identifier: Dubé-Cyr, R. (2020). Étude biomécanique de la jonction sacro-iliaque par approche hybride numérique et expérimentale  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La jonction sacro-iliaque (JSI) est une articulation bilatérale du pelvis assurant la transmission de charges entre le haut du corps et les membres inférieurs. Ses particularités structurelles ainsi que les ligaments et muscles l'entourant lui confèrent une grande stabilité. Elle est caractérisée par une faible mobilité combinant des mouvements de rotation et de translation dans le plan sagittal. Il est estimé que la JSI est la source de douleurs de 15 à 30% des patients souffrant de maux au bas du dos. La prévalence peut atteindre 35% chez les patients ayant subi une fusion lombaire. En cas de douleurs chroniques et après l'échec de traitements conservateurs, la fixation de la JSI à l'aide d'implants est envisagée. Celle-ci mène à une diminution significative des douleurs ainsi qu'à une amélioration de la qualité de vie. Les taux de révision sont d'environ 5%, mais peuvent atteindre 30%. Les causes les plus fréquentes sont une douleur persistante, une récurrence des symptômes ou un positionnement d'implants entrainant de la douleur.  À court terme, les implants procurent une stabilisation mécanique de l'articulation permettant un processus d'ostéointégration et menant, à long terme, à une fusion osseuse. Lorsque les implants ne parviennent pas à stabiliser suffisamment la JSI, une pseudarthrose peut se produire et nécessiter une chirurgie de révision. Le chirurgien doit faire plusieurs choix pouvant affecter la stabilité articulaire atteinte: le système d'implants, l'approche chirurgicale, le nombre d'implants, leur positionnement et leurs dimensions. À ce jour, il n'existe pas de consensus sur la configuration d'implants à privilégier pour favoriser une fusion osseuse; les choix chirurgicaux sont empiriques et reposent principalement sur l'expérience du chirurgien. De plus, la densité osseuse, la morphologie pelvienne et la flexibilité ligamentaire peuvent varier considérablement au sein de la population et leur impact sur les résultats de la chirurgie n'est pas connu. La performance des dispositifs de fusion est évaluée en fonction de la réduction des déplacements de l'articulation, mais le niveau de stabilisation nécessaire à la complétion d'une fusion osseuse de la JSI n'est pas établi. Quelques études expérimentales et numériques ont comparé différentes configurations d'implants de fusion en faisant varier le nombre, la trajectoire ou la longueur. La caractérisation de l'effet du nombre d'implants sur la stabilisation de la JSI se limite à quelques comparaisons incomplètes. L'effet du positionnement des implants sur la stabilisation de la JSI est très dépendant de l'approche chirurgicale et du système d'implants utilisés et la majorité des études utilisent une approche latérale avec des implants ayant une section triangulaire. Les résultats ne sont donc pas directement transposables au système d'implants cylindriques et filetés insérés par approche postérieure, qui sont au cœur de cette thèse.   L'objectif général de ce projet est de caractériser la biomécanique de la JSI, avec et sans implants, et de développer un modèle numérique personnalisable permettant d'étudier les techniques chirurgicales de fusion de la JSI pour répondre à la question de recherche : Comment maximiser la stabilisation biomécanique de la jonction sacro-iliaque grâce aux choix relatifs aux paramètres d'instrumentation en fonction des paramètres relatifs au patient? Pour y arriver, une approche hybride combinant la réalisation de campagnes expérimentales cadavériques, et le développement et l'exploitation d'un modèle par éléments finis détaillé du pelvis a été employée.   Un banc d'essais a été développé pour caractériser expérimentalement la biomécanique de la JSI, avec et sans implants de fusion, pour des chargements fonctionnels. Le chargement de compression consistait en une rampe atteignant 500 N, alors que le chargement de flexion-extension consistait en un moment dans le plan sagittal de +/-7.5 Nm combiné à une compression variant de 25 à 175 N. Une première campagne expérimentale, réalisée au Laboratoire de Biomécanique Appliquée (Marseille, France), visait à comparer deux points d'insertion possibles (point proximal et point médial) et à quantifier l'effet du perçage sur la mobilité de la JSI. Sept spécimens (cinq hommes, deux femmes; âge moyen : 79.4 ans) ont été testés dans trois conditions : (1) sans implants, (2) percés et taraudés, et (3) instrumentés avec un implant positionné à un des deux points d'insertion. Des implants cylindriques, filetés, canulés et fenêtrés ayant un diamètre de 12 mm et une longueur de 50 mm ont été utilisés (Rialto™ SI Fusion System (Medtronic, Memphis, TN, É-U)). Sans implants, les déplacements verticaux et angulaires de la JSI étaient de 0.75 mm et 0.85° en compression, et de 0.23 mm et 0.46° en flexion-extension. Les résultats ont montré que l'instrumentation avec un implant réduisait significativement les déplacements verticaux de la JSI en compression (-17% ± 22%), et qu'il n'y avait pas de différence significative entre les deux points d'insertion. Ces résultats ont également montré que l'instrumentation avec un seul implant ne permettait pas une diminution significative des déplacements angulaires. Une deuxième campagne expérimentale a permis de caractériser l'effet du nombre d'implants sur la mobilité de la JSI. Six spécimens (deux hommes, quatre femmes; âge moyen : 86.5 ans) ont été testés sans implants puis instrumentés progressivement avec jusqu'à trois implants, en compression (implants Rialto™; diamètre de 12 mm; longueur de 60 mm). Comme pour la première campagne, la configuration à un implant a permis une diminution significative des déplacements verticaux seulement (-24% ± 15%). En comparaison avec la configuration à un implant, la configuration à deux implants a permis une diminution significative additionnelle des déplacements verticaux (-10% ± 7%) et angulaires (-19% ± 15%). Finalement, il n'y avait pas de différence significative entre les configurations à deux et trois implants pour les déplacements verticaux et angulaires. Ces résultats ont permis de montrer que la configuration à deux implants était à privilégier puisque l'ajout d'un troisième implant ne contribuait pas à stabiliser davantage la JSI.   Un modèle par éléments finis existant du pelvis, le Spine Model for Safety and Surgery (SM2S), a été utilisé pour étudier davantage les paramètres d'instrumentation en faisant varier de façon contrôlée certaines caractéristiques associées au patient, telles que la flexibilité des tissus mous, la densité osseuse et la géométrie pelvienne. En suivant le standard V&V40, des étapes de vérification, quantification des incertitudes et validation ont été réalisées. Le niveau de validation du modèle a été défini en fonction de son contexte d'utilisation, c'est-à-dire comme outil permettant de comparer des techniques chirurgicales de fusion de la JSI en fonction de la réduction de mobilité, complémentaire aux essais expérimentaux. Des études de convergence sur le maillage et sur la durée de chargement, ainsi que des études de sensibilité sur les propriétés mécaniques des tissus mous et sur le positionnement du modèle dans le plan sagittal ont été réalisées. Une comparaison entre les réponses des simulations numériques et les résultats expérimentaux de la deuxième campagne expérimentale a permis d'établir la crédibilité du modèle.   Un algorithme de krigeage existant a été adapté pour le pelvis, permettant de modifier la géométrie de référence vers une géométrie souhaitée à partir d'images de CT-scan et de points de contrôle. Pour étudier l'effet des angles pelviens sur la biomécanique de la JSI, 20 modèles ayant des géométries pelviennes distinctes ont été générés à partir des CT-scans de spécimens cadavériques. Les modèles ont été testés sans instrumentation sous un chargement de compression de 500 N. Une grande variation de mobilité a été observée pour les différentes géométries pelviennes : les déplacements verticaux ont varié de 0.86 mm à 1.73 mm, alors que les déplacements angulaires ont varié de 1.33° à 3.51°. Les résultats n'ont pas montré de corrélation entre la mobilité de la JSI (déplacements verticaux et angulaires) et les angles pelviens (incidence pelvienne et pente sacrée).   L'effet des points d'insertion sur la fixation de la JSI a été étudié davantage numériquement. Six configurations ont été simulées pour les différentes combinaisons des trois points d'insertion (point proximal, point médial, point caudal). Des chargements de compression (500 N) et de compression combinée à des moments de flexion-extension (500 N +/- 7.5 Nm) ont été appliqués au plateau sacré. Deux jeux de propriétés des tissus mous ont été utilisés pour simuler deux différentes flexibilités. Les résultats ont montré que le point d'insertion permettant la meilleure réduction de mobilité de la JSI était le point caudal, suivi du point proximal. Cela suggère que, pour maximiser la stabilisation de la JSI, les points d'insertion devraient être éloignés l'un de l'autre, et éloignés du centre de rotation de la JSI. Ces tendances n'étaient pas influencées par le niveau de flexibilité des tissus mous du modèle.   Une dernière étude numérique a permis d'évaluer l'effet du nombre d'implants et l'influence des caractéristiques du patient sur la réduction de mobilité de la JSI pour des chargements de compression, et de compression combinée à des moments de flexion-extension. Trois géométries pelviennes et deux densités osseuses ont été utilisées pour vérifier leur impact sur la performance des implants. Les différents modèles ont été instrumentés progressivement jusqu'à trois implants. La réduction de mobilité pour la configuration à un implant variait de 3 à 21% pour les déplacements verticaux, et de 15 à 47% pour les déplacements angulaires. Pour la configuration à deux implants, la réduction de déplacements verticaux et angulaires variait de 12 à 41%, et de 28 à 61%, respectivement. Finalement, la configuration à trois implants a permis une stabilisation des déplacements verticaux et angulaires similaires à celle à deux implants, avec des réductions de 14 à 42%, et de 32 à 63%, respectivement. Les résultats ont également permis d'établir que les caractéristiques du patient influencent la performance des implants et devraient être pris en compte lors de la planification chirurgicale. D'abord, la géométrie pelvienne a eu un impact sur les tendances observées, particulièrement sur l'apport du troisième implant à la stabilisation de l'articulation. De plus, une diminution de la densité osseuse a diminué la performance des implants d'une moyenne de 7%, en plus d'augmenter les contraintes dans l'os. L'analyse des résultats suggère que les configurations à deux implants sont à privilégier car elles permettent une stabilisation biomécanique adéquate de la JSI en limitant le nombre d'implants à insérer. Toutefois, l'analyse des contraintes dans l'os montre que, pour un patient ayant une densité osseuse faible, une configuration à trois implants est à privilégier puisqu'elle permet de réduire la concentration des contraintes, et pourrait ainsi réduire les risques d'endommagement de l'os.  Dans le cadre de ce projet doctoral, une approche hybride combinant des essais cadavériques et l'exploitation d'un modèle par éléments finis détaillé du pelvis a été utilisée pour étudier les dispositifs de fusion de la JSI. Les connaissances développées ont permis d'adresser la question de recherche et d'émettre des recommandations cliniques permettant de rationaliser les choix chirurgicaux. Pour maximiser la stabilisation de la JSI, deux implants sont suffisants, et ceux-ci devraient être éloignés l'un de l'autre. Pour un patient ayant une faible densité osseuse, une instrumentation à trois implants serait à privilégier pour diminuer les contraintes dans l'os. À long terme, le modèle pourrait être amélioré en ajoutant les structures avoisinantes et en tenant compte des variations locales de densité osseuse de l'os trabéculaire. De plus, le modèle pourrait être adapté pour servir d'outil de planification chirurgicale personnalisée, prenant en compte la géométrie du pelvis et la densité osseuse spécifiques du patient.  ABSTRACT: The sacroiliac joint (SIJ) is a bilateral articulation of the pelvis that ensures the transmission of loads between the upper body and the lower limbs. Its structural features as well as the surrounding ligaments and muscles give it great stability. It is characterized by a low mobility combining rotational and translational movements in the sagittal plane. It is estimated that the SIJ is the source of low back pain in 15-30% of patients. The prevalence can reach 35% in patients with lumbar fusion. In case of chronic pain and after failure of conservative treatments, SIJ fixation with implants is considered. It has been shown to lead to a significant reduction in pain as well as an improvement in the quality of life. Revision rates are around 5%, but can reach 30%. The most common causes are persistent pain, recurrence of symptoms, or painful implant placement.  In the short term, the implants provide mechanical stabilization of the joint allowing the osseointegration process to take place and leading, in the long term, to bone fusion. When implants fail to stabilize the SIJ sufficiently, nonunion may occur and require revision surgery. The surgeon must make several choices that may affect the joint stability achieved: the implant system, the surgical approach, the number of implants, their positioning and their dimensions. To date, there is no consensus on the preferred implant configuration to promote bone fusion; surgical choices are empirical and are based primarily on the experience of the surgeon. Additionally, bone density, pelvic morphology, and ligament flexibility can vary widely across the population and their impact on surgical outcomes is unknown. The performance of fusion devices is evaluated based on the reduction in articular displacements, but the level of stabilization required for the completion of a bone fusion in SIJ is not established. Some experimental and numerical studies have compared different implant configurations by varying the number, the trajectory or the length. The characterization of the effect of implant number on the stabilization of SIJ is limited to a few incomplete comparisons. The effect of implant placement on SIJ stabilization is very dependent on the surgical approach and implant system used and the majority of studies use a lateral approach with implants that have a triangular section. The results are therefore not directly transposable to a fusion system of cylindrical and threaded implants inserted by posterior approach, which are at the heart of this thesis. The general objective of this project is to characterize SIJ biomechanics, with and without implants, and to develop a customizable numerical model to study SIJ fusion surgical strategies to answer the research question: How to maximize SIJ stability using instrumentation parameters while taking into account patient-related conditions? To achieve this, a hybrid approach combining experimental cadaveric campaigns, and the development and exploitation of a detailed finite element model of the pelvis was used.  A test bench was developed to experimentally characterize SIJ biomechanics, with and without fusion implants, for functional loadings. The compressive load consisted of a ramp reaching 500 N, while the flexion-extension load consisted of a moment in the sagittal plane of +/- 7.5 Nm combined with a compression varying from 25 to 175 N. A first experimental campaign, carried out at the Laboratoire de Biomécanique Appliquée (Marseille, France), aimed to compare two possible insertion points (proximal point and medial point) and to quantify the effect of drilling on SIJ mobility. Seven specimens (five males, two females; mean age: 79.4 years) were tested under three conditions: (1) without an implant, (2) drilled and tapped, and (3) instrumented with an implant positioned at one of the two insertion points. Cylindrical, threaded, cannulated and fenestrated implants with a diameter of 12 mm and a length of 50 mm were used (Rialto ™ SI Fusion System (Medtronic, Memphis, TN)). Without implants, the vertical and angular displacements of the SIJ were 0.75 mm and 0.85 ° in compression, and 0.23 mm and 0.46 ° in flexion-extension. The results showed that the instrumentation with one implant significantly reduced the vertical displacements of the SIJ in compression (-17% ± 22%), and that there was no significant difference between the two insertion points. These results also showed that the instrumentation with a single implant did not allow a significant reduction in angular displacements. A second experimental campaign allowed to characterize the effect of implant number on SIJ mobility. Six specimens (two men, four women; mean age: 86.5 years) were tested without implants and then gradually instrumented with up to three implants, in compression (Rialto ™ implants; diameter of 12 mm; 60 mm length). As for the first campaign, the one-implant configuration allowed a significant reduction in vertical displacements only (-24% ± 15%). In comparison with the one-implant configuration, the two-implant configuration allowed an additional significant reduction in vertical (10% ± 7%) and angular (19% ± 15%) displacements. Finally, there was no significant difference between the two- and three-implant configurations for vertical and angular displacements. These results showed that the onfiguration with two implants is preferred since the addition of a third implant did not help to further stabilize the SIJ.  An existing finite element model of the pelvis, the Spine Model for Safety and Surgery (SM2S), was used to further study instrumentation parameters by varying certain characteristics associated with the patient, such as soft tissue flexibility, bone density and pelvic geometry. By following the V&V40 standard guidelines, steps of verification, quantification of uncertainties and validation were carried out. The level of validation of the model was defined according to its context of use as a tool to compare SIJ fusion surgical strategies in terms of mobility reduction, complementary to experimental testing. Convergence studies on the mesh and on the loading time, as well as sensitivity studies on the mechanical properties of the soft tissues and on the positioning of the model in the sagittal plane were carried out. A comparison between the responses of the numerical simulations and the experimental results of the second campaign made it possible to establish the credibility of the model.   An existing kriging algorithm was adapted to the pelvis, allowing the reference geometry to be changed to a desired geometry from CT-scan images and control points. To study the effect of pelvic angles on SIJ biomechanics, 20 models with distinct pelvic geometries were generated from CT-scans of cadaveric specimens. The models were first tested without instrumentation under a 500 N compression load. A large variation in mobility was observed for the different pelvic geometries: the vertical displacements varied from 0.86 mm to 1.73 mm, while the angular displacements varied from 1.33° to 3.51°. The results did not show correlations between the SIJ mobility (vertical and angular displacements) and pelvic angles (pelvic incidence and sacral slope).   The effect of insertion points on SIJ fixation has been studied further numerically. Six configurations were simulated for different combinations of the three insertion points (proximal, medial, caudal). Compressive loads (500 N) and compressive loads combined with flexion-extension moments (500 N +/- 7.5 Nm) were applied to the sacral plate. Two sets of soft tissue properties were used to simulate two different flexibilities. The results showed that the insertion point allowing the best reduction in SIJ mobility was the caudal point, followed by the proximal point. This suggests that, to maximize the stabilization of the SIJ, the insertion points should be far from each other, and away from the center of rotation of the SIJ. These trends were not influenced by the model's level of soft tissue flexibility.   A final numerical study made it possible to evaluate the effect of implant number and the influence of the patient characteristics on the reduction in SIJ mobility for compressive loads, and for compression loads combined with flexion-extension moments. Three pelvic geometries and two bone densities were used to verify their impact on the implants' performance. The different models were gradually instrumented with up to three implants. The reduction in mobility for the one-implant configuration ranged from 3 to 21% for vertical displacements, and from 15 to 47% for angular displacements. For the two-implant configuration, the reduction in vertical and angular displacements ranged from 12-41%, and 28-61%, respectively. Finally, the three-implant configuration allowed stabilization of vertical and angular displacements similar to that of two implants, with reductions of 14-42%, and 32-63%, respectively. The results established that patient characteristics influence the performance of the implants and should be taken into account during surgical planning. First, pelvic geometry had an impact on the observed trends, particularly on the contribution of the third implant on the joint's stabilization. In addition, a decrease in bone density decreased the performance of implants by an average of 7%, in addition to increasing stress in the bone. Analysis of the results suggests that configurations with two implants are preferred because they allow adequate biomechanical stabilization of the SIJ by limiting the number of implants to be inserted. However, the analysis of the stresses in the bone shows that, for a patient with a low bone density, a configuration with three implants is preferred since it makes it possible to reduce stress concentrations, and could thus reduce the risks of bone damage.   In this doctoral project, a hybrid approach combining cadaveric campaigns and the exploitation of a detailed finite element model of the pelvis was used to study SIJ fusion devices. The knowledge developed has made it possible to address the research question and issue clinical recommendations to rationalize surgical choices. To maximize stabilization of the SIJ, two implants are sufficient, and they should be placed far apart. For a patient with low bone density, instrumentation with three implants would be preferred to reduce the stresses in the bone. In the long term, the model could be improved by adding surrounding structures and taking into account local variations in the bone density of trabecular bone. Additionally, the model could be adapted to serve as a personalized surgical planning tool, taking into account the patient's specific pelvic geometry and bone density.


identifier: Zammali, M. K. (2020). Cost-effectiveness Analyses of Agricultural Beneficial Management Practices to Iimprove Water Quality Under Current and Future Climate Conditions  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les polluants provenant des sources non ponctuelles sont parmi les principaux contaminants des eaux dans de nombreux bassins versants dans le monde entier. En particulier, le ruissellement excessif de nutriments dû aux activités agricoles majeures est à l'origine de la dégradation de la qualité de l'eau dans plusieurs bassins versants en Amérique du Nord. L'une des solutions les plus utilisées pour améliorer la qualité de l'eau dans ces régions est de mettre en œuvre des pratiques de gestion agricole bénéfiques (PGB). La préparation d'un plan efficace de gestion de la qualité de l'eau dépend de l'efficacité des PGB et de leurs coûts de mise en œuvre. Cependant, une évaluation complète des PGB agricoles n'est pas disponible à différentes échelles spatiales. En outre, l'efficacité des PGB est fréquemment étudiée dans des conditions climatiques historiques; tandis que le changement climatique est susceptible d'avoir un impact négatif sur la dynamique des nutriments et l'efficacité des PGB.  ABSTRACT: Non-point source pollutants are among the main contributors to water pollution in many watersheds all over the world. In particular, excessive nutrient runoff from agricultural areas is the main cause of water quality degradation in multiple North America's watersheds. One of the common solutions to improve water quality in these areas is to implement agricultural Beneficial Management Practices (BMPs). Selection of water quality management plans not only depends on the effectiveness of BMPs but also on their cost of implementation. However, a comprehensive assessment of agricultural BMPs is not available across various spatial scales. Moreover, the effectiveness of the BMPs is often assessed under the historical climate conditions; while changes in climate can affect the nutrients dynamics and the performance of BMPs in the future.   This study presents new sets of analyses to assess the cost and effectiveness of agricultural BMPs under historical and changing climate conditions and to propose optimal BMPs under uncertain futures. The analyses were carried out in the Qu'Appelle River Basin (QARB), a typical watershed in the Canadian Prairies.


identifier: Dzahini, K. J. (2020). Méthodes de recherche directe pour l'optimisation stochastique de boîtes noires  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'optimisation informatique est omniprésente dans de nombreuses communautés et a suscité un intérêt sans précédent au cours des dernières décennies en raison de l'utilisation croissante des simulations informatiques pour la résolution de problèmes complexes survenant dans une multitude de domaines et plus particulièrement en ingénierie. “L'optimisation de boîtes noires”, thème majeur de cette thèse, n'émet aucune hypothèse sur l'existence de dérivées des fonctions ciblées et se concentre sur des problèmes où la fonction objectif ainsi que les contraintes sont données par une boîte noire dont les simulations informatiques constituent un exemple typique. Les valeurs exactes de ces fonctions déterministes au moyen desquelles sont modélisés les problèmes couramment rencontrés dans le domaine de l'apprentissage automatique, du traitement du signal, de la médecine ainsi que la biologie etc., ne sont en général pas toujours accessibles numériquement. En effet, elles ne peuvent parfois être obtenues que par le biais d'une boîte noire dont les évaluations sont corrompues par un bruit aléatoire, engendrant ainsi des problèmes d'optimisation stochastique de boîtes noires. Par ailleurs, même si la conception d'algorithmes performants d'optimisation stochastique a suscité un regain d'intérêt ces dernières années, il est à noter que la plupart des méthodes d'optimisation dites sans dérivée utilisent des approximations de gradient, se limitent à des problèmes sans contraintes ou sinon, supposent que ces dernières sont déterministes. Ainsi, les méthodes de recherche directe connues pour leur fiabilité et leur robustesse en pratique s'avèrent plus prometteuses pour les problèmes d'optimisation de boîtes noires. Cependant, force est de constater qu'assez rares sont les travaux portant sur la conception d'algorithmes de recherche directe pour l'optimisation stochastique de boîtes noires, dotés d'une preuve de convergence et surtout en présence de contraintes bruitées aléatoirement. Cette thèse se concentre alors sur la conception ainsi que l'analyse de convergence d'algorithmes de recherche directe pour l'optimisation stochastique de boîtes noires. Le premier projet de la présente thèse introduit une variante stochastique de l'algorithme de recherche directe par treillis adaptatif (MADS) initialement conçu pour l'optimisation de boîtes noires déterministes. La méthode proposée nommée StoMADS considère l'optimisation sans contrainte d'une fonction objectif dont les valeurs ne peuvent être obtenues que via une boîte noire corrompue par un bruit aléatoire de distribution inconnue. Étant donné que les valeurs déterministes exactes de ladite fonction sous-jacente ne sont pas accessibles numériquement, StoMADS fait usage de leurs estimés obtenus à partir d'observations aléatoires. En supposant ces estimés précis avec une probabilité suffisamment grande mais fixe, et de variance satisfaisant une certaine condition, un résultat de convergence de StoMADS a été obtenu grâce au calcul non lisse de Clarke et la théorie des martingales. Des études numériques comparant StoMADS à certains algorithmes disponibles dans le logiciel NOMAD d'op-timisation de boîtes noires, ont révélé la méthode proposée très prometteuse pour des applications concrètes. Le second projet généralise le cadre algorithmique de StoMADS en introduisant une large classe d'algorithmes de recherche directe dits de type directionnel, pour l'optimisation stochastique de boîtes noires (SDDS), et qui acceptent de nouveaux itérés en imposant une condition de décroissance suffisante à des estimés satisfaisant les mêmes hypothèses du premier projet. Sous une hypothèse supplémentaire de différentiabilité de la fonction objectif déterministe numériquement inaccessible, le taux de convergence de la méthode proposée a été étudié à l'aide des supermartingales. Quoique ne faisant usage d'aucune information de gradient contrairement à des méthodes existantes telles que la recherche linéaire stochastique ainsi que les algorithmes de région de confiance stochastiques, le taux de convergence de SDDS est similaire à celui des deux dernières méthodes et à celui de la large classe d'algorithmes de recherche directe déterministes de type directionnel qui acceptent également de nouveaux itérés en imposant une condition de décroissance suffisante. Le troisième projet de cette thèse introduit StoMADS-PB, un algorithme d'optimisation stochastique de boîtes noires sous contraintes. StoMADS-PB est une variante stochastique de l'algorithme MADS utilisant une approche de barrière progressive (PB) pour la gestion des contraintes, initialement conçu pour l'optimisation de boîtes noires déterministes sous contraintes générales. Similairement à StoMADS, les valeurs de la fonction objectif et des contraintes sont accessibles uniquement via une boîte noire bruitée aléatoirement. Ainsi, StoMADS-PB utilise également des estimés et par ailleurs, traite les contraintes en regroupant leurs violations en une seule fonction de violation de contrainte. Sous l'hypothèse que ces estimés sont précis et fiables avec des probabilités suffisamment grandes mais fixes, des résultats de convergence de la méthode vers des points stationnaires au sens de la dérivée généralisée de Clarke des fonctions objectif et de violation, ont été obtenus grâce à la théorie des martingales. Enfin, des expériences numériques menées sur 126 variantes stochastiques de 42 problèmes sous contraintes tirés de la littérature ont démontré l'efficacité de StoMADS-PB par rapport à MADS avec PB pour l'optimisation stochastique de boîtes noires.  ABSTRACT: Computational optimization is ubiquitous in many communities and has attracted an unparalleled interest during the last decades due to the growing use of computer simulations when solving complex problems arising in a plethora of fields, especially in engineering. Blackbox optimization (BBO), a major theme in the present thesis, does not assume the existence of derivatives and focuses on problems where the objective and constraint functions are given by a blackbox, typical examples of which are computer simulations. For many of such problems arising in machine learning, signal processing, medicine and biology to name a few, the target deterministic objective function and constraints can only be accessed through a blackbox corrupted by some random noise, thus resulting in stochastic BBO problems. Even though developing provable algorithms for stochastic optimization has recently received renewed interest, most of derivative-free optimization (DFO) methods either use estimated gradient informations, are restricted to unconstrained problems, or assume that the constraints are deterministic. Thus, direct-search methods known to be reliable and robust in practice appear to be the most promising approach for BBO problems. However in stochastic BBO, there is relatively scarce research on developing direct-search methods with full-supported convergence analysis especially when constraints function evaluations are also corrupted by some random noise. This thesis therefore focuses on the development and convergence analysis of direct-search methods for stochastic BBO. The first project of this thesis introduces a stochastic extension of the mesh adaptive direct-search (MADS) algorithm originally designed for deterministic BBO. The proposed method called StoMADS considers the unconstrained optimization of an objective function when only having access to its noisy evaluations available through a blackbox corrupted by some random noise following an unknown distribution. Thus, since the exact deterministic values of the underlying objective function are not available, their estimates obtained from stochastic observations are used. By requiring the accuracy of such estimates to hold with a large but fixed probability and by assuming them to satisfy a variance condition, a Clarke stationarity convergence result of StoMADS is proved by means of martingale theory. Computational studies comparing StoMADS to algorithms available in the NOMAD BBO software revealed that the proposed method is very promising for real-life applications. The second project generalizes the algorithmic framework of StoMADS by introducing a broad class of stochastic directional direct-search (SDDS) algorithms which accept new iterates by imposing a sufficient decrease condition on function estimates required to satisfy the same StoMADS assumptions. By assuming in addition the objective function to be differentiable, the expected complexity of SDDS is analyzed making use of an existing supermartingale-based framework. Despite using no gradient information unlike prior methods such as stochastic line-search and stochastic trust-region methods, the convergence rate of SDDS is shown to be similar to that of both latter methods and to that of the broad class of deterministic directional direct-search methods which accept new iterates using a sufficient decrease condition. By introducing the StoMADS-PB algorithm, the third project of the thesis focuses on the constrained stochastic BBO. The proposed method is a stochastic extension of the MADS method using a progressive barrier (PB) approach for constraints handling, originally developed for deterministic BBO under general constraints. Similarly to the framework of StoMADS, the objective and constraints function values can only be computed through a noisy blackbox. Constraints are treated by StoMADS-PB by aggregating their corresponding violations into a single constraint violation function. Since all the underlying deterministic functions values are not available, estimates are used and so-called probabilistic bounds are introduced for the violation function. By requiring such estimates and bounds to be accurate and reliable with sufficiently high but fixed probabilities, Clarke stationarity results for the objective and the violation function are derived with probability one, making use of the Clarke nonsmooth calculus and martingale theory. Numerical experiments conducted on 126 stochastic variants of 42 constrained problems from literature demonstrated StoMADS-PB to outperform MADS with PB.


identifier: Marcoux-Valiquette, P. (2020). Marquage immunoplasmonique multiplexé sur échantillons histologiques pour le diagnostic du cancer  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le cancer est un fléau grave et d'actualité, il suffit de consulter les statistiques pour le constater. Il s'agit maintenant de la principale cause de décès chez les canadiens et les canadiennes, devant les maladies cardiovasculaires. Le diagnostic précoce et précis du cancer permet d'améliorer le pronostic des patients. Bien que les méthodes diagnostiques actuelles aient permis d'améliorer la qualité des diagnostics de cancer, elles ne sont toujours pas optimales. En général, un échantillon de biopsie est prélevé afin d'être analysé microscopiquement par un pathologiste dans le but d'établir un diagnostic. La méthode la plus fréquemment utilisée est la combinaison de deux techniques, la coloration à l'hématoxyline et à l'éosine (H&E) et l'immunohistochimie (IHC). Cependant, cette procédure est subjective, semi-quantitative et permet peu de marquage multiplexé. C'est pourquoi l'immunoplasmonique (IP) offre une alternative intéressante. Il s'agit d'une technique basée sur l'observation au microscope d'échantillons biologiques contenant des nanoparticules plasmoniques (NPs) ayant des propriétés optiques uniques. Les NPs se démarquent puisqu'elles sont des biomarqueurs quantitatifs, multicolores pouvant être fonctionnalisées.   Les études précédentes sur le marquage IP n'ont pas abordé l'impact de la coloration H&E des échantillons sur l'observation des NPs dans l'environnement cellulaire. Il est primordial pour les pathologistes de pouvoir observer les résultats du marquage IP dans son contexte cellulaire puisque la présence d'une protéine peut avoir des significations différentes selon les cellules dans lesquelles elle est exprimée. Au total, 120 conditions ont été analysées au microscope en champ clair, puis en champ sombre à l'aide d'un dispositif d'illumination latérale (Side-Illumination ou SI) pour l'observation des NPs. Quatre couleurs de NPs (rouge, vert, bleu et jaune) ont été choisies afin de montrer les capacités de multiplexage de l'IP. Il sera démontré dans ce mémoire que la combinaison de coloration H&E optimale, suggérée pour l'implantation future de l'IP dans les laboratoires de pathologie, est l'utilisation de l'hématoxyline de Gill (ou Harris) avec l'éosine B. Cette coloration ne nuit pas à l'observation du marquage IP dans trois types d'échantillons: les cellules entières adhérées à la lame de microscope et les tranches de cellules ou de tissus fixés dans la formaline et enrobés de paraffine (cellules FFPE ou tissu FFPE). Enfin, l'utilisation de lames de microscope chargées positivement a mis en évidence la problématique de l'attraction électrostatique non-spécifique entre les NPs et la lame. Il a été déterminé que la fonctionnalisation des NPs (anticorps anti-HER2) permet de neutraliser, en grande partie, la charge de surface des NPs et donc de réduire significativement (p<0,01) l'adhésion non-spécifique des NPs au substrat.  ABSTRACT: Cancer is a serious and recurring disease, you just need to look at the statistics to be convinced. In fact, it is now the leading cause of death among Canadians, in front of cardiovascular disease. It has been shown that early and accurate diagnosis of cancer improves patient prognosis. However, although current diagnostic methods have improved the quality of cancer diagnoses, they still are not optimal. Usually, a biopsy sample is used for microscopic analysis by a pathologist to establish a diagnosis. The most frequently used method is the combination of two techniques: hematoxylin and eosin staining (H&E) and immunohistochemistry (IHC). However, this procedure is subjective, semi-quantitative and does not allow multiplexed labeling. That is why, immunoplasmonics (IP) offers an interesting alternative. It is a technique based on the microscopic observation of a biological sample that contains plasmonic nanoparticles (NPs) which have unique optical properties. NPs stand out because are quantitative and multicolored biomarkers that can be functionalized.  Previous studies on IP have not addressed the effect of H&E counterstaining on the observation of NPs in the cellular environment. However, counterstaining is central to the correct interpretation of immunolabeling, as different cells can express similar antigens with different significations. A total of 120 conditions were first analyzed under a bright field microscope, then in dark field using a Side-Illumination (SI) device for the observation of NPs. Four colors of NPs (red, green, blue and yellow) have been chosen to show the multiplexing capabilities of the IP. It will be demonstrated in this master's thesis that the optimal H&E staining combination suggested for future implantation of IP in pathology laboratories is the use of Gill (or Harris) hematoxylin with eosin B. This staining did not interfere with the observation of IP labeling in three types of samples: whole cells adhered to the microscope slide, slices of paraffin-embedded cells (FFPE cells) and slices of paraffin-embedded tissue (FFPE tissue). Finally, the use of positively charged microscope slides has emphasized the problematic of non-specific electrostatic attraction between the NPs and the slide. It was determined that the functionalization of the NPs (anti-HER2 antibodies) largely neutralizes the surface charge of the NPs and therefore significantly (p <0.01) reduce the non-specific adhesion of the NPs to the substrate.


identifier: Tocco, H.-M. (2020). Predicting Time to Next Better Offer for a Kidney Transplant Candidate Based on Marked Point Process  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: : Les patients souffrant d'insuffisance rénale terminale ont besoin de recourir à une thérapie de substitution rénale pour pallier au dysfonctionnement de leur reins, en e˙et, ceux-ci n'assurent plus correctement leur fonction vitale de purification du sang. En comparaison avec l'option de dialyse à laquelle un patient a recours par défaut, la transplantation rénale est une solution plus viable à long terme, tant en termes de contraintes quotidiennes qu'en termes de chances de survie. Toutefois, un patient recevant une proposition de greffe de rein est confronté à un dilemme, dans lequel il doit choisir entre accepter l'offre, ou bien la refuser et patienter jusqu'à une prochaine offre tout en restant sous dialyse. Au Québec, la décision résulte d'un commun accord entre le patient et son néphrologue au terme de la Prise de Décision Participative (PDP). Le nombre de patients atteints d'insuffisance rénale terminale au Canada était de presque 42 000 en 2013, et a augmenté de 35% entre 2009 et 2018 ce qui soulève une réelle question médicale, mais aussi économique étant donné que la dialyse est une solution bien plus dispendieuse que la transplantation rénale. Par ailleurs, la donation d'organe après décès est la pratique la plus répandue, en comparaison à la donation du vivant, et cette tendance est en hausse. L'attribution de reins en provenance de donneurs décédés est généralement assurée par des institutions gouvernementales de santé publique. Transplant Québec (TQ) est l'institution provinciale qui en est responsable au Québec. Notre travail se concentre sur le système d'attribution général de TQ (excluant les listes d'attente prioritaires) qui concerne la majorité des patients. Une fois qu'un patient reçoit une offre de greffe, il peut soit l'accepter, soit la refuser au terme de la PDP. D'un côté, un rein de moindre qualité (qui dépend de l'âge du donneur, des antécédents médicaux, etc.) pourrait motiver un refus de l'offre et l'attente d'une prochaine proposition. De l'autre, les temps d'attente peuvent être longs, et les perspectives d'une prochaine offre, et en particulier d'une meilleure offre, réduites. Par conséquent, la décision peut être difficile à prendre, d'autant plus que le patient manque d'informations compréhensibles pour la documenter. En e˙et, les outils d'aide à la décision actuels requièrent un certain savoir médical pour être correctement utilisés. De plus, ces outils ne fournissent pas d'informations personnalisées pour un patient en particulier, mais plutôt des résultats généraux à l'échelle d'un système d'attribution entier. Par ailleurs, les travaux actuels visent souvent à répondre aux enjeux de l'allocateur d'organes, comme l'optimisation des coûts et des ressources, plutôt qu'à faire des enjeux d'un patient pris individuellement une priorité. Ainsi, le développement d'outils appropriés d'aide à la décision pourrait grandement aider les patients lors de la PDP. Nous considérons la situation dans laquelle un patient reçoit une o˙re de gre˙e. Au cours de sa réflexion lors de la PDP, il peut procéder à une simple disjonction de cas. D'une part, qu'arrive-t-il s'il accepte l'o˙re ? D'autre part, qu'arrive-t-il s'il la refuse ? Notre objectif est de fournir des informations pertinentes et compréhensibles afin d'aider le patient à se représenter la situation dans laquelle il refuserait l'o˙re. Premièrement, l'outil d'aide à la décision développé doit être en mesure de donner des prédic-tions personnalisées de temps d'attentes pour le patient, qui seront facilement interprétables. Le premier temps à prédire est le temps d'attente avant qu'une prochaine o˙re soit faite au patient. Ce temps est appelé Temps avant Prochaine O˙re (TPO). Aussi, l'outil doit fournir le temps d'attente avant qu'un rein de meilleure qualité que le rein actuel soit proposé au patient. On appelle ce temps Temps avant Prochaine Meilleure O˙re (TPMO). Le TPMO est plus utile au patient que le TPO étant donné que la principale motivation pour décliner l'o˙re actuelle est d'en espérer une meilleure prochainement. Deuxièmement, nous proposons de modéliser l'arrivée des reins dans le système d'attribution par un Processus Ponctuel Marqué (PPM), que nous caractérisons à l'aide de sa Fonction d'Intensité Conditionnelle (FIC). Ce cadre mathématique permet de modéliser à la fois le temps d'occurence et la marque (qualité du rein) des événements d'intérêt (arrivée d'un rein). Dans notre solution, l'hypothèse de stationnarité est formulée concernant les temps d'arrivée des reins ainsi que leur qualité, afin de concevoir un modèle simple et interprétable. La fonction d'intensité du processus d'arrivée des reins est supposée constante (comme dans un processus de Poisson homogène) et la distribution de leur qualité est supposée stationnaire. Les paramètres du modèle sont estimés en utilisant une reconstitution de l'historique des offres passées faites au patient avant l'offre initiale, ce qui permet une grande personnalisation des prédictions du modèle. Le PPM fournit des prédictions des temps d'attentes à l'échelle d'un patient, notamment une borne supérieure du temps d'attente au bout duquel le patient aura reçu une offre avec 95% de certitude. La modélisation de la qualité dans le PPM est utilisée pour procéder à une filtration du processus, afin de considérer uniquement les offres de meilleure qualité que l'offre actuelle. De cette manière, nous avons accès aux mêmes prédictions pour le TPMO que pour le TPO. Enfin, la solution développée est testée et ajustée sur des données réelles provenant du système d'attribution de TQ. Les résultats montrent que notre modèle donne de meilleurs résultats en termes de pouvoir de prédiction que des solutions concurrentes ayant les mêmes objectifs, à la fois pour le TPO et pour le TPMO. Par exemple, le Pourcentage d'Erreur Absolu Moyen (PEAM) sur l'ensemble test avec notre modèle est inférieur de 25.5% à celui obtenu avec un processus de Poisson non marqué pour les prédictions du TPO, et de 22.3% pour les prédictions du TPMO. De la même manière, nous observons une amélioration du PEAM de respectivement 37.2% et 70.7% avec notre modèle par rapport à une méthode de prédiction basique (qui consiste à donner un temps d'attente moyen calculé sur l'ensemble des patients du jeu de données). En outre, notre méthode a montré la cohérence de ses performances d'un ensemble de données à un autre, entre l'ensemble de validation et l'ensemble de test. Au delà des résultats obtenus, l'approche du PPM qui a été développée et appliquée pour répondre à notre problématique présente une grande adaptabilité ainsi que des possibilités d'amélioration. Un travail futur pourrait par exemple considérer un modèle de PPM plus avancé qui serait défini par une FIC constante par morceaux.  ABSTRACT: End-Stage Kidney Disease (ESKD) is a medical condition in which kidneys can no longer ensure their vital blood purification function, forcing patients to resort to renal replacement therapy. Compared to the default dialysis option, kidney transplantation is a more viable long-term solution both in terms of daily constraints and survival outcomes. Nonetheless, a patient receiving a kidney transplant o˙er is facing a dilemma, where he needs to decide to accept it or not with the help of his nephrologist during the Shared Decision Making (SDM). The number of ESKD patients across Canada was nearly 42,000 by the end of 2013, and has increased by 35% between 2009 and 2018, accounting for a real medical and economical issue as the dialysis treatment is far more expensive than the transplantation. In parallel, Deceased Donor Kidney Transplant (DDKT) is the most common kidney transplant option, compared to the Living Donor Kidney Transplant (LDKT) alternative, and the tendency is amplifying. The deceased donor kidneys distribution is generally ensured by governmental health care institutions. Transplant Quebec (TQ) is the provincial institution responsible for this at-tribution to ESKD patients on waiting lists in Quebec. This work focuses on the general attribution list that includes the majority of patients. Once a patient is proposed a kidney, he can either accept it or refuse it at the end of the SDM. On the one hand, a low-quality kidney (age of donor, medical conditions, etc.) could motivate the patient to refuse an o˙er and wait for a better one. On the other hand, waiting times can be long and the perspectives of a future o˙er can be poor, especially a better one. The decision can be diÿcult to make and patients lack understandable information to inform their reflection. Indeed, existing decision-aid tools involve medical knowledge and health education to be used correctly, which poses the problem of interpretation for the patient. Furthermore, they do not provide personalized information but give results that refer to an entire attribution system instead. Also, the existing works often stand for the allocator's stakes, like minimizing costs or optimizing resources, rather than making the individual patient the main priority. Thus, the development of appropriate decision-aid tools could help patients during SDM. We consider the situation where a given patient on the general waiting list is being proposed an initial kidney o˙er. To help the patient during the SDM, a simple case disjunction can be done. On the one hand, what happens if he accepts the kidney? On the other hand, what happens if he declines it? We aim to provide relevant and helpful elements to help the patient picture the situation if he was to say no to the kidney proposal. First, the objective of the designed decision-aid tool is to provide highly understandable and personalized expected waiting times to the patient. The tool has to predict the time before another kidney o˙er is proposed to the patient. This waiting time is referred to as Time before Next O˙er (TNO). Furthermore, the tool has to give the time the patient will have to wait before an o˙er with a better kidney quality than the current one. This waiting time is referred to as Time before Next Better O˙er (TNBO). TNBO is more relevant than TNO since the main reason that motivates declining the current o˙er is the expectation of a better one. Second, we propose the Marked Point Process (MPP) approach to model the arrival of kidneys in the attribution system, and we characterize the process by defining its Conditional Intensity Function (CIF). This stochastic framework enables to model both times and marks (kidney qualities) of events (arrivals of kidneys). In this work, the stationarity assumption is made about the times of arrivals of kidneys and their qualities, in order to devise a simple model. The rate of kidney arrivals is constant (like in a homogeneous Poisson process) and the associated quality distribution is stationary. Parameters of the model are inferred using a reconstruction of the history of the patient's past o˙ers before the initial o˙er, which enables highly personalized predictions. The MPP model gives access to a one-patient scaled expectation of TNO, including an upper bound of the time by which an o˙er would have occurred with a 95% confidence (the confidence level is customizable). The quality aspect of the MPP is used to carry out a process thinning, which only considers kidney arrivals with a better quality than the current one. This way, we can access the same type of predictions for TNBO and for TNO. Finally, the developed solution is tuned and tested on real attribution system records fur-nished by TQ. The results demonstrate that the proposed model outperforms competing solutions with same objectives in terms of predictive power, both on TNO and TNBO is-sues. Based on the Mean Absolute Percentage Error (MAPE) score on the test set, our MPP model outperforms an unmarked Poisson process method by 25.5% for TNO problem and by 22.3% for TNBO problem. Moreover, we respectively observe a MAPE decrease of 37.2%and 70.7% when using our model instead of a baseline policy (a basic statistic that averages waiting times of all patients in the dataset). Additionally, our method proves to be consistent in terms of performances between validation set and test set. Beyond the computational results, the MPP framework that has been set to address this prob-lem provides high flexibility and possibilities of model enhancement. A piecewise-constant defined CIF could be considered to achieve a more advanced MPP model in future research.


identifier: Ghasabyan, L. (2020). Validation of DRAGON5 Lattice Code for PWR (Pressurized Water Reactor) Applications Using Depletion Benchmarks by Detailed Comparison with SERPENT2 Monte Carlo Code  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif de ce projet est de valider un schéma de calcul à deux niveaux pour quatre benchmarks d'assemblage de réacteurs à eau sous pression (REP) avec le code de réseau DRAGON5. Ici, nous validons le schéma à deux niveaux par rapport à un schéma classique à un niveau du calcul DRAGON5 et le comparons avec les résultats du code Monte-Carlo SERPENT2 à trois burnups différents. Les résultats sont comparés à 0 burnup, au burnup à maximum et au burnup maximum de 70 GWd/t. De plus, trois benchmarks de cellules uniques PWR sont validés en comparant les résultats du schéma à un niveau DRAGON5 avec ceux du code Monte-Carlo SERPENT2. Le schéma classique à un niveau utilise généralement la méthode des probabilités de collision (CP) pour les calculs de cellules uniques et la méthode des caractéristiques (MOC) pour les calculs d'assemblage. Les calculs MOC sont capables de traiter des problèmes plus complexes et de fournir une meilleure précision au prix d'un plus grand coût de calcul. Un schéma à deux niveaux a été proposé pour traiter les assemblages PWR. Au premier niveau, la méthode à courant d'interface (IC) est utilisée sur un maillage d'énergie à 295 groupes pour effectuer un calcul de flux efficace. Tous les schémas de calcul utilisent un calcul d'autoprotection basé sur la méthode des sous-groupes avec des tables de probabilités mathématiques avec une technique de solution IC. Le premier niveau est suivi par une correction de Super Homogénéisation (SPH). Ensuite, au deuxième niveau, la méthode MOC utilise l'estimation initiale du flux pour effectuer un calcul de flux plus détaillé sur le maillage énergétique de 26 groupes. Dans cette étude, nous montrons que le schéma optimisé à deux niveaux est capable d'effectuer un calcul d'assemblage PWR plus rapidement sans perte significative de précision de calcul.  ABSTRACT: The goal of this project is to validate a two-level calculation scheme of four Pressurized Water Reactor (PWR) assembly benchmarks with the DRAGON5 lattice code. Here, we validate the two-level scheme with classical one-level scheme of DRAGON5 calculation and compare it with the results of SERPENT2 Monte Carlo code at three di˙erent burnups. The results are compared at 0 burnup, burnup at maximum and at maximum burnup of 70 GWd/t. Additionally, three PWR pin cell benchmarks are validated by comparing DRAGON5 one-level scheme results with those of SERPENT2 Monte Carlo code. The classical one-level scheme typically uses Collision Probability (CP) method for pin cell calculations and Method of Characteristics (MOC) for assembly calculations. MOC calcula-tions are capable of handling larger problems and provide better accuracy at the expense of being computationally more intensive. A two-level scheme was proposed for PWR assemblies. At the first level, Interface Current (IC) method is used on 295-group energy mesh to perform eÿcient flux calculation. All computational schemes use subgroup self-shielding with mathematical probability tables and IC solution technique. The first level is followed by Super Homogenisation (SPH) correction. Then, at the second level, MOC method uses initial estimate of the flux to perform a more detailed flux calculation on the 26-group energy mesh. In this study, we show that the optimized two-level scheme is capable of performing a PWR assembly calculation essentially faster without any significant loss of calculation precision.


identifier: Crouzal, T. (2020). Calibration et optimisation automatisées des propriétés hydrogéologiques d'une halde à stériles avec couche de contrôle des écoulements  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les opérations minières produisent des volumes importants de roches stériles pour accéder aux zones minéralisées à valeur économique. Les roches stériles sont caractérisées par une granulométrie grossière et étalée possédant une composition minéralogique variable. Les stériles sont généralement entreposés dans des haldes en surface, dont la construction et la restauration représentent un défi pour l'industrie. Une couche de contrôle des écoulements (CCE), constituée d'un matériau granulaire fin, installé au sommet de chaque banc, pourrait contribuer à contrôler l'infiltration d'eau et améliorer la stabilité géotechnique et géochimique des haldes de stériles. Une halde à stériles expérimentale a été construite sur le site de la mine du Lac Tio (Rio Tinto Fer et Titane, Québec, Canada) afin d'évaluer la performance d'une CCE en conditions de terrain (Bussière 1999; Aubertin et al. 2002a; Fala et al. 2005; Broda et al. 2014; Bréard Lanoix 2017; Martin et al. 2017; Dubuc 2018). Des essais d'infiltration à grande échelle et un suivi des précipitations pendant 17 mois ont été réalisés afin d'évaluer le comportement hydrogéologique de la halde expérimentale et de la CCE. Les résultats ont ensuite été utilisés afin de calibrer des simulations numériques dans le but d'optimiser et d'extrapoler la méthode pour d'autres sites et d'autres conditions climatiques. Cependant, les données mesurées étaient bruitées et parfois incomplètes, ce qui rendait les simulations numériques difficiles à calibrer. L'objectif principal de ce projet était donc de développer une nouvelle méthode de calibration des propriétés hydrogéologiques d'un système de restauration en conditions non saturées et de l'appliquer au cas de la halde à stériles expérimentale de la mine du Lac Tio. Les propriétés hydrogéologiques utilisées pour ce processus étaient la conductivité hydraulique et les paramètres de l'équation de van Genuchten (2018). La calibration était basée sur deux essais d'infiltration à grande échelle qui ont permis d'isoler des variations de teneurs en eau volumique marquées dans les différents matériaux de la halde expérimentale et d'observer des tendances représentatives du comportement hydrogéologique du système permettant de simplifier et d'automatiser le processus de calibration. L'approche a ensuite consisté à définir pour chaque essai d'infiltration trois points caractéristiques qui représentaient les variations de teneurs en eau volumique induites par le passage du front de mouillage. Ces paramètres ont servi de comparaison entre les simulations numériques et les mesures de terrain. La méthode de calibration est basée sur les optimisations de boîte noire, elles-mêmes basées sur les algorithmes de type « mesh adaptative direct search » (Mads) permettant une résolution mathématique itérative d'équations non linéaires et non dérivables. Dans ce mémoire, les variables d'entrées étaient définies par les propriétés hydrogéologiques des matériaux de la halde à stériles expérimentale. L'objectif de la calibration correspondait à un ensemble d'algorithmes visant à minimiser l'erreur entre les points spécifiques mesurés et simulés. Ce processus a permis d'itérer un nombre conséquent de propriétés hydrogéologiques jusqu'à l'obtention d'un optimum. Les paramètres calibrés ont ensuite été validés au moyen d'une simulation numérique de 523 jours représentant la durée totale de suivi sur la halde à stériles expérimentale. Le comportement hydrogéologique simulé de la halde était généralement proche des valeurs mesurées et l'écart entre les teneurs en eau volumique mesurées et simulées restait globalement inférieur à l'erreur de mesure des sondes de teneur en eau volumique. L'approche de calibration automatique a également pu être modifiée afin d'optimiser les propriétés de la CCE pour maximiser la déviation latérale de l'eau d'infiltration. La valeur « objectif » à minimiser correspondait dans ce cas aux volumes cumulés dans les lysimètres situés sous les stériles réactifs. L'optimum simulé représentait une efficacité de 100% pour une CCE de 0.77 m d'épaisseur et dont le matériau était sensiblement plus fin que le sable installé sur la halde expérimentale. La méthode de calibration proposée a donc permis d'obtenir une bonne calibration des propriétés hydrogéologiques des matériaux de la halde à stériles expérimentale de la mine du Lac Tio. L'approche développée a aussi permis l'optimisation d'une CCE adapté aux propriétés hydrogéologiques calibrées des roches stériles de la halde expérimentale.  ABSTRACT: Mining operations produce large volumes of waste rock to access economically valuable mineralized zones. Waste rocks are characterized by coarse and spread grain size distribution. Waste rock is generally stored in surface piles, where the construction and restoration represent a challenge for the industry. A flow control layer (FCL), made of fine granular material, and constructed on the top of each waste rock bench, could contribute to control water infiltration, thus improving the geotechnical and geochemical stability of the waste rock piles. An experimental waste rock pile was built on the Lac Tio mine site (Rio Tinto Fer et Titane, Quebec, Canada) to evaluate a performance of a FCL in field conditions (Bussière 1999, Aubertin et al. 2002a, Fala et al. 2005, Broda et al. 2014, Bréard Lanoix 2017, Martin et al. 2017, Dubuc 2018). Large-scale infiltration tests and rainfall monitoring for 17 months were carried out to assess the hydrogeological behavior of the experimental waste rock pile. The results were used to calibrate numerical simulations to optimize and extrapolate the method for other sites and other climatic conditions. However, the measured data was noisy and sometimes incomplete, making numerical simulations difficult to calibrate. The main objective of this project was to develop a new calibration method for the hydrogeological properties of a restoration system under unsaturated conditions and to apply it to the case of the experimental waste rock pile at the Lac Tio mine. The hydrogeological properties were the hydraulic conductivity and the parameters of the van Genuchten (2018) equation. The calibration was based on two large-scale infiltration tests which was possible to isolate marked variations in the measured volumetric water content in the different materials of the experimental waste rock pile. The approach consisted of defining for each infiltration test three characteristic points which represented the variations in volumetric water content induced by the passage of the wetting front. These parameters served as a comparison between numerical simulations and field measurements. The calibration method was based on black-box optimizations, themselves based on "mesh adaptive direct search" (Mads) type algorithms allowing iterative mathematical resolution of non-linear and non-differentiable equations. In this thesis, the input variables were defined by the hydrogeological properties of the materials in the experimental waste rock pile. The objective of the calibration to minimize the error between the parameter obtained by measurements and simulations. This process permitted to iterate a significant number of hydrogeological properties until an optimum was obtained. The calibrated properties were validated using a numerical simulation of 523 days representing the total monitoring time on the experimental waste rock pile. The simulated hydrogeological behavior of the waste rock pile was generally close to the measurements and the difference between the measured and simulated volumetric water contents remained less than the measurement error of the volumetric water content probes. The automatic calibration approach could also be modified to optimize the properties of the FCL to maximize the lateral deflection of the groundwater. The “objective” value was to minimize the cumulative water volumes in the lysimeters located under the reactive waste rock. The optimum result was 100% efficiency for a 0.77 m thickness with a new material thinner than the sand installed on the experimental waste rock pile. The proposed calibration method permits to obtain a good calibration of the hydrogeological properties of the experimental waste rock pile at the Lake Tio mine. The new approach also allowed the optimization of the FCL adapted to the calibrated hydrogeological properties of the waste rocks of the experimental waste rock pile.


identifier: Dib, M. (2020). Architecture basée sur HSM pour sécuriser les données sur un serveur d'applications mobiles  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans un monde où le besoin de connectivité ne cesse de croître, les applications mobiles deviennent de plus en plus répandues pour automatiser les tâches du quotidien. À présent, acheter un meuble, réserver un billet d'avion et transférer de l'argent à un proche sont devenus des opérations faisables en tout temps et en tout lieu. Cependant, cette mobilité accrue nécessite un transfert important de données et leur stockage sur un serveur donné. Une inquiétude émerge alors sur la sécurité de ces informations. L'histoire nous prouve que ces inquiétudes sont bien fondées, avec les nombreuses expériences de vol de données, d'usurpation d'identité et de destruction d'informations critiques. La littérature propose certes des solutions de sécurité, mais dont les failles les rendent peu fiables. Cette recherche propose une architecture de sécurité basée sur la technologie « Hardware Security Module » (HSM) pour protéger les données abritées sur les serveurs.  ABSTRACT: In a world where connectivity constantly increases, mobile applications are becoming more and more popular. They allow users to automate tasks that used to require time and effort, like buying a flight ticket, a piece of furniture or transferring funds to a relative. However, these mobile applications deal with numerous bits of information that need to be transferred and stored on a given server. Hence, uncertainties rely on the security of these data. Based on experiences from the literature, our data is not always safe. Identities have been impersonated and vital information stolen or destroyed. While the current practices try to ensure data security, they are flawed and thus unreliable. Hence, this research suggests a security architecture based on the Hardware Security Module (HSM) technology to protect server-side data. This technology is specialized in cryptographic operations and allows us to review some limitations in the current methods.


identifier: Mahmoudi, C. (2020). Approche globale de l'affectation des patients dans une unité de soins intensifs pédiatriques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'unité des soins intensifs du CHU Sainte-Justine a un fonctionnement particulier, tout d'abord par ses ratios infirmiers (1 pour 1 ou 1 pour 2), mais surtout pour son organisation spatiale. Sur les 32 chambres qui composent l'unité, certaines sont reliées deux à deux par des alcôves permettant aux infirmières d'avoir une vue sur deux chambres simultanément. Ainsi, lorsqu'une infirmière est en charge de deux patients, ceux-ci doivent se trouver dans des chambres reliées par la même alcôve. Cette disposition permet aux infirmières de diminuer leurs déplacements, mais implique de nombreux transferts de lits intra-unité qui pèsent énormément sur les soins intensifs de par l'intervention de différents membres du personnel hospitalier (AICs, infirmières, préposés aux bénéficiaires etc.). Les modèles d'affectation des patients aux chambres et des patients aux infirmières sont communs dans la littérature, mais notre étude s'en différencie en proposant une méthode répondant simultanément à ces deux problèmes et en intégrant la notion de transferts de lits comme paramètre de décision. Dans le cadre de ce projet, nous avons débuté par réaliser des observations dans l'unité afin de mieux comprendre son fonctionnement et les processus d'affectation et de transfert. Nous avons alors remarqué qu'en considérant que chaque transfert avait un poids différent et en anticipant les entrées et les sorties, il était possible de diminuer l'impact des transferts sur les SIP. Ainsi, nous avons proposé deux nouvelles méthodes d'affectation des patients basées sur les pistes d'amélioration identifiées. Ces modèles se sont notamment appuyés sur un coût de transfert variable, dépendant des caractéristiques des patients, que nous avons développé et qui quantifie la lourdeur d'un transfert. Dans cette étude, nous nous intéressons à une approche globale de l'affectation des patients dans l'unité, comme moyen de réduire le nombre de transferts de lits tout en conservant une charge de travail équilibrée entre les infirmières. La première méthode en programmation linéaire en nombres entiers a montré des résultats bien meilleurs que ceux de la pratique courante, en diminuant de 10 en moyenne le nombre de transferts pour une semaine, mais aussi en proposant des transferts 86% moins lourds, tout en permettant de conserver une charge de travail équilibrée. Le temps d'exécution de cette méthode étant parfois très long, nous avons donc également développé une heuristique. En effet, l'unité des soins intensifs pédiatriques ne recherchant pas une résolution exacte, nous avons décidé de proposer plusieurs solutions et de comparer leur performance. Cette heuristique se base sur le fonctionnement de l'affectation réalisée au CHU Sainte-Justine, mais en améliorant certains paramètres. Celle-ci a permis d'obtenir jusqu'à 8 transferts de moins sur une semaine et d'obtenir un coût de transfert plus faible de 41% en moyenne. Néanmoins, elle s'accompagne d'une dégradation de la charge de travail par rapport à la pratique courante. Les résultats restent tout de même meilleurs en globalité avec l'heuristique d'après la définition de notre fonction objectif. De plus, nous avons également pu démontrer qu'elle restait également efficace en situation d'incertitude, c'est-à-dire lorsqu'il n'était pas possible de prévoir, sur plus d'un quart, les entrées et les sorties des patients. C'est un point important pour une unité de soins intensifs, car la grande majorité de ses patients sont des patients urgents dont l'état de santé peut se dégrader rapidement.  Ainsi, nous avons pu démontrer qu'en intégrant les transferts comme paramètre de décision lors de l'affection des patients, il était possible d'en diminuer le nombre et le poids, tout en conservant un bon l'équilibrage de la charge de travail.  ABSTRACT: The CHU Sainte-Justine's paediatric intensive care unit has a special organisation because of its nurses' ratio (1 for 1 or 1 for 2) and more importantly its spatial arrangement. Among the 32 rooms of the unit, some of them are linked in pairs by alcoves, which enable nurses to see both rooms simultaneously. Thus, when a nurse has to take care of two patients, they must be assigned to two rooms linked by an alcove. This organisation avoids nurses' moves but implies a lot of bed transfers for the patients, which also have a significant weight on the unit because they require the intervention of different members of the medical team (AICs, nurses, care attendants and so on). The bed-patient assignment and the nurse-patient assignment are common in the literature, but our study stands out by proposing a method solving both problems altogether and including bed transfers as a decision parameter. We first began our study with observations in the unit to understand how it works and how the patients are assigned and transferred. Then we noticed that assuming all transfers as different and predicting admissions and discharges could reduce the impact of transfers in the ICU. Thus, we propose two assignment methods based on those possibilities of improvement. They will use a variable cost of transfer, depending on the characteristics of the patient, we first developed and which measures the weight of a transfer. In this study, we will focus on a global approach of the patient assignment as a way to reduce the number of bed transfers, while keeping a balanced workload between nurses. The first model in integer linear programming shows better results than the common practice by decreasing by 10 the average of transfers during a week and reducing their weight by 86%, while keeping a good workload. The resolution time was sometimes too long, that is why we also developed a heuristic. Indeed, an exact solution was not the purpose of the unit, so we decided to propose different solutions and compare their performance. This heuristic is based on CHU Sainte-Justine's affectation strategy, but which improves some of the parameters. Thanks to it, the cost of transfer was reduced by 41% and the number of transfers decreasing by 8 through a week. The balance of the workload is not as good as what we could have obtained with the current methodology. However, the chosen objective function shows that the final results are better with the heuristic. Moreover, we demonstrated that our method is still effective under uncertainty when admissions and discharges can't be predicted. This is a major focus point in an intensive care unit because most of the patients are urgent patients whose health condition could quickly decline. In conclusion, we have shown, through this study, that using transfers as a decision parameter of the patient assignment enables to reduce their number and weight and still have a good balanced workload.


identifier: Zoghlami, S. (2020). Modélisation numérique des écoulements diphasiques dispersés  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les écoulements diphasiques à bulles sont largement rencontrés dans de nombreuses applications industrielles, à l'instar du transfert de masse (turbines aérantes), du transfert de chaleur (générateurs de vapeur), des réactions chimiques (ozonation dans le traitement des eaux usées). La mécanique des fluides numérique est un outil essentiel pour concevoir des systèmes industriels efficaces. La compréhension de la dynamique des nuages de bulles est essentielle pour développer des outils numériques précis. Cependant, en raison de la complexité des configurations diphasiques, de nombreux phénomènes diphasiques restent totalement ou partiellement non résolus. En particulier, la modélisation de la physique des phénomènes à l'origine du mélange des bulles dans une matrice liquide reste un défi majeur. L'une des faiblesses de la plupart des modèles existants d'écoulement diphasique est due au traitement incomplet de la dispersion des bulles. En effet, la dispersion peut découler de nombreux phénomènes complexes, tels que la turbulence, la distribution de pression locale et les interactions entre bulles. Cette thèse porte sur l'étude des effets de la masse ajoutée sur la dispersion des bulles. La contribution de la force de masse ajoutée dans la dispersion est quantifiée par le développement de la force de Meshchersky. Cette dernière est une conséquence naturelle de la variation de la masse ajoutée. Nous avons comparé nos calculs numériques aux données expérimentales obtenues pour une colonne à bulles. Nous avons observé l'effet dispersif de la force de Meshchersky dans les deux directions horizontale et transversale. De plus, nous avons constaté que la force de Meshchersky contribue à l'arrangement de bulles sur des plans horizontaux parallèles. Ce comportement a été observé dans des applications industrielles et des études expérimentales. Par contre la physique responsable de ce mécanisme n'est pas encore complètement identifiée. Nous avons constaté que pour l'approche Euler-Euler, l'effet de masse ajoutée sur la dispersion des bulles est encore incomplet en raison de la perte d'informations provenant du processus du calcul de la moyenne des équations de conservation. En effet, pour bien saisir la dispersion dans la description eulérienne, nous devons prendre en compte la distribution locale des bulles. Cela est possible en incluant l'effet du gradient de taux de vide dans la modélisation de la masse ajoutée. Dans ce contexte, nous proposons un modèle complet de masse ajoutée, qui inclut la distribution locale des bulles via le gradient de taux de vide. Le gradient de taux de vide permet de prendre en compte l'asymétrie du nuage de bulles autour d'une bulle de référence. Cependant, ce modèle ne peut représenter que des nuages de bulles réguliers. Cette méthodologie permet une prise en compte plus cohérente des effets de masse ajoutée ainsi que des forces de Meshchersky, qui devraient être incluses dans les modèles hydrodynamiques des écoulements diphasiques dispersés. L'approche proposée peut être mise en oeuvre dans un modèle Euler-Euler destiné à prendre en compte la dispersion des bulles induite par l'effet de la masse ajoutée.  ABSTRACT: Bubbly two-phase flows are largely encountered in many industrial applications, amongst others for mass transfer (aerating turbines), heat transfer (steam generators) and chemical reaction (ozonation in wastewater treatment). Computational fluid dynamics is an essential tool to design efficient industrial systems. The understanding of the mechanics of the bubble cloud dynamics is essential in order to develop accurate numerical tools. However, due to the complexity of its configurations, many complex two-phase flow phenomena have not been explained or are partially resolved questions. In particular, modeling the physics of the phenomena driving the mixing of bubbles in a liquid matrix is still a major challenge. One of the weaknesses of most existing two-phase flow models are due to the incomplete handling of bubble dispersion mechanisms. In fact, dispersion can be driven by numerous complex phenomena, such as turbulence, local pressure conditions and bubble-bubble interactions. This thesis is devoted to the study of the effect of added mass on the dispersion of bubbles. In the Euler-Lagrange modeling, the contribution of the added mass force in bubbly flow dispersion is quantified by the development of a new force. This force is a consequence of the added mass variation. We called it the Meshchersky force. For the Euler-Euler model, we compared our numerical calculations to experimental data from a bubble column. We observed the dispersive effect of the Meshchersky force on both horizontal and transverse directions. In addition, we have found that the Meshchersky force is one of the mechanisms responsible for horizontal bubble clustering. This type of behavior has been encountered in several industrial applications and experimental studies. Nevertheless, the physics responsible for it is not yet fully understood. However, the added mass effect on the void fraction spreading is still incomplete because of the loss of information from the averaging process of conservation equations. Indeed, in order to properly capture the dispersion in the Eulerian description, we must take into account the distribution of the bubbles. This is possible by including the effect of the void fraction gradient in the added mass modeling. In this context, we propose a complete added mass model, which includes local bubble configuration via the void fraction gradient. The void fraction gradient allows us to account for the asymmetry of the bubble cloud around a single central bubble. However, this model can only represent regular bubble clouds. This methodology results in a more consistent consideration of the added mass effects as well as the Meshchersky force, that should be included in hydrodynamic two-phase flow models. The proposed approach can be implemented in an Euler-Euler model intended to consider the dispersion of bubbles caused by the effect of added mass.


identifier: Masse, M. (2020). Étude de la résistivité électrique de rubans supraconducteurs industriels dans le régime sur-critique  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal des travaux présentés dans ce mémoire est de caractériser la résistivité électrique de rubans supraconducteurs industriels dans le régime sur-critique. Plus précisément, ceci consiste à développer un modèle physique, à partir de mesures expérimentales, permettant de décrire en fonction du courant et de la température, la résistivité au-dessus du courant critique. Caractériser le comportement électrique de rubans supraconducteurs s'avère essentiel afin d'optimiser l'utilisation de ce type de matériaux dans différents domaines tels que le transport d'énergie ou la fabrication d'électroaimants. Dans l'atteinte de cet objec-tif, il devient primordial de pouvoir contrôler parfaitement les conditions expérimentales. En effet, l'étude à fort courant des échantillons supraconducteurs amène son lot de défis sur le plan thermique. La chaleur produite dans l'échantillon étant proportionnelle au carré de la densité de courant injecté, il est nécessaire de forcer le passage du courant sur une très courte durée afin d'éviter un bris de l'échantillon. Selon ce principe, le professeur Sirois a développé lors des dernières années une source de courant pouvant atteindre des milliers d'ampères en quelques dizaines de microsecondes. L'utilisation d'une source de courant pulsée limite la quantité d'énergie injectée dans l'échantillon tout en permettant d'étudier le comportement des supraconducteurs au-dessus du courant critique. Afin d'atteindre l'objectif fixé, la première étape vise à améliorer l'équilibre thermique du montage. Lors des travaux précédant ce mémoire, il a été constaté que l'échantillon, une fois installé dans le système cryogénique, possédait un gradient en température sur toute sa longueur, c'est-à-dire que sa température initiale n'était pas identique partout sur l'échantillon. Dans la perspective de vouloir caractériser le comportement électrique selon la température, il est primordial de contrôler parfaitement les conditions expérimentales. Des simulations en éléments finis ont permis de cerner la source des problèmes thermiques sur le montage expérimental. La problématique principale venait du fait que l'amené de courant, qui fait le lien électrique entre la source et l'échantillon, était composé de plusieurs couches où l'aller et le retour de courant s'alternaient pour diminuer l'induction. Ceci avait pour effet de diminuer grandement le transfert thermique qui se réalisait en raison des nombreuses interfaces et connexions dans le cryostat. Des modifications ont donc été apportées au montage en changeant notamment l'amené de courant et en installant une autre pince de refroidissement pour maximiser le transfert thermique. Les mesures en laboratoire ont permis de constater que le gradient de température sur la longueur de l'échantillon a diminué de 20 à 2 K grâce aux modifications apportées.  ABSTRACT: The main aim of the work presented in this thesis is to characterize the electrical resistivity of industrial superconducting tapes in the over-critical regime. More precisely, developing a physical model, from experimental measurements, which allows to describe the resistivity above the critical current according to the current and the temperature. Characterizing the electrical behaviour of superconducting tapes is essential in order to optimize the use of this type of material in various fields such as energy transport or manufacture of electromagnets. In order to achieve this goal, it is essential to fully control the experimental conditions. Indeed, the study of superconducting samples at high currents brings its share of challenges on the thermal level. Since the heat produced in the sample is proportional to the square of the injected current density, it is necessary to force the current to flow over a very short time in order to avoid damage of sample. According to this principle, Professor Sirois has developed in recent years a current source that can reach thousands of ampere in a few tens of microseconds. The use of a pulsed current source restrains the amount of energy injected into the sample while allowing the study of superconductors above the critical current. In order to achieve the main objective, the first step is to improve the thermal balance of the experimental set-up. Prior this thesis, work showed that the sample had a temperature gradient over its length once installed in the cryogenic system, had a temperature gradient over its entire length, i.e. its initial temperature was not the same throughout the sample. In order to characterize the electrical behaviour as a function of temperature, it is essential to fully control the experimental conditions. Finite element simulations were used to identify the source of the thermal problems on the experimental set-up. The main issue came from the current leads, the electrical link between the source and the sample, which is made up of several layers where the outward and return current are alternating to reduce induction. It caused to greatly reduce the transfer that took place due to the numerous interfaces and connections in the cryostat. Adjustements were therefore made to the set-up by changing the current leads and installing another cooling clamp to maximize heat transfer. Labora-tory measurements showed that the temperature gradient over the length of the sample was reduced from 20 to 2 K due to these adjustments.


identifier: Langot, J. (2020). Multi-Physics Modeling of Aerospace Composites Exposed to Fire  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les matériaux composites utilisés en aéronautique doivent réussir des tests de résistance au feu leur imposant de remplir leurs fonctions tout en étant exposé à une flamme durant un temps donné. Or, la combustion d'un matériau composite est un processus complexe impliquant l'interaction entre plusieurs phénomènes thermiques, chimiques et physiques. En particulier, certains phénomènes tel que l'inflammation des gaz issus de la pyrolyse du composite peuvent jouer un rôle crucial lors de sa dégradation. L'utilisation de modèles numériques permet d'étudier les différents processus agissant sur la dégradation du composite et d'aider au développement de nouveaux matériaux résistants au feu. L'objectif de cette thèse est de modéliser la dégradation thermo-chimique d'un matériau composite exposé à une flamme. L'outil prédictif est composé de deux modèles couplés. Premièrement, un modèle thermo-chimique prédit la variation temporelle et spatiale de la température et de la densité du composite en fonction de ses propriétés et des conditions du test de résistance au feu. Ce modèle prend en compte les transferts de chaleur et les réactions chimiques dans l'épaisseur du composite. En particulier, plusieurs mécanismes de réactions chimiques sont proposés afin de modéliser la décomposition chimique de la phase solide en fonction de sa température. Les propriétés thermo-physiques du matériau sont mesurées lors d'expériences indépendantes afin d'être utilisées en tant que paramètres d'entrée dans le modèle. Ensuite, un modèle de cinétique chimique (Cantera) simule l'inflammation des gaz émis par les réactions chimiques en phase solide dans un environnement pauvre en oxygène. L'influence de cette source de chaleur supplémentaire sur la dégradation du matériau est étudiée. Le modèle global est validé à l'aide d'un test de feu à petite échelle, développé afin d'imiter les conditions rencontrées lors de tests de feu à plus grande échelle. Le modèle numérique obtenu s'adapte à différentes conditions de test de feu et à différents matériaux. Il est capable de prédire l'évolution de la température du composite et le temps d'allumage de façon purement théorique, sans avoir recours à des paramètres empiriques propres à chaque test et matériau. En particulier, les résultats montrent que le flux de chaleur reçu par le matériau durant son inflammation est deux fois plus important que celui reçu du test de feu. Concernant la décomposition thermo-chimique du matériau, le mécanisme basés sur des réactions compétitives est le seul permettant de reproduire la masse résiduelle du matériau après exposition à de hautes températures, mais décrit la variation de masse avec moins de précision que les mécanismes basés sur des réactions consécutives ou parallèles.  ABSTRACT: Composites are widely used in the aerospace industry and must act as firewalls in some applications. Their flammability is assessed through standardized fire tests requiring the material to resist to a calibrated pilot flame during 15 minutes. The combustion of the composite is driven by the complex interactions of thermal, chemical and physical processes. In particular, the chemical degradation of the composite produces combustible gases that may ignite when they encounter the pilot flame, providing an additional heat source close to the surface and leading to the rapid destruction of the composite. Fire tests yield a pass or fail verdict but cannot provide insight of the phenomena at stake. The development of new numerical tools could help to understand the interactions of these complex phenomena and support the development of new fire resistant composites. The objective of this thesis is to develop a multi-physics tool to predict the thermo-chemical degradation and ignition of a composite exposed to a pilot flame. An in-house pyrolysis model is developed to compute the material thermo-chemical degradation and coupled with a chemical kinetics software (Cantera) to model the gas-phase reactions. The solid-phase thermo-chemical model accounts for heat transfers, pyrolysis, oxidation and transport of mass through the composite thickness as a function of time. Several reaction schemes, including reactions of different nature (competitive, parallel, consecutive), are compared to model the solid-phase chemical reactions. The composite thermo-physical properties are measured through independent experiments and used as input parameters in the predictive tool. The model is validated against a small-scale test imitating the conditions encountered in largescale fire tests. The method developed here is versatile and does not depend on empirical parameters specific to the fire test conditions. The evolution of the backface temperature as a function of time and of the time-to-ignition for a composite exposed to fire are predicted with a good agreement. In particular, the simulations show that the heat flux received by the material approximately doubles when the pyrolysates ignite. The analysis of the thermo-chemical degradation showed that the schemes based on competitive reactions are the only models able to predict the variation of residual mass of the material exposed to heat as a function of the heating rate, but are less accurate than schemes based on parallel or consecutive reactions to represent the material mass loss rate.