workpiece put on the table and volumetric errors. This work is the continuity of the study conducted by B. Asadishad [1] in which the link between the load and the error parameters was studied. Here, the study of machine performances regarding the precision and the repeatability of volumetric errors under load will be considered. The loading system used is the same as in the previous study but the test protocol and measurement protocol are adapted for the current study. The new test protocol developed uses heavy blocs of steel to simulate weight, light spacers paired with heavy blocs to simulate torque and spheres mounted on top of 280 mm rods. Then new test protocol specifies the indexation pairs of the B- and C-axis of the machine and their order of execution, the number of blocs and spacers and their position on the table, the number of spheres probed and the order in which tests have been conducted during a day of testing. Moreover and because the machine presents a loading area and a working area a repeatability test was done to quantify the repeatability of repositioning the table after traveling to and from the loading area. Because the height of rods could create errors of measurement because of deflexion under their own weight and under the force of the probe during the tests a test called « test 0 » is used as a reference to remove this effect form the loaded tests. A set of 16 tests is conducted with 16 different loading system. Each test lasts for 2 hours. From these tests raw data are analyzed. Then weight and torques produced by blocs, volumetric errors and the the rigid body motion of the table are compared to the reference plane and the p-values matrix are calculated. Significant correlation have been detected between the load (forces and torques), volumetric errors and the the rigid body motion of the table. More specifically, forces in Y directions and torques around X and Z axis are strongly correlated. Thus, table position, indexations, volumetric errors and the the rigid body motion of the table, show significant correlations. Nevertheless, this method does not make possible the identification of error sources.


identifier: Cordier, M. (2017). Stabilité des barrages-poids: une approche progressive considérant les incertitudes sur les paramètres de résistance et les chargements  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La stabilité au glissement des barrages-poids est évaluée par la satisfaction ou non d'un état-limite binaire, exigeant que la capacité de résistance au cisaillement, R, soit supérieure à la charge en cisaillement, L. Afin de se prémunir contre les incertitudes aléatoires et épistémiques, d'importants facteurs de sécurité sont requis par les guides déterministes, appliqués dans la majorité des pays pour l'évaluation de la stabilité des ouvrages hydrauliques. Ces facteurs de sécurité requis sont parfois arbitrairement diminués lorsque des tests matériels ont été effectués, par exemple passant de 3.0 à 2.0 (CDA 2007). En revanche, les valeurs requises ne sont pas justifiées par la propagation des incertitudes. Une justification mathématique de la stabilité des barrages en considérant les incertitudes est possible grâce aux analyses probabilistes, par exemple par simulations de Monte Carlo.  ABSTRACT: Structural sliding stability of gravity dams is assessed by satisfying or not the binary limit-state such that the shear resistance, R, has to be larger to the driving shear load, L. Large safety factors are required to guard against aleatory and epistemic uncertainties, from deterministic guidelines used in most countries to assess hydraulic structures' stability. These required factors of safety are sometimes arbitrarily decreased when material tests have been done, for instance evolving from 3.0 to 2.0 (CDA 2007). Yet, the required values do not rely on the propagation of uncertainties. A mathematical justification of dam stability considering uncertainties is possible while using probabilistic analyses, for instance Monte Carlo simulations.


identifier: Mohebbi, A. (2017). Concurrent, Integrated and Multicriteria Design Support for Mechatronic Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes mécatroniques sont une combinaison coopérative de composantes mécaniques, électroniques, de contrôle et logiciels. Dans les dernières décennies, Ils ont trouvé diverses applications dans l'industrie et la vie quotidienne. En raison de leur aspect multi-physique, du nombre élevé de leurs composantes et des interconnexions dynamiques entre les différents domaines impliqués dans leur fonctionnement, les dispositifs mécatroniques sont souvent considérés comme hautement complexes ce qui rend la tâche de les concevoir très difficile pour les ingénieurs. Cette complexité inhérente a attiré l'attention de la communauté de recherche en conception, en particulier dans le but d'atteindre une conception optimale des systèmes multi-domaines. Ainsi, cette thèse, représente une recherche originale sur le développement d'un paradigme de conception systématique, intégrée et multi-objectifs pour remplacer l'approche de conception séquentielle traditionnelle qui tend à traiter les différents domaines de la mécatronique séparément. Dans le but d'augmenter l'efficacité, la fiabilité, la facilité de contrôle et sa flexibilité, tout en réduisant la complexité et le coût effectif, ainsi que l'intégration systèmes, cette thèse présente de nouvelles approches pour la conception concurrente et optimale des systèmes mécatroniques aux stades de design conceptuel et détaillé. Les modèles mathématiques et les fondements qui soutiennent cette pensée sont présentés dans cette thèse. Les contributions des travaux de recherche de ce doctorat ont commencé par l'introduction d'un vecteur d'indices appelé le profile mécatronique multicritère (PMM) utilisé pour l'évaluation des concepts lors de la conception des systèmes mécatroniques. Les intégrales floues non linéaires de la théorie de décisions multicritères sont utilisées pour agréger les critères de conception et pour gérer les interactions possibles entre elles. Ensuite, une méthodologie de conception conceptuelle systématique est proposée et formulée. Le soutien à l'intégration d'outils d'aide à la décision multicritère dans le processus de conception est un autre objectif de cette thèse où un certain nombre de cadres de travail sont proposés pour aider les ingénieurs concepteurs à évaluer l'importance de certains critères et des paramètres d'interaction. Ces cadres de travail ne s'appliquent pas uniquement l'évaluation de la conception et de la conception optimales, mais aussi à la détermination des possibles façons d'améliorer les concepts développés. Des méthodes basées sur l'exploitation de données ainsi que des algorithmes d'optimisation sémantique sont utilisées pour identifier les paramètres flous avec le peu d'information disponibles sur les différents choix de concepts et les préférences des concepteurs.  ABSTRACT: Mechatronic systems are a combination of cooperative mechanical, electronics, control and software components. They have found vast applications in industry and everyday life during past decades. Due to their multi-physical aspect, the high number of their components, and the dynamic inter-connections between the different domains involved, mechatronic devices are often considered to be highly complex which makes the design task very tedious and non-trivial. This inherent complexity, has attracted a great deal of attention in the research community, particularly in the context of optimal design of multi-domain systems. To this end, the present thesis represents an original investigation into the development of a systematic, integrated and multi-objective design paradigm to replace the traditional sequential design approach that tends to deal with the different domains separately. With the aim of increasing efficiency, reliability, controllability and flexibility, while reducing complexity and effective cost, and finally facilitating system integration, this thesis presents new approaches towards concurrent and optimal design of mechatronic systems in conceptual and detailed design stages. The mathematical models and foundations which support this thinking are presented in the thesis. The contributions of our research work start with introducing an index vector called Mechatronic Multi-criteria Profile (MMP) used for concept evaluation in design of mechatronic systems. Nonlinear fuzzy integrals from multicriteria decision theory are utilized to aggregate design criteria and for handling possible interactions among them. Then, a systematic conceptual design methodology is proposed and formulated. Supporting the incorporation of multicriteria decision making tools into the design process, is another focus of this work where a number of frameworks are proposed to help the designers with assessment of criteria importance and interaction parameters. These frameworks are not only applicable in optimal design and design evaluation procedures, but also for determining possible ways for design improvements. Both data-driven methods as well as semantic-based optimization algorithms are used to identify the fuzzy parameters with limited available information about the design alternatives and designer preferences. Moreover, a fuzzy-based multi-objective approach has been undertaken for proposing and formulating a detailed design methodology. A unified performance evaluation index is introduced by the means of Choquet integrals and then optimized using a constrained particle swarm optimization (PSO) algorithm.


identifier: Seck, A. (2017). Développement d'un outil multi-approches pour la modélisation numérique du phénomène de coup de bélier  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le coup de bélier est un phénomène de surpression qui apparaît au moment de la variation brusque de la vitesse d'un fluide, à la suite d'une fermeture/ouverture rapide d'une vanne ou du démarrage/arrêt d'une turbine ou d'une pompe. Les conditions d'écoulement sont alors instantanément modifiées à travers les fluctuations de pression, provoquant ainsi une mise en accélération très rapide du fluide. Le dépassement de la pression admissible qui en découle est souvent à l'origine de la rupture des conduites et des bris d'équipements dans les réseaux de conduites des centrales hydroélectriques, des aqueducs et des stations de pompage; ce qui a une incidence sur la sécurité, les coûts d'entretien, de maintenance et d'exploitation.  ABSTRACT: A water hammer is defined as a pressure surge or wave caused when a fluid in motion is suddenly forced to stop or change directions. Water hammers usually occur when the flow of water into a turbine or pump decreases rapidly due to a sudden drop in the pressure head, or when a valve is suddenly closed at an end of a pipeline system. Water hammer can cause pipelines, hydroelectric plants and pumping system to break if the pressure is high enough; that has an impact on the cost of maintenance and operation. In the preliminary design of hydraulic systems, practicing engineers use a general framework to design equipment to prevent and/or mitigate any excessive pressures caused by water-hammer. In the detailed design of pipeline systems, water-hammer analysis is very important to select pipe characteristics and to specify surge control to prevent and/or mitigate any excessive pressures. The detailed design further attempts to elaborate the complete system response using various tools such as numerical modeling.


identifier: Bany Hamad, G. (2017). Multilevel Modeling, Formal Analysis, and Characterization of Single Event Transients Propagation in Digital Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La croissance exponentielle du nombre de transistors par puce a apporté des progrès considérables aux performances et fonctionnalités des dispositifs semi-conducteurs avec une miniaturisation des dimensions physiques ainsi qu'une augmentation de vitesse. De nos jours, les appareils électroniques utilisés dans un large éventail d'applications telles que les systèmes de divertissement personnels, l'industrie automobile, les systèmes électroniques médicaux, et le secteur financier ont changé notre façon de vivre. Cependant, des études récentes ont démontré que le rétrécissement permanent de la taille des transistors qui s'approchent des dimensions nanométriques fait surgir des défis majeurs. La réduction de la fiabilité au sens large (c.-à-d., la capacité à fournir la fonction attendue) est l'un d'entre eux. Lorsqu'un système est conçu avec une technologie avancée, on s'attend à ce qu' il connaît plus de défaillances dans sa durée de vie. De telles défaillances peuvent avoir des conséquences graves allant des pertes financières aux pertes humaines. Les erreurs douces induites par la radiation, qui sont apparues d'abord comme une source de panne plutôt exotique causant des anomalies dans les satellites, sont devenues l'un des problèmes les plus difficiles qui influencent la fiabilité des systèmes microélectroniques modernes, y compris les dispositifs terrestres. Dans le secteur médical par exemple, les erreurs douces ont été responsables de l'échec et du rappel de plusieurs stimulateurs cardiaques implantables. En fonction du transistor affecté lors de la fabrication, le passage d'une particule peut induire des perturbations isolées qui se manifestent comme un basculement du contenu d'une cellule de mémoire (c.-à-d., Single Event Upsets (SEU)) ou un changement temporaire de la sortie (sous forme de bruit) dans la logique combinatoire (c.-à-d., Single Event Transients (SETs)). Les SEU ont été largement étudiés au cours des trois dernières décennies, car ils étaient considérés comme la cause principale des erreurs douces. Néanmoins, des études expérimentales ont montré qu'avec plus de miniaturisation technologique, la contribution des SET au taux d'erreurs douces est remarquable et qu'elle peut même dépasser celui des SEU dans les systèmes à haute fréquence [1], [2]. Afin de minimiser l'impact des erreurs douces, l'effet des SET doit être modélisé, prédit et atténué. Toutefois, malgré les progrès considérables accomplis dans la vérification fonctionnelle des circuits numériques, il y a eu très peu de progrès en matiàre de vérification non-fonctionnelle (par exemple, l'analyse des erreurs douces). Ceci est dû au fait que la modélisation et l'analyse des propriétés non-fonctionnelles des SET pose un grand défi. Cela est lié à la nature aléatoire des défauts et à la difficulté de modéliser la variation de leurs caractéristiques lorsqu'ils se propagent.  ABSTRACT: The exponential growth in the number of transistors per chip brought tremendous progress in the performance and the functionality of semiconductor devices associated with reduced physical dimensions and higher speed. Electronic devices used in a wide range of applications such as personal entertainment systems, automotive industry, medical electronic systems, and financial sector changed the way we live nowadays. However, recent studies reveal that further downscaling of the transistor size at nano-scale technology leads to major challenges. Reliability (i.e., ability to provide intended functionality) is one of them, where a system designed in nano-scale nodes is expected to experience more failures in its lifetime than if it was designed using larger technology node size. Such failures can lead to serious conséquences ranging from financial losses to even loss of human life. Soft errors induced by radiation, which were initially considered as a rather exotic failure mechanism causing anomalies in satellites, have become one of the most challenging issues that impact the reliability of modern microelectronic systems, including devices at terrestrial altitudes. For instance, in the medical industry, soft errors have been responsible of the failure and recall of many implantable cardiac pacemakers. Depending on the affected transistor in the design, a particle strike can manifest as a bit flip in a state element (i.e., Single Event Upset (SEU)) or temporally change the output of a combinational gate (i.e., Single Event Transients (SETs)). Initially, SEUs have been widely studied over the last three decades as they were considered to be the main source of soft errors. However, recent experiments show that with further technology downscaling, the contribution of SETs to the overall soft error rate is remarkable and in high frequency systems, it might exceed that of SEUs [1], [2]. In order to minimize the impact of soft errors, the impact of SETs needs to be modeled, predicted, and mitigated. However, despite considerable progress towards developing efficient methodologies for the functional verification of digital designs, advances in non-functional verification (e.g., soft error analysis) have been lagging. This is due to the fact that the modeling and analysis of non-functional properties related to SETs is very challenging. This can be related to the random nature of these faults and the difficulty of modeling the variation in its characteristics while propagating. Moreover, many details about the design structure and the SETs characteristics may not be available at high abstraction levels. Thus, in high level analysis, many assumptions about the SETs behavior are usually made, which impacts the accuracy of the generated results. Consequently, the lowcost detection of soft errors due to SETs is very challenging and requires more sophisticated techniques.