identifier: Imbleau-Chagnon, G. (2022). Modeling of Intraoperative Patient Positioning to Facilitate and Improve Corrective Spine Surgeries  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les déformations sévères du rachis telles que la scoliose, le spondylolisthésis ou les traumatismes aux rachis varient quant à leur étiologie, mais lorsque la chirurgie orthopédique est nécessaire les patients seront généralement positionnés sur une table opératoire spécialisée afin de faciliter les différentes étapes de la chirurgie. Les patients sont sécuritairement installés sur cette table grâce à différentes composantes d'aide au positionnement telles que des coussins, coussinets et sangles pour assurer la stabilité du rachis, donner accès à la zone chirurgicale et aux appareils d'imagerie, minimiser le saignement, stabiliser les structures vitales (e.g. organes, nerfs), assurer une ventilation adéquate et faciliter les procédures d'instrumentation. Cette étape de positionnement du patient sur la table opératoire a un effet démontré sur la correction du rachis et offre un potentiel démontré de moduler les courbes du rachis avant même de débuter la chirurgie de correction. Pendant la chirurgie, le clinicien exécute des manœuvres de correction qui imposent des charges importantes sur l'instrumentation de correction et le rachis, mais le potentiel de réduction de ces charges, au bénéfice du clinicien et du patient, par une manipulation ciblée du rachis via le positionnement patient n'a jamais été documenté et doit être plus approfondi.  Ce projet a tenté de répondre à la question suivante : en comparaison à la pratique courante, est-ce qu'une manipulation ciblée du rachis via le positionnement patient permet d'améliorer et de faciliter davantage la correction des déformations du rachis, ainsi que de réduire les forces requises pour exécuter les manœuvres de correction? Les hypothèses suivantes ont été émises : 1) Un modèle biomécanique du rachis humain calibré à l'aide de données cliniques préopératoires peut simuler à 5 degrés près les changements de courbure du rachis résultants du positionnement en décubitus ventral sur un cadre chirurgical standard à 4 montants avec l'ajustement sagittal du bassin et du torse; 2) Le modèle biomécanique du rachis humain validé au préalable à l'aide de données cliniques préopératoires peut simuler les changements de courbures du rachis et les forces exercées aux vertèbres résultants d'une instrumentation postérieure du rachis avec tiges et vis pédiculaires, et ce à 5 degrés près pour les courbes et à des niveaux de forces aux vis comparables aux études déjà publiées; 3) Le positionnement du patient sur un cadre chirurgical standard à 4 montants avec l'ajustement du bassin et du thorax durant les procédures d'instrumentation peut réduire jusqu'à 25% les forces d'interface entre les vertèbres et les vis pédiculaires. Trois objectifs spécifiques ont été élaborés afin de guider la stratégie de réponse à la question de recherche et de tester les hypothèses : 1) Développer un modèle biomécanique par éléments finis (MEF) du rachis humain capable de simuler le décubitus ventral intra-opératoire et la chirurgie corrective du rachis avec instrumentation par approche postérieure; 2) Vérifier et valider le modèle avec des cas cliniques existants et quantifier les effets associés aux incertitudes du modèle; 3) Caractériser l'influence du positionnement du patient sur la correction du rachis et les forces résultantes de la chirurgie avec instrumentation, ceci étant l'objectif principal du projet.  Afin d'atteindre l'objectif 1, un modèle par éléments finis personnalisé du rachis humain comprenant les vertèbres thoraciques et lombaires, les disques intervertébraux, les côtes, le sternum, les cartilages costaux, les tissus mous de l'abdomen et le bassin a été adapté pour inclure un cadre chirurgical et l'instrumentation corrective aux déformations du rachis. L'instrumentation corrective était faite de tiges et de vis pédiculaires. Des procédures de simulation avec conditions limites ont été développées pour le modèle afin de simuler le patient en décubitus ventral et la chirurgie corrective du rachis via une technique de translation. Le modèle a permis de mesurer les courbes du rachis et les forces axiales à l'interface os-vis issues des simulations.  Afin d'atteindre l'objectif 2, un plan de vérification, validation et quantification des incertitudes a été implémenté. Cinq patients atteints de scoliose idiopathique de l'adolescent et issus de la base de données de patients du CHU Sainte-Justine ont été utilisés pour comparer les résultats de simulation avec les mesures de données cliniques intra-opératoires. Des études in vivo et in silico ont aussi été utilisées afin de comparer les résultats. Les incertitudes associées au modèle ont été quantifiées à l'aide d'une série d'études de sensibilité des paramètres du modèle associés au positionnement, au patient et à l'instrumentation.  Afin d'atteindre l'objectif 3, le modèle a été utilisé pour mesurer l'influence d'une élévation des coussins thoraciques sur les forces intra-opératoire exercées aux vis pédiculaires sur les patients instrumentés.  Nos simulations ont permis de constater que :  Le modèle a permis de représenter en moyenne les changements de courbes du rachis résultants du positionnement intra-opératoire en décubitus ventral selon l'objectif donné (≤ 5⁰). • Le modèle a permis de simuler un déplacement vertical de 50-mm des coussins thoraciques avec des résultats moyens comparables aux études utilisant des patients sains. Le déplacement vertical des coussins thoraciques a eu une influence significative sur la cyphose thoracique, soit un changement de 9⁰ en moyenne, ce qui correspond à une augmentation de 67% de la cyphose. • Le modèle a permis de représenter les changements de courbes du rachis et les forces exercées aux vertèbres résultants d'une instrumentation par approche postérieure utilisant des tiges et des vis pédiculaires, selon l'objectif donné (≤ 5⁰) pour les courbes et à l'intérieur d'une plage de valeurs issues d'études in silico comparables pour les forces d'arrachement aux vis. • Le cadre chirurgical standard à 4 montants a favorisé la mobilité du rachis dans le plan sagittal tout en restreignant la mobilité dans le plan coronal. La rotation du bassin a été efficace pour manipuler les courbes sagittales passant d'une réduction moyenne de 32⁰ (pour représenter la flexion maximum des membres inférieurs) à une augmentation de 14⁰ (en extension maximum) pour la lordose. Le positionnement longitudinal des coussins thoraciques a exercé une influence significative sur la cyphose thoracique passant d'une réduction moyenne de 6⁰ pour un déplacement de 50-mm en direction crâniale à une augmentation de 4⁰ pour un déplacement de 50-mm en direction caudale. En accord avec les études existantes, les résultats obtenus des simulations ont confirmé que la combinaison de la rotation du bassin dans le plan sagittal et du placement des coussins thoraciques est pertinente pour la manipulation des courbes sagittales avant la procédure d'instrumentation. • De légères variations (3 mm) associées à la modélisation de la connexion tige-vis ont impacté significativement les valeurs moyennes (jusqu'à 30%) et maximales (jusqu'à 69%) des forces d'arrachement des vis. Cette observation a confirmé comment des ajustements à l'instrumentation de l'ordre du millimètre jouent un rôle significatif sur les niveaux de force mesurés. • Les simulations d'instrumentation réalisées avec le modèle ont révélé des modifications variées des forces d'arrachement aux vis avec l'augmentation de la cyphose thoracique via le positionnement du patient. Les résultats ont varié d'une réduction de 23 N ou 28% à une augmentation de 13 N ou 17% pour les valeurs moyennes et d'une réduction de 80 N ou37% à une augmentation de 52 N ou 27% pour les valeurs maximales. Pour les forces d'arrachement, il a donc été observé que la correction sagittale imposée par les tiges cintrées peut s'agencer favorablement ou défavorablement avec la courbure sagittale induite par le positionnement du patient. Il est donc proposé de poursuivre les efforts pour détailler comment la stratégie de correction par instrumentation peut intégrer la manipulation du rachis issue du positionnement du patient pour déduire des formes de tiges qui réduiraient les forces intra-opératoires aux implants. Il a été noté qu'afin de pouvoir étudier les forces aux vis durant les différentes étapes de la chirurgie, certains changements à la modélisation de la connexion tige-vis seraient nécessaires. Le modèle numérique proposé dans le cadre de ce projet est le premier à combiner les manipulations intra-opératoire des courbes du rachis via le positionnement du patient avec la possibilité de simuler la chirurgie corrective et de mesurer les forces résultantes aux implants. Notre MEF a le potentiel d'être intégré au développement rapide et à l'essai de nouvelles composantes d'aide au positionnement cherchant à optimiser la manipulation des courbes du rachis afin de faciliter et d'améliorer la correction de ses déformations.  ABSTRACT: Severe spinal deformities requiring orthopedic surgeries such as scoliosis, spondylolisthesis or spinal trauma vary in etiology, but generally for their treatment patients need to be positioned on a specialized operating table to facilitate the various stages of surgery. Patients are secured on this operating table via a set of positioning components such as cushions, pads, and straps to ensure spine stability, provide surgical and radiological imaging access, minimize bleeding, stabilize and preserve vital structures (e.g., organs, nerves), provide proper ventilation and facilitate instrumentation procedures. The simple act of positioning the patient has been shown to have an influence on spinal correction and offers a demonstrated and documented potential to leverage the patient's body kinematics to segmentally adjust the shape of the spine prior to any surgical correction. During surgery, corrective maneuvers are performed by the clinician which impose important loads on the corrective instrumentation, but the potential of targeted position induced spine manipulations on reducing these intraoperative loads, benefiting both the clinician and patient, has never been documented and must be further researched.  This project looked to answer the following question: when compared to the current practice, can position induced spine manipulations further improve and facilitate the correction of spinal deformities, as well as reduce the forces required to perform corrective maneuvers? It was hypothesized that: 1) a biomechanical model of the human spine calibrated with preoperative clinical data can simulate the changes in spinal curvatures resulting from being prone on a typical 4-post adjustable surgical frame with sagittal adjustment of the pelvis and torso, to within 5 degrees; 2) the previously validated biomechanical model of the human spine calibrated with preoperative clinical data can simulate the changes in spinal curvatures and the forces exerted on the vertebrae resulting from posterior instrumentation with rods and pedicle screws to within 5 degrees of accuracy for curvatures and within the measured range of comparable studies for forces; 3) perioperative patient positioning with pelvic and thoracic adjustments on a 4-post operating frame can reduce interface loads between the vertebral bone and the pedicle screws by up to 25% during instrumentation procedures.  From there three specific objectives guided the strategy to answer this question and test these hypotheses: 1) develop a biomechanical finite element model (FEM) of the human spine capable of simulating the intraoperative prone position and posterior spinal instrumentation surgery; 2) verify and validate the model with existing clinical cases and quantify the effects of model uncertainties; 3) characterize the influence of patient positioning on the correction and forces resulting from instrumentation surgery, which was the principal objective of this project.  To achieve objective 1, a personalized finite-element model of the human spine which included the thoracic and lumbar vertebrae, intervertebral discs, ribs, sternum, costal cartilages, abdominal soft tissues, and pelvis was adapted to include a surgical frame and spine deformity correction instrumentation. The correction instrumentation consisted in contoured rods and pedicle screws. Model simulation procedures with associated boundary conditions were developed to simulate the patient prone position and the instrumentation surgery via a translation technique. The model allowed to measure the resulting spine curvatures and axial forces at the bone-screw interface.  To achieve objective 2, a verification, validation and uncertainty quantification plan was developed and followed. Five patients with adolescent idiopathic scoliosis from the Sainte-Justine University Hospital patient database were used to compare the simulation results with intraoperative clinical data measurements. Published in vivo and in silico studies were also used to compare results. Model uncertainty was quantified via a series of parameter sensitivity studies with a varied set of positioning, patient-related and instrumentation parameters.  To achieve objective 3, the model was used to measure the influence of raising the surgical frame's thoracic cushions on the intraoperative post-instrumented pedicle screws loads.  Our simulations yielded the following results: • The model allowed to simulate the changes in spinal curvatures resulting from the intraoperative prone position within clinical significance (≤ 5⁰) on average. • The model allowed to simulate a 50-mm vertical displacement of the thoracic cushions with comparable results as previous experiments with healthy patients. The thoracic cushions vertical displacement had a significant influence on thoracic kyphosis with an average change of 9⁰ corresponding to a 67% increase in kyphosis. • The model allowed to simulate the changes in spinal curvatures and forces exerted on the vertebrae resulting from posterior instrumentation with rods and pedicle screws within clinical significance (≤ 5⁰) on average for curvatures and within the measured range of comparable in silico studies for screw pull-out forces. • The studied standard 4-post surgical frame favored spine mobility in the sagittal plane and restricted mobility in the coronal plane. Pelvic rotation was effective at manipulating the sagittal curves with an average reduction of 32⁰ (at maximum flexion of lower limbs) to an increase of 14⁰ (at maximum extension) in lordosis. Longitudinal positioning of the thoracic cushions had a significant influence on thoracic kyphosis with an average 6⁰ reduction for a 50-mm cephalad displacement to a 4⁰ increase for a 50-mm caudal displacement. The combination of pelvic rotation in the sagittal plane and thoracic cushions placement was shown as pertinent for manipulating the sagittal curves prior to instrumentation, in accord with published studies. • Small variations (3 mm) in screw-to-rod connection modeling assumptions had a significant impact on screw pull-out forces average (up to 30%) and maximum (up to 69%) values. This finding confirmed how millimeter level adjustments in the instrumentation play a significant role in measured load levels. • The instrumented simulations using the model revealed a varying effect on intraoperative post-instrumented screw pull-out forces resulting from an increase in thoracic kyphosis using patient positioning. Results ranged from an average reduction of 23 N or 28% to an increase of 13 N or 17% in average forces and a reduction of 80 N or 37% to an increase of 52 N or 27% in maximum forces. It was observed that the sagittal correction objective imposed by the contoured rods shape may work in combination with or against the position induced correction. From this finding it was proposed to further investigate how the correction strategy could integrate the position induced correction to deduce contoured rod shapes that would minimize intraoperative forces. It was noted that further model developments would be required to also measure screw loads at intermediate stages of the instrumentation surgery which would involve a refinement of the screw-to-rod connection modeling.The proposed numerical model is the first to combine intraoperative position-induced spine manipulations with the capability to simulate instrumentation surgery and measure resulting implant forces. Our FEM has a great potential in the rapid development and testing of novel positioning modalities which aim to advantageously manipulate the spine to further facilitate and improve the correction of spinal deformities.


identifier: Picot, F. (2022). Sonde Raman multimodale intégrée à une plateforme d'imagerie TRUS-IRM à l'aide d'un capteur électromagnétique pour améliorer le guidage des biopsies de la prostate  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La substitution des chirurgies ouvertes par des procédures minimalement invasives constitue une évolution majeure de la médecine moderne. Ce progrès est rendu possible par le développement des systèmes d'imagerie servant à guider en temps réel la navigation des instruments chirurgicaux. Toutefois ces technologies, basées essentiellement sur un contraste anatomique, souffrent de limites de précision dues à la taille ou à l'hétérogénéité des lésions ciblées. Cette thèse vise à répondre à ce problème clinique, dans le cas particulier du guidage des procédures de biopsie de la prostate, grâce au contraste moléculaire que procure la spectroscopie Raman. Le premier objectif est la validation d'une preuve de concept du guidage d'une aiguille de biopsie optique, lors de son insertion dans un modèle animal in vivo. Les résultats ont montré la capacité de la sonde tomographique, basée sur la spectroscopie de réflectance diffuse, à retrouver la signature de l'hémoglobine permettant de localiser spatialement les vaisseaux sanguins. Le deuxième objectif vise à concevoir et manufacturer le nouveau prototype de sonde multimodale optimisé pour le guidage de la procédure de biopsie de la prostate. Les contraintes techniques sont majeures car elles imposent de miniaturiser, dans un diamètre inférieur à 1.3 mm, un système de spectroscopie Raman combinant les régions fingerprint (FP) et high wavenumber (HWN). Un aspect critique est également l'intégration d'un capteur Électromagnétique (EM) sur le nouveau prototype permettant son insertion dans une plateforme de guidage standard TRUS-IRM. Finalement le troisième objectif est de valider la capacité de la spectroscopie Raman à discriminer entre les tissus sains et cancéreux de la prostate. Nous démontrons pour la première fois l'utilisation et le diagnostic in situ de tissus cancéreux prostatiques sur 18 patients, avec une précision de 79%, à l'aide d'un système de spectroscopie Raman intégré à une plateforme de navigation TRUS-IRM-EM. Les résultats de cette thèse valident expérimentalement la capacité de la spectroscopie Raman à améliorer le guidage des procédures de biopsie de la prostate en détectant in situ les échantillons cancéreux.  ABSTRACT: The transition from open to minimally invasive surgeries represents a major evolution of modern medicine. This improvement is possible thanks to the development of imaging systems, used in real time, for the surgical instruments guidance. However, these technologies, mostly based on anatomical contrast, suffer from accuracy limitations due to the size and heterogeneity of the targeted lesions. This thesis aims to answer the specific clinical problem of the prostate biopsy procedure guidance, by using the molecular contrast provided by Raman spectroscopy. The first objective is to provide a proof of concept for the guidance of an optical biopsy needle, during its insertion in an animal model experiment. The results showed the ability of the tomographic probe, based on diffuse reflectance spectroscopy, to retrieve the hemoglobin signature allowing to spatially locate blood vessels. The second objective is to design and manufacture a new multimodal prototype probe optimized for the prostate procedure biopsy guidance. The technical constraints are significant due to the requirement of miniaturizing, in a 1.3 mm diameter, a Raman spectroscopy system combining fingerprint and high wavenumber spectral regions. A critical aspect is also the Electromagnetic tracker integration on this new prototype to ensure its clean insertion in a standard TRUS-MRI navigation platform. Finally, the third objective is the validation of Raman spectroscopy to discriminate between normal and cancerous prostate tissue. We show for the first time the in situ acquisition and diagnosis of cancerous prostate tissue performed on 18 patients, with a 79% accuracy, using our Raman spectroscopy system integrated to a TRUS-MRI-EM navigation platform. The results of this thesis experimentally validate the ability of Raman spectroscopy to enhance the prostate procedure biopsy guidance thanks to an in situ detection of cancerous samples.


identifier: Jalili, F. (2022). Optimal Treatment Strategies to Prevent and Manage Cyanobacteria and Cyanotoxins in Drinking Water Sludge  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ces dernières années, l'accumulation de cyanobactéries et leur cyanotoxines dans les boues générées par des procédés de traitement conventionnels (coagulation, floculation, décantation et filtration) ont suscité des inquiétudes liées à la santé dans les usines de filtration de l'eau potable. Le devenir des cyanobactéries et cyanotoxines dans les boues est complexe en raison de l'impact simultané de la composition des cyanobactéries de l'eau brute, des conditions environnementales et de divers phénomènes tels que la survie des cellules, la croissance, la lyse et le relâchement de cyanotoxines pendant le stockage des boues. Cependant, peu d'informations est disponible sur i) la dynamique des changements de la composition de la communauté cyanobactérienne entre l'eau brute et les boues stockées, ainsi que le surnageant associé, ii) le devenir des cyanobactéries et cyanotoxines lors du stockage de boues et iii) le traitement des boues contenant des cyanobactéries et cyanotoxines. L'objectif général de cette recherche est d'étudier le devenir des cyanobactéries et des cyanotoxines dans les usines de filtration de l'eau potable pendant le stockage et la manipulation.  ABSTRACT: Health-related concerns on accumulation of cyanobacteria and cyanotoxins in the sludge of conventional treatment processes (coagulation, flocculation, sedimentation, and filtration) have been raised in drinking water treatment plants (DWTPs) in recent years. The fate of cyanobacteria and cyanotoxins in the sludge is complex due to the simultaneous impact of cyanobacterial composition in the intake water, environmental conditions, and various phenomena such as cell survival, growth, lysis, and cyanotoxin release during sludge storage. However, little information about the dynamics of cyanobacterial shifts from the intake water towards sludge and supernatant, the fate of cyanobacteria and cyanotoxins during sludge storage, and treatment of cyanobacteria-laden sludge is available. The general objective of this research study is to investigate the fate of cyanobacteria and cyanotoxins in the sludge of DWTPs during storage and handling. The specific objectives are to: i) Diagnose critical points of DWTPs where cyanobacteria cells and their associated cyanotoxins accumulate, ii) Determine the relationship between cyanobacterial communities in the intake water, sludge, and sludge supernatant; iii) Determine the impact of nutrients on cyanobacterial community shifts in the intake water, sludge, and sludge supernatant; iv) Compare taxonomic cell counts with shotgun metagenomic sequencing results; v) Validate cyanobacterial cell growth during sludge storage, vi) Study the dynamics of the cyanobacterial compositions in the stored sludge under controlled conditions, vii) Investigate the most resistant and susceptible cyanobacterial genus during sludge storage, viii) Study the potential health impact (i.e. cyanotoxin release) of the genera surviving sludge storage, ix) Investigate the impact of oxidation on cyanobacteria and cyanotoxins in both lab- and full- scales, x) Determine the efficiency of oxidation during sludge storage, xi) Evaluate the impact of oxidation and stagnation on microbial and cyanobacterial communities, xii) Conduct a critical review on the fate of cyanobacteria and cyanotoxins in conventional treatment plants' sludge and during sludge storage and, xiii) Develop an operational decision framework to determine the best practice to minimize risks associated with cyanobacteria and cyanotoxin presence in DWTPs.


identifier: Manibod, V. (2022). Ajout de structure aux modèles génératifs de séquences avec la programmation par contraintes  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Grâce aux avancées de l'apprentissage automatique, il est possible de générer de nouveaux contenus réalistes comme des textes et de la musique. Plusieurs de ces contenus sont modélisés sous la forme d'une séquence, soit une suite ordonnée d'éléments. Cependant, une des difficultés des modèles génératifs de séquences est de manifester une structure dans les exemplaires générés. Par exemple, une phrase ne doit généralement contenir qu'un seul verbe relié à un sujet ou encore, toutes les notes d'une mélodie doivent être en consonance. Ces structures peuvent être requises selon des connaissances préalables ou désirées. Lors de l'entraînement, il n'y a pas de garantie que le modèle puisse efficacement apprendre de telles structures à travers le jeu de données. Ainsi, imposer explicitement la structure par le biais de contraintes pourrait assurer la génération de séquences valides ou souhaitées. L'objectif du projet est de développer une méthode permettant de contraindre la sortie d'un modèle génératif de séquences. Il est possible d'approcher ce problème lors de l'entraînement ou lors de l'inférence. Dans ce mémoire, nous attaquons le problème lors de la phase d'inférence. En effet, cela permet d'éviter de réentraîner le modèle. Nous faisons aussi nos expériences dans le domaine de la génération de musique, puisque c'est un domaine où le contrôle est toujours un défi actuel. Nous nous basons sur un modèle d'apprentissage automatique représentatif de l'état de l'art, soit le Chord-conditioned Melody Transformer (CMT). Ce modèle génère une mélodie selon une suite d'accords donnée. Afin de contraindre les séquences, nous exprimons une structure en utilisant la programmation par contraintes (CP). Cette dernière a l'utilité d'être déclarative et flexible. Par conséquent, il est possible d'exprimer une grande diversité de contraintes. Nous utilisons le solveur MiniCPBP permettant d'effectuer des itérations de belief propagation (BP) afin d'approximer la probabilité qu'une valeur d'une variable fasse partie d'une solution réalisable. Afin d'intégrer la distribution de probabilité du CMT dans le processus de BP, la contrainte oracle est incluse dans le modèle CP. Cette contrainte associe une probabilité marginale à chaque valeur d'une variable. Elle n'impose donc aucune relation. Par conséquent, à chaque pas de temps, les marginales résultantes de la BP sont représentatives du style appris par CMT et des contraintes du modèle CP. À travers différentes expériences, diverses contraintes à long terme ont été imposées sur les mélodies (ex., augmentation graduelle de la densité de notes, nombre différent de notes par mesure et présence de toutes les notes de la tonalité). Pour toutes ces contraintes, nous avons fait face au problème de procrastination qui consiste à ignorer les contraintes jusqu'au dernier moment possible aboutissant à des mélodies souvent particulières.  ABSTRACT: With the recent progress of machine learning, models are now able to produce original realistic content like text or music. However, one popular way of representing these types of content is in a sequential manner. One of the difficulties of sequence generative models in machine learning is that they often struggle to exhibit structure in the generated sequences. For example, a sentence usually needs a predicate and an agent that is performing the action, or a melody needs to stay in the key. Therefore, depending on the domain, such structure can be desired or mandatory to have valid sequences. Relying on the model to learn such structure through the dataset sometimes cannot be reliable because there is no guarantee. For that reason, explicitly imposing constraints may be a solution to the problem. The objective of this thesis is to develop a method able to constrain the output of a generative sequence model. We tackle the problem during the inference phase where the constraints will guide the generation of the sequences of a pre-trained machine learning model. We also experiment in the domain of music generation where controllability is a common challenge. We build on the Chord-conditioned Melody Transformer (CMT), a state-of-the-art model able to generate a melody based on a given chord progression. The structure to be imposed is expressed as a constraint programming (CP) model. With the high-level modeling and flexibility of CP, many different types of constraints can be enforced. The CP solver used is MiniCPBP which is able to perform belief propagation (BP) to obtain a probability distribution that considers the respect of the constraints. For that distribution to also take into account the music style learned, the probability distribution from CMT is given at each generation step through the oracle constraint. That constraint does not enforce any kind of relation between variables. Instead, it associates a marginal probability for each value in the domain of a variable. Thus, the resulting distribution obtained after the process of BP is able to also consider the musical style learned from CMT. Through different experiments, different long-term constraints were imposed on the melodies such as having increasing number of notes, a different number of notes in each bar and the occurrence of every pitch class in the key. We found that our method has been confronted with the procrastination problem when imposing long-term constraints. Indeed, the overall model is almost ignoring the respect of the constraints until the last moment while the sequence is being generated. This phenomenon resulted in very odd melodies. Thus, to mitigate the problem, the impact of the CMT's marginals during BP is reduced. However, this will result in melodies that are less similar than the style learned by CMT.


identifier: Ben Braiek, H. (2022). Debugging and Testing Deep Learning Software Systems  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RÉSUMÉ L'apprentissage profond est de plus en plus déployé dans les systèmes à grande échelle et les systèmes critiques grâce aux percées récentes en apprentissage automatique. On utilise maintenant des applications logicielles intégrant l'apprentissage profond dans la vie de tous les jours, incluant les finances, l'énergie, la santé et les transports. L'approche traditionnelle du développement logiciel est déductive, consistant en l'écriture de règles qui dictent le comportement du système avec un programme codé. En apprentissage profond, ces règles sont plutôt inférées de façon inductive à partir de données d'apprentissage. Malgré ce changement de paradigme permettant des progrès transformationnels dans plusieurs domaines d'applications, des inquiétudes quant à leur fiabilité ont été soulevées et ont rendu la recherche sur la qualité des logiciels incluant des réseaux de neurones d'une importance primordiale. Premièrement, les programmes d'entraînement des réseaux de neurones modernes sont devenus plus complexes, incorporant le non-déterminisme inhérent et les subtilités cachées derrière une pile de boîtes à outils. En conséquence, les bogues tels que des erreurs de codage, des mauvaises configurations et l'abus d'interface de programmation (API) se produisent fréquemment, selon des études récentes. Par conséquent, nous concevons des débogueurs automatisés qui s'appuient sur l'analyse de code statique et de la dynamique d'entraînement, tout en étant conceptuellement découplés des APIs, des modèles et d'autres choix d'implémentation. Nos outils de débogage sont implémentés pour fonctionner avec les bibliothèques populaires, et leurs évaluations sont menées sur de vrais programmes bogués de StackOverflow et Github. Deuxièmement, même un programme d'entraînement sans bogue peut aussi produire des modèles non fiables en raison de la tendance de l'apprentissage basé sur les données au biais de sélection, aux fausses corrélations et aux déviations de distribution. Ces modèles non fiables se basent sur des raccourcis injustifiés et des biais inductifs médiocres qui ne correspondent pas aux exigences de l'application ou aux propriétés du système. De plus, les développeurs ont tendance à inclure des opérations post-entraînement comme la compression de taille des paramètres, qui peuvent altérer négativement les biais inductifs sans être identifiés avant le déploiement. Traditionnellement, le test du modèle repose sur l'estimation de ses performances sur des échantillons de test qui sont indépendants et distribués de manière identique. Cependant, ces tests échouent souvent à exposer les défauts inhérents du modèle car les échantillons retenus pour le test héritent souvent des mêmes biais que les données d'apprentissage. En outre, les attaques contradictoires se concentrent sur la révélation des vulnérabilités de modèle contre des entrées malveillantes qui ne correspondent pas forcément aux conditions réelles.  ABSTRACT: Deep Learning (DL) is increasingly becoming an integral part of intelligent software systems in critical aspects of our daily lives, from finance and energy to health and transportation. Traditionally, software logic is developed deductively, by encoding the rules that govern the program's behavior into the code. In contrast, Deep Neural Networks (DNNs) derived inductively (i.e., learned) these rules from the training data. Despite this paradigm shift enabling transformational progress across a wide range of domains, concerns over their trustworthiness have been raised and have made research on DL software quality of paramount importance. First, the training programs of modern DNNs have become more complex, incorporating inherent nondeterminism and hidden intricacies of a deeply-growing pile of toolkits. As a result, bugs such as coding faults, misconfigurations, and API misuses occur more frequently, according to recent studies on DL bugs. Therefore, we design automated DL debuggers that rely on static code analysis and training dynamics monitoring, while being conceptually decoupled from APIs, Models, and other implementation choices. Our debugging tools are implemented to work on mainstream DL libraries, and their assessments are conducted on real buggy programs from StackOverflow and Github. Second, even a bug-free DL training program can still produce unreliable DNNs because of the data-driven learning's proneness to selection bias, spurious correlations, and distributional shifts. In such cases, an optimized DNN might have learned unjustified shortcuts and poor inductive biases that misaligned with the application requirements or the system properties. Furthermore, modern DL pipelines tend to include post-training operations such as size compression or domain transition, which can adversely alter the patterns captured by the DNN without being identified before deployment. Conventional testing of a DNN reposes in estimating its performance on independent and identically distributed (iid) held-out test samples. However, iid tests often fail to expose the inherent model's flaws because the held-out samples often inherit the same biases of the training data. Besides, adversarial attacks focus on maliciously-crafted inputs that reveal model vulnerabilities against likely-unforeseeable data in real-world conditions. In parallel, DL software testing trends focus on designing structural coverage criteria with no evidence of correlation to fault-revealing abilities, and they are evaluated on how well they generate distorted images for computer vision applications. In regards to distributional drifts, generative modeling is limited by the curse of dimensionality, while model-dependent detectors based on uncertainties or activation maps suffer from reliability degeneration on shifted inputs.


identifier: Maharaj, T. (2022). Generalizing in the Real World with Representation Learning  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'apprentissage automatique formalise le problème de faire en sorte que les ordinateurs peuvent apprendre d'expériences comme optimiser la performance mesurée avec une ou des métriques sur une tache définie pour un ensemble de données. Cela contraste avec l'exigence d'un comportement déterminé en avance (c.-à-d. par règles). La formalisation de ce problème a permis de grands progrès dans de nombreuses applications ayant un impact important dans le monde réel, notamment la traduction, la reconnaissance vocale, les voitures autonomes et la découverte de médicaments. Cependant, les instanciations pratiques de ce formalisme font de nombreuses hypothèses non-realiste pour les données réels - par exemple, que les données sont indépendantes et identiquement distribuées (i.i.d.) - dont la solidité est rarement étudiée. En réalisant de grands progrès en si peu de temps, le domaine a développé de nombreuses normes et standards ad hoc, axés sur une gamme de taches relativement restreinte. Alors que les applications d'apprentissage automatique, en particulier dans les systèmes d'intelligence artificielle, deviennent de plus en plus répandues dans le monde réel, nous devons examiner de manière critique ces normes et hypothèses. Il y a beaucoup de choses que nous ne comprenons toujours pas sur comment et pourquoi les réseaux profonds entraînés avec la descente de gradient sont capables de généraliser aussi bien qu'ils le font, pourquoi ils échouent quand ils le font et comment ils fonctionnent sur des données hors distribution. Dans cette thèse, je couvre certains de mes travaux visant à mieux comprendre la généralisation de réseaux profonds, j'identifie plusieurs façons dont les hypothèses et les problèmes rencontrés ne parviennent pas à se généraliser au monde réel, et je propose des moyens de remédier à ces échecs dans la pratique.  ABSTRACT: Machine learning (ML) formalizes the problem of getting computers to learn from experience as optimization of performance according to some metric(s) on a set of data examples. This is in contrast to requiring behaviour specified in advance (e.g. by hard-coded rules). Formalization of this problem has enabled great progress in many applications with large real-world impact, including translation, speech recognition, self-driving cars, and drug discovery. But practical instantiations of this formalism make many assumptions - for example, that data are i.i.d.: independent and identically distributed - whose soundness is seldom investigated. And in making great progress in such a short time, the field has developed many norms and ad-hoc standards, focused on a relatively small range of problem settings. As applications of ML, particularly in artificial intelligence (AI) systems, become more pervasive in the real world, we need to critically examine these assumptions, norms, and problem settings, as well as the methods that have become de-facto standards. There is much we still do not understand about how and why deep networks trained with stochastic gradient descent are able to generalize as well as they do, why they fail when they do, and how they will perform on out-of-distribution data. In this thesis I cover some of my work towards better understanding deep net generalization, identify several ways assumptions and problem settings fail to generalize to the real world, and propose ways to address those failures in practice.


identifier: Duhamel, I. (2022). L'interdisciplinarité entre génie et sciences sociales : quelle est-elle et comment la caractériser ?  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'interdisciplinarité s'impose afin de développer une compréhension fine des grands défis de la société contemporaine. Parmi ceux-ci, mentionnons le développement ininterrompu des technologies numériques qui entraîne des transformations radicales dans plusieurs sphères de la société (FRQ, 2020). Les ingénieurs se trouvent au cœur de ce développement technologique. Leur rôle ne se limite plus seulement à la compréhension et à la maîtrise des enjeux techniques, mais également des enjeux sociaux. Les programmes universitaires d'ingénierie s'adaptent en intégrant graduellement des connaissances issues des sciences sociales. L'importance de l'interdisciplinarité dans la recherche en ingénierie reste toutefois peu documentée. Notre étude vise à caractériser l'interdisciplinarité des activités de recherche en ingénierie, en ciblant spécifiquement la relation avec les sciences sociales. Pour caractériser l'interdisciplinarité, nous utilisons trois méthodes bibliométriques. Deux d'entre elles exploitent les métadonnées des publications scientifiques que nous retrouvons dans la base de données bibliographiques de Web of Science. En complément de ces méthodes habituelles, nous utilisons une approche qui utilise une source de données beaucoup moins exploitée : les mémoires de maîtrise et les thèses de doctorat contenus dans une base de données institutionnelles. Comme la formation de la relève par le biais de la direction d'étudiants-chercheurs constitue souvent une occasion de mettre de l'avant l'interdisciplinarité, cette source d'information s'est avérée fort pertinente pour compléter les méthodes bibliométriques habituelles. Dans notre étude, nous caractérisons l'interdisciplinarité des activités de recherche menées par 25 professeurs-chercheurs de la section génie industriel de Polytechnique Montréal, une université d'ingénierie située au Canada. L'échantillon que nous analysons comprend 479 publications scientifiques et 319 travaux (mémoires de maîtrise et thèses de doctorat). Nos résultats montrent qu'entre 2009 à 2019, une partie des activités de recherche menées par les professeurs-chercheurs du département de génie industriel de Polytechnique Montréal sont interdisciplinaires. L'étude contribue à l'avancement des connaissances en interrogeant les moyens de caractériser l'interdisciplinarité des activités de recherche, non seulement en regard de la production de nouvelles connaissances scientifiques, mais aussi de la formation de la relève en recherche. Les résultats apparaissent prometteurs et suggèrent d'étendre la méthodologie à un échantillon plus vaste, et à une variété de disciplines.  ABSTRACT: Interdisciplinarity is essential to develop a detailed understanding of the major challenges facing today's society. Among these challenges, let us mention the uninterrupted development of digital technologies that is leading to radical transformations in several spheres of society (FRQ, 2020). Engineers are at the heart of this technological development. Their role is no longer limited to understanding and mastering technical issues, but also social issues. University engineering programs are adapting by gradually integrating knowledge from the social sciences. However, the importance of interdisciplinarity in engineering research remains under documented. Our study aims to characterize the interdisciplinarity of engineering research activities, specifically targeting the relationship with the social sciences. To characterize interdisciplinarity, we use three bibliometric methods. Two of them exploit the metadata of scientific publications found in the Web of Science bibliographic database. In addition to these common methods, we use an approach that exploits a much less used data source: master's dissertations and doctoral thesis contained in an institutional bibliographic database. Since the development of the next generation of researchers through the supervision of student researchers is often an opportunity to promote interdisciplinarity, this source of information has proven to be very relevant to complement the usual bibliometric methods. In our study, we characterize the interdisciplinarity of the research activities carried out by 25 professor-researchers of the industrial engineering section of Polytechnique Montréal, an engineering university located in Canada. The sample we analyze includes 479 scientific publications and 319 works (master's theses and doctoral dissertations). Our results show that between 2009 and 2019, a portion of the research activities conducted by the professor-researchers of the industrial engineering department of Polytechnique Montréal are interdisciplinary. The study contributes to the advancement of knowledge by questioning the means of characterizing the interdisciplinarity of research activities, not only with respect to the production of new scientific knowledge, but also with respect to the development of the next generation of researchers. The results appear promising and suggest extending the methodology to a larger sample and to a variety of disciplines.


identifier: Saada, A. (2022). Étude de la fabrication de géométries élémentaires de pièces de turboréacteur en composite SiC/SiC par injection/filtration de barbotine  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les motoristes s'intéressent aux composites à matrice céramique depuis une trentaine d'année, ces matériaux offrent en effet une résistance thermique supérieure à celle des superalliages de nickel, cela avec une masse plus réduite et sans souffrir des problèmes de fragilité des céramiques très hautes températures pleines. Une fois démocratisés, ces matériaux permettraient donc de réduire la consommation en kérosène et les émissions de pollution liées au transport aérien de manière significative. Parmi eux, les composites à matrice et renfort en carbure de silicium sont à un stade particulièrement avancé dans la recherche les concernant. Proche d'une implémentation industrielle, ils peuvent être fabriqués grâce à de nombreux procédés plus ou moins bons en termes de coût, de durée, de qualité de pièce et de complexité des formes réalisables, conduisant généralement à une utilisation combinée de ces procédés. L'injection/filtration de barbotine est un procédé en cours de développement qui se révèle particulièrement avantageux sur les points mentionnés précédemment. Il consiste à injecter une suspension de poudre SiC, dans une préforme SiC 3D accolée à un filtre. La poudre se dépose sur le filtre et fait donc croître un gâteau de poudre au sein du réseau fibreux de la préforme. La pièce formée peut ensuite subir un frittage pour consolider le gâteau. Ce procédé nécessite encore du travail de maturation sur la fabrication de pièces complexe, avec l'objectif d'acquérir de solide connaissance sur le comportement du procédé en fonction des paramètres d'entrée, ce qui permettrait à terme la finalisation d'outils de simulation (en cours de développement) prévoyant la qualité de remplissage du composite selon ces conditions d'entrée. Dans ce cadre et après la création de moules adaptés, des injections sur des plaques rectangulaires, ainsi que sur des pièces appelées éprouvettes à épaisseur variable, présentant des épaississements de section et des variations de tissage dans la préformes ont été réalisées selon différentes stratégies prédéterminées. Ces échantillons ont ensuite été étudiés par triple pesée et microtomographie. L'ensemble des essais et leur analyse a permis d'établir un ensemble de règles de conception des moules spécifiques à ce procédé, d'acquérir des valeurs sur la cinétique du remplissage du composite et enfin des informations qualitatives sur l'allure du front de construction et le niveau de porosité résiduelle en fonction de la stratégie d'injection utilisée sur la pièce.  ABSTRACT: Aircraft engines manufacturer have been interested in ceramic matrix composites for about 30 years. These materials offer higher thermal resistance than nickel superalloys, with a lower mass and without the brittleness problems of full high-temperature ceramics. Once democratized, these materials could significantly reduce kerosene consumption and pollution emissions from air transport. Among them, composites with silicon carbide matrix and reinforcement are at a particularly advanced stage of R&D, close to industrial implementation. They can be manufactured through many processes, more or less efficient in terms of cost, duration, part quality and complexity of the achievable shapes, generally leading to the use of combined processes. Slurry injection/filtration is a process under development that is particularly advantageous on the points mentioned above. It consists in injecting a suspension of SiC powder into a 3D SiC fiber preform attached to a filter, the powder being deposited on the filter and thus making a powder cake growing within the fibrous network of the preform. The formed part can then undergo a sintering to consolidate the cake. This process still requires maturation work on complex parts, with the objective of acquiring solid knowledge on the behavior of the process according to the input parameters, which will eventually allow the finalization of simulation tool (under development) predicting the filling quality of the composite according to these input conditions. Within this framework and after the creation of adapted molds, injections on rectangular plates (by the edge and not the face) and on parts called blade foot, presenting thickenings of section and variations of weaving in the preform were carried out according to various predetermined strategies. These samples were then studied by triple weighing and microtomography. The set of tests and their analysis allowed to establish a set of design rules for the molds specific to this process, to acquire values on the kinetics of the filling of the composite and finally qualitative information on the shape of the construction front and the level of residual porosity depending on the injection strategy used on these parts.


identifier: Larocque, R. (2022). Estimation des coûts de constructions de routes en utilisant l'apprentissage automatique explicable  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'estimation préalable des coûts est une étape cruciale lors de la réalisation d'un projet de construction d'infrastructures de transports. Une estimation de qualité assure une meilleure planification de projet, une gestion des fonds adéquate et une prise de décision éclairée. En effet, il est commun de sélectionner une solution à un projet routier via la publication d'appels d'offres. Généralement, un projet regroupe différentes tâches et un appel d'offres sera émis pour chacune d'entre elles. Une compétition émerge entre les différents soumissionnaires. Cette compétition étant publique, elle peut potentiellement influencer les coûts suggérés. Ainsi, avant toute prise de décision, les chargés de projet doivent anticiper le coût raisonnable attendu pour un certain appel d'offres. Si le coût suggéré par les soumissionnaires est estimé à la baisse, le service offert risque d'être d'une qualité médiocre. À l'inverse, un coût surestimé se traduirait par une mauvaise gestion des fonds publics. Bref, on cherche à accepter un prix qui serait des plus justes. Les chargés de projet doivent également justifier leur choix de soumissionnaire de manière objective et compréhensible. Offrir une estimation préalable des coûts claire et justifiée représente un défi pour ces derniers. Au ministère des Transports du Québec, l'approche utilisée combine une analyse statistique des coûts historiques et l'avis d'experts en estimation. Or, le Vérificateur Général du Québec a soulevé des doutes quant à l'exactitude de ces estimations. De plus, ce dernier soulève son manque de transparence. Des approches plus modernes utilisent l'intelligence artificielle pour accomplir cette même tâche. Plus particulièrement, l'apprentissage automatique supervisé est fort utile pour faire de telles prédictions en présence de données numériques historiques. Toutefois, la conception d'un modèle d'apprentissage automatique étant à la fois performant et explicable est un défi dans l'état de l'art. Un autre défi lié à l'utilisation de l'apprentissage automatique est qu'un modèle entraîné à prédire les coûts pour une tâche en particulier ne sera pas forcément approprié pour une tâche tierce. La solution proposée affronte ces différents défis. D'abord, ce mémoire propose un pipeline d'optimisation de la performance des modèles d'apprentissage automatique. Les premières étapes de ce pipeline visent à améliorer la qualité des données en vue de son utilisation avec le modèle étudié. Pour ce faire, on propose différentes techniques de mise à l'échelle des données, on procède à une sélection de variables rigoureuse via un algorithme d'élimination récursive des variables et on effectue une détection automatique des valeurs aberrantes. L'étape finale du pipeline d'optimisation permet de sélectionner les meilleurs hyperparamètres du modèle. Au travers de ce processus, chaque étape valide sa configuration à l'aide d'une validation croisée adaptée à notre problème.  ABSTRACT: Preliminary cost estimation is a predominant factor for the success of a road construction project. It supports the project planning, proper funds management and the decision-making process. The decision-making process usually goes by independent calls for tenders for each sub-task associated with a project. From this call emerges a competition between the various subcontractors. This competition being public, it impacts the price suggested by the several submissions. Prior to making a decision, project planners need to anticipate the fair price expected for a project. If the price given is too low, we risk having poor quality of service. Conversely, we risk paying an unnecessary amount if prices are higher than expected. Moreover, project planners need to justify their acceptance of a certain bidder to stakeholders in an objective and clear manner. This transparency is paramount to avoid illegal collusion. It also helps to identify the most influential factors in a project's cost. Having an estimation that is both of quality and transparent is a challenge for a project executive. In Quebec's Ministry of Transportation (MTQ), the task is carried out by a combination of an analysis of historical cost and expert knowledge. The latter method was however the object of doubts and questions regarding both its transparency and its correctness by the Auditor General of Quebec. A modern approach is to use a model based on artificial intelligence, and more precisely supervised learning. Having a supervised learning model that is both explainable and precise is nonetheless a challenge in literature. Another challenge is that a model trained to forecast cost for a specific sub-task may not be suitable for another sub-task. Our approach tackles those challenges. First, we propose a full pipeline for optimizing performance of six machine learning models (decision tree, random forest, XGBoost, CatBoost, neural networks, and ensemble voters). The pipeline presents methods for enhancing data quality. In particular, we use scaling techniques, rigorous feature selection through the algorithm of recursive feature elimination and automatic outliers' detection. Besides, the final step of the pipeline ensures an optimal configuration of the model by tuning hyperparameters. Throughout this process, the quality of the model is ensured using a customized cross-validation based technique. Each one of the six models is independently trained and optimized for each sub-task of the experiment. Second, we use a method based on Shapley Additive Explanations to justify any of the prediction made by our models. Two types of visual explanations are provided. The first one describes the impact that each feature had for a specific estimation. The second one compares the impact of the features with one another among all the predictions.


identifier: Celce, M. (2022). Simulation et implémentation d'accostage autonome de multicoptère sur paroi verticale  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nombreuses structures telles que les éoliennes, les lignes électriques, les barrages ou les ponts sont particulièrement difficiles d'accès pour l'homme et doivent pourtant régulièrement être inspectées et entretenues. Pour économiser le temps nécessaire aux techniciens pour accéder aux zones d'intérêt, des solutions faisant appel à des véhicules aériens sans pilotes (UAV) sont utilisées. Cependant, ces véhicules sont d'avantage dédiés à l'inspection et la surveillance, et leur emploi pour des tâches d'entretien n'en est qu'à son balbutiement. Afin de contribuer à la démocratisation des manipulateurs aériens dédiés à l'entretien d'infrastructures, ce mémoire propose un environnement virtuel pour simuler l'accostage de drones à des parois verticales. Une stratégie d'accostage autonome y est développée et validée expérimentalement. L'accostage est une solution proposée depuis peu pour remédier aux problèmes d'autonomie des drones, et aux limitations des performances du manipulateur embarqué. En effet, une fois le véhicule solidement accroché à la structure, il peut éteindre ses moteurs et son manipulateur devient capable d'effectuer des tâches d'intensité plus importante et de manière plus précise. Pour mener à bien la réalisation et la validation de la simulation d'une telle manœuvre, un véhicule de démonstration ainsi que son système d'attache, pour se fixer à une surface verticale, sont conçus. La méthode pour modéliser l'accostage consiste à modifier un environnement de simulation existant et à y implémenter un code qui décrit le comportement du dispositif d'accrochage. Pour démontrer l'efficacité de cette simulation une stratégie d'accostage autonome est élaborée dans l'environnement virtuel puis exécutée expérimentalement. Cette stratégie doit permettre d'accoster automatiquement un drone mutlirotors à une surface verticale. On suppose qu'un pilote place approximativement le drone face à une zone d'accostage possédant un faible rayon de courbure. La surface doit aussi être suffisamment large pour permettre au véhicule d'accoster facilement malgré les imprécisions de son système de positionnement GPS. Le drone effectue ensuite seul l'approche finale, l'accroche de son système d'accostage à la paroi, l'atterrissage et l'arrêt des moteurs.  ABSTRACT: Many structures such as wind turbines, power lines, dams or bridges are particularly difficult for humans to access and yet need to be regularly inspected and maintained. To save the time needed for rope access technicians to reach the areas of interest, solutions using Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are employed. However, these vehicles are more dedicated to inspection and surveillance, and their deployment for maintenance tasks is still in its infancy. In order to contribute to the democratization of aerial manipulators dedicated to infrastructure maintenance, this thesis proposes a virtual environment to simulate the perching of UAVs on vertical walls. An autonomous perching strategy is developed within the simulation and experimentally validated. Perching is a newly proposed solution to increase the operating time of UAVs, and to improve the performance of the onboard manipulator. Once the vehicle is firmly attached to the structure, it can indeed turn off its motors, and its manipulator becomes able to perform tasks of greater intensity and more accurately. To carry out the realization and the validation of the simulation of such a maneuver, a demonstration vehicle as well as its attachment system, to perch itself on a vertical surface, are designed. The approach to model the perching is to modify an existing simulation environment and to implement a code that describes the behavior of the perching device. To demonstrate the effectiveness of this simulation, an autonomous perching strategy is developed in the virtual environment and then experimentally conducted. This strategy aims at automatically perching a multirotor UAV on a vertical surface. It is assumed that a pilot places the UAV approximately in front of a perching area with a small radius of curvature. The surface must also be large enough to allow the vehicle to successfully perch despite the inaccuracies of its GPS positioning system. The drone then performs on its own the final approach, the attachment of its perching system to the wall, the landing and the powering off of the motors. Once the vehicle has completed its tasks, it takes off again, detaches from the wall and hoover at a certain distance from it. The results of the experimental perching, compared to those obtained in the modeling, demonstrate the capacity of the simulation environment thus set up to allow the complete and reliable development of an autonomous perching method.


identifier: Chartray-Pronovost, M. (2022). Design and Validation of a Hydrogen Peroxide Vapour Decontamination System  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La pandémie de la COVID-19 a eu de nombreux effet sur la société, dans plusieurs domaines. La pénurie d'Équipements de Protection Individuelle (EPI) causée par l'augmentation soudaine de la demande a été catastrophique, et de nombreux membres du personnel de la santé se sont retrouvés avec des EPI inadéquats, voire inexistants. Les masques de protection N95 étaient une denrée particulièrement rare, car de nombreux consommateurs n'appartenant pas au secteur des soins de santé ont également essayé de les emmagasiner. La décontamination des équipements à usage unique tels que les masques N95 est devenue une mesure de crise qui pouvait au moins fournir des équipements stériles, même s'ils étaient usagés. Les systèmes de décontamination des EPI se présentent sous de nombreuses formes, avec différents cas d'utilisation et caractéristiques. Les systèmes au peroxyde d'hydrogène vaporisé offrent une bonne couverture, une bonne pénétration des couches et une bonne efficacité de désinfection, ce qui les rend viables pour la décontamination des masques N95. Des systèmes commerciaux utilisant cette technologie existent, mais ils sont volumineux, dispendieux et rares en dehors des grands centres de soins. Afin de fournir des capacités de décontamination dans les environnements à faibles ressources tels que les cliniques mobiles, les petits hôpitaux et les pays en voie de développement, un système au peroxyde d'hydrogène vaporisé a été construit en utilisant des composants commerciaux, dans une optique à libre accès (open source). La méthode utilisée pour atteindre une concentration élevée de peroxyde d'hydrogène ($H_2O_2$) gazeux est appelée "flash vaporization". Son utilisation a nécessité la conception d'une boucle pour retirer la vapeur d'eau de l'atmosphère et régénérer l'$H_2O_2$ gazeux en continu. Ces composants ont été placés dans une enceinte étanche aux gaz contenant les capteurs nécessaires au contrôle et au suivi du cycle. Il a été utilisé avec succès pour désinfecter des masques N95, prouvant la validité de la méthode et ouvrant la possibilité d'un déploiement rapide en cas de crises futures, pour un coût abordable. Des expériences ont révélé les paramètres de contrôle critiques pour obtenir une efficacité maximale du système au-delà du seuil de décontamination. La température de vaporization, la concentration initiale de la solution de peroxyde d'hydrogène et le taux de désintégration du gaz se sont avérés très importants pour atteindre les résultats souhaités.  Dans l'ensemble, le système conçu démontre qu'un système au peroxyde d'hydrogène vaporisé peu coûteux peut être construit à partir de composants commerciaux et désinfecter efficacement les EPI. La conception a été mise en libre accès (open-source) et est disponible pour les utilisateurs qui souhaitent construire le système tel quel, ou le modifier selon leurs besoins.  ABSTRACT: The effects of the COVID-19 pandemic were immense on many spheres of society, and are still felt today. Personal Protective Equipment (PPE) shortages caused by the sudden large increase in its demand were dire, and many healthcare personnel found themselves with inadequate PPE, or none at all. N95 Filtering Facepiece Respirators (FFRs) were a particularly scarce commodity, as many non-healthcare consumers also tried to stockpile them. Decontamination of single-use equipment such as N95 masks became a crisis measure that promised to at least provide sterile equipment, even if in used state. Decontamination systems for PPE come in many forms, with different use cases and defining characteristics. Vaporized hydrogen peroxide (VHP) systems offer good coverage, layer penetration and disinfection efficiency, making it viable for N95 mask decontamination. Commercial systems using this technology exist, but are large, thus expensive and rare outside of major healthcare centers. To provide decontamination capabilities to low-resource settings such as mobile clinics, small hospitals and developing countries, an open-source VHP design was built using commercial off-the-shelf (COTS) components. The method used to reach a high concentration of gaseous hydrogen peroxide ($H_2O_2$) is called flash vaporization. Using it required the use of a loop design to remove water vapour from the atmosphere and continuously regenerate gaseous $H_2O_2$. These components were placed in a gastight enclosure containing sensors necessary for cycle control and monitoring. It was successfully used to disinfect N95 masks, proving the method valid and opening the possibility to rapid deployment in case of future crises, for an affordable cost. Experiments revealed the critical control parameters to achieve maximum system efficiency above the decontamination threshold. Vaporization temperature, initial hydrogen peroxide solution concentration and the decay rate of gaseous $H_2O_2$ were found to be very important to reach desired results. Overall, the system designed demonstrates that an inexpensive VHP system can be built from COTS components and efficiently disinfect PPE. The design has been open-sourced and is available for users who wish to build it as is, or modify it to their needs.


identifier: Ang Houle, L.-N. (2022). Validation et caractérisation d'un décodeur LDPC matériel en sous-alimentation  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce document décrit les étapes entreprises afin de valider et caractériser le fonctionnement d'un ASIC contenant le décodeur LDPC issu du projet EF-FECtive. L'ASIC dans lequel ce dernier a été implémenté appartient au nœud technologique 65nm de TSMC, et a été encapsulé dans un boîtier CPGA à 85 pattes. Plus précisément, le but de la recherche présentée dans ce mémoire est de déterminer les paramètres optimaux d'opération du décodeur. Ces paramètres incluent la tension d'alimentation, la fréquence d'horloge de la puce, ainsi que la structure du code LDPC utilisé. L'optimisation vise le produit énergie-délai, une mesure de l'efficacité énergétique pondérée par rapport au temps de décodage. Il est présupposé que, vu la nature autocorrectrice de l'opération réalisée par le décodeur, cette dernière pourrait fonctionner en deçà de sa tension nominale ou au-delà de sa fréquence maximale, en mode quasi-synchrone. Afin d'effectuer des tests détaillés sur cette micropuce, une carte de support capable de contrôler les paramètres visés et de mesurer la puissance consommée par le décodeur a été fabriquée. Cette carte a été conçue de façon à être compatible avec le banc de test utilisé pour la validation de l'architecture, qui en l'occurrence est composé de deux cartes de développement FPGA Xilinx communiquant par l'entremise des ports d'extension FMC présents sur chacune. Le nouveau banc de test est alors composé d'une de ces cartes de développement sur lequel est ajoutée la carte de support de l'ASIC. Les résultats de ces tests n'ont cependant pas pu être obtenus. Les tests préliminaires, à tension et à fréquence nominale, ont révélé que l'ASIC n'est pas en mesure de compléter l'opération de décodage. L'investigation qui a suivi ces tests pointe vers un problème avec le mécanisme de réinitialisation du décodeur. Ainsi, ce document a pour but premier de décrire le comportement actuel de l'ASIC, puis d'émettre des hypothèses tentant d'expliquer ce comportement. De plus, il servira de guide pour la réutilisation et l'amélioration de la carte mezzanine dans le futur. Les détails sur son fonctionnement, son assemblage, son utilisation et ses limitations font partie intégrante de ce mémoire.  ABSTRACT: Our team has developed a highly flexible, fast, and energy-efficient LDPC decoder architecture as a part of the EF-FECtive project, which has now been implemented in an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) using TSMC 65nm MOSFET and a CGPA85 package. This document will discuss the testing and characterization of this ASIC. The goal of this project is to study the operation of the decoder architecture using subnominal voltage. Reducing the operating voltage of the chip compromises data integrity and gate delays, but considering the self-correcting nature of the decoder's operation, power consumption reductions are achievable using this method. Thus, the work accomplished in this document aims to evaluate the performance of the decoder under different parameters in order to pinpoint its optimal operating conditions. A carrier printed circuit board (PCB) has been designed to control the frequency and voltage of the ASIC, and to measure its energy consumption. This PCB aims to be compatible with the testbench used to validate the decoder architecture. This setup was composed of two Xilinx FPGA development boards connected through their FMC extension ports. The automated tester contained in one of the development boards is repurposed to control the ASIC with the carrier PCB. However, preliminary testing at nominal voltage and frequency has revealed that the ASIC is unable to successfully complete a decoding routine. The results of our testing strongly suggest that there is a fault in the design of the chip. Further testing points towards a bug with the reset process of the ASIC. In this document, the current behavior of the ASIC will be described, and an analysis of this behavior will follow in an attempt to find the fault. This document will also serve as a guide for the reuse and improvement of the mezzanine card in the future.


identifier: Sved Teja, S. (2022). Développement d'un algorithme numérique monolithique de pseudo-concentration avec une méthode d'éléments finis adaptative pour les écoulements diphasiques en 2D  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire présente le développement et l'implémentation d'une méthode numérique de capture d'interface pour la résolution des écoulements diphasiques. Il inclut une brève vérification du modèle ainsi qu'une étude de cas de référence afin de tester les capacités du modèle. L'objectif principal pour cet algorithme numérique est de simuler le fractionnement et la coalescence des phases à l'aide d'une modélisation simple afin de capturer les phénomènes physiques présents dans les écoulements à phases séparées. L'algorithme se base sur la résolution d'une équation de transport associé à un champ marqueur couplé aux équations de Navier-Stokes résolues selon une description eulérienne à l'aide de la méthode des éléments finis. L'assemblage et la résolution du système d'équations se font selon une approche monolithique permettant une meilleure résolution pour ce type de problèmes caractérisés par de grands ratios de propriétés physiques entre les phases. La méthode développée est dotée d'un module d'adaptation de maillage qui lui permet d'augmenter l'efficacité du calcul. Elle est mise à l'épreuve à l'aide de cas tests de difficulté croissante tels que l'instabilité de Rayleigh-Taylor et l'évolution d'une vague déferlante qui impact une paroi. On verra que certains développements sont encore nécessaires, mais les résultats présentés témoignent du potentiel et de la capacité de cette méthode à reproduire des phénomènes réels et font de ce modèle un excellent candidat pour la simulation d'écoulements diphasiques.  ABSTRACT: This work presents the development and implementation of a numerical interface capture method for solving two-phase flows. It includes a brief verification of the model as well as a benchmark case study to test the capabilities of the model. The main objective for this numerical algorithm is to simulate phase splitting and coalescence using simple modeling to capture the physical phenomena present in phase-separated flows. The algorithm is based on the solution of a transport equation associated with a marker field coupled to the Navier-Stokes equations solved according to an Eulerian description using the finite element method. The assembly and the resolution of the system of equations are done using a monolithic approach allowing a better resolution for this type of problems characterized by large ratios of physical properties between phases. The developed method is equipped with a mesh adaptation module which allows it to increase the efficiency of the computation. It is tested with benchmark test cases of increasing difficulty such as the Rayleigh-Taylor instability and the evolution of a breaking wave impacting a wall. It will be seen that some developments are still necessary, but the results presented show the potential and the capacity of this method to reproduce real phenomena and make this model an excellent candidate for the simulation of two-phase flows.


identifier: Gao, Z. (2022). Charge Carrier Transport in Amorphous Glassy Organic Semiconductors  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les polymères et petites molécules semi-conducteurs organiques ont été largement étudiés, en raison de leur possible traitement en solution (imprimabilité), de leur compatibilité avec des substrats flexibles et de leurs propriétés optoélectroniques ajustables par la synthèse chimique. Cependant, ils présentent de fortes concentrations de défauts qui entraînent des désordres structurels et énergétiques, difficiles à éliminer, résultats de faibles interactions intermoléculaires aussi appelées forces de van der Waals. Le fort couplage porteur de charge-phonon, c'est-à-dire un électron ou trou couplé à un phonon, ainsi que le désordre dans les semi-conducteurs organiques conduisent à la localisation des porteurs de charge et à la formation de polarons. Celles-ci conduisent ainsi à la difficulté de comprendre les mécanismes détaillés du transport des porteurs de charge dans les matériaux organiques.  Dans cette thèse, les mécanismes de conduction dans les semi-conducteurs organiques sont étudiés à travers le comportement de Meyer Neldel (MN). Les effets de la température T, du champ électrique, du poids moléculaire et de la fréquence du courant alternatif (CA) sur le transport sont étudiés.  Les mécanismes de transport des porteurs de charge dans le Poly(3-hexylthiophène-2,5-diyl) (P3HT) regio-régulier, avec trois poids moléculaires différents, glacé amorphe sont déterminés sans ambiguïté, à la fois en-dessous et au-dessus de la température Tα, dite la température de transition à l'état glacé amorphe. Ceci est le résultat de mesures de la température, du champ électrique et de la dépendance en fréquence alternative de la mobilité et de la densité des porteurs de charge dans des transistors à effet de champ sur le P3HT. Les relaxations moléculaires jouent un rôle important dans la conductivité en courant continu. À des températures supérieures à Tα, sous une tension drain-source constante, les porteurs polaroniques sous forme de trous sont transportés avec chaines de polymères mobiles et peuvent sauter d'une chaine à l'autre. En dessous de Tα, ils sautent entre des segments de chaînes mobiles de molécules voisines essentiellement immobiles. En appliquant des tensions drain-source alternatives à des fréquences supérieures ou égales à 100 Hz, les porteurs de charge sont transportés le long des chaînes de polymères. Abstract  ABSTRACT: Organic semiconducting polymers and small molecules have been widely investigated, due to their solution processability (printability), compatibility with flexible substrates and optoelectronic properties tunable with chemical synthesis. However, they have high concentrations of defects that bring about structural and energetic disorder, difficult to eliminate, due to their weak van der Waals intermolecular interactions. Strong charge carrier-phonon coupling and disorder in organic semiconductors lead to charge carrier localization and to the formation of polarons. These lead to the difficulty in understanding detailed mechanisms of charge carrier transport in organic materials.  In this thesis, the conduction mechanisms in organic semiconductors are studied through the Meyer Neldel (MN) behavior. The effect of temperature, T, electrical field, molecular weight and alternating current (AC) frequency on transport are studied.   The charge carrier transport mechanisms in amorphous glassy Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) are determined unambiguously, both below and above the glass transition temperature,


identifier: Laferrière-Langlois, P. (2022). Phénotypage du patient chirurgical et prédiction de trajectoire post-opératoire par apprentissage machine  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Plus de 50 millions de chirurgies sont pratiquées annuellement en Amérique du Nord. Bien que seulement 12% des patients soient considérés à risque périopératoire élevé, ils expliquent 80% des complications graves causant un stress pour le patient et sa famille, ainsi que pour le système de santé œuvrant dans un contexte de ressources limitées. Inspiré de domaines connexes, le phénotypage digital est une approche identifiant des sous-groupes de patients partageant des caractéristiques clés au sein d'une population hétérogène et, en se basant sur le profil des données informatiques des patients, permet d'anticiper l'évolution clinique. L'hypothèse à la base de cette étude est que le dossier médical électronique permet de phénotyper les patients en période préopératoire pour stratifier leur risque. Les objectifs sont 1) identifier pour la première fois des phénotypes avec les données médicales préchirurgicales; 2) comparer la performance prédictive des phénotypes au score ASA (American Society of Anesthesiologists) actuellement utilisé; 3) ainsi qu'à des modèles prédictifs supervisés entraînés sur les mêmes données. À partir de la base de données PDW (Patient Data Warehouse) provenant du dossier médical électronique du réseau hospitaliser de UCLA (University of California in Los Angeles), tous les patients adultes ayant subi une laminectomie, colectomie ou chirurgie thoracique depuis 2013, instauration du PDW, ont été extraits. Cinq issues cliniques ont été utilisées pour décrire la trajectoire postopératoire : mortalité hospitalière, mortalité à 30 jours, réopération à 30 jours, admission en soins intensifs (USI) et durée d'hospitalisation postopératoire prolongée (DHP). Considérant la présence de 4,000 variables par chirurgie dans le PDW, une première sélection de variables préopératoires a été effectuée par le consensus de trois experts cliniques et, à partir de celle-ci, un jeu de données par chirurgie fut créé en retenant uniquement les variables présentant une corrélation de Pearson statistiquement significative (p <0.05) avec l'une des issues cliniques. Après le retrait des variables fortement corrélées, les trois jeux de données comportaient respectivement 34, 36 et 33 variables, qui furent normalisées par transformation standard. Chaque jeu de donnée était ensuite séparé en ensemble de dérivation et test, basé sur l'année de chirurgie, afin de faire la validation temporelle de la performance prédictive pour chaque issue clinique. La segmentation par quatre algorithmes (DB Scan, hiérarchique, k-means, consensus k-means) a été explorée avant de retenir le consensus k-means pour créer trois phénotypes. Une fois le jeu de dérivation segmenté, une forêt aléatoire a été entraînée pour attribuer prospectivement un phénotype aux patients du jeu de données test et analyser les résultats. Pour chacune des chirurgies, le phénotype 0 était le plus fréquent (total de 73.6%) et regroupait les patients typiquement plus jeunes, avec moins de comorbidités et subissant une chirurgie non-urgente, dite élective. Le phénotype 1 regroupait des patients plus âgés et plus malades subissant typiquement une chirurgie élective, alors que le phénotype 2 était principalement caractérisé par une chirurgie urgente, une hospitalisation préopératoire plus longue et une douleur préopératoire plus grande. Les 5 issues cliniques mesurées présentaient une progression croissante à travers les phénotypes (mortalité hospitalière : 0.2%, 2.3% et 7.3%; réopération : 2.8%, 5.4% et 9.3%; admission en USI : 8%, 36.1% et 48%). Lorsque la performance prédictive des phénotypes était mesurée à l'ASA, l'aire sous la courbe ROC (Receiver Operating Characteristics) du phénotype digital était similaire ou légèrement supérieure (mortalité hospitalière : 0.85 et 0.84; réopération : 0.62 et 0.59; admission USI : 0.76 et 71). Les profils de courbe ROC du phénotype digital et de l'ASA suggéraient leur complémentarité, et la combinaison des deux performait de façon supérieure (0.91, 0.63 et 0.80). Trois architectures de modèles supervisés ont été explorées : régression logistique (RL), forêt aléatoire (RF) et perceptron multicouche (MLP). À partir des mêmes jeux de données que ceux utilisés pour le phénotypage, les architectures ont été explorées avec le jeu de dérivation et une validation croisée avec 5 replis. Le modèle le plus performant pour chaque chirurgie et pour chaque issue clinique était ensuite appliqué au jeu de test. L'architecture la plus performante (11 des 15 modèles) était le MLP. Alors que l'AUROC et le score F1 ont respectivement atteint des valeurs moyennes élevées dans les 5 replis de la validation (mortalité hospitalière : 0.91 et 0.4; réopération : 0.64 et 0.22; admission USI : 0.99 et 0.95), la performance dans le groupe test était faible. La meilleure valeur d'AUROC en test est 0.74 et F1, est 0.25. Cette différence de performance est au moins partiellement expliquée par le débalancement important des classes puisque les issues cliniques utilisées sont rares. Des stratégies de balancement des classes auraient pu être explorées, mais la même transformation aurait dû être appliquée à la base de données de phénotypage pour répondre à l'objectif de comparer le signal extrait par les deux approches. En résumé, cette recherche présente les premiers phénotypes préchirurgicaux et démontre leur capacité prédictive sur la trajectoire de soins postopératoires pour trois différentes chirurgies fréquemment pratiquées en Amérique du Nord. Si la méthode est confirmée sur davantage de chirurgies, les phénotypes ont le potentiel d'automatiser l'analyse de risque, contrairement aux scores actuellement utilisés qui dépendent d'une évaluation par le clinicien.  ABSTRACT: More than 50 million surgeries are annually performed in North America. Even if a mere 12% of the patients are considered high-risk, they account for 80% of the significant complications that will cause distress both for the patient and his family, and for the healthcare systems operating in an actual context of resource scarcity. Inspired from related fields, digital phenotyping allows the identification of clusters sharing key characteristics among a wider heterogeneous population and based on the medical data of the individual patients, can anticipate the care trajectory. The underlying hypothesis of this research electronic medical record (EMR) can be used to phenotype patients before their surgery to stratify their risk. The objectives are 1) to create the first digital phenotypes of surgical patients using the preoperative data, 2) to compare the predictive ability for the care of these phenotypes to the ASA (American Society of Anesthesiologists) score currently used in clinical environment as we as 3) with predictive supervised model trained on the same datasets. Using the Patient Data Warehouse (PDW), a custom database created from the EMR used in the hospital network of the University of California in Los Angeles (UCLA), all the adult patients undergoing a laminectomy, colectomy of thoracic surgery since 2013, the inception of 2013, were extracted for analysis. Five clinical outcomes were used to describe the care trajectory: hospital mortality, 30-days mortality, 30-days reoperation, admission at the intensive care unit (ICU), and prolonged postoperative hospitalization. With more than 4000 different features recorded for each surgery in the PDW, a first selection of preoperative variables was made by consensus among 3 medical experts, and, from this selection, three surgery-specific datasets were created by keeping only the variables significantly correlated (p <0.05) with at least one clinical outcome. After removing highly correlated variables the three datasets respectively contained 34, 36 and 33 features, which were rescaled to a standardized distribution. Each dataset were then separated in. derivation set and test set based on the year of the surgery, allowing prospective temporal validation of the predictive models created for each dataset. The segmentation results of 4 different algorithms (DB Scan, hierarchical, k-means, consensus k-means) were analyzed before retaining consensus k-means to create 3 distinct surgery-specific phenotypes. Once the final segmentation completed on the derivation dataset, a random forest algorithm was trained to prospectively attribute a phenotype to the patients in the test set and analyse the results. For all surgeries, phenotype 0 was the most frequently attributed (63.6%) and mostly contained younger and healthier patient undergoing an elective surgery. Phenotype 1 typically contained older patient with more comorbidities undergoing elective procedure, while phenotype 2 was characterized by the urgency of the surgery, longer preoperative hospitalisation and increased preoperative pain. The 5 clinical issues increased progressively among the phenotypes (hospital mortality: 0.2%, 2.3% and 7.3%; reoperation: 2.8%, 5.4% and 9.3%; ICU admission: 8%, 36.1% and 48%). When compared to the ASA score, the area under the receiver operating characteristics curve (AUROC) of the digital phenotype was similar or slightly superior to ASA (hospital mortality: 0.85 and 0.84; reoperation: 0.62 and 0.59; ICU admission: 0.76 and 71). The profiles of the 2 ROC curves suggested complimentary in the signal extracted, and the linear combination of the 2 scores achieved higher performance than each alone (0.91, 0.63 and 0.80). Three architectures of supervised models were explored: logistic regression (LR), random forest (RF) and multilayer perceptron (MLP). Starting from the same datasets as used for phenotyping, the architectures were explored in the derivation set with a 5-fold cross validation. The most performing model for each surgery and each clinical outcome was used on the test set. MLP was provided the best performance in 11 of the 15 models. While AUROC and F1 score both reached high average performance in the 5-fold validations (hospital mortality: 0.91 and 0.4; reoperation: 0.64 and 0.22; ICU admission: 0.99 and 0.95), the prediction in the test set remained low. The highest AUROC and F1 score obtained in the test set were respectively 0.74 and 0.25. This performance discordance can be partially explained by the significant class imbalance considering that all clinical outcomes explored are rare. Strategies as over- and under-sampling could have been explored to improve the metrics, but the same transformation would have to be made on the datasets before phenotyping the patients to respect our objective of comparing the signal extracted by the two different methods. In conclusion, this research presents the first presurgical phenotypes and demonstrated their predictive ability on the postoperative care trajectory of three different frequently performed surgeries. When compared to ASA score which requires expert assessment, these phenotypes strictly use readily extractable features from the EMR and therefore present the potential of automating risk stratification.


identifier: Shively, E. (2022). Traitement du lixiviat « jeune » et concentré de lieux d'enfouissement technique par des filtres plantés aérés  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le lixiviat « jeune », produit par la percolation de l'eau à travers les cellules en exploitation de lieux d'enfouissement technique, est concentré en matière organique, en azote ammoniacal et en métaux. Il est souvent traité par les systèmes intensifs et conventionnels, comme les réacteurs biologiques séquentiels. Certaines études ont porté sur le traitement du lixiviat « vieilli » et moins fortement chargé, produit par les cellules recouvertes de lieux d'enfouissement technique, à l'aide de marais filtrants. Peu d'études ont porté sur le traitement du lixiviat par de filtres plantés aérés à écoulement vertical, une technologie hybride similaire aux marais filtrants alimentés avec les fortes charges ou lits bactériens et filtres biologiques aérés alimentés avec les faibles charges et avec l'installation des plantes. Peu d'études ont porté spécifiquement sur le traitement du lixiviat jeune par cette technologie non plus. Les objectifs de cette étude étaient de 1) déterminer si les filtres plantés aérés à écoulement vertical pouvaient traiter la DBO5, les MES, le NH4 et le zinc du lixiviat jeune au point de respecter les critères de rejet au Québec, 2) caractériser l'effet de plantes sur le traitement du lixiviat et l'effet du lixiviat sur la santé de ces plantes, 3) quantifier la dénitrification réalisée dans des filtres pré-anoxies et 4) déterminer les critères de conception d'un filtre planté à pleine échelle. Cinq filtres avec un volume de 430 L chaque, ont été remplis avec du gravier granitique ayant un diamètre de 10 à 20 mm et ont été opérés en parallèle dans une serre pendant 42 semaines, en automne 2020 et du printemps à la fin de l'automne 2021. Ce mémoire ne porte que sur les 28 premières semaines d'opération.  ABSTRACT: “Young” landfill leachate, produced by the percolation of water through sites in operation at a landfill, is concentrated in organic matter, ammonia and metals, and is typically treated using intensive and conventional systems, like sequencing batch reactors. Studies have looked at treating “old” and less concentrated leachate, produced by capped sites at a landfill, by treatment wetlands. Few studies have investigated the treatment of landfill leachate using vertical, aerated planted filters, a hybrid technology similar to treatment wetlands fed at a higher than typical loading rate or trickling filters and biological, aerated filters fed at a lower than typical loading rate and with plants installed at the surface. Few studies have investigated the use of this technology specifically for the treatment of young landfill leachate as well. The objectives of this study were to 1) determine if vertical, aerated planted filters could efficiently treat young leachate BOD5, TSS, NH4 and zinc specifically to the point of respecting discharge requirements in Quebec, 2) characterize the effects of the plants on leachate treatment and the effects of the leachate on plant health, 3) quantify the denitrification achieved in pre-anoxic filters and 4) determine full-scale design criteria for a vertical, aerated planted filter. Five 430 L pilot-scale filters with 10 – 20 mm granite media were operated in parallel in a greenhouse for a total of 42 weeks during fall 2020 and spring through fall 2021. This report presents and discusses the results of treatment during the first 28 weeks of operation. Each filter was fed an average of 16 L m-2 d-1 of young leachate pretreated to reduce iron concentrations by an upflow anaerobic sludge blanket reactor, feeding each filter an average of 4.1 g BOD5 m-3 d-1.


identifier: Judkiewicz, D. (2022). Prévision de la demande de cargo aérien  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

title: Prévision de la demande de cargo aérien

abstract: RÉSUMÉ: Notre étude porte sur la prévision de la demande de transport de marchandises pour la compagnie aérienne Air Canada. En effet, les conventions du secteur du cargo aérien engendrent une forte incertitude dans la quantité des marchandises à transporter jusqu'à la dernière minute. Cela peut engendrer des problèmes de débordement où la capacité des avions est dépassée par le cargo à transporter. Une méthode de réaffectation a été proposée dans un projet précédent pour la compagnie par Zago et al. [1]. Pour fonctionner, cette méthode nécessite les distributions de probabilité du show-up rate des commandes de marchandises à transporter ; le show-up rate étant la proportion de marchandises à transporter par rapport à la quantité commandée.Une forme simplifiée de la distribution a été proposée dans le projet précédent en [1]. Cette forme simplifiée peut être définie à partir de seulement trois paramètres. Une estimation de ces paramètres est proposée à partir de données fournies par la compagnie aérienne. Pour effectuer cette estimation, les commandes présentes dans les données sont groupées selon trois agrégations envisagées, une agrégation totale, une agrégation par origine géographique des commandes et une agrégation par clients ayant passé les commandes. Les paramètres de la distribution sont ensuite calculés pour les commandes historiques des données pour chacun de ces groupes et servent pour l'estimation des paramètres pour les commandes futures pour chacun des groupes des agrégations. Les précisions relatives des estimations obtenues pour différentes agrégations sont ensuite comparées par les erreurs qu'elles entraînent entre les paramètres prédits et les paramètres obtenus par la compagnie aérienne dans les données. Ensuite, on étend les résultats des prévisions de ces distributions de probabilité prédites à la prévision de la demande en marchandises à transporter pour vérifier la cohérence des résultats obtenus. Finalement une étude est effectuée à partir des prévisions de la demande sur le débordement des avions. Les trois agrégations sont étudiées pour vérifier laquelle permet une meilleure prévision des débordements pour les vols. Il est trouvé que l'agrégation par clients permet non seulement la meilleure estimation des paramètres de la distribution mais également la meilleure prévision de la demande et des débordements des vols.  ABSTRACT: In our study, we worked for the airline Air Canada to study a way to forecast air freight demand. Several customs in the field of air freight transport create a lot of uncertainty on the quantity of cargo that will have to be transported for a given order. Overfilled planes can be an issue brought from this uncertainty. A reoptimizing method for cargo shipping plans has been developped by Zago et al. in a previous project with the airline. The input this method requires is the parameters of the approximation of probability distribution of the show-up rate of the orders. We study a way to estimate these parameters then improving our forecast with specific groupings of the orders. We first group the orders according to their geographic origins or destinations then try an other aggregation according to the customers who made the orders. We decide to use the aggregation by customers for the customers with the most numerous orders ; for smaller customers, the geographic grouping will be prefered. An extension of the study is then made where we extrapolate the parameters we estimated to forecast the demand of freight to be transported as a way to confirm the consistency of our previous results. Finally, a study of the overflow of the flights is made showing that the forecast of this demand permits a prediction of the number and quantity of overflowing cargo in the fligths of the network. The aggregation by customers is still shown to bring the best results for forecasting the overflow.