identifier: Ikram, A. (2018). Low-Profile Antennas for Aircraft Communication Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans les aéronefs, les antennes sont utilisées pour les communications ainsi que pour différents systèmes de navigation allant de 30 MHz à 4 GHz et plus. Le positionnement des antennes sur l'aéronef est crucial pour les systèmes avioniques. Les antennes de type « lame » (blade antennas) sont généralement utilisées dans l'aéronef pour divers systèmes de communication. L'antenne lame est essentiellement un monopole qui fait généralement autour d'un quart à un huitième de longueur d'onde et est encapsulée dans un radôme. À basse fréquence, la taille de la lame devient suffisamment grande pour introduire du bruit, augmenter la traînée aérodynamique de l'antenne et causer des dommages suite à une collision avec des équipements au sol lors de l'entretien et le service de l'aéronef. Par conséquent, et afin d'améliorer l'aérodynamisme des avions commerciaux efficaces, il devient nécessaire de disposer d'antennes conformes, à hauteur réduite et multifonctionnelles. Dans les avions commerciaux performants, l'aluminium est graduellement remplacé par un matériau composite à base de fibres de carbone. Ce matériau a l'avantage d'offrir une résistance meilleure que celle de l'aluminium pour un poids équivalent et aussi de réduire les coûts d'enretien et de réparation. Dans cette thèse, quatre différents concepts d'antenne sont suggérés afin de réduire la hauteur d'une antenne, comparée aux antennes disponibles sur le marché pour des bandes de communications à Très Hautes Fréquences (VHF Comms 118-137 MHz), du système d'alerte de trafic et d'évitement de collision (TCAS 1.03-1.09 GHz) et du système d'équipement de mesure de distance (DME 0.96-1.22 GHz). Deux des concepts proposés sont basés sur le l'antenne en T avec des broches de court-circuit et des tronçons parasites pour rendre l'antenne à profil bas. Les deux autres concepts utilisent le chargement d'un monopole avec un matériau magnéto-diélectrique (MMD) et le chargement d'une antenne planaire avec un conducteur magnétique artificiel (CMA) pour rendre l'antenne à profil bas. Le premier design consiste en une antenne bi-bande couvrant à la fois les bandes Comms TCAS et VHF. Une antenne VHF d'un dixième à l'échelle physique a été étudiée précédemment dans notre groupe de recherche, se basant sur le concept de monopole en T avec broches de court-circuit et tronçons parasites.  ABSTRACT: In aircrafts, antennas are used for communications as well as for different navigation systems ranging from 30 MHz to 4 GHz and more. The placement of antenna on the aircraft is critical to avionic system of an aircraft. Typically blade antennas have been used in the aircraft for various communication systems. Blade antenna is basically monopole of height usually about a quarter of a wavelength to one-eighth of a wavelength and encapsulated in a radome. At low frequency the size of blade becomes large enough to introduce the acoustic noise and increase the parasitic drag of the antenna and do mechanical damage and collision with ground equipment during aircraft maintenance and service. Hence to improve the aerodynamics of efficient commercial aircrafts there is a need of reduced height, conformal and multifunction antennas. In efficient commercial aircrafts aluminum has been replaced by composite material, other than being expensive it has advantage of such as weight reduction, more strength than aluminum and has fewer maintenance and repair costs. In this dissertation four different antenna designs are proposed to reduce the height of an antenna as compared to commercially available antennas for Very High Frequency Communications (VHF Comms 118-137 MHz), Traffic Collision Avoidance System (TCAS 1.03-1.09 GHz) and Distance Measuring Equipment (DME 0.96-1.22 GHz) bands. Two of the designs proposed here are based on the concept of top-loaded antenna with shorting pins and parasitic stubs to make the antenna low-profile. The other two use the loading of a monopole with magneto-dielectric material (MDM) material and loading of a patch antenna with artificial magnetic conductor (AMC) to make the antenna low-profile. The first design is a dual-band antenna covering both TCAS and VHF Comms bands. Previously in our research group a physically scaled one-tenth of VHF antenna has been investigated, which uses the concept of top-loaded monopole with shorting pins and parasitic stubs. In this work the VHF antenna has been optimized and modified for full-scaled VHF frequency band. An interface plate has been added to the antenna structure so that it can easily be placed on any platform suitable for future testing or use. A novel approach has been used to feed the TCAS antenna placed over the VHF band antenna. Such design has an advantage of having dual-band coverage while using footprint of one antenna on the surface of an aircraft.


identifier: Pombert, O. (2018). Synthèse de catalyseurs de cobalt et de magnésium supportés sur du nitrure de bore pour l'oxydation partielle du méthane  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Chaque année, les compagnies pétrolières brûlent des milliards de mètres cubes de gaz associé qui ne représentent pas une source de profits. Ces gaz quittent le liquide dans lequel ils sont dissous lors de l'extraction du pétrole ou du forage pour de nouveaux puits, dû à la différence de pression entre le puit où le pétrole est enfoui et la surface. Ce gaz ne représente qu'une faible partie du liquide extrait. Par conséquent, les coûts des installations de récupération ou de conversion excèdent les profits potentiels. L'option la plus simple : le brûler ou le relâcher, ce qui est pire puisque le méthane, principal composant des gaz associés, pose un problème encore plus élevé que le dioxyde de carbone au niveau de l'effet de serre.  ABSTRACT: - Each year, oil companies burn billions of cubic meter of associated gases unprofitable to them. The lower pressure at the surface, compared to the depths where oil is naturally stored, forces the gases out of solution. Their relatively low quantity compared to the liquid fraction makes it difficult to recover the costs of the recovery or conversion installations. Therefore, the easy and cheap option is to simply burn them, or worst, to release them directly to the atmosphere. A method to make those gases profitable, is to convert them into liquids. Different technologies exist to do so and yield liquids such as methanol, dimethyl ether or clean diesel, the Fischer-Tropsch fuels.


identifier: Brodeur, J. (2018). Stratégies pour la conception de diodes électroluminescentes organiques hautement efficaces  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) sont devenues des dispositifs de choix pour les technologies d'affichage, particulièrement pour les pixels d'écrans mobiles. En effet, les écrans OLED possèdent une excellente qualité d'image due à un meilleur contraste de couleur, une luminosité élevée, une émission indépendante de l'angle d'observation et une faible consommation énergétique. De plus, les OLEDs ont l'avantage d'être constituées d'une structure simple et mince qui permet la fabrication de sources de lumière flexibles et étirables. Cette caractéristique permet l'utilisation d'OLEDs pour de nouvelles applications incompatibles avec l'utilisation de diodes électroluminescentes inorganiques traditionnelles telles que les écrans flexibles et roulables et les vêtements lumineux. Les OLEDs flexibles infrarouges sont particulièrement intéressantes puisqu'elles peuvent être intégrées à des bio-senseurs pouvant être facilement ajustés aux formes du corps humain afin d'imager des tissus. Quoique les OLEDs à l'état de l'art démontrent d'excellentes efficacités quantiques, celles-ci sont encore limitées par les pertes optiques liée à leur structure planaire formant une microcavité. En particulier, l'utilisation de ITO, un matériau de choix pour les anodes transparente d'OLED, réduit fortement l'extraction de lumière hors du dispositif en agissant comme guide d'onde qui transmet latéralement la lumière émise par la OLED. De plus, le ITO est un matériau fragile qui est incompatible avec la conception d'OLEDs flexibles. La substitution de l'ITO reste un problème complexe à résoudre puisque le nouveau matériau doit être transparent et conducteur en plus d'être facilement intégrable aux structures OLEDs existantes. Ensuite, la fabrication d'OLEDs efficaces émettant dans le proche infrarouge (PIR) constitue un second problème difficile à surmonter. Plusieurs stratégies ont été implémentées afin d'améliorer leurs performances mais, à ce jour, aucun dispositif ne démontre une efficacité quantique plus élevée que 5% pour cette gamme de longueurs d'onde. Ceci est dû en autres à la difficulté de synthétiser des émetteurs PIR efficaces. Dans un premier temps, le modèle du dipôle électrique oscillant classique est présenté. Ce modèle permet de prédire les différentes sources de pertes optiques dans des structures planaires arbitraires et peut servir de guide lors de la conception de dispositifs OLEDs. Le modèle de dipôle est d'abord validé en comparant des simulations de la densité d'états optiques de cristaux minces de MoS2 et de GaSe à celles obtenus expérimentalement par imagerie de plan focal arrière. La nature des transitions excitoniques pour les deux types de cristaux est ensuite déduite de l'orientation du moment de transition dipolaire extraite du modèle.  ABSTRACT: Organic light-emitting diodes (OLED) have become widely used for display technologies, particularly for the individual pixels within mobile displays. This is a consequence of their high color contrast and brightness, an angle-dependant emission and low power consumption. In addition, their thin structure and weak intermolecular bonding allows for the fabrication of flexible and stretchable devices. This feature enables novel applications incompatible with the use of inorganic light-emitting diodes such as flexible and rollable screens and integration into fabric for light-emitting clothes. Flexibles infrared OLEDs are of particular interest since they can be integrated into biosensors that can be easily molded to the human body for tissue imaging. Even if state-of-the-art OLEDs show excellent quantum efficiencies, their performance is still limited by optical losses due to their planar structure which acts as a microcavity. In particular, the use of ITO, a choice material for bottom-emitting OLED transparent anodes, strongly reduces the extraction of light out of the device by acting as a waveguide that laterally transmits the OLED emission. Moreover, ITO's brittle nature makes it incompatible with the fabrication of flexible OLEDs. The issue of replacing ITO is not trivial since its replacement material has to be highly transparent, conducting and easily integrable to existing OLED structures. Secondly, the production of efficient near-infrared (NIR) OLEDs is another problem that is difficult to overcome. Several strategies have been implemented to improve their performance but, to date, no device has shown a quantum efficiency higher than 5% for this wavelength range. This is in part due to the difficulty of synthesizing efficient NIR emitters. First, a model for radiation from a classical oscillating electric dipole is presented. This model predicts the different pathways for optical losses in arbitrary planar structures and can be used as a guiding tool when designing OLEDs structures. The dipole model is first validated by comparing simulated thin MoS2 and GaSe crystal optical density of states with those obtained experimentally by back focal plane imaging. The nature of the excitonic transitions for both types of crystals is then deduced from the orientation of the dipole transition moment extracted from the model. Then, the angular-resolved emission obtained from a green phosphorescent organic emitter, Ir(ppy)2(acac), is compared with simulations from the dipole model. The fitting of experimental and theoretical spectra have confirmed that the organic pigment exhibits a preferentially horizontal transition dipole moment orientation depending on the type of host material used.


identifier: Darviot, C. (2018). Thérapie laser assistée par nanoparticules plasmoniques du rétinoblastome  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le rétinoblastome (RB), qui touche environ 1 enfant sur 18 000 est le cancer infantile le plus fréquent. Il existe sous forme héréditaire, avec un risque accru de bilatéralité, ou sporadique et est lié à des mutations du gène Rb. Bien que les chances de survie soient très élevées dans les pays dits développés, il n'est pas rare que la solution finale pour l'éradication du cancer soit l'énucléation, autrement dit le retrait de l'oeil. En effet, parmi les stades de développement de la tumeur, qui nait initialement à la surface de la rétine, on compte l'essaimage de la tumeur vers la partie centrale de l'oeil, le corps vitré. Les cellules tumorales prennent alors une nature flottante et leur éradication en devient d'autant plus compliquée. Si initialement des traitements de cryothérapie et thermothérapie peuvent être utilisés, le seul traitement admissible à ce stade est la chimiothérapie intravitréenne. L'humeur vitrée, principalement composée de collagène et d'acide hyaluronique, présente une forte viscosité et rend plus difficile le ciblage des tumeurs par les médicaments. C'est ainsi que, pour éviter l'envahissement du cerveau par le nerf optique, enlever l'oeil parait une solution tout à fait préférable. Comme alternative aux traitements chimiothérapeutiques usuels, souvent lourds en effets secondaires, nous proposons ici une preuve de concept pour le traitement laser assisté par nanoparticules plasmoniques du rétinoblastome. Cette méthode présente l'avantage de produire une très forte augmentation de température hautement localisée, permettant de tuer les cellules cancéreuses sans affecter les tissus alentour. Bien que l'interaction laser-nanoparticules ait fait l'objet de beaucoup de recherche pour des applications dans le domaine médical, on ne retrouve qu'étonnamment peu de cas appliqués au traitement du cancer dans l'oeil. Les cellules Y79 utilisées pour l'étude, de par leur nature flottante, apportent de nouveaux enjeux à la démonstration in vitro. Ayant une forte tendance à former des amas cellulaires elles apportent en effet une structure tridimensionnelle à l'étude. Dans un premier temps, afin de simplifier le système étudiées les cellules seront artificiellement attachées au fond des pétris à l'aide d'un polymère. Les utilisations de deux types de lasers seront comparées, ainsi que différents paramètres tels que la fluence laser, la concentration en nanoparticules, le temps d'irradiation et le taux de re-prolifération cellulaire 18h après irradiation. Dans un deuxième temps, afin de se rapprocher des conditions réelles, un simili-vitré constitué d'acide hyaluronique et de milieu de culture cellulaire est réalisé et le traitement est mené directement sur les amas cellulaires. Nous avons ainsi pu montrer que, malgré la viscosité, les nanoparticules se rendaient jusqu'au coeur des amas. En utilisant un laser pulsé nanoseconde et des nanoparticules d'or de 100nm, nous sommes parvenus à un taux de mort cellulaire d'environ 80% pour une fluence d'irradiation de 0,2μJ/μm2 dans le simili-corps vitré.  ABSTRACT: The retinoblastoma (RB), an infantile eye cancer, concerns 1 of 18 000 births and is usually diagnosed before 6 years old. It exists under two forms, hereditary or sporadic, and is linked with the Rb gene mutation. Two stages are described in the literature. At the beginning, the tumor grows on the retina. At this stage, the usual treatments, depending on the tumor size, are cryotherapy or surgery complemented with localized chemotherapy. Then the tumor detaches from the retina and starts floating in the vitreous. The viscosity of the vitreal chamber prevents any surgery and the only possible treatment is chemotherapy. Moreover, at this step, the risk of migration towards the brain is highly increased. Unfortunately, to avoid dramatic complications, enucleation is often the best option. As an alternative and efficient localized therapy, we have investigated laser induced plasmon-mediated hyperthermia which offers the advantage of producing a highly localized heat increase of the cancer cells, thus killing these cells by avoiding any side effects on healthy tissues. This work aims to establish a proof of concept for in vitro treatment of RB cells with nanosecond laser and 100nm spherical gold nanoparticles (SNG) and extend this new therapy to phantom reproducing vitreous of the eye. Nanosecond laser surgery, assisted by plasmonic effect from gold nanoparticles have been investigated in numerous cases of cancers. However, the Y79 cells, which are floating cells, bring new issues for in vitro studies: it adds a new dimension as they naturally grow in 3D clusters. The first study is performed by artificially attaching the cells to the petridishes with poly-L-lysine and the dead cells are counted with PI fluorescence. Furthermore, dead cells 18h and 24h hours after irradiation were evaluated in order to estimate the reproliferation after treatment. In vitro studies were performed by varying different parameters such as the laser power, the exposure time to laser irradiation per cell and the concentration of nanoparticles. To mimic the eye, we are artificially fabricating a phantom of the vitreous in which RB cells are cultured. The vitreous is mainly composed of water (98%), hyaluronan, collagen and proteins. The hyaluronan, a polymer naturally present under different sizes in the eye, has been chosen to mimic the vitreous. The obtained gel was characterized by measuring its viscosity to validate the model. Cellular growth rate and cells distribution were obtained and compare to those from conventional culture medium. We have verified that the nanoparticles can reach their target RB cells in this phantom and that we can kill up to 80% of Y79 cells with a 0,2μJ/μm2 irradiation. Furthermore, we noticed that viscosity of the surrounding medium has increased the efficiency of the treatment.


identifier: Bejaoui, N. (2018). Adaptation du modèle FEEDBACK pour évaluer les propriétés neutroniques d'un nouveau cœur CANDU-SCWR en géométrie hexagonale  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le projet de recherche proposé ici s'inscrit dans le cadre du programme de recherche international portant sur les réacteurs de quatrième génération. Premièrement, ce projet étend les domaines d'applicabilité de la chaîne de calcul de coeur DRAGON/DONJON aux réacteurs à eau supercritique en étudiant l'impact de la présence du thorium (distribué avec du plutonium) dans le combustible et l'impact des transitoires de puissances sur les bases de données du calcul de réacteur. Le modèle FBM, implémenté dans la chaîne DRAGON/DONJON pour la simulation des réacteurs CANDU, est adapté et appliqué aux réacteurs CANDU-SCWR. Deuxièmement, il optimise les options du design du réacteur en analysant la faisabilité d'un modèle alternatif CANDU-SCWR compact basé sur la géométrie hexagonale tout en satisfaisant les objectifs fixés par le programme de réacteurs de quatrième génération. Lors de l'adaptation du modèle FBM, une attention particulière a été portée aux paramètres locaux associés au combustible et au caloporteur. D'abord, l'effet de variation de la puissance de grappe sur les paramètres neutroniques de la cellule et du coeur est étudié. Cet effet est associé à la variation de la concentration isotopique de l'isotope fissile du combustible, à savoir l'uranium 233. Pour évaluer correctement la concentration de l'uranium de chaque grappe, la méthode de calcul utilisée consiste à résoudre les équations isotopiques associées à la chaîne d'évolution du thorium à l'étape de calcul du coeur. Cette méthode est utile pour simuler le rechargement du combustible par batch et à l'arrêt du réacteur. Elle permet de simuler les transitoires de puissances subies par la grappe à la mise en marche du réacteur. Ensuite, les effets de variation des paramètres thermohydrauliques associés au combustible et au caloporteur (la température et la densité) sont vérifiés et analysés. Il a été observé que les calculs de coeur CANDU-SCWR avec les modifications apportées au modèle FBM sont satisfaisants pour la simulation des perturbations des paramètres locaux de la grappe. Pour proposer un modèle de coeur alternatif au modèle de coeur standard, des calculs de transport à l'échelle de la cellule et des calculs de diffusion du coeur entier sont réalisés. Les calculs de cellule avec les codes SERPENT et DRAGON permettent d'obtenir un premier aperçu des propriétés de la cellule hexagonale considérée lors de la conception du modèle du coeur compact. De plus, à partir des caractéristiques du réseau hexagonal, il a été possible d'optimiser une cellule hexagonale alternative permettant de réduire le volume du modérateur (en le remplacant par le caloporteur) et d'améliorer les paramètres neutroniques de la cellule.  ABSTRACT: The research project proposed here is carried out as part of the Generation IV international program. First, this project extends the applicability of the DRAGON/DONJON computational core chain to supercritical water reactors. It studies the impact of the presence of thorium (distributed with plutonium) in the fuel and the impact of power transients on the reactor databases. Hence, the FBM model basically implemented to simulate CANDU reactors is modified and applied to the CANDU-SCWR reactors. Second, it optimizes the reactor design options by analyzing the feasibility of an alternative compact CANDU-SCWR model based on hexagonal geometry while fulfilling the objectives set by the Generation IV reactor program. When modifying the FBM model, a particular attention was paid to the local parameters associated with the fuel and coolant. First, the effect of the bundle power on the neutronic parameters of the cell and the core is studied. Such an effect is attributed to the variation in the isotopic concentration of the fissile isotope of the fuel, namely uranium 233. To assess properly the uranium concentration of each bundle of the core, the isotopic equations of the thorium evolution chain, implemented in the DRAGON code, are solved using the diffusion flux calculated by DONJON. This method is useful for simulating the reactor shutdown for batch refueling. It allows simulating the power transients encountered by the bundle when the reactor is started up. Then, the effects of variation in the thermal-hydraulic parameters associated with the fuel and coolant (temperature and density) are reviewed and analyzed. It was observed that the CANDU-SCWR core calculations made with FBM model revisions are satisfactory for predicting perturbations of his bundle's local parameters. To propose an alternative core model to the regular one, cell transport calculations and diffusion calculations of the full core are performed. The cell calculations with SERPENT and DRAGON codes provide a first outline of the properties of the hexagonal cell considered when designing the compact core model. Moreover, based on the hexagonal grid features, it was possible to optimize an alternative hexagonal cell that would reduce the moderator volume (by replacing it with the coolant) and improve the cell's neutron parameters. Then, the full core calculations are performed with the FBM model to evaluate the performance of the core model associated with this cell. For the simulation of this new model, an alternative refueling scheme has been successfully implemented to reduce the channel power peaking factor.


identifier: Mathieu, C. (2018). The Role of Biomaterials in Synovial Joint Inflammation and Chondrogenesis Towards the Development of a Novel Post-Surgical Articular Cartilage Repair Therapy  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La réparation du cartilage a été depuis de nombreuses années une priorité de la recherche orthopédique, car les lésions du cartilage conduisent régulièrement au développement de maladies arthritiques des articulations, qui touchent environ 19,3% de la population canadienne. Avec l'augmentation constante du nombre de Canadiens diagnostiqués avec un type d'arthrites, il y a un besoin important pour un traitement efficace qui permette de contrôler les douleurs articulaires et de retarder de ce fait le remplacement total de l'articulation, qui est une procédure chirurgicale coûteuse. La stimulation de la moelle osseuse est une des techniques chirurgicales communément utilisées pour induire la régénération du cartilage, cependant celle-ci ne conduit pas toujours à la création d'un cartilage hyalin, mais plutôt à la création d'un fibrocartilage qui n'a pas les propriétés mécaniques nécessaires pour subvenir à la fonction motrice du genou sur le long terme. Des implants à base de chitosane utilisés en combinaison avec une stimulation de la moelle osseuse peuvent améliorer significativement la qualité de la réparation en recrutant et en activant des cellules immunitaires au site de réparation dans le tissu cartilagineux. Par ailleurs, des études cliniques ont montré que les dispositifs médicaux à base de chitosane, tel que le BST-CarGel®, étaient en mesure d'induire une réparation plus hyaline que la technique chirurgicale de stimulation de la moelle osseuse seule, cependant le résultat reste variable et les raisons de cette variabilité ne sont toujours pas comprises. La destruction du cartilage articulaire a été la marque principale des maladies arthritiques depuis des décennies, cependant des études récentes ont montré que l'arthrose et l'arthrite rhumatoïde touchent aussi les autres tissus conjonctifs de l'articulation, conduisant ainsi à définir ces maladies comme des maladies de l'articulation entière. L'inflammation de la membrane synoviale a été notamment identifiée comme un facteur important dans les pathologies des maladies arthritiques, mais son rôle dans le processus de réparation du cartilage n´a pas encore été identifié.  Dans des études récentes, des oligomères de chitosane ont été identifiés comme ayant un effet anti-inflammatoire sur les macrophages. Ces cellules immunitaires sont présentes sur le site de la réparation, mais elles résident aussi dans la membrane synoviale avec les cellules synoviales de type fibroblastique qui fournissent des cytokines et de l'acide hyaluronique au liquide synovial. Le liquide synovial fournit des éléments nutritifs aux tissus non vascularisés de l´articulation et démontre des propriétés chondro-protectrices qui favorisent un mouvement sans friction de l'articulation grâce à sa viscosité. L'objet principal de ce travail doctoral a été de rechercher les facteurs qui régulent la production d'acide hyaluronique (HA) par les cellules synoviales et de développer une solution injectable innovante à base d'oligomères de chitosane capable de maintenir le niveau d'HA dans le liquide synovial tout en créant un macro environnement intra articulaire favorable à la régénération hyaline du cartilage. Ainsi, cette thèse doctorale présente trois études principales :  Chapitre 1 – Pour mieux comprendre les mécanismes de production de HA, des cultures in vitro de cellules synoviales de type fibroblaste (FLS) humaines ont été stimulées par des cytokines et des facteurs de croissance couramment trouvés dans les articulations inflammées. Nous avons testé l'hypothèse selon laquelle les cytokines, qui sont connues pour augmenter la production de HA dans les FLS, pourraient aussi réguler l´activité de l'enzyme UDP-glucose déshydrogénase (UDPGD), une enzyme clé dans la synthèse du HA. Dans cette étude, nous avons développé une nouvelle méthode de coloration enzymatique in situ pour détecter l´activité d´UDPGD dans les cultures primaires de FLS, qui a été adaptée de protocoles de coloration pour les tissus synoviaux. Les résultats montrent que la production de HA était déclenchée dans les FLS par des cytokines inflammatoires, morphogénétiques et anaboliques et était qualitativement non corrélée avec l'activité d´UDPGD. L´activité d´UDPGD était plutôt régulée par un contact cellulaire qui pourrait expliquer comment le manque de contact cellulaire des synoviocytes pendant l´inflammation du genou conduit à un manque d´activité d´UDPGD sans affecter les taux de HA.  Chapitre 2 (article soumis) – L'histologie de tissus méniscaux non fixés a été utilisée pour étudier la microarchitecture de la matrice extracellulaire méniscale et pour caractériser les changements structuraux survenant dans le ménisque à la suite d'interventions chirurgicales sur le genou. Dans le ménisque, des fibres en forme de bobines, que nous surnommons « inter-tie coils », ont été identifiées comme étant des sous-structures des fibres circonférentielles de collagène, et disparaissent lors de la fixation à base de formol du tissue méniscal. Nous avons testé l'hypothèse selon laquelle les « inter-tie coils » sont modifiées à la suite d'une intervention chirurgicale sur le genou et dans les ménisques fibrillés. Les résultats ont montré que l´épaisseur de ces fibres était de temps en temps modifiée suivant des dommages aux ménisques et ou des chirurgies du genou impliquant des techniques de stimulation de moelle osseuse, ce qui est compatible avec la notion que l'articulation se comporte comme un organe complet.  Chapitre 3 – Finalement, un modèle in vivo de lésion chronique du cartilage développé chez le lapin a été utilisé pour étudier la réponse de la membrane synoviale à la technique de stimulation de la moelle osseuse dans la trochlée du fémur pour évaluer l'innocuité et l'efficacité de matériaux à base de chitosane injectés de manière intra articulaire comme une nouvelle thérapie anti-inflammatoire post chirurgicale visant à favoriser la réparation du cartilage. Dans cette étude pilote, les hypothèses testées étaient que des injections hebdomadaires de différentes formulations de chitosane administrées post opération allaient préserver le niveau de HA dans le liquide synovial et réduire le niveau d´inflammation de la membrane synoviale tout en facilitant la réparation du cartilage. Cette étude est la première à notre connaissance à étudier les effets de la stimulation de la moelle osseuse et d'injections intra articulaires de chitosanes sur le cartilage, le liquide synovial et la membrane synoviale. Après un délai de trois semaines post stimulation de la moelle osseuse, les défauts microperforés étaient encore en cours de réparation du tissu. Trois lapins ont été utilisés pour caractériser le modèle choisi, soit un genou pour connaitre l'état de la lésion chronique à 1 semaine après la stimulation de la moelle osseuse par micro-perforation (équivalent à 35 jours), et le genou contre-latéral laissé intact comme comparatif. Les résultats ont montré que les défauts chroniques à 28 jours ont peu ou pas d'effet sur l'effusion du genou et sur le niveau normal de HA dans le liquide synovial, alors qu'à 35 jours, les niveaux de HA ont augmenté significativement par rapport à ceux des genoux intacts. Les injections intra articulaires de certaines formulations de chitosane ont maintenues des niveaux élevés de HA jusqu'à trois semaines après stimulation et ont démontré une capacité à recruter des cellules inflammatoires dans le liquide synovial au-delà du niveau observé dans le genou intact. La membrane synoviale a été très réactive à la stimulation de la moelle osseuse à une semaine et à trois semaines post opération. La membrane a subi un changement étonnant d'un tissu adipeux vers un tissu fibreux aréolaire, avec une hyperplasie significative, une infiltration importante de macrophages RAM-11+ et AM-3K+ et une augmentation de la vascularisation indépendamment des conditions d'injection intra articulaire. Cette étude a contribué à approfondir notre connaissance du microenvironnement synovial après une intervention chirurgicale et a permis de mettre en lumière la réponse complexe de la membrane synoviale après la stimulation de la moelle osseuse.  En résumé, cette thèse doctorale montre que le liquide synovial, la membrane synoviale et le ménisque sont changés par l'inflammation de l'articulation et pendant le processus de réparation. Comme il a été montré dans les pathologies et les blessures de l'articulation du genou, les résultats de cette thèse montrent qu'il est important de considérer le genou comme un organe complet afin de comprendre les mécanismes de réparation. Par ailleurs, les travaux de cette thèse suggèrent que des formulations spécifiques à base de chitosane, connues pour induire la production de cytokines anti-inflammatoires chez les macrophages, peuvent potentiellement servir dans la conception d'une thérapie post opératoire sous forme d'injection intra articulaire.  ABSTRACT: Cartilage repair therapies have been a focus of orthopaedic research for the past decades, since cartilage lesions lead to arthritic joint diseases, which burden approximately 19.3% of the Canadian population. As the number of Canadians diagnosed with arthritic disease is expected to rise, there is an urgent need for effective alternative treatment to manage joint pain and to delay the costly undergoing of total joint replacement. Bone marrow stimulation is one of most common surgical procedure performed to induce cartilage regeneration, however repair often leads to fibrocartilage instead of hyaline cartilage, which cannot support the mechanical function of the knee long-term. When combined with bone marrow stimulation, chitosan-based implants can be used to improve the quality of tissue repair by recruiting and activating immune cells in the repairing cartilage tissue. Clinical studies have shown that chitosan-based medical devices, such as BST-CarGel®, provide a more “hyaline-like” repair in comparison to the surgical technique alone, however outcomes remain variable and the root causes of failed repair are not yet understood. The destruction of articular cartilage has been the hallmark of arthritic diseases for decades, however recent studies have shown that osteoarthritis and rheumatoid arthritis pathologies also affect the other connective tissues of the joint, making it a whole joint disease. The synovial membrane inflammation has notably been identified as an important factor in the pathology of arthritic diseases, but its role in the articular cartilage repair process has not yet been defined.  In recent studies, chitosan oligomers were reported to have anti-inflammatory effects on macrophages. These immune cells are recruited to the repair site but they are also present in the synovial membrane along with fibroblast-like synoviocytes that both supplement the synovial fluid with cytokines and hyaluronic acid (HA). The synovial fluid is responsible for providing nutrients to the avascular connectives tissues of the joint and has chondro-protective properties supporting the frictionless motion of the joint thanks to its viscous properties. Thus, the main purpose of this doctoral project was to investigate factors that regulate synovial membrane HA production and to develop a novel injectable chitosan-based oligomer therapy able to maintain HA levels of the synovial fluid, while creating an intra-articular macro-environment in the whole joint favorable to hyaline cartilage regeneration. This doctoral thesis presents three main studies.  Chapter 1 – To further our understanding on HA production, in vitro cultures of primary human synoviocyte-like fibroblasts (FLS) were stimulated by cytokines and growth factors commonly found in the joint cavity during inflammation. We tested the hypothesis that cytokines known to increase FLS HA release would also upregulate the enzymatic activity in FLS of UDP-glucose dehydrogenase (UDPGD), a key enzyme in HA synthesis. In this study, we developed a novel in situ enzyme staining method to detect UDPGD activity in primary FLS monolayer and aggregate cultures, adapted from a staining protocol in synovial tissue. Results showed that HA production was induced in FLS by inflammatory, morphogenetic and anabolic cytokines and was qualitatively unrelated to UDPGD activity. UDPGD activity was up-regulated by cell-cell contact, which could explain how loss of synoviocyte cell-cell contact during knee inflammation leads to depressed UDPGD activity in knees with higher synovial fluid HA levels.  Chapter 2 (Submitted article) – Histology of unfixed meniscal tissue was used to study microarchitecture of the meniscal extra-cellular matrix and to characterize structural changes occurring within the meniscus following surgical interventions. In the meniscus, inter-tie coils were identified as substructures of circumferential collagen fibers, that are lost with formalin fixation. We tested the hypothesis that inter-tie coils thickness is altered following surgical interventions on the knee and in fibrillated menisci. Results showed that inter-tie coil thickness was sporadically altered following meniscal damage or knee surgery involving bone marrow stimulation, which is consistent with the notion that the knee joint responds to inflammation as one whole organ.  Chapter 3 – Finally, a chronic cartilage lesion in vivo rabbit model was used to investigate the synovial membrane's response to bone marrow stimulation in the femoral trochlea and to evaluate the safety and efficacy of intra-articular (IA) injected chitosan materials as a potential novel anti-inflammatory post-surgical articular cartilage repair therapy. In this pilot study, the hypotheses tested were that weekly injections of chitosan formulations administered post-operatively would preserve synovial fluid HA levels and high molecular weight, and reduce synovial membrane inflammation score, all the while improving cartilage repair. This study is the first to our knowledge to collectively study the effect of bone marrow stimulation and IA-injected chitosan formulations on the cartilage, the synovial fluid and the synovial membrane. At 3 weeks post-bone marrow stimulation, microdrilled cartilage defects were at the stage of ongoing repair. Three rabbits were used to characterize the model, namely one knee with a chronic defect at 1 week of being treated with bone marrow stimulation by microdrilling, compared to the contralateral intact knee. Results showed that the 28-days chronic defect has little effect on knee effusion or HA levels in the synovial fluid, while at 1-week following bone marrow stimulation HA levels were significantly increased compared to the intact knees. IA-injections of certain chitosan structures maintained high HA levels at 3-weeks post-operative and were found to induce significant recruitment of inflammatory cells into the synovial fluid, above the levels seen in intact knee joints. The synovial membrane was highly responsive to bone marrow stimulation at 1 week and 3 weeks post-operation. The synovial membrane underwent a striking change from an adipose type to a more fibrous areolar type, with significant hyperplasia, increased macrophage infiltration and increased vascularity irrespectively of IA-injected condition. This study contributed to furthering our understanding of synovial microenvironment following surgical interventions and to reveal the complex response of the synovial membrane to BMS.  All together, this doctoral thesis shows that the synovial fluid, the synovial membrane and the meniscus are altered in the cases of joint inflammation and in the process of cartilage repair. As it has been shown in pathology and injury, the findings of this doctoral thesis support the notion that the knee should be treated as a whole organ in case of repair. And finally, this work suggests that specific chitosan formulations, known to induce a higher release of anti-inflammatory cytokines in macrophages, could potentially serve in the design of a post-surgical therapeutic IA-injection.


identifier: Larochelle, C. G. (2018). Utilisation de stériles générateurs d'acide comme couche de bris capillaire dans une couverture avec effets de barrière capillaire  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie minière présente de nombreux défis liés à l'environnement et à la gestion des rejets miniers. Les stériles et résidus miniers entreposés en surface peuvent générer du drainage minier acide (DMA) s'ils contiennent des minéraux sulfureux qui entrent en contact avec l'eau et l'oxygène (Blowes et al. 2003). L'acidité ainsi libérée abaisse le pH du milieu environnant et favorise la mise en solution des métaux, ce qui contamine l'eau et les sols pour la faune et la flore avoisinantes (ex : Aguilar et al. 2004). La génération de DMA peut être contrôlée en mettant en place une couverture avec effets de barrière capillaire (CEBC). Ce type de recouvrement est basé sur le contraste entre un matériau fin (ex : résidu minier) constituant la couche de rétention d'humidité (CRH) et un matériau grossier (ex : stérile minier) utilisé pour construire la couche de bris capillaire sous-jacente (Bussière, 1999; Aubertin et al. 1995). L'objectif est de maintenir la CRH à un degré de saturation élevé, afin de limiter la migration de l'oxygène vers les couches inférieures. L'utilisation de matériaux miniers pour la construction d'une CEBC permet, entre autres, d'en réduire le coût et de valoriser les matériaux disponibles sur le site (Bussière et al. 2013). Dans une approche de gestion intégrée des rejets (Demers, 2008), cette étude propose d'utiliser des stériles réactifs comme couche de bris capillaire sous des résidus désulfurés. Ceci permettrait de réduire le volume des haldes à restaurer et de valoriser un matériau problématique. Les matériaux utilisés dans le cadre de cette étude (dont un stérile pré-oxydé et générateur d'acide) proviennent du site Westwood-Doyon de IAMGOLD, situé à 40 km à l'est de Rouyn-Noranda (Québec, Canada). Les matériaux ont été caractérisés pour obtenir leurs propriétés physiques, hydrogéologiques, chimiques et minéralogiques. Des essais en colonnes ont été montés au laboratoire afin d'évaluer quatre scénarios de recouvrement, dont trois présentaient une couche de bris capillaire faite de stériles générateurs d'acide. Ces essais ont également permis d'évaluer l'impact d'ajouter une couche de sable au-dessus du recouvrement pour contrôler l'évaporation et de doubler l'épaisseur de la CRH. La quatrième colonne contenait un stérile différent comme couche de bris capillaire, considéré comme non-générateur d'acide. Les colonnes ont été soumises à huit cycles de mouillage/drainage pour lesquels la qualité des lixiviats a été analysée. Des sondes de teneur en eau volumique et de succion ont permis de suivre le comportement hydrogéologique des colonnes et des septums ont permis l'échantillonnage de gaz dans la CRH afin de mesurer les flux d'oxygène. Les matériaux ont été testés séparément dans des colonnes de référence. Les résultats montrent que tous les recouvrements présentaient des lixiviats au pH près de la neutralité et contenant de faibles concentrations en métaux, alors que le stérile générateur seul générait une forte acidité, un pH de 2 et des concentrations élevées en métaux. Le suivi des teneurs en eau volumiques montre que les couches de rétention d'eau ont maintenu des degrés de saturation de plus de 85% pour presque toute la durée du test, tel que souhaité pour une CEBC efficace (Aubertin et al. 1995). Tous les recouvrements ont démontré un comportement géochimique similaire, qu'ils contiennent un stérile générateur d'acide ou non. Les colonnes avec une protection contre l'évaporation et une CRH plus épaisse ont présenté des teneurs en eau généralement plus élevées et plus stables dans la CRH. L'étude montre que l'intégration du stérile générateur dans un recouvrement sous une couche de résidus désulfurés permet de réduire sa génération de cuivre, zinc et fer de plus de 99%. Aucune différence significative n'a été observée dans le comportement géochimique en changeant le type de stérile dans la couche de bris capillaire. Une modélisation avec SEEP/W a été réalisée pour un des scénarios de recouvrement et supporte le comportement hydrogéologique observé expérimentalement. Une modélisation de l'équilibre thermodynamique des lixiviats avec Visual MINTEQ a aussi permis d'évaluer le potentiel de précipitation ou dissolution de divers minéraux. Pour les colonnes avec recouvrements, le modèle montre qu'il faut anticiper la précipitation de plusieurs oxydes et hydroxydes de fer, aluminium et magnésium, de même que certains sulfates comme le gypse et la jarosite. Les flux d'oxygène traversant la CRH ont été mesurés par la méthode du gradient (Elberling et al. 1994) et estimés avec l'équation analytique de Mbonimpa et al. (2003). Les flux obtenus expérimentalement sont de l'ordre de 10-1 à 10-4 mol/m2/an, ce qui respecte le critère de 1 mol/m2/an recommandé pour la conception d'une CEBC (Dagenais, 2005).  Finalement, ce travail de recherche montre qu'il serait possible d'utiliser des stériles générateurs d'acide comme couche de bris capillaire dans une CEBC. Par contre, il est recommandé de réaliser des études plus poussées sur la géochimie du système et le comportement à long terme. Des cellules expérimentales de terrain permettraient également de vérifier que les recouvrements fonctionnent à plus grande échelle et dans des conditions climatiques réelles.  ABSTRACT: The mining industry faces numerous challenges regarding the environment and mine wastes management. Mine waste rocks and tailings stored over ground can generate acid mine drainage (AMD) when they contain sulfide minerals that react with water and oxygen (Blowes et al. 2003). The released acidity lowers the pH in the surrounding environment and favors metals solubility, which contaminates water and soil for wildlife around the site (e.g. Aguilar et al. 2004). AMD generation can be controlled with a cover with capillary barrier effects (CCBE). This type of cover uses the contrast between a fine material (e.g. tailings), constituting the moisture retaining layer (MRL), and a coarse material (e.g. waste rocks) used to build the underlying capillary break layer (Bussière, 1999; Aubertin et al. 1995).  The objective is to maintain the MRL to a high degree of saturation to limit oxygen migration towards the lower layers. Using mining materials for the construction of a CCBE allows, among others, to reduce its cost and valorize materials available on site. As part of an integrated wastes management approach (Demers, 2008), this study proposes to use acid-generating waste rocks as a capillary break layer placed under desulfurized tailings.  This would allow to reduce the volumes in the waste rocks dumps and valorize a problematic material. The materials used in this study (including pre-oxidized acid-generating waste rocks) come from the IAMGOLD Westwood-Doyon site, located 40 km east of Rouyn-Noranda (Quebec, Canada). Materials were characterized to obtain their physical, hydrogeological, chemical, and mineralogical properties. Columns tests were set up in the laboratory to evaluate four cover scenarios, of which three contained a capillary break layer made of acid-generating waste rocks. These tests allowed to evaluate the impact of adding a sand evaporation protection layer on top of the cover, and the effect of doubling the thickness of the MRL. The fourth column contained a different waste rock, considered non-acid generating, for the capillary break layer. The columns were subjected to eight wetting/drainage cycles for which the leachates quality was analyzed. Volumetric water content and suction probes allowed to monitor the hydrogeological behavior of the columns, and septums allowed to take gas samples in the MRL in order to measure the oxygen fluxes. The materials were tested separately in reference columns. The results show that all covers presented leachates with pH around neutrality and low metal concentrations, while the acid-generating waste rock alone generated high acidity, a pH of about 2, and high metal concentrations. Monitoring of the volumetric water content shows that the MRLs maintained high degrees of saturation, above 85 % for almost all the testing period, as desired for an effective CCBE (Aubertin et al. 1995). All the covers presented a similar geochemical behavior whether they contained acid-generating waste rocks or not. The columns with an evaporation protection layer and a thicker MRL showed generally higher and more stable volumetric water contents in the MRL. This study shows that using acid-generating waste rocks in a cover under a desulfurized tailings layer allows to reduce over 99% of their copper, zinc, and iron generation. No significant geochemical behavior difference was observed when changing the waste rock type in the capillary break layer. A SEEP/W model was built for one cover scenario, and it supported the hydrogeological data observed in the laboratory. A thermodynamic equilibrium modeling for the leachates was performed with Visual MINTEQ, allowing to evaluate the potential of some minerals to precipitate of dissolve.  For the columns with covers, the model shows that precipitation of numerous iron, aluminum and magnesium oxides and hydroxides should be anticipated, along with some sulfates like gypsum and jarosite. The oxygen fluxes reaching the bottom of the MRL were measured using the gradient method (Elberling et al. 1994) and estimated with the analytical solution of Mbonimpa et al. (2003). The fluxes obtained experimentally were of the order of 10-1 to 10-4 mol/m2/year, which meets the 1 mol/m2/year criterion recommended for the design of a CCBE (Dagenais, 2005). In the end, this research project shows that it would be possible to use acid-generating waste rocks as the capillary break layer in a CCBE. But, it is recommended to perform more advanced studies on the geochemistry of the system and its long-term behavior. Field experimental cells would also allow to verify the performance of the cover on a larger scale and under actual weather conditions.


identifier: Petro, E. (2018). Optimisation d'une aile d'avion par la méthode de décomposition de la traînée  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le projet de recherche actuel évalue la capacité d'une méthode de décomposition de la traînée aérodynamique à mener un processus d'optimisation vers une aile d'avion plus efficace. La décomposition de la traînée est une méthode permettant d'isoler et de quantifier les différents types de traînées qui sont : la traînée d'onde, la traînée visqueuse, la traînée induite et la traînée numérique. Tous ces types de traînées proviennent de phénomènes physiques à l'exception de la traînée numérique. Cette dernière, inhérente à toutes solutions numériques de mécanique des fluides, se manifeste comme une fausse traînée aérodynamique et découle essentiellement d'erreurs de discrétisation, d'erreurs de troncature et de l'ajout de dissipation artificielle. L'intégration d'une méthode de décomposition à un processus d'optimisation permet théoriquement d'atténuer l'influence de la fausse traînée sur ce processus et de guider celui-ci vers une meilleure aile d'avion. Pour ce projet de recherche, la traînée aérodynamique du profil RAE2822 et de l'aile d'avion NASA CRM est minimisée en utilisant des processus avec et sans décomposition de traînée. Les résultats sont ensuite analysés et comparés. Pour tous ces processus d'optimisation, une méthode à base radiale est utilisée pour paramétriser les géométries et l'algorithme Pointer de Isight Simulia ® est employé comme algorithme d'optimisation  ABSTRACT: The current research project assesses the ability of a drag decomposition method in steering an optimization process towards a more efficient aircraft wing design. This method allows for aerodynamic drag to be broken down into different types of drag, which are namely: wave drag, viscous drag, induced drag, and spurious drag. Apart from spurious drag, all these types of aerodynamic drag are the result of physical phenomena. For its part, spurious drag is inherent to all numerical solutions and is mainly due to discretization errors, truncation errors and the use of artificial dissipation by most solvers to smooth large gradients. Joining a drag decomposition method to an optimization process may theoretically mitigate the detrimental influences spurious drag may have on an optimization process and may, therefore, lead it to a better wing design. For this research project, the aerodynamic drag of the RAE2822 airfoil and the NASA CRM wing have been minimized using optimization processes with and without a drag decomposition method. The results of these optimizations are then analyzed and compared. For these optimization processes, a radial basis function method has been used to parameterize the geometries. The optimization algorithm used was Pointer from Isight Simulia ®.


identifier: Ghandali, P. (2018). A Pseudo-3D Ball Lattice Artifact and Method for Evaluating the Metrological Performance of Structured-Light 3D Scanners  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Malgré la croissance de la popularité des scanners 3D et le besoin de leurs utilisateurs d'évaluer leur performance métrologique, Il n'existe aucune norme internationale d'évaluation de leur performance métrologique. Les utilisateurs de ces scanners ont besoin des tests d'acceptations afin de vérifier l'éligibilité d'un scanner pour une mesure spécifique, ainsi que des paramètres quantifiés pour comparer différents scanners 3D à lumière structurée. Ce projet a pour but de proposer une méthode systématique d'évaluation de la performance métrologique des scanners 3D à lumière structurée. Puisque les scanners 3D à lumière structurée, aussi appelés systèmes de projection franges, sont des dispositifs de numérisation d'aire, leur performance doit être évaluée dans tout leur volume de mesure. Dans ce travail, un artefact pseudo-3D, composé d'une plaque à billes 2D et trois composants d'espacement, est proposé avec une nouvelle procédure d'analyse des données pour l'évaluation des données du scanner selon des valeurs de référence de l'artefact. Dans la procédure d'évaluation de performance développée, les erreurs de la mesure de la taille, de la forme et des distances différentes sont étudiées. Les données de référence des distances sont fournies en mesurant l'artefact par une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) avant d'être mesuré par un scanner 3D. L'incertitude standard des valeurs de référence des distances sont estimées, ce qui correspond à 1,45 µm. Les billes de précision fournissent les données de référence pour la taille et la forme. L'incertitude standard du diamètre et la forme (sphéricité) des billes est indiquée par leur fournisseur (Bal-tec) à 0.64µm. La méthode   proposée offre à ses utilisateurs des tests d'acceptations, ainsi qu'un aperçu complet de la performance du scanner 3D à lumières structurée pour  mesurer  la  distance,  la  taille  et  la forme à différentes  positions dans son volume  de numérisation.  ABSTRACT: Despite the increasing popularity of structured-light 3D  scanners,  there  exists  no  international standard for assessing their metrological performance. The users of these scanners need acceptance tests to verify the eligibility of a scanner for specific measurements, as well as quantified metrics to  compare  different  structured-light  3D  scanners.  This  project  aims  to  propose  a  systematic method  for  evaluating  the  metrological  performance  of  the  structured  light  scanners. Since  the structured-light 3D scanners, also known as fringe projection systems, are area-scanning devices, they  require  their  performance  to  be  evaluated  in  their  measurement  volume.  In  this  work,  a pseudo-3D artifact, consisting of a 2D ball -plate and three spacers, is proposed along with a novel  data analysis procedure for benchmarking the scanner's data based on the reference values of the artifact. In the developed performance evaluation procedure, errors in measuring distance, size, and form  are  investigated .  The  reference  data  in  investigating  various  distances  is  provided  by measuring the artifact by a coordinate measuring machine (CMM) before its measurement by a 3D scanner. The uncertainty of the reference values of the distances is estimated, which is 1.45 µm.  The precision balls provide the reference of the size and form. The uncertainty of the diameter and the form (sphericity) of the balls is reported by their supplier (Bal-tec) as 0.64 µm. The proposed method  provides  its  users with  acceptance  tests,  as  well  as  a comprehensive insight into  the performance of the structured light 3D scanner in measuring distance, size, and form at different positions within its entire scanning volume.


identifier: Scheiffer, Y. (2018). Comparaison de résolutions elliptiques entre la méthode des frontières immergées et la méthode des volumes finis  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La simulation des disjoncteurs haute-tension est une tâche complexe à cause du couplage de plusieurs phénomènes physiques (transfert thermique, écoulement fluide multi-espèces, ablation) et du mouvement des frontières du domaine de calculs. Le partenariat entre l'école Polytechnique et la compagnie General Electric a permis la mise au point d'un logiciel de calcul (MC3) pour simuler le comportement d'un arc électrique dans la chambre d'un disjoncteur. La modélisation des divers phénomènes intervenant dans l'opération d'un disjoncteur est basée sur des schémas de volumes finis sur un maillage de triangles d'une centaine de milliers d'éléments. Le couplage de ces physiques ainsi que la quantité de données relative au maillage engendrent un coût important en temps pour la résolution. La mobilité de certaines pièces lors de l'extinction de l'arc est pris en compte dans la résolution par un maillage mobile de la géométrie, et un calcul transitoire occasionnant des coûts supplémentaires, ainsi que l'interpolation des solutions entre deux étapes de temps du calcul. De nouvelles techniques de modélisation basées sur des maillages cartésiens émergent, comme les méthodes des frontières immergées, présentant le potentiel de réduire le temps de calcul. Dans l'objectif d'améliorer l'efficacité de l'outil MC3, la méthode des frontières immergées sera étudiée. Ce mémoire a pour objectif de tester la mise en œuvre de la méthode des frontières immergées ainsi que sa robustesse en comparaison avec un maillage hybride. Les données, les algorithmes et les résultats de simulations permettront de diriger les travaux futurs ainsi que la portabilité des méthodes pour la modernisation de MC3. Une rapide introduction sur le fonctionnement et les physiques qui entrent en jeu dans la résolution des disjoncteurs haute-tension est donnée. Une description du logiciel MC3 et un énoncé de la problématique en lien avec l'utilisation d'un maillage de triangles est faite pour mettre en évidence la relation temps-données et les enjeux reliés à ce type de maillage. Dans une revue de la littérature, une comparaison entre les grilles cartésiennes et les maillages ajustés à la géométrie est faite. Les avantages et les inconvénients de ces deux structures sont exposés pour chacun des types de maillage. Enfin une brève introduction sur la méthode des frontières immergées est présentée et le choix de la technique est discuté. Dans le chapitre Méthodes Numériques, on rappelle de manière générale les méthodes numériques Finite Volume Method (FVM) sur maillage cartésien et triangle. La méthode des frontières immergées avec la technique des cellules fantômes est détaillée, et une formulation FVM pour l'équation de Laplace pour la méthode des frontières immergées et pour les maillages non-structurés est mise en œuvre.  ABSTRACT: The simulation of the high voltage circuit breaker is a complex task due to the coupling of several physical phenomena (heat transfer, plasma flows, ablations) and the motion of the domain boundary. The partnership between Polytechnique and General Electric has led to a development of a software (MC3) to compute the behavior of an electric arc inside of a circuit breaker. The modeling and the simulation of the phenomena taking place inside a circuit breaker is based on a finite volume schemes discretized on a triangular mesh with over a hundred thousand elements. The coupling of these physics and the amount of mesh data lead to a high computation time. The motion of parts of the boundaries during the opening is taken into account by a moving mesh, adding additional computations for the transient solution and interpolation of the solution between successive time steps. New modeling methods based on Cartesian grids, such as the Immersed Boundary Method, have the potential to reduce the computation time. With the objective to enhance the MC3 tool, the immersed boundary method is studied. The aim of this work is to test the Immersed Boundary Method and its robustness in comparison with an hybrid mesh. Data structure, algorithms and simulation results show the way for future developments and the portability of the method in order to modernize MC3. A short introduction on the functioning and the physics which take place in the operation of a circuit breaker is given. A review of triangular mesh structures is made to highlight the relation between computation time and memory requirements, as well as the challenges associated with these meshes. In a literature review, a comparison between Cartesian and body-fitted meshes is given. Pros and cons of the two mesh structures is given. Finally, a short introduction on the Immersed Boundary Method and the choice of this technique is discussed. In the chapter Numerical Methods, the general formulation of the FVM numerical scheme on Cartesian and triangular meshes is reviewed. The algorithm of the Immersed Boundary Method with the ghost cell technique is detailed. Last, the FVM formulation is applied to the Laplace equation both for immersed boundary and unstructured meshes. In the chapter Algorithms and Data Structure, the different data structures for the geometry, for each type of mesh and the algorithms are given. The algorithm to generate an Hybrid-Mesh is developed. Finally, the limits of the immersed boundary method and hybrid mesh are given. In the chapter Comparison of Elliptic Solutions, a heat transfer problem is computed. The validation is made using plane and axisymmetric analytic solutions. Finally, a heat transfer between two axisymmetric electrodes is computed with both methods and compared. Finally, a critical analysis of the potential of these methods is presented.


identifier: Bodart, C. (2018). Electrodeposited Poly (3,4-Ethylenedioxythiophene) (PEDOT) for Invasive Recording and Stimulating Neural Electrodes  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les électrodes neuronales sont un des outils médicaux utilisé pour soulager les symptômes des maladies neurodégénératives et pour étudier notre cerveau. Les électrodes neuronales conventionnelles souffrent de quelques inconvénients : leurs faibles dimensions leurs confèrent une haute impédance, et leur nature rigide et métallique couplée au traumatisme créé par la procédure d'implantation entraîne une réaction inflammatoire qui augmente encore plus l'impédance. Les polymères conducteurs sont des matériaux souples et organiques possédant une conductivité ionique-électronique mixte, et sont de candidats idéaux pour les interfaces biotique-abiotique. Ils sont régulièrement utilisés en tant que revêtement d'électrodes neuronales en raison de leur amélioration des propriétés électrochimiques et de leur supposée biocompatibilité. Une technique nommée électropolymérisation est généralement utilisée pour déposer les polymères conducteurs sur les microélectrodes neuronales. Un travail important a déjà été réalisé sur l'optimisation des paramètres de cette méthode de dépositionb. Cependant, les polymères conducteurs électropolymérisés souffrent d'une faible adhésion sur la plupart de leurs substrats. En plus de ce problème, il y a un manque d'études in vivo à long-terme confrontant les revêtements de polymères conducteurs aux conditions de stimulations électriques employés dans le domaine médical. Dans notre étude, nous avons observé l'influence du solvant utilisé lors de la déposition sur l'électropolymérisation, la stabilité électrochimique, et l'adhésion des revêtements en polymères conducteurs. Après avoir défini une procédure précise de déposition nous permettant de produire des revêtements stables, nous avons exploré l'utilité de ces revêtements pour des stimulations cérébrales profondes in vivo. Du poly(3,4-éthylènedioxithipohène) (PEDOT) fut électropolymérisé dans trois solvants différents : acétonitrile, propylène carbonate et eau, sur des microélectrodes de platinium-iridium. Les microélectrodes enrobées furent soumises à différents tests de stabilité : sonication, vieillissement passif, stérilisation à la vapeur et stimulations électriques in vitro. Nous avons découvert que l'acétonitrile et le propylène carbonate nous fournissaient les revêtements les plus résistants. Tous les revêtements de PEDOT produits dans les différents solvants étaient suffisamment stable pour être utilisés dans un contexte médical. Ainsi, nous avons implanté des microélectrodes enrobées de PEDOT dans des rats et avons appliqué des stimulations électriques quotidiennes tout en mesurant l'impédance des microélectrodes. Nous avons observé que les stimulations électriques entraînaient une diminution de l'impédance pour les microélectrodes enrobées de PEDOT et les microélectrodes de contrôle. La chute d'impédance était plus importante pour les microélectrodes de contrôle que pour les microélectrodes enrobées de PEDOT, ce qui remet en cause la pertinence de revêtements en PEDOT pour les stimulations cérébrales profondes et indique qu'un travail conséquent sera nécessaire pour optimiser les revêtements en polymère conducteur pour les électrodes neuronales de stimulation.  ABSTRACT: Neural electrodes are one of the medical tools to improve the symptoms of neurodegenerative diseases and/or to study the brain. Conventional neural electrodes suffer from some disadvantages such as: their smaller dimensions lead to high impedance, and their rigid and metallic nature coupled with the destructive insertion procedure leads to inflammatory response in the body that can further increase the impedance. Conducting polymers are soft and organic materials that possess a mixed electronic-ionic conductivity, and are ideal candidates for biotic-abiotic interfaces. They are regularly used for coating neural electrodes due to their enhanced electrochemical properties and biocompatibility. A technique called electropolymerization is generally used to deposit conducting polymers on neural microelectrodes. Extensive work has been done on the optimization of the parameters in this deposition method. However, electrodeposited conducting polymers coatings suffer from poor adhesion on most of their substrates. Besides this issue, there is a lack of long-term in vivo studies subjecting conducting polymer coatings to electrical stimulation conditions used in medical studies.  In this work, we investigated the influence of the processing solvent on the electropolymerization, the electrochemical stability, and the adhesion of conducting polymer coatings. After having defined a precise deposition procedure to produce stable coatings, we investigated the role of these coatings for in vivo deep brain stimulations.  Poly(3,4-ethylenedioxithiophene) (PEDOT) was electropolymerized in three different solvent: acetonitrile, propylene carbonate and water, on platinum-iridium microelectrodes. The coated microelectrodes were subjected to different stability tests: sonication, passive aging, steam sterilization, and electrical stimulations in vitro. We found out that acetonitrile and propylene carbonate provided the most resistant PEDOT coatings. All the PEDOT coatings processed in different solvents were stable enough to be used in a medical context. We therefore implanted PEDOT-coated stimulating microelectrodes in rats and applied daily stimulation all the while monitoring the impedance of the microelectrodes. We observed that electrical stimulations decreased the impedance of both the PEDOT-coated microelectrodes and the uncoated control microelectrodes. The decrease in impedance was more prominent for control microelectrodes than for PEDOT-coated ones, which questions the relevance of PEDOT coatings for deep brain stimulation purposes and indicates that more work is required to optimize conducting polymer coatings on neural electrodes for electrical stimulation studies.


identifier: Saha, S. (2018). Miniaturized Optical Probes for Near Infrared Spectroscopy  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'étude de la propagation de la lumière dans des milieux hautement diffus tels que les tissus biologiques (imagerie optique diffuse) est très attrayante, car elle offre la possibilité d'explorer de manière non invasive le milieu se trouvant profondément sous la surface, et de retrouver des informations sur l'absorption (liée à la composition chimique) et sur la diffusion (liée à la microstructure). Dans la gamme spectrale 600-1000 nm, également appelée gamme proche infrarouge (NIR en anglais), l'atténuation de la lumière par le tissu biologique (eau, lipides et hémoglobine) est relativement faible, ce qui permet une pénétration de plusieurs centimètres dans le tissu. En spectroscopie proche infrarouge (NIRS en anglais), de photons sont injectés dans les tissus et le signal émis portant des informations sur les constituants tissulaires est mesuré. La mesure de très faibles signaux dans la plage de longueurs d'ondes visibles et proche infrarouge avec une résolution temporelle de l'ordre de la picoseconde s'est révélée une technique efficace pour étudier des tissus biologiques en imagerie cérébrale fonctionnelle, en mammographie optique et en imagerie moléculaire, sans parler de l'imagerie de la durée de vie de fluorescence, la spectroscopie de corrélation de fluorescence, informations quantiques et bien d'autres. NIRS dans le domaine temporel (TD en anglais) utilise une source de lumière pulsée, généralement un laser fournissant des impulsions lumineuses d'une durée de quelques dizaines de picosecondes, ainsi qu'un appareil de détection avec une résolution temporelle inférieure à la nanoseconde. Le point essentiel de ces mesures est la nécessité d'augmenter la sensibilité pour de plus grandes profondeurs d'investigation, en particulier pour l'imagerie cérébrale fonctionnelle, où la peau, le crâne et le liquide céphalo-rachidien (LCR) masquent fortement le signal cérébral. À ce jour, l'adoption plus large de ces techniques optique non invasives de surveillance est surtout entravée par les composants traditionnels volumineux, coûteux, complexes et fragiles qui ont un impact significatif sur le coût et la dimension de l'ensemble du système. Notre objectif est de développer une sonde NIRS compacte et miniaturisée, qui peut être directement mise en contact avec l'échantillon testé pour obtenir une haute efficacité de détection des photons diffusés, sans avoir recours à des fibres et des lentilles encombrantes pour l'injection et la collection de la lumière. Le système proposé est composé de deux parties: i) une unité d'émission de lumière pulsée et ii) un module de détection à photon unique qui peut être activé et désactivé rapidement. L'unité d'émission de lumière utilisera une source laser pulsée à plus de 80 MHz avec une largeur d'impulsion de picoseconde.  ABSTRACT: The study of light propagation into highly diffusive media like biological tissues (Diffuse Optical Imaging) is highly appealing due to the possibility to explore the medium non-invasively, deep beneath the surface and to recover information both on absorption (related to chemical composition) and on scattering (related to microstructure). In the 600–1000 nm spectral range also known as near-infrared (NIR) range, light attenuation by the biological tissue constituents (i.e. water, lipid, and hemoglobin) is relatively low and allows for penetration through several centimeters of tissue. In near-infrared spectroscopy (NIRS), a light signal is injected into the tissues and the emitted signal carrying information on tissue constituents is measured. The measurement of very faint light signals in the visible and near-infrared wavelength range with picosecond timing resolution has proven to be an effective technique to study biological tissues in functional brain imaging, optical mammography and molecular imaging, not to mention fluorescence lifetime imaging, fluorescence correlation spectroscopy, quantum information and many others. Time Domain (TD) NIRS employs a pulsed light source, typically a laser providing light pulses with duration of a few tens of picoseconds, and a detection circuit with temporal resolution in the sub-nanosecond scale. The key point of these measurements is the need to increase the sensitivity to higher penetration depths of investigation, in particular for functional brain imaging, where skin, skull, and cerebrospinal fluid (CSF) heavily mask the brain signal. To date, the widespread adoption of the non-invasive optical monitoring techniques is mainly hampered by the traditional bulky, expensive, complex and fragile components which significantly impact the overall cost and dimension of the system. Our goal is the development of a miniaturized compact NIRS probe, that can be directly put in contact with the sample under test to obtain high diffused photon harvesting efficiency without the need for cumbersome optical fibers and lenses for light injection and collection. The proposed system is composed of two parts namely; i) pulsed light emission unit and ii) gated single-photon detection module. The light emission unit will employ a laser source pulsed at over 80MHz with picosecond pulse width generator embedded into the probe along with the light detection unit which comprises single-photon detectors integrated with other peripheral control circuitry. Short distance source and detector pairing, most preferably on a single chip has the potential to greatly expedites the traditional method of portable brain imaging.


identifier: Falat, A. (2018). Étude expérimentale du comportement d'un éjecteur supersonique faisant intervenir un écoulement monophasique du R134a  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'un des systèmes les plus couramment employés pour la valorisation et la récupération des fuites énergétiques consiste à utiliser des systèmes frigorigènes à éjection. Le dispositif principal de ce type de systèmes, l'éjecteur, est activé à travers un système à régénération d'énergie thermique en employant un fluide caloporteur au sein d'un circuit thermohydraulique relativement simple. Dans ce travail, nous présentons des données expérimentales obtenues en utilisant du Fréon et un seul type d'éjecteur. Nous avons étudié les variations du facteur d'entrainement pour cinq différentes conditions de pressions du fluide primaire, en fonction de la variation de la pression du mélange à la décharge. Pour l'ensemble des expériences, nous avons constaté une très forte ressemblance du comportement du facteur d'entrainement. Pour les données « hors-conception », l'analyse de la totalité des données montre clairement l'existence systématique d'un deuxième point critique à la décharge correspondant à chaque condition de pression à l'entrée du fluide primaire. De plus, nos résultats expérimentaux ont été comparés avec ceux obtenus par d'autres chercheurs. Dans tous les cas, nous avons observé, une transition importante du comportement du fluide autour d'une deuxième condition critique. L'existence de ce changement peut affecter de manière non négligeable le comportement ainsi que le rendement des éjecteurs opérant dans des conditions « sur-conception ». Nous avons approché également nos données expérimentales avec un modèle analytique unidimensionnel puisé dans la littérature. Les prédictions du modèle ont fait appel aux propriétés thermophysiques du fluide de travail dont nous avons fait l'utilisation en respect des conditions d'opération du banc d'essais, le Fréon R134a.  ABSTRACT: Nowadays, ejector systems are used to recover heat from relatively low thermal potential sources by using appropriate working fluids in closed thermal-hydraulic loops. The main device of this type of system, the ejector, is driven by a thermal energy regeneration arrangement by using a heat transfer fluid within a relatively simple thermohydraulic circuit. In this work, experimental data collected by using a single ejector type and Freon 134a are presented. The variation of the entrainment ratio as a function of the discharge pressure is studied in detail. It is observed that within offdesign conditions, there is a systematic occurrence of a second critical point which seems to repeat along the entire range of primary inlet flow pressure tested. Since this behavior could affect ondesign operation conditions, this document emphasises this experimental fact. To this aim, actual data are also compared with similar ones given in the open literature, as well as with the predictions of a 1D thermodynamic model. Then, we compare our experimental data with the predictions of a one-dimensional analytical model utilizing the thermophysical properties of the working fluid we have used in accordance with the operating conditions of the test facility, namely Freon R134a