identifier: Fan, S. (2017). Unsupervised Learning Based on Markov Chain Modeling of Hot Water Demand Processes  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'ensemble des questions analysées dans ce mémoire dérive d'un important projet de recherche multidisciplinaire appelé smartDESC et réalisé à l'École Polytechnique de Montréal entre les années 2012 et 2016. L'objectif général du projet smartDESC était d'utiliser le stockage associé à certains types de charges d'électricité, et naturellement présent de manière distribuée chez des consommateurs, en vue d'aider à compenser les déséquilibres temporaires entre génération et demande de puissance électrique. Ces derniers sont appelés à devenir de plus en plus fréquents avec la fraction d'énergies renouvelables de type intermittent (énergies solaire et éolienne) dans le mélange de sources d'énergie des réseaux électriques modernes où l'écologie occupe une place de plus en plus importante. Au sein de cet effort général, les chauffe-eau électriques constituent un type de charges d'intérêt particulier vu leur ubiquité et la capacité globale de stockage d'énergie significative à laquelle ils sont associés. Partant d'un ensemble de mesures rendues anonymes de volumes d'extraction d'eau chaude aux 5 minutes, sur une période de plusieurs mois, et fourni par le laboratoire LTE de l'Institut de recherche d'Hydro-Québec, le but de notre recherche était de développer des algorithmes permettant de regrouper des clients individuels en classes de consommation relativement homogènes et dépendantes à la fois du temps de la journée et du jour de la semaine, dans un objectif subséquent de commande coordonnée. Ce faisant, nous devions faire face à trois défis: (i) automatiser la partition des données en segments temporels de durée suffisante pour être statistiquement significatifs, et durant lesquels les statistiques d'extraction d'eau puissent être considérées comme relativement stationnaires; (ii) À l'intérieur de chaque segment temporel, développer des algorithmes d'estimation de paramètres de modèles de chaînes de Markov à deux états (On et Off) d'extraction d'eau avec un paramètre constant par morceaux de taux moyen d'extraction d'eau dans l'état On; (iii) À la lumière des résultats en (ii), développer des algorithmes de classification des usagers en groupes de consommation relativement proches en termes de propriétés statistiques de consommation, selon l'heure de la journée et le jour de la semaine. Dans ce mémoire, des outils de la théorie de l'apprentissage machine, de statistiques, et de la théorie des processus stochastiques sont proposés pour répondre aux trois défis en question.  ABSTRACT: The set of problems tackled in this master thesis is an offshoot of a large multidisciplinary research project called smartDESC or smart Distribution Energy Storage Controller, which was carried out at École Polytechnique de Montréal between 2012 and 2016. The general thrust of the smartDESC project was the coordinated use of storage associated with electric loads at customer sites; the objective of this coordination was to smooth out the uncontrolled generation variability brought about by ecologically friendly, yet intermittent, energy sources such as wind and solar. In that global effort, one particular class of loads of interest because of their ubiquity, and their significant overall energy storage capacity, is that of electric water heaters. We start with a data set consisting of anonymized measurements of hot water extraction volumes in 5 minute samples, over a period of several months, for 73 Quebec households. This data is provided by the LTE laboratory of Institut de recherche d'Hydro-Québec. The goal of the research was to develop approaches to cluster individual users into time of the day and day of the week. We intend to cluster users to relatively homogeneous classes from the point of view of timing and volume of water extraction statistics. Other part of smartDESC is to use these homogeneous clusters to implement coordinated control. In doing so three challenges were to be met: (i) to automate the partition of time of the day into segments of sufficient duration for statistical significance, but relatively stationary hot water extraction statistics; (ii) within each one of the time segments considered, to develop for each user estimation algorithms for two-state (On-Off) Markov chain stochastic models of water extraction with a piecewise constant rate of extraction when On, and validate the results; (iii) In light of the results in (ii), to develop clustering approaches to group users into time of the day and day of the week time intervals where they display relative statistical homogeneity as consumers. In the master thesis, tools from machine learning, statistics and the theory of stochastic processes are used to propose solutions to each of the above three challenges.


identifier: Lepage, F. (2017). Calibration automatique de modèles hydrodynamiques de rivière basés sur le logiciel bidimensionnel HYDRO-AS_2D  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La modélisation numérique occupe une place de plus en plus importante dans le travail de l'ingénieur hydraulicien. Les avancées en matière de vitesse de calculs ont démocratisé l'utilisation de modèles hydrodynamiques 2D par volumes finis. Toutefois, afin d'offrir une bonne capacité prédictive, ces modèles doivent êtres calibrés.  ABSTRACT: Numerical modelling is an increasingly important part of a hydraulic engineer's job. Faster computer calculations have widened access to 2D hydrodynamic models. However, in order to maintain adequate predictive capabilities, these models need to be properly calibrated.


identifier: Tabor, L. (2017). Modélisation probabiliste d'essais en laboratoire par processus gaussien avec peu de spécimens répliqués  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les essais expérimentaux en laboratoire, tels que les essais sur des spécimens de béton, demandent de grandes ressources financières. En effet, fabriquer un spécimen de béton peut coûter quelques milliers de dollars. Ainsi, il est fréquent que seuls quelques spécimens répliqués soient soumis à l'essai étudié. Le jeu de données expérimentales est constitué des observations mesurées qui sont fonction des valeurs de la donnée d'entrée soit de la covariable. Ce jeu de données constitué à partir de seulement quelques spécimens testés est alors assez pauvre en informations.  ABSTRACT: Laboratory experiments can be very expensive and so require an important budget, for example manufacturing concrete specimens can cost thousands of dollars. That is why, it is common to only test few replicated specimens. Because of a weak set of data, it is difficult to draw a reliable model from it, only the behaviour tendency can be caught and qualitative conclusions can be made. This project aims at building a probabilistic method able to model laboratory experiments with a set of data including only few replicated specimens.


identifier: Hashemiboroujeni, H. (2017). A New 3D Artefact For Five-Axis Machine Tool Coordinate Measuring Performance  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le but de cette recherche est de concevoir, fabriquer et tester un artefact 3D optimisé pour estimer la performance des machines-outils à cinq axes lors de leur application en tant que machine de mesure de coordonnées. Les machines-outils à cinq axes sont normalement utilisées pour usiner divers composants industriels et elles sont de plus en plus utilisées pour mesurer directement les brutes lors du montage et les pièces usinées. L'évaluation de la capacité métrologique de la machine-outil à l'aide d'une sonde à déclenchement par effleurement nécessite un artefact calibré en 3D qui offre aux sondes diverses possibilités d'accès. Sur la base de la configuration de la table de machine-outil, la flèche de l'artefact sous charge gravitationnelle variable doit être estimée. Un artefact hémisphérique, baptisé artefact dôme, qui contient plusieurs billes de précision tout autour d'une structure en Invar est proposée. L'effet de la modification de la direction de la gravité sur les coordonnées de ses billes est quantifié et en partie corrigée. Finalement, l'artefact est utilisé pour évaluer la performance en métrologie des coordonnées d'une machine-outil horizontale de topologie wCBXfZYt en mode à cinq axes.  ABSTRACT: he aim of this research is to develop a 3D artefact to evaluate the performance of a five axis machine tool for coordinate metrology. Five-axis machine tools are normally used for machining various industrial components with complex geometry to provide tight tolerances while achieving high productivity. However, they are increasingly used for on-machine probing to measure the machined work pieces. Evaluation of the machine tool metrological capability when using a touch trigger probe requires a 3D calibrated artefact that provides various probing directions accessibility. For many machine tools, this means that the artefact maybe re-oriented relative to local gravity. As a result, the artefact deflection under varying gravitational loading is measured. A hemispherical artefact, integrating several precise balls, is designed and fabricated of Invar, a thermo-invariant material, to reduce thermally induced deformations. The effect of changing gravity direction and clamping on the balls coordinates are quantified by probing the artefact on a coordinate measuring machine. A compliance model is proposed to correct the effect of gravity. The artefact is used to evaluate the coordinate metrology performance of a wCBXfZYt topology horizontal machine tool in five-axis mode.


identifier: Mirarabrazi, M. (2017). Modeling the Phase Diagram and Density of Binary and Ternary Systems of Ionic Liquids  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les liquides ioniques sont généralement constitués d'un gros cation organique asymétrique et d'un anion organique ou inorganique, avec une température de fusion inférieure à 100oC. Les mélanges ternaires de liquides ioniques ont reçu très peu d'attention jusqu'à présent. Ce travail décrit des modèles thermodynamiques pour les diagrammes de phases de systèmes ternaires variés de liquides ioniques (à cation commun, à anion commun, et ternaire réciproque avec deux cations et deux anions), et des modèles de densité pour quelques systèmes ternaires de liquides ioniques (à cation commun et à anion commun). Les données expérimentales nécessaires à la calibration et à la validation des modèles sont à la fois issues de la littérature et obtenues à travers des collaborations scientifiques avec des groupes de recherche. Les nouvelles données obtenues par ces groupes étaient les transitions thermiques mesurées pour des mélanges binaires et ternaires de liquides ioniques à l'aide de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC), et les densités de quelques systèmes binaires de liquides ioniques (incluant les liquides purs). Le Modèle Quasichimique Modifié dans l'Approximation des Paires (MQMPA) a été utilisé pour modéliser la solution liquide des systèmes de liquides ioniques à ion commun suivants : les systèmes ternaires à cation commun [C4mpyrr]{Cl, Br, BF4} et [C4mim]{Cl, NO3, CH3SO3} (où [C4mpyrr] et [C4mim] désignent le 1-butyl-1-methyl-pyrrolidinium et le 1-butyl-3-methyl-imidazolium, respectivement); et le système quaternaire à anion commun {[C3mim], [C3mpy], [C3mpyrr], [C3mpip]}PF6 (où [C3mim], [C3mpy], [C3mpyrr] et [C3mpip] désignent le 1-propyl-3-methyl-imidazolium, le 1-propyl-3-methyl-pyridinium, le 1-propyl-1-methyl-pyrrolidinium et le 1-propyl-1-methyl-piperidinium, respectivement). Le Modèle Quasichimique Modifié dans l'Approximation des Quadruplets (MQMQA) a été utilisé pour modéliser la solution liquide du système ternaire réciproque [C2py]Cl - [C2py]Br - [C4py]Cl - [C4py]Br (où [Cnpy] désigne le 1-alkyl-pyridinium). Finalement, le “Compound Energy Formalism” a été utilisé pour modéliser les solutions solides pertinentes. Pour le système ternaire à cation commun [C4mpyrr]{Cl, Br, BF4}, un petit paramètre ternaire en excès a été inclus pour la phase liquide de façon à reproduire au mieux les sections isoplèthes mesurées à une teneur constante en [C4mpyrr]BF4 de 50% molaire et à un ratio molaire constant [C4mpyrr]Cl / ([C4mpyrr]Cl + [C4mpyrr]Br) de 0.85. Pour le système ternaire à cation commun [C4mim]{Cl, NO3, CH3SO3}, aucune mesure ternaire de diagramme de phases n'a été tentée à cause des données très dispersées obtenues pour le sous-système binaire [C4mim]Cl - [C4mim]NO3, étudié à l'aide de la DSC et de l'observation visuelle. Ces données très dispersées ont été attribuées au caractère très hygroscopique de ce système particulier. Une projection provisoire du liquidus du système ternaire a été calculée à partir des paramètres binaires optimisés du modèle. Le système quaternaire à anion commun {[C3mim], [C3mpy], [C3mpyrr], [C3mpip]}PF6 inclut les quatre sous-systèmes ternaires suivants: (1) [C3mim]PF6 - [C3mpip]PF6 - [C3mpyrr]PF6, (2) [C3mpy]PF6 - [C3mpip]PF6 - [C3mpyrr]PF6, (3) [C3mpip]PF6 - [C3mpy]PF6 - [C3mim]PF6, et (4) [C3mpyrr]PF6 - [C3mpy]PF6 - [C3mim]PF6. Les systèmes (1) et (2) incluent tous deux la solution solide continue binaire (s3-s3), qui a été rapportée dans la littérature entre les allotropes de haute température de [C3mpip]PF6 et [C3mpyrr]PF6 (chacun de ces deux composés présente trois allotropes distincts.) Deux scénarios différents ont été considérés dans ce travail: le premier scénario a supposé une solubilité à l'état solide négligeable entre les allotropes de basse température (s1-s1) et aussi entre les allotropes de température intermédiaire (s2-s2); le second scénario a supposé une solution solide continue entre les allotropes de basse température (s1-s1) et aussi entre les allotropes de température intermédiaire (s2-s2). Le second scénario a finalement été favorisé de façon à reproduire au mieux les sections isoplèthes mesurées dans le système (1) à une teneur constante en [C3mim]PF6 de 40% molaire et à un ratio molaire constant [C3mpyrr]PF6 / ([C3mpyrr]PF6 + [C3mpip]PF6) de 0.60. Aucun paramètre ternaire en excès n'a été requis pour la phase liquide, et les énergies de Gibbs en excès des solutions solides de basse température (s1-s1) et de température intermédiaire (s2-s2) ont été ajustées. L'accord entre les calculs et les données ternaires était satisfaisant, mais le modèle n'a pas pu reproduire les arrêts thermiques expérimentaux dans la gamme de températures intermédiaires, dans la première section isoplèthe. Ces arrêts thermiques pourraient être associés à un polymorphisme de [C3mpyrr]PF6, avec l'existence de deux conformations préférées des cations pyrrolidinium. De manière similaire, la projection du liquidus du système (2) très semblable a été prédite. Aucun paramètre ternaire en excès n'a été requis pour reproduire de manière satisfaisante les sections isoplèthes mesurées dans le système (3) à une teneur constante en [C3mpy]PF6 de 40% molaire et à un ratio molaire constant [C3mpy]PF6 / ([C3mpy]PF6 + [C3mim]PF6) de 0.60. La projection du liquidus du système (4) très semblable a également été prédite. Finalement, les propriétés thermodynamiques du liquide quaternaire à anion commun {[C3mim], [C3mpy], [C3mpyrr], [C3mpip]}PF6 ont été calculées uniquement à partir des paramètres binaires optimisés, avec une précision raisonnable attendue. Pour le système ternaire réciproque [C2py], [C4py] || Cl, Br, les propriétés thermodynamiques du liquide ont été calculées seulement à partir des paramètres optimisés pour les quatre sous-systèmes binaires à ion commun. Les sections diagonales expérimentales [C4py]Br-[C2py]Cl et [C4py]Cl-[C2py]Br ont été reproduites de manière très satisfaisante par le modèle. La “thermodynamique basée sur le volume” (VBT) de Glasser et Jenkins a été utilisée en conjonction avec les données disponibles dans la littérature pour estimer les propriétés thermodynamiques (ΔHo298.15K, So298.15K, et Cp(T)) des liquides ioniques purs de type pyridinium, permettant ainsi d'évaluer la variation d'énergie de Gibbs pour la réaction d'échange [C2py]Br (liquide) + [C4py]Cl (liquide) = [C2py]Cl (liquide) + [C4py]Br (liquide). Il a été conclu que la VBT n'est pas suffisamment précise pour modéliser les diagrammes de phases de systèmes réciproques. La VBT a également été appliquée aux composés de type imidazolium [C4mim]Cl, [C4mim]NO3 et [C4mim]CH3SO3. Dans ce travail, un modèle de densité, basé sur le MQMPA et précédemment appliqué avec succès à plusieurs systèmes de sels fondus multicomposants inorganiques, a été appliqué aux systèmes de liquides ioniques suivants: les liquides ternaires à cation commun [C4mim]{Cl, NO3, CH3SO3} (encore en cours) et [C4mim]{BF4, PF6, NTf2} (où NTf2 désigne le bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), et les liquides ternaires à anion commun {[C2mim], [C8mim], [C10mim]}NTf2 et {[C4mim], [C8mim], [C10mim]}NTf2. Pour les trois derniers systèmes, les lignes iso-valeurs du volume molaire en excès ont été calculées: le volume molaire de chaque liquide ternaire a été prédit à partir des valeurs optimisées des expansivités dépendant de la température et des volumes molaires à 298.15K des liquides purs, et à partir des paramètres binaires optimisés dépendant de la pression en utilisant une méthode d'interpolation symétrique standard.  ABSTRACT: Ionic liquids are generally composed of a large asymmetric organic cation and an organic or inorganic anion, with a melting temperature below 100oC. Ternary ionic liquid mixtures have received very little attention until now. The present work describes thermodynamic models for the phase diagrams of various ternary ionic liquid systems (common-cation, common-anion, and ternary reciprocal with two cations and two anions), and density models for a few ternary ionic liquid systems (common-cation and common-anion). The experimental data necessary to calibrate and validate the models were both taken from the literature and obtained through scientific collaborations with research groups. The new data obtained by these groups were the thermal transitions measured for some binary and ternary ionic liquid mixtures using Differential Scanning Calorimetry (DSC), and the densities of a few binary ionic liquid systems (including the pure liquids). The Modified Quasichemical Model in the Pair Approximation (MQMPA) was used to model the liquid solution of the following common-ion ionic liquid systems : the [C4mpyrr]{Cl, Br, BF4} and [C4mim]{Cl, NO3, CH3SO3} common-cation ternary systems (where [C4mpyrr] and [C4mim] are 1-butyl-1-methyl-pyrrolidinium and 1-butyl-3-methyl-imidazolium, respectively); and the {[C3mim], [C3mpy], [C3mpyrr], [C3mpip]}PF6 common-anion quaternary system (where [C3mim], [C3mpy], [C3mpyrr] and [C3mpip] are 1-propyl-3-methyl-imidazolium, 1-propyl-3-methyl-pyridinium, 1-propyl-1-methyl-pyrrolidinium and 1-propyl-1-methyl-piperidinium, respectively). The Modified Quasichemical Model in the Quadruplet Approximation (MQMQA) was used to model the liquid solution of the ternary reciprocal system [C2py]Cl - [C2py]Br - [C4py]Cl - [C4py]Br (where [Cnpy] is 1-alkyl-pyridinium). Finally, the Compound Energy Formalism was used to model the relevant solid solutions. For the [C4mpyrr]{Cl, Br, BF4} common-cation ternary system, a small ternary excess parameter was included for the liquid phase in order to best reproduce the experimental isoplethal sections at constant 50 mol% [C4mpyrr]BF4 and at constant molar ratio [C4mpyrr]Cl / ([C4mpyrr]Cl + [C4mpyrr]Br) of 0.85. For the [C4mim]{Cl, NO3, CH3SO3} common-cation ternary system, no ternary phase diagram measurements were attempted owing to the very scattered phase diagram data for the [C4mim]Cl - [C4mim]NO3 binary subsystem, investigated using both DSC and visual observation. These rather scattered data were attributed to the very hygroscopic character of this particular system. A tentative liquidus projection of the ternary system was calculated from the optimized binary model parameters. The {[C3mim], [C3mpy], [C3mpyrr], [C3mpip]}PF6 common-anion quaternary system includes the following four ternary subsystems: (1) [C3mim]PF6 - [C3mpip]PF6 - [C3mpyrr]PF6, (2) [C3mpy]PF6 - [C3mpip]PF6 - [C3mpyrr]PF6, (3) [C3mpip]PF6 - [C3mpy]PF6 - [C3mim]PF6, and (4) [C3mpyrr]PF6 - [C3mpy]PF6 - [C3mim]PF6. Systems (1) and (2) both include the continuous binary solid solution (s3-s3), which was reported in the literature between the high-temperature allotropes of [C3mpip]PF6 and [C3mpyrr]PF6 (each of these two compounds displays three different allotropes.) Two different scenarios were considered in the present work: the first scenario assumed a negligible solid solubility between the low-temperature allotropes (s1-s1) and also between the intermediate-temperature allotropes (s2-s2); the second scenario assumed a continuous solid solution between the low-temperature allotropes (s1-s1) and also between the intermediate-temperature allotropes (s2-s2). The second scenario was finally favoured in order to best reproduce the isoplethal sections measured in system (1) at constant 40 mol% [C3mim]PF6 and at constant molar ratio [C3mpyrr]PF6 / ([C3mpyrr]PF6 + [C3mpip]PF6) of 0.60. No ternary excess parameter was required for the liquid phase, and the excess Gibbs free energies of the low-temperature (s1-s1) and intermediate-temperature (s2-s2) solid solutions were adjusted. Agreement between the calculations and the ternary data was satisfactory, but the model was not able to reproduce the experimental thermal arrests in the intermediate temperature range, in the former isoplethal section. These thermal arrests might be associated with [C3mpyrr]PF6 polymorphism, with the existence of two preferred conformations of the pyrrolidinium cations. Similarly, the liquidus projection of the closely related system (2) was predicted. No ternary excess parameter was required to reproduce satisfactorily the isoplethal sections measured in system (3) at constant 40 mol% [C3mpy]PF6 and at constant molar ratio [C3mpy]PF6 / ([C3mpy]PF6 + [C3mim]PF6) of 0.60. The liquidus projection of the closely related system (4) was also predicted. Finally, the thermodynamic properties of the {[C3mim], [C3mpy], [C3mpyrr], [C3mpip]}PF6 common-anion quaternary liquid were calculated solely from the optimized binary parameters, with an expected reasonable accuracy.  For the [C2py], [C4py] || Cl, Br ternary reciprocal system, the thermodynamic properties of the liquid were calculated solely from the optimized parameters for the four common-ion binary subsystems. The experimental diagonal sections [C4py]Br - [C2py]Cl and [C4py]Cl-[C2py]Br were very satisfactorily reproduced by the model. The Volume-based Thermodynamics (VBT) from Glasser and Jenkins was used in conjunction with the available data from the literature in order to assess the thermodynamic properties (ΔHo298.15K, So298.15K, and Cp(T)) of the pyridinium-based pure ionic liquids, making it possible to estimate the exchange Gibbs free energy for the exchange reaction [C2py]Br (liquid) + [C4py]Cl (liquid) = [C2py]Cl (liquid) + [C4py]Br (liquid). It was concluded that the VBT is not accurate enough to model the phase diagrams of reciprocal systems. The VBT was also applied to the imidazolium-based compounds [C4mim]Cl, [C4mim]NO3 and [C4mim]CH3SO3. In the present work, a density model, based on the MQMPA and previously applied successfully to various multicomponent inorganic molten salts, was applied to the following ionic liquid systems: the [C4mim]{Cl, NO3, CH3SO3} (still in progress) and [C4mim]{BF4, PF6, NTf2} common-cation ternary liquids (where NTf2 is bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), and the {[C2mim], [C8mim], [C10mim]}NTf2 and {[C4mim], [C8mim], [C10mim]}NTf2 common-anion ternary liquids. For the three latter systems, iso-excess molar volume lines were calculated: the molar volume of each ternary liquid was predicted from the optimized temperature-dependent expansivities and molar volumes at 298.15K of the pure liquids, and from the optimized binary pressure-dependent parameters using a standard symmetric interpolation method.


identifier: Lefkir, A. H. (2017). Potentiel d'adaptation des petites et moyennes entreprises aux changements climatiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les effets des changements climatiques se faisant de plus en plus ressentir, les gouvernements et les acteurs économiques concernés mettent en place des stratégies pour y remédier. Deux grands chantiers découlent des changements climatiques : la réduction des émissions des gaz à effet de serre et l'adaptation aux effets des changements climatiques. En effet, la réduction des émissions des gaz à effet de serre à fait l'objet de plusieurs grands sommets mondiaux depuis plus de 30 ans dont le but est d'établir des consensus visant à réduire les émissions mondiales pour freiner l'évolution des changements climatiques. Quant à l'adaptation aux changements climatiques, c'est une notion émergente qui suscite le plus grand intérêt des recherches ces dernières années. Les petites et moyennes entreprises font partie des acteurs économiques qui sont sujets à subir les effets des changements climatiques, par conséquent, elles doivent s'adapter, car dans certains cas leur survie en dépend. Cependant, face à la complexité de la problématique des changements climatiques ces petites et moyennes entreprises peinent à identifier les menaces concrètes qui pèsent sur leurs activités. Le projet de recherche a pour but ultime de fournir aux petites et moyennes entreprises des outils pour leur permettre d'envisager des prises de décisions en vue de s'adapter aux différents aspects des changements climatiques. Pour ce faire, les changements climatiques ont été définis pour les entreprises selon 4 aspects : les variables climatiques et les phénomènes climatiques qui entrent dans la catégorie des effets directs et les effets indirects que sont la réduction des émissions des gaz à effet de serre et les politiques d'adaptation aux changements climatiques. Par la suite, des outils d'analyse préliminaire du potentiel d'adaptation des petites et moyennes entreprises à chacun des aspects des changements climatiques ont été développés pour guider les gestionnaires des entreprises dans leurs prises de décisions. Au cours du projet de recherche, la synergie des acteurs de l'adaptation aux changements climatiques à savoir les petites et moyennes entreprises, les acteurs gouvernementaux et les experts du climat est ressortie comme un élément indispensable à la démarche d'adaptation des entreprises. Les rôles et responsabilités de ces acteurs ont été définis à travers les outils d'analyse préliminaires du potentiel d'adaptation des petites et moyennes entreprises aux changements climatiques.  ABSTRACT: As the effects of climate change are increasingly felt, governments and relevant economic players are putting in place strategies to address them. Two key issues arise from climate change: reducing greenhouse gas emissions and adapting to the effects of climate change. Reducing greenhouse gas emissions has been the subject of several major global conferences for more than 30 years. Those conferences aimed building consensus to reduce global emissions in greenhouse gas emissions to reduce climate evolution. Adapting to climate change, still an emerging notion that has attracted the greatest interest of research in recent years. Small and medium business are the economic actors who are subject to the effects of climate change and therefore they must adapt because in some cases their survival depends on it. However, in the face of the complexity of the climate change problem, these small and medium business struggle to identify the concrete threats to their activities.The goal of the research project is to provide small and medium business with tools to enable them to consider decision-making to adapt to distinct aspects of climate change. To do this, climate change has been defined for businesses according to four aspects: climatic variables and climatic phenomena that fall under the category of direct effects and the indirect effects which are the greenhouse gas reduction and the policies of adaptation to climate change. Subsequently, tools for preliminary analysis of the potential of adaptation for small and medium business to each aspect of climate change were developed to guide companies' managers in their decision-making. During the research project, the synergy of actors in adaptation to climate change, namely small and medium business, governmental actors and climate experts, emerged as an essential element in the adaptation process. The roles and responsibilities of these actors have been defined through the preliminary analysis tools of the potential for adaptation of small and medium business to climate change.


identifier: Augustin, A. (2017). Ordonnancement de bloc opératoire avec intégration des soins intensifs  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le projet présenté dans ce mémoire a pour objectif le développement d'un outil d'aide à la décision destiné à l'administration du bloc opératoire du CHu Sainte-Justine. Cet outil vise à traiter le problème d'ordonnancement des salles d'opération en y intégrant la section des soins intensifs. Cet ordonnancement est effectué avec deux objectifs précis : maximiser le taux d'occupation des salles et prioriser au mieux les patients les plus anciens de la liste d'attente. En effet, si l'on considère que tous les patients sont électifs et que leur état ne présente pas d'urgence, la politique la plus juste est que les patients qui attendent depuis le plus longtemps soient prioritaires. L'intégration des soins intensifs dans notre modèle permet, de plus, d'avoir une meilleure vision sur la section postopératoire et ainsi de fluidifier le trajet de certains patients programmés au bloc opératoire. En effet, la capacité d'accueil aux soins intensifs postopératoires étant limitée, il peut arriver que l'intervention d'un patient y nécessitant une admission soit annulée le jour même si aucun lit n'y est disponible. Les bénéfices d'un outil d'aide à la décision sont multiples. D'une part, un tel outil permet d'accélérer le processus de mise en place des emplois du temps. En effet, l'ordonnancement étant un problème complexe, sa résolution manuelle peut être fastidieuse et y trouver une solution optimale est quasiment impossible, notamment lorsque les objectifs sont multiples. D'autre part, de nombreuses informations, de natures diverses, peuvent être utiles à la mise en place d'une programmation plus efficace du bloc opératoire et un outil adéquat peut permettre de simplifier leur prise en compte. Ainsi, une telle optimisation de son fonctionnement est bénéfique à la fois pour l'hôpital et pour les patients. L'hôpital y voit un gain économique car la section chirurgicale représente une fraction conséquente de ses revenus et de son budget. Optimiser l'utilisation des ressources disponibles est alors une manière de rentabiliser au mieux ses investissements. Les patients, quant à eux, y obtiennent un gain en qualité de prise en charge. En effet, leur priorisation peut être effectuée plus simplement tout en ayant une utilisation du temps d'intervention disponible proche de l'optimal : les temps d'attente seront alors réduits. De plus, limiter le risque d'annulation des interventions permet de fluidifier leur trajet au sein de l'établissement et de minimiser le stress lié aux interventions. Comprendre le problème des annulations liées à la capacité des soins intensifs et implémenter une solution adaptée constitue alors l'un des principaux défis de ce projet. Un premier modèle simple sera présenté puis deux modèles plus pointus visant à intégrer de l'incertitude et à augmenter notre niveau de décision seront développés. Une troisième extension, intégrant les soins intensifs, sera alors à la base de notre second modèle. La méthode que nous utiliserons est la programmation mathématique et la résolution avec solveur. Notre fonction objectif visera à maximiser la durée totale d'intervention programmée sur l'horizon considéré en donnant un poids plus important aux interventions des patients les plus anciens. Concernant l'intégration des soins intensifs, nous nous inspirerons des processus de décision Markoviens pour imposer une contrainte sur les probabilités d'annulation quotidiennes. Tous nos modèles seront cependant linéaires. Les résultats obtenus montrent que notre premier modèle nous permet de prioriser les patients les plus anciens de manière intéressante tout en faisant peu de compromis sur le taux d'occupation des salles. Ce modèle nous fournit une solution proche de la solution optimale très rapidement lorsque nous considérons un horizon de quatre semaines. Cependant, notre modèle ne tenant pas compte des cas urgents et semi-urgents, il pourrait être intéressant de s'en servir pour ne programmer que 75% du temps disponible et, par la suite, de compléter manuellement la programmation pour répondre aux besoins de la réalité. On observe, en procédant de cette manière, que notre modèle permet d'améliorer la sélection des patients en termes de temps d'attente. Ensuite, le modèle prenant en compte l'incertitude vis-à-vis des durées d'intervention montre, lors de simulations, que l'on peut se prémunir contre le risque de retard au quotidien et propose une piste de réflexion concernant son implémentation : les chirurgiens ne donneraient alors plus une estimation de la durée de leurs interventions mais plutôt un intervalle d'incertitude. Le troisième modèle démontre qu'en choisissant de manière optimale les chirurgiens à programmer, les patients les plus anciens pourraient être priorisés encore davantage. Cependant, de nombreuses contraintes opérationnelles ont été omises et devraient être réfléchies pour développer un prototype fonctionnel. Cette partie n'est donc pas centrale dans le projet mais constitue une seconde piste d'approfondissement. Enfin, l'intégration des soins intensifs au modèle permet de répartir les patients au cours du mois de manière à minimiser leur risque d'annulation. Les résultats obtenus nous indiquent que le modèle est alors plus enclin à programmer des patients nécessitant une admission postopératoire sur la période estivale. Cette observation est cohérente avec les intuitions à priori du personnel présent sur le terrain. La période de mai à octobre est en effet plus propice à l'accueil des patients électifs, les arrivées urgentes étant moins nombreuses.  ABSTRACT: Our project aims at developing a decision tool for the scheduling of operating rooms at the administrative level of the hospital. Ultimately, this tool's objective is to optimize the use of available resources of the hospital while prioritizing the interventions on patients who have been waiting for the longest time. Above consideration of the operating block, our model integrates the intensive care unit. This allows us to have a better vision of the postoperative part of the patient care and, thus, to fludify it within the hospital. Indeed, not taking this part into account may lead to the cancellation of some interventions since a patient needing to be admitted in the ICU cannot be operated on unless a bed is made available to him. A decision tool is useful for several reasons. Firstly, it accelerates the schedule generating process. This is interesting since the scheduling task is a very complex one and that, having several objectives, makes it almost impossible to reach an optimal solution by hand. Secondly, taking more information into account -such as some patients' characteristics or staff availabilities- is useful and a fine-tuned decision tool may allow us to do so more easily and efficiently. This has a positive impact on both the hospital and the patients. Indeed, optimizing the processes of such a costly section of the hospital in order to make a better use of the available resources may represent substantial savings for the hospital, and a valuable improvement in the quality of care of the patients, whose main concern is their waiting time. Furthermore, reducing the cancellation risk and sharing its occurence probability with the patients might in turn diminish the stress incurred by the intervention. Thus, one of our main challenges is to study the intensive care unit activity in order to implement a well suited solution. Firstly, we will present a basic model and, secondly, we will explore two ways of improving it : integrating the uncertainty in the durations of the interventions and upgrading our level of decision by chosing which surgeon to schedule instead of respecting the constraints already imposed by the hopistal. Our main modelling method is programming 0-1, i.e. with binary variables. The objective function of our program aims at maximizing the total duration of interventions scheduled and will give a more important weight to the patients who have been waiting the longest time. Our method to integrate the intensive care unit is inspired from a Markovian Decision Process and the idea is to impose an upper bound on the daily probabilities of cancellation. All the models used in this project are linear. The obtained results show it is possible to prioritize the patients in an interesting way with a minimal decrease in rooms occupation rates. Indeed, we observe that an improvement concerning the selection of patients can be made: the patients selected with our solution were waiting for a longer time in average than those selected by the hospital. This model yields a rapid, near optimal solution but does not take the urgent and semi-urgent cases into account. Thus, in order for our tool; to be useful to the hospital, a solution might be to book only 75% of the time available with it so that the other 25% are left to be completed by hand with more urgent cases or according to the preferences of the surgeons. The model that takes the uncertainty of the durations of intervention into account shows promising results in terms of preventing rooms from going overtime. Moreover, letting our progam decide which surgeon to schedule is also interesting in the sense that it allows us to enhance prioritization of returning patients. However, this model would require further operational constraints to be fully and accurately implemented by the hospital. Last but not least, the results concerning the postoperative section show that our model schedules more patients who need an admission in the intensive care unit during the summer period. This goes in line with the observations made a priori by the staff working in the unit.


identifier: Mukherjee, S. (2017). Isotope Engineering and Lattice Disorder in Group IV Nanoscale and Quantum Semiconductors  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'ingénierie des isotopes stables est la manipulation artificielle de la composition et de la distribution des isotopes stables d'un élément dans la maille cristalline d'un matériau donné. Au cours des deux dernières décennies, de nombreuses études conduites sur des semi-conducteurs monocristallins ont montré que de telles modifications peuvent altérer considérablement leurs propriétés fondamentales comme les propriétés nucléaires, le comportement des phonons, le diagramme des bandes d'énergie et le paramètre de maille. Ces développements ont permis un nouvel élan d'innovation et d'applications potentielles exploitant l'ingénierie isotopique dans le transport thermique et thermoélectrique, dans l'optoélectronique, et dans le traitement quantique de l'information, parmi tant d'autres. L'essentiel de la littérature relative à l'ingénierie des isotopes à l'échelle quantique ou nanoscopique se concentre principalement sur des investigations théoriques. A ce jour, les études expérimentales demeurent absentes malgré leur importance dans l'élucidation d'un vaste éventail de phénomènes quantiques et nanoscopiques. Dans cette thèse, nous explorons ce paradigme méconnu en concentrant nos expérimentations sur les propriétés de base des structures dont la composition isotopique est contrôlée à l'échelle nanoscopique. Des nanofils isotopiquement pures de 29Si ou d'alliage isotopique 28Six30Si1-x ont été synthétisés à l'aide de la méthode vapeur-liquide-solide et leurs propriétés de transport des phonons ont été étudiées en utilisant la nanothermométrie Raman. La composition et la distribution isotopiques des nanofils individuels ont été déterminées à l'aide de la sonde atomique tomographique assistée par laser. Cependant, avant que la sonde atomique tomographique ne soit appliquée pour imager les isotopes dans un nanofil, l'utilisation de cette technique unique, mais néanmoins extrêmement délicate, a été d'abord optimisée grâce à deux systèmes additionnels. Le premier système de matériaux consiste en un super réseau isotopique de diamant, et le deuxième est une série d'alliages ternaires métastables de silicium-germanium-étain. Ces recherches nous ont permis non seulement de développer nos connaissances et notre maîtrise de la sonde atomique tomographique, mais également de faire des nouvelles découvertes intéressantes. En exploitant l'imagerie tridimensionnelle atomique d'alliages ternaires métastables, nous avons obtenu des preuves solides que ces alliages sont parfaitement monocristallins et croissent sans agrégats d'étain même pour des concentrations supérieures à la composition attendue de vii l'équilibre thermodynamique.  ABSTRACT: Stable isotope engineering refers to the artificial manipulation of the content and distribution of the stable isotopes of an element within the lattice of a material. Over the last two decades, numerous studies conducted on bulk semiconductors have shown that exercising such a control can significantly alter the fundamental behavior of a material such as the nuclear properties, phonon behavior, electronic energy gaps, and lattice constant. Consequently, a myriad of opportunities emerged from this isotopic engineering of semiconductors enabling a variety of novel and potential applications such as thermal transport and thermoelectric, optoelectronics, and quantum information processing, to name a few. The body of literature related to isotope engineering in nanoscale materials is made primarily of theoretical investigations. Till date, the experimental investigations remain conspicuously missing, despite the fact that the combination of mass-related effects and size-related effects can provide a rich playground to uncover and harness a wide range of new nanoscale and quantum phenomena. In this thesis, we unfold this unexplored paradigm by focusing our experimental investigations on the basic lattice properties of isotopically programmed nanoscale structures. The isotopically pure Si 29 and mixed Six 28Si1−x 30 nanowires were synthesized using the metal catalysed vapor-liquid-solid method and the phonon transport in these nanowires was studied using Raman nanothermometry. The isotopic composition and distribution within an individual nanowire was investigated using laser-assisted atom probe tomography. However, before the atom probe tomography could be implemented to map the isotopes within a nanowire, the experimental capabilities of this unique yet extremely challenging technique were first optimized in two additional systems. The first material system consists of diamond isotopic superlattice and the second, a set of ternary metastable silicon-germanium-tin alloys. These investigations not only equipped us with the science and the practice of atom probe tomography, but also had some interesting revelations of their own. Based on the atom-by-atom three-dimensional mapping of ternary metastable alloys, we obtained clear evidence that these alloys grew without any tin clustering even at contents larger than the equilibrium composition. However, with the increase in tin content, the silicon distribution within these alloys was found to deviate from the ideal theoretical distribution. The root cause of this short-range atomic ordering is the presence of a repulsive interaction between silicon and tin x atoms.


identifier: Sellal, C. (2017). Problèmes de réalisabilité et de connexité dans les graphes chimiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette maîtrise s'inscrit dans le domaine de la chimie mathématique, et plus précisément le domaine de la théorie des graphes chimiques. Ce domaine est en pleine expansion depuis les travaux de William Cullen en 1758. Plusieurs invariants chimiques liés à la théorie des graphes ont été étudiés tels que l'indice de Randic, ainsi que le premier et le second indice de Zagreb. On les regroupe aujourd'hui sous le nom d'indices Adriatiques. Plusieurs modèles mathématiques ont été développés pour déterminer des bornes inférieures et supérieures pour ces invariants chimiques, ainsi que les graphes extrêmes correspondants. Ces modèles ne prennent pas en compte la connexité des graphes, en ce sens qu'aucune contrainte de connexité n'est imposée sur les graphes extrêmes générés. Nos recherches ont porté sur le développement d'un algorithme capable de générer des graphes extrêmes simples (c'est-à-dire sans boucle ni arête multiple) et connexes atteignant la kème plus petite ou la plus grande valeur des indices Adriatiques (k ≥ 1). Pour ce faire, nous avons déterminé des conditions nécessaires et suffisantes pour l'existence d'un graphe simple et connexe lorsque pour toute paire i, j d'entiers strictement positifs, on impose le nombre mij d'arêtes reliant les sommets de degré i à ceux de degré j. Nous avons ensuite montré qu'il est possible d'imposer ces conditions à l'aide d'un modèle linéaire en nombres entiers. Puis, nous avons utilisé ce modèle mathématique pour déterminer les valeurs extrêmes de plusieurs indices Adriatiques pour plusieurs familles de graphes, et nous avons finalement montré comment il est possible de générer les graphes qui atteignent ces valeurs. Mots clés : graphes chimiques, invariants adriatiques, programmation linéaire en nombres entiers, problèmes de connexité.  ABSTRACT: This research lies is in the field of mathematical chemistry, and more specifically in the area of the theory of chemical graphs. This domain is in full expansion since the early works of William Cullen in 1758. Several graphical chemical invariants have been studied such as the Randic index, and the first and second Zagreb index. These invariants are known today as the Adriatic invariants. Several mathematical models have been developed to determine lower and upper bounds for these chemical invariants, as well as their corresponding extreme graphs. However, these models do not take connexity constraints into account, in that sense that it is not imposed that the generated extreme graphs should be connected. The main objective of my research was to develop an algorithm able to generate extreme simple (i.e., without loops of multiple edges) and connected graphs that reach the kth smallest ou largest value of Adriatic invariants (k ≥ 1). For this purpose, we have first determined necessary and sufficient conditions for the existence of a simple connected graph when for every pair i, j of striclty positive integers, it is imposed that the generated graphs should have a fixed number mij of edges linking vertices of degree i with vertices of degree j. We have then shown that these conditions can be imposed by an integer programming model. The model was then used to determine extremal values of Adriatic indices for several families of graphs, and we have finally shown how to generate graphs that reach these values. Key words: Chemical graphs, Adriatic indices, linear integer programming, connectivity problems.


identifier: Lajoie, M.-A. (2017). Développement d'un schéma de calcul prismatique généralisé parallèle en transport déterministe hétérogène 3-D  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet a pour but d'améliorer la performance des algorithmes de résolution de l'équation du transport du flux neutronique dans les réacteurs nucléaires. La méthode des caractéristiques (MoC) en particulier, étant de plus en plus largement utilisée en raison de ses nombreux avantages intrinsèques (traitement direct de l'anisotropie de la diffusion, nombre de régions arbitrairement large, etc.) reste cependant très lourde en termes de nombre d'opérations (et donc de temps d'exécution), et de besoins mémoire ou d'accès disque. Le but de cette thèse est de proposer une généralisation d'un algorithme d'analyse des géométries prismatiques qui permet le traitement de géométries non-uniformes selon l'axe de projection, mais qui restent cependant prismatiques par morceaux le long de celui-ci. Ce traitement prismatique ouvre par ailleurs des avenues de parallélisation de l'algorithme MoC, qui sont aussi explorées dans ce contexte. L'algorithme a été validé et vérifié comme étant fonctionnel sur des cas-test qui représentent des situations réelles, à petite et grande échelle. Le haut d'un crayon de combustible a été simulé afin de valider et d'explorer les propriétés numériques de l'algorithme, tout comme un assemblage flambé, afin d'étudier les avantages informatiques à plus grande échelle de la méthode améliorée. En particulier, les résultats montrent une réduction du volume du fichier de traçage (et donc des besoins en mémoire) d'environ 4 ordres de grandeur et du temps nécessaire pour résoudre l'équation de transport sur la géométrie globale d'un facteur 10 – avant l'introduction du calcul parallèle, par rapport à l'algorithme 3-D traditionnel. En outre, on observe les mêmes résultats (à quelques exceptions dues au niveau de la précision numérique), ainsi que les mêmes caractéristiques de convergence lors de l'exécution. L'analyse des performances de la parallélisation de l'algorithme permet de conclure qu'il s'agit d'une avenue prometteuse. Les résultats montrent une diminution supplémentaire du temps de calcul nécessaire de 60% dans le module de calcul du flux lorsque 4 fils d'exécution sont utilisés, et suggèrent une scalabilité intéressante si cette méthode est couplée à des algorithmes plus traditionnels. Des axes de parallélisation supplémentaires sont finalement suggérés, de même que l'intégraton plus à fond de certaines méthodes de projection afin d'améliorer la versatilité et la performance de l'algorithme développé dans cette thèse.  ABSTRACT: The goal of this project is to improve the performance of the algorithms used for the solution of the transport equation for the neuton flux in nuclear reactors. Of particular interest is the Method of Characteristics (MoC), used more and more widely due to its numerous advantages (native treatment of scattering anisotropy, arbitrarily large number of spatial regions, etc.) but still hindered by its comparatively large computing requirements, both in terms of number of operations (and hence execution time), and memory requirements or disk accesses. This particular project proposes the generalization of an algorithm for a prismatic representation of geometries that enables the consideration of non-uniform geometries along the projection axis, but that still keep a piece-wise axial uniformity. This new prismatic representation also opens up new avenues for parallel computing inside the MoC algorithm, that are also explored in this project. The algorithm itself has been validated and verified for test-cases representing real assembly configurations, both on small and larger scales. The top of a fuel pin is therefore simulated to explore the numerical properties of the algorithm, together with a buckled assembly to study the larger scale computing advantages of the improved method. In particular, the results show a reduction in the size of the tracking file of around 4 orders of magnitude (and hence the memory requirements), and of about 10 times in terms of computing time required to solve the transport equation when comparing with the traditional 3-D solution algorithm – before the introduction of parallel computing. The numerical results are the same (within the precision due to numerical instability), and the same convergence characteristics are observed over the course of execution. The parallelization performances of the algorithm show a very good longer term potential. The results indicate an additionnal 60% reduction in the computing time required to solve the transport problem when using 4 execution threads, and suggests a potential scalability when coupled with other more traditionnal parallelization options. Some additional parallelization avenues are suggested, together with the integration of additional improvements to the projetion methods and algorithms to improve further upon the performance and flexibility of the solution that is developped in this thesis.


identifier: Hérard, C. (2017). Les effets de la température lors de la fabrication additive par FDM de composites thermoplastiques renforcés et leurs propriétés mécaniques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La Fabrication Additive se développe rapidement dans de nombreux domaines, allant du médical à l'aérospatial, car elle permet la fabrication de pièces aux formes complexes, difficilement réalisables par les méthodes conventionnelles. Cependant, les pièces obtenues, notamment avec la technologie de fabrication par déposition de filaments fondus (FDM), ne sont pas encore aussi performantes que souhaitées. En effet, le procédé implique une perte en propriétés mécaniques comparée à la matière première utilisée, qui plus est limitée aux thermoplastiques. Avec la maturité des matériaux composites, le renforcement des filaments permet d'améliorer ses propriétés et des efforts sont réalisés afin de maîtriser au mieux la technologie. D'autre part, des thermoplastiques hautes températures, résistants à des températures plus élevées que les plastiques techniques, sont désormais disponibles sous forme de filaments. Le défi d'obtenir par FDM des pièces fonctionnelles et idéalement capables de garder de bonnes propriétés à hautes températures, comme le requiert le secteur de l'aéronautique, reste à relever.  Ce mémoire présente d'abord une étude de l'effet d'une élévation de la température environnementale d'impression sur les propriétés mécaniques des pièces obtenues à partir d'un thermoplastique et de composite-thermoplastiques. Des filaments de plusieurs teneurs massiques en deux types de fibres de carbones courtes, des milled (m-CF) et des chopped (c-CF), ont été utilisés pour imprimer des éprouvettes dans deux configurations, l'une avec une orientation des filaments dans le sens de la longueur (FL) et l'autre dans la largeur (FW). Une chambre chauffante a permis d'imprimer à une température modérée (35°) et à des températures plus élevées (50°C et 60°C), et des tests en traction assistés par corrélation d'images digitales ont été réalisés. Des gains de 36%, 34% et 68% sur le module d'Young (E), la résistance élastique (σY) et la résistance ultime en traction (Su), respectivement, ont été obtenus en chauffant à 35°C lors de l'impression des échantillons de configuration FW en Nylon renforcé à 35% de fibres m-CF. Chauffer aux plus hautes températures a permis des gains légèrement supérieurs et une meilleure reproductibilité des propriétés. Une tendance similaire a été relevée avec un filament renforcé à 40% des mêmes fibres, ce qui n'a pas été le cas avec du Nylon pur. Les effets de la teneur et du type de fibres sur les propriétés mécaniques ont aussi été étudiés. Les meilleures performances ont été obtenues sur les échantillons imprimés en configuration FL avec le filament de Nylon renforcé à 35% de c-CF, soient les plus longues.  ABSTRACT: Additive Manufacturing is rapidly developing in many fields ranging from medicine to aerospace because it allows the manufacture of parts with complex shapes not easily realizable by conventional methods. However, the parts obtained, in particular by Fused Deposition Modeling (FDM), are not yet as efficient as desired, since the process involves a loss of mechanical properties compared to the raw material used, furthermore limited to thermoplastics. With the maturity of composite materials, filaments reinforcement makes it possible to enhance its properties and efforts are made in order to better master the technology. Besides, high temperature thermoplastics, which are more resistant at higher temperatures than technical plastics, are now available as filaments. The challenge of obtaining by FDM functional parts and ideally capable of maintaining good properties at high temperatures, as required in aeronautics, remains to be taken.  This master's thesis first presents a study on the effect of an increase in the environmental printing temperature on the mechanical properties of parts obtained from thermoplastics and reinforced thermoplastic-based composites. Filaments of several weight contents of two short carbon fiber types, milled (m-CF) and chopped (c-CF), were used to print test specimens in two configurations, one with filament orientation in the direction of the length (FL) and the other in the width (FW). A heated chamber allowed printing at a moderate temperature (35 °) and higher temperatures (50 ° C and 60 ° C) and tensile tests assisted by digital images correlation were performed. Gains of 36%, 34% and 68% on Young modulus (E), yield strength (σY) and ultimate tensile strength (Su), respectively, were obtained by heating at 35 ° C upon printing of specimens with the 35% m-CF reinforced Nylon in FW configuration. Heating at higher temperatures allowed slightly higher gains and improved reproducibility of properties. A similar trend was observed with a filament reinforced to 40% of the same fibers, which was not the case with neat Nylon. The effects of contents and type of fibers on the mechanical properties have also been studied. The best performances were obtained on the samples printed in the FL configuration with the 35% c-CF reinforced Nylon filament, so the one reinforced with the longest fiber and at the highest content.


identifier: Latulippe, M. (2017). Guidage magnétique par champs de dipôles pour l'administration ciblée d'agents thérapeutiques  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les chimiothérapies modernes utilisées pour le traitement des cancers consistent souvent à l'injection systémique de molécules toxiques dont généralement une infime partie atteint la tumeur. Pour augmenter l'efficacité de ces traitements et réduire leurs effets secondaires, une solution consiste à guider magnétiquement des agents thérapeutiques afin de les diriger dans le réseau vasculaire, à partir du point d'injection directement vers la zone à traiter. Ceci peut être accompli en appliquant des champs et des gradients magnétiques de manière contrôlée sur les agents, qui sont alors soumis à des forces de propulsion permettant de les attirer à travers les bifurcations artérielles désirées. Pour le guidage de micro-agents, cette approche requiert des champs et des gradients magnétiques forts. Le champ permet de magnétiser les agents et doit idéalement être suffisamment fort pour les amener à saturation magnétique. Les gradients (variations spatiales du champ) peuvent alors induire des forces magnétiques de propulsion, mais doivent atteindre une certaine amplitude pour que ces forces soient suffisantes. Avec les limites technologiques actuelles, il est difficile de rencontrer ces deux critères pour le guidage de micro-agents à l'échelle humaine. Dans les tissus profonds, les méthodes existantes sont généralement limitées à des champs de <0.1T et des gradients de <400 mT/m, ou peuvent générer un champ assez fort pour obtenir une magnétisation à saturation mais au détriment de gradients faibles (e.g. <100mT/m ou typiquement <40 mT/m). Dans le cadre de ce projet de recherche, une nouvelle méthode de guidage magnétique, baptisée guidage par champs de dipôles, ou Dipole Field Navigation (DFN), est proposée et étudiée pour surmonter les limitations des méthodes précédentes pour le guidage de micro-agents. Contrairement aux autres méthodes de guidage magnétique, DFN bénéficie à la fois d'un champ magnétique fort et de gradients d'amplitudes élevées dans les tissus profonds chez l'humain. Ceci est accompli à l'aide de corps ferromagnétiques précisément positionnés autour du patient à l'intérieur d'un appareil clinique d'imagerie par résonance magnétique. Ces appareils génèrent un puissant champ magnétique, typiquement de 1.5-3 T, qui est suffisant pour atteindre la saturation magnétique des agents. Les corps ferromagnétiques ont pour effet de distordre le champ de l'appareil de sorte que des gradients excédant 400mT/m peuvent être générés à une profondeur de 10 cm dans le patient. Grâce aux distorsions complexes du champ autour de ceux-ci, il est théoriquement possible d'induire, dans une certaine mesure, les forces magnétiques nécessaires au guidage des agents le long de trajectoires prédéfinies dans le réseau vasculaire. Le paramétrage adéquat d'une disposition de corps ferromagnétiques, dont le nombre requis est a priori inconnu, est toutefois complexe et doit être effectué en fonction de la trajectoire vasculaire désirée, spécifique à chaque patient. Différentes contraintes reliées à l'environnement d'IRM, dont l'espace restreint à l'intérieur de l'appareil, doivent également être prises en compte. Ainsi, des modèles et algorithmes d'optimisation permettant de résoudre ce problème sont développés et présentés. Le fonctionnement de la méthode est validé in vitro par le guidage de particules à travers des réseaux ayant jusqu'à trois bifurcations consécutives avec un taux de ciblage supérieur à 90%. Il est démontré que la taille et la forme des corps ferromagnétiques peuvent être variées afin d'augmenter les capacités de génération de gradients. En particulier, les formes de disque et de demie-sphère sont identifiées comme étant les plus efficaces. Par ailleurs, l'environnement d'IRM n'étant typiquement pas compatible avec la présence de matériaux magnétiques, les effets des corps ferromagnétiques sur l'imagerie sont étudiés. Il est démontré que l'imagerie demeure possible, dans une certaine mesure malgré les distorsions, dans des régions spécifiques autour d'une sphère magnétisée à l'intérieur de l'appareil. La qualité des images obtenues dans ces conditions est suffisante pour permettre de valider le succès du ciblage. Ainsi, des vérifications périodiques du déroulement de l'intervention seraient possibles en éloignant momentanément le ou les corps ferromagnétiques du patient. D'autre part, à cause des forces magnétiques exercées sur ceux-ci, le nombre et la taille des corps ferromagnétiques doivent être limités afin de faciliter leur insertion et leur positionnement sécuritaire dans l'appareil. Bien que certaines trajectoires puissent nécessiter plusieurs corps ferromagnétiques de grande taille, un certain compromis doit donc être recherché par rapport à la qualité des gradients générés. Enfin, le potentiel de la méthode pour le guidage de microagents dans les tissus profonds chez l'humain est évalué en utilisant un modèle du réseau vasculaire du foie d'un patient. Les résultats indiquent que, pour des trajectoires vasculaires multi-bifurcations relativement complexes, un compromis est inévitable entre les amplitudes et la précision angulaire des gradients générés. Par exemple, des gradients d'environ 150mT/m ont été obtenus pour le guidage à travers trois bifurcations consécutives dans ce modèle, mais avec une erreur angulaire moyenne d'environ 20_. Finalement, les capacités de DFN à générer des gradients forts dépendent de nombreux paramètres, comme la complexité et la profondeur de la trajectoire vasculaire visée, mais peuvent, selon les conditions, surpasser grandement celles des méthodes existantes pour le guidage de micro-agents dans les tissus profonds. À la lumière des résultats présentés dans cette thèse, le potentiel de la méthode est prometteur et justifie la poursuite du projet, notamment vers la réalisation des premiers essais in vivo. À ce titre, différentes pistes de recherches et de travaux futurs sont discutées.  ABSTRACT: Modern chemotherapies used in cancer treatment often involve the systemic administration of toxic molecules, of which usually a tiny fraction reaches the tumor. To increase the efficacy of these treatments while significantly reducing their secondary effects, a solution consists in magnetically guiding therapeutic agents in the vascular network, from an injection point directly towards the diseased site. This can be accomplished by applying controlled combinations of magnetic fields and gradients on the agents, which are then subjected to propulsive directional forces that can be used to steer them through the desired arterial bifurcations. For the navigation of micro-agents, this approach requires both a strong magnetic field and high gradients. The field strength is required to magnetize the agents and is ideally high enough to bring them at saturation magnetization. The gradients (spatial variations of the field) can then induce magnetic propulsion forces, but must reach a certain magnitude so that these forces are sufficient. Because of current technological limitations, it is challenging to meet both criteria for the navigation of micro-agents at the human scale. In deep tissues, current methods are in fact usually limited to <0.1T fields and <400mT/m gradients, or can provide the field to reach saturation magnetization but at the expense of weak gradients (e.g. <100mT/m or typically <40 mT/m). In this research project, a new method dubbed Dipole Field Navigation (DFN) is proposed and studied to overcome the limitations of existing magnetic navigation methods for guiding micro-agents. Unlike other methods, DFN can provide both a strong magnetic field and high gradients in deep tissues for whole-body interventions. This is achieved by precisely positioning ferromagnetic cores around the patient inside a clinical magnetic resonance imaging scanner. Conventional scanners generate a strong magnetic field, typically of 1.5-3 T, which is sufficient to bring the agents at saturation magnetization. The ferromagnetic cores distort the scanner's field such that gradients exceeding 400mT/m can be generated at a 10 cm depth inside the patient. Due to the complex distortion patterns around the cores, it is theoretically possible to induce, to a certain extent, the magnetic forces required for navigating agents along predefined vascular routes. The parameterization of core configurations, in which the required number of cores is a priori unknown, is however complex and must be performed according to the specific vasculature of a given patient. Several constraints related to the MRI environment must also be considered, such as the limited space inside the scanner. Therefore, models and optimization algorithms are developed and presented for solving this problem. The feasibility of the method is validated in vitro by guiding particles through up to three consecutive bifurcations, achieving a targeting efficiency of over 90%. It is shown that the size and shape of the cores can be varied to increase the capabilities of the method for generating gradients. In particular, discs and hemispheres are shown to be the most effective shapes. Moreover, the MRI environment typically no being compatible with the presence of magnetic materials, the effects of the cores on imaging are studied. It is shown that, despite distortions, imaging is still possible, to a certain extent, in specific regions around a magnetized sphere placed in the scanner. The images obtained in these conditions are of sufficient quality for targeting assessment. Thus, periodic validations of the procedure could be achieved by momentarily moving the cores away from the patient. On another hand, due to the potentially strong magnetic forces exerted on the cores, their number and sizes must be limited to ensure their safe insertion and positioning in the scanner. Consequently, although the navigation in some vascular routes may require several large ferromagnetic cores, a certain compromise must be made with respect to the quality of the gradients generated. Finally, the potential of the method for guiding micro-agents in a human vasculature in deep tissues is evaluated using the vascular model of a patient liver. The results indicate that, for relatively complex vascular routes having multiple bifurcations, a compromise is also required between the amplitudes and the angular precision of the gradients. For example, gradient strengths around 150mT/m were obtained for routes having three consecutive bifurcations in this model, but with an average angular error of about 20_. Overall, the capabilities of DFN for generating strong gradients depend on several parameters, such as the complexity and depth of the desired vascular route, but can in a range of cases greatly exceed those achievable by previous methods for the navigation of micro-agents in deep tissues. In view of the results presented in this thesis, the promising potential of DFN motivates the continuation of this project, in particular towards the first in vivo experiments. As such, different avenues of research and future works are discussed.


identifier: Vuong, M. T. (2017). Comparison of Myelin Imaging Techniques in Ex Vivo Spinal Cord  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La myéline est un matériau diélectrique qui entoure l'axone des neurones, et qui permet une transmission plus rapide des influx nerveux. La perte de myéline peut avoir de graves conséquences, allant d'interruptions mineures jusqu'à l'arrêt total de la propagation des influx nerveux dans le cas de maladies neurodégénératives telles la sclérose en plaque et la maladie de Parkinson. Présentement, il existe un débat au sein de la communauté d'imagerie de la myéline à savoir quel biomarqueur basé sur l'imagerie par résonance magnétique (IRM) possède la meilleure précision, sensibilité et spécificité à la myéline. Dans ce travail, nous comparons plusieurs techniques d'imagerie de la myéline qui sont basées sur l'IRM (quantitative magnetization transfer imaging, myelin water imaging, and proton density imaging) en évaluant leur reproductibilité et leur concordance avec l'histologie haute résolution (<μm) de coupe transversale complète de la moelle épinière d'un rat, d'un chien et d'un humain. Alors qu'il y a des études qui se penchent sur la relation entre deux de ces méthodes et l'histologie, il s'agit, au meilleur de nos connaissances, de la toute première étude qui implémente et compare toutes ces méthodes à la fois dans le but de mieux comprendre les corrélations existant entre elles et d'évaluer leurs précision, sensibilité et spécificité à la myéline. Qualitativement, les contrastes étaient similaires et toutes les techniques possédaient des scan-rescan semblables en plus de corréler avec l'histologie. Étonnamment, les corrélations voxelwise entre les différentes mesures de myéline étaient presque aussi élevées que celles entre les scan-rescan. La corrélation diminue seulement lorsque la matière blanche est considérée, ce qui pourrait être dû à la faible plage dynamique de myéline dans la matière blanche à des effets de pénétration des fixatifs dans les tissus et à des problèmes de focus et de stabilité de la microscopie à grand champ. En somme, nous concluons que les différentes techniques d'imagerie de la myéline explorées dans cette thèse possèdent une sensibilité à la myéline semblable. La corrélation avec l'histologie suggère que davantage de travail serait nécessaire pour déterminer le protocole optimal d'imagerie de la myéline. Cette étude a aussi mis en évidence des problèmes de calibration des mesures IRM. Ainsi que des problèmes de traitement de données qui ont impacté l'exactitude des mesures. Par exemple la mesure de la carte B1, des problèmes de spoiling ainsi que la variation des délais. Nous avons ainsi standardisé le traitement des données avec le développement de qMRILab qui intègre en plus des méthodes qMT, méthodes de mapping T1 et de cartes de champs. De plus, les données de la moelle épinière de chien présentées dans cette étude seront publiées en open source pour que n'importe qui puisse reproduire et tester ces méthodes et d'autres.  ABSTRACT: Myelin is a dielectric material that wraps around the axons of nerve fibers to enable fast conduction of signals throughout the nervous system. Loss of myelin can cause anywhere from minor interruption to complete disruption of nerve impulses in a range of neurodegenerative diseases such as multiple sclerosis and Parkinson's disease. There is an ongoing debate in the myelin imaging community about which biomarker based on Magnetic Resonance Imaging (MRI) has the greatest precision, sensitivity and specificity to myelin. In this work, we implemented and compared several MRI-based myelin imaging techniques (quantitative magnetization transfer imaging, myelin water imaging, and proton density imaging) by evaluating their repeatability and their relation to large-scale histology in the ex vivo spinal cords of a rat, a dog, and a human. While there are studies investigating the relationship between pairs of them as well as with histology, to the best of our knowledge, this is the first study that implemented and compared all those methods at the same time to evaluate their reproducibility, precision, sensitivity and specificity to myelin. Qualitatively the contrasts were similar, and all techniques had comparable scan-rescan and correlations with histology. Surprisingly, the voxel-wise correlations between the various myelin measures were almost as high as the scan-rescan correlations. The correlations decreased when only white matter was considered, which could be due to the small dynamic range of the measurement, or due to artifacts related to the preparation and panoramic scanning of the tissue. We conclude that the myelin imaging techniques explored in this thesis exhibit similar specificity to myelin, yet the histological correlations suggest that more work is needed to determine the optimal myelin imaging protocol. The study also pointed out some potential miscalibrations during acquisitions as well as data processing that may lead to anywhere from minor to major impact on the accuracy of the results. These include B1 mapping, insufficient spoiling and variation of the predelay time. We have also standardized the data processing routines by upgrading qMTLab to qMRLab which adds several quantitative MR methods to the toolbox, such as standard T1 mapping and field mapping. In addition, the data of the dog spinal cord in this study will be published together with the analysis scripts to help the interested reader to reproduce the findings from this thesis.


identifier: Pupin, C. (2017). Développement d'outils de prévision de la porosité résiduelle d'origine chimique destinés à l'optimisation des paramètres de fabrication de pièces composites structurales en RTM  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation des matériaux composites est en constante augmentation depuis les 40 dernières années en particulier dans tous les domaines de l'aéronautique et de l'aérospatial, notamment pour la fabrication de pièces structurales. Le moulage par transfert de résine (RTM) est un procédé de fabrication qui consiste à injecter de la résine liquide dans un renfort fibreux placé à l'intérieur d'un moule rigide et fermé. Un des inconvénients majeurs de la fabrication avec le procédé RTM est la présence de porosités dans les pièces finales. Ces porosités sont d'origine mécanique (emprisonnement d'air lors de l'imprégnation du renfort fibreux) ou d'origine chimique (volatilisation d'espèces chimiques lors de la cuisson de la pièce). La présente thèse porte sur l'étude de la formation de porosités d'origine chimique dans deux résines thermodurcissables utilisées par le partenaire industriel SAFRAN pour la fabrication de pièces composites structurales. Un des problèmes majeurs des pièces fabriquées en RTM est la présence de porosités dans la structure finale. Celles-ci causent un problème de respect du cahier des charges, mais surtout une diminution des caractéristiques mécaniques de la pièce par rapport à celles calculées pendant la phase de conception. Ces travaux de recherche ont pour but de développer des modèles phénoménologiques, ou du moins des moyens de prévision de la porosité, dont les paramètres seront déterminés de manière simple et rapide par les ingénieurs des services R&D. Ces outils de prévision de la porosité permettront d'obtenir des pièces conformes au cahier des charges et de développer des outillages de fabrication non surdimensionnés comme cela est souvent le cas à l'heure actuelle. Pour ce faire, deux résines différentes ont été étudiées : une résine époxy et une résine phénolique. Comme ces deux résines ont des systèmes de polymérisation différents, ces travaux proposent deux moyens de prévision de la porosité différents, adaptés à chacune des résines. En premier lieu, des études rhéocinétiques ont été faites sur chacune des résines. Par la suite, des analyses ont été faites en TGA sur les résines afin de quantifier la quantité de gaz libérée et de comprendre la manière dont ils sont générés. Enfin, des expérimentations de polymérisation de résine ont été faites dans les mêmes conditions de fabrication qu'une pièce en RTM afin d'observer le phénomène de nucléation/dissolution, l'influence de la température, l'influence de la pression, ainsi que l'influence du taux de conversion.  ABSTRACT: The use of composite materials has been steadily increasing over the past 40 years, particularly in the aeronautic and aerospace areas, especially for the manufacture of structural parts. Resin Transfer Molding (RTM) is a manufacturing process that involves injecting liquid resin into a fibrous reinforcement placed inside a rigid and closed mold. One of the main drawbacks of manufacturing with the RTM process is the presence of porosities in the final parts. These porosities are of mechanical origin (entrapment of air during impregnation of the fibrous reinforcement) or of chemical origin (volatilization of chemical species during curing of the part). This document deals with the formation of porosities of chemical origin in two thermosetting resins used by the industrial partner SAFRAN for the manufacture of structural composite parts. One of the main difficulties with manufacturing composites by RTM is the presence of porosities in the final structure. Not only is this a problem for required specifications, but also, it causes a decrease in the mechanical characteristics of the part compared with those calculated during the design phase. This research aims at developing phenomenological models, or at least tools for predicting the porosity, whose parameters will be determined in a simple and fast way by R&D engineers. These porosity prediction tools will make it possible to obtain parts that comply with the specifications and to develop non-oversized manufacturing tools, which is often the case in the industry. For this purpose, two different resins were studied: an epoxy resin and a phenolic resin. Since these two resins have different polymerization systems, this work proposes two different tools of predicting the porosity, adapted to each of the resins. First, rheo-kinetic studies were carried out on each of the two resins. Subsequently, TGA analyzes were performed on the resins to quantify the amount of gas released and to understand how they are generated. Finally, resin polymerization experiments were carried out under the same process conditions as an RTM part in order to observe the nucleation/dissolution phenomenon, as well as the influence of temperature, pressure, and conversion level These observations were made using a laboratory RTM mold equipped with a window which allows real-time observation. Finally, the data collected and the observations made in the previous points allowed establishing tools for controlling the porosity, taking into account the process parameters such as time, temperature and pressure. This thesis contains three scientific articles.


identifier: Chen, C. (2017). Static Probabilistic Timing Analysis for Real-Time Embedded Systems in Presence of Faults  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une mémoire cache est le lien entre le processeur et la mémoire principale. Elle permet de réduire considérablement les temps d'accès aux blocs de mémoire dans un système embarqué temps-réel et critique (CRTES), ce qui influence énormément son comportement temporel. Des caches à accès aléatoire—caches avec une politique de remplacement aléatoire—ont été proposées dans le but d'améliorer les estimations du comportement temporel des CRTES, et cela en diminuant les cas pathologiques. Les Measurement Based Probabilistic Timing Analysis (MBPTA) et Static Probabilistic Timing Analysis (SPTA) sont deux méthodes qui ciblent à estimer le pire temps d'exécution (Worst Case Execution Time probabiliste - pWCET) d'une façon probabiliste et sécuritaire pour les caches aléatoires. À travers cette dissertation, on présente des travaux de recherche concernant l'estimation temporelle basée sur la méthode SPTA. L'état de l'art sur les méthodologies SPTA fournissent des estimations sécuritaires et strictes. En revanche, au vu de la réduction d'échelle des technologies des semiconducteurs utilisés pour la mise en oeuvre des composants faisant partie des CRETS, les caches sur puce sont de plus en plus prédisposés aux pannes. Par conséquent, nous avons développé des méthodologies SPTA pour l'estimation des pWCETs en présence de pannes. Nous avons effectué également des évaluations de l'impact de ces fautes sur les comportements temporels. Afin d'examiner les pannes, nous avons modélisé dans un premier temps les pannes transitoires et permanentes. Une panne transitoire représente un changement d'état temporaire. Le système peut ainsi être restauré en utilisant des techniques de détection et de correction des pannes. D'un autre côté, une panne permanente introduit un changement permanent. Elle persiste après son apparition et affecte en conséquence le comportement général du système. Nous avons alors proposé une méthode basée sur les chaînes de Markov afin de modéliser les états de disposition de la mémoire. Pour chaque accès à un bloc de mémoire, le changement de l'état est calculé en utilisant une matrice de transition, tout en tenant compte des impacts des fautes transitoires. Nous avons également utilisé différents types de modèles de la chaîne de Markov pour représenter le système ayant subi un nombres différent de pannes permanentes. Les expériences montrent que notre méthode SPTA assure des résultats précis en présence des pannes transitoires et permanentes.  ABSTRACT: A cache is typically the bridge between a processor and its main memory. It significantly reduces the access latencies to memory blocks and its timing behavior. Random caches—caches with a random replacement policy—have been proposed to improve timing behavior estimates in critical real-time embedded systems (CRTESs) by reducing pathological cases due to systematic cache misses. Measurement Based Probabilistic Timing Analysis (MBPTA)and Static Probabilistic Timing Analysis (SPTA) aim at providing safe probabilistic Worst Case Execution Time (pWCET) estimates for random caches. In this dissertation, we present research work on timing estimation based on SPTA. State-of-the-art SPTA methodologies produce safe and tight pWCET estimates. However, as semiconductor technology scales down, CRTES components—especially their on-chip caches—become prone to faults. Consequently,we developed SPTA methodologies to estimate pWCETs in the presence of faults, and evaluated the impacts of faults on timing behaviors. To investigate faults, we first defined transient and permanent fault models. A transient fault represents a temporary change of state. The system with transient faults can be recovered using fault detection and correction techniques. A permanent fault represents a permanent change of state. It persists after its occurrence and affects the system's behavior afterwards. Additionally, we proposed a Markov chain method to model memory layout states. For each memory block access, the state changes are calculated using a transition matrix. The transient fault impacts were integrated into the transition matrix computation, and we used different groups of Markov chain models to represent the system with different number of permanent faults. Experiments showed that our SPTA method provided accurate results in the presence of both transient and permanent faults.


identifier: Alameh, M. (2017). Gene Silencing Using Chitosan Based siRNA Delivery Systems in Cells and Animals  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le développement de vecteurs de livraison non viraux à des fins thérapeutiques a pris de l'ampleur dans les dernières années. Le chitosane est un polymère cationique naturel ayant la capacité de former des nanoparticules lorsqu'il est mélangé à des molécules polyanioniques comme les petits ARN interférents (pARNi). Les efforts pour identifier les paramètres moléculaires favorisant une bioactivité optimale n'ont pas été concluants en raison de différences expérimentales, d'un manque d'uniformité des protocoles de transfection, de la faible caractérisation du polymère et des différences au niveau des sources de chitosane utilisé. Cette thèse a été entreprise afin de répondre aux objectifs suivants: 1) Tester et valider l'efficacité de transfection de formulations, précédemment identifiées comme optimales pour la livraison d'ADN plasmidique, 2) Examiner l'influence des paramètres intrinsèques (dégrée de deacetylation (DDA), la masse moléculaire (Mn) et le ratio N:P) et extrinsèques (sérum, pH, force ionique et conditions de mélange) sur les caractéristiques physicochimiques des particules, leur internalisation dans les cellules, l'efficacité de silençage, la toxicité métabolique, la génotoxicité et l'hémocomptabilité, en utilisant une chimiothèque de chitosanes hautement caractérisés, et 3) Sélectionner des formulations ayant des caractéristiques optimales relatives à la taille, le potentiel zêta, l'intégrité des nanoparticules et la capacité de ces dernières à induire un silençage spécifique du gène en question tout en étant sécuritaire, et 4) Caractériser la biodistribution des nanoparticules, leurs toxicités et leurs potentiel de silençage génique suite à des injections intraveineuses chez la souris.  Une étude initiale a démontré que le chitosane interfère avec l'extraction d'acide nucléique de cellules transfectées in vitro. Une méthode enzymatique simple et peu coûteuse a permis de récupérer l'ARN totale pour des applications moléculaires tel que la PCR en temps réel. De plus, cette étude a permis de réduire le biais (~ 10-15 %) associé aux nanoparticules adsorbées à la surface des cellules lors de mesures du niveau d'internalisation par cytométrie en flux.  En outre, la digestion enzymatique du chitosane pourrait être effectuée en présence de guanidium, un agent chaotropique présent dans le tampon de lyse, démontrant ainsi l'efficacité et la simplicité de cette méthode. Avec la résolution de cet obstacle technique, nous avons sélectionné des formulations ayant démontré, auparavant, une efficacité de transfection élevée pour la livraison d'ADN plasmidique. Ces formulations ont été caractérisés pour leur taille, leur forme, leur potentiel surfacique (potentiel zêta), leur capacité de protéger les pARNi contre les nucléases et leur efficacité à transfecter, de façon non toxique, différentes lignées cellulaires.  Les nanoparticules ainsi formées étaient sphériques et leur taille variait entre 40 et 100 nm. De plus, les résultats ont démontré que la protection contre les nucléases dépendait de la masse moléculaire et du ratio N:P. Par ailleurs, une haute efficacité (~80%) de silençage génique, en présence de sérum (10%), a pu être atteinte dans plusieurs lignées cellulaires. Pour la première fois, des nanoparticules avaient pu être obtenues à un faible ratio N:P marquant ainsi une différence frappante avec la littérature. Nos résultats ont pu démontrer la cause de ce bais favorisant la sélection de nanoparticules à haut ratio N :P testée dans la littérature.  Dans la perspective de comprendre l'influence du degré de désacétylation (DDA) et de la masse moléculaire (Mn) du chitosane ainsi que du ratio N :P sur l'efficacité de transfection in vitro, la toxicité, la génotoxicité, l'hémocompatibilité et la biodistribution in vivo, une chimiothèque de chitosans hautement caractérisés a été produite à de différents DDA (98%, 92%, 80% et 72%) et Mn (5, 10, 40, 80 et 120 kDa) et mélangée avec des pARNi à des ratios N :P de 5 :1 et 30 :1. Les nanoparticules, ainsi formées, ont été caractérisées pour leurs tailles et potentiel surfacique en présence de 10 et 150 mM de sel. L'efficacité d'encapsulation (EE) et de transfection a été mesurée à pH 6.5 et 8 (EE) et à pH 6.5 et 7.4 respectivement. Les formulations les plus performantes ont été sélectionnées pour une caractérisation plus poussée de l'influence de la Mn et du ratio N:P sur l'internalisation des nanoparticules, l'activité métabolique cellulaire, la génotoxicité et l'efficacité de transfection in vitro en présence de sérum. L'hémocompatibilité et la biodistribution in vivo ont également été examinées pour différents Mn, ratios N :P et doses. Nos résultats ont démontré que l'internalisation des nanoparticules et l'efficacité de silençage étaient positivement corrélées à l'augmentation du potentiel surfacique, obtenu en augmentant le DDA et la Mn. Une longueur minimale de ~60-70 monomères (Mn ~10 kDa) était requise pour garantir une stabilité et un silençage en présence ou absence de sérum. L'efficacité de silençage a atteint des niveaux équivalents (~ 80-90%) à ceux du contrôle positif (DharmaFECT®) sans toxicité métabolique ou génotoxicité démontrant ainsi la supériorité de notre système comparativement aux lipides cationiques qui ont diminué l'activité métabolique des cellules. La présence de concentration croissante de sérum a négativement influencé la transfection in vitro. Nos résultats indiquent que l'influence négative du sérum est inversement proportionnelle à une augmentation du DDA, de la Mn et du ratio N :P. L'hémocompatibilité s'est révélée être dépendante de la dose, du DDA et de la masse moléculaire suggérant ainsi l'utilisation d'acide hyaluronique (HA), un polymère anionique et biocompatible, pour diminuer l'interaction avec les composantes du sang et améliorer la stabilité colloïdale.  Les études de toxicité in vivo ont démontré que les nanoparticules de chitosane formulées à N:P 5 pourraient être tolérées jusqu'à une dose de 2.5mg/kg siRNA, tandis que celles revêtues de HA améliorent la tolérabilité par un facteur d'au moins 4.  Contrairement aux nanoparticules lipidiques, les nanoparticules avec ou sans revêtement n'ont ni entraîné l'expression de cytokines pro-inflammatoires (ex. IL-1β, IL-6, TNF-α, IFN-γ et KC) ni l'augmentation de biomarqueurs sérologiques tels que l'ALT, AST, ALP, l'urée sanguine, et la créatinine. Une diminution des thrombocytes a été uniquement observée avec les formulations lipidiques soulignant ainsi des différences majeures avec le chitosane.  L'analyse histopathologique des tissus et le suivit des masses corporelles ont confirmés le profil d'innocuité observé avec le chitosane. L'étude de biodistribution chez la souris démontre une accumulation spécifique de nanoparticules dans les tubules épithéliaux proximaux du rein où 40-50% de silençage a été observé, suggérant ainsi des applications potentielles du système au niveau des maladies rénales.  ABSTRACT: Research to develop safe and efficient non-viral gene delivery vectors for clinical applications has gained momentum in recent years. Chitosan is a natural cationic polymer with a characteristic property of self-assembly with small interfering RNA (siRNA) to form nanoparticles with high in vitro and in vivo transfection efficiencies. Previous efforts to identify molecular parameters favoring optimal bioactivity failed to produce conclusive results because of experimental discrepancies, lack of uniformity in transfection protocols, differences in chitosan sources, and poor characterization. In the light of these lacunae, The project presented in this thesis was carried out with the following objectives 1) Test and validate the transfection efficiency of formulations, previously identified as optimal for plasmid DNA, 2) Investigate the effect of intrinsic (DDA, Mn and N:P ratio) and extrinsic parameters (serum, pH, ionic strength and mixing conditions) on nanoparticle physicochemical characteristics, in vitro cell uptake, knockdown efficiency, metabolic toxicity, genotoxicity and hemocompatibility using a library of precisely characterized chitosans, and 3) Identify formulations with optimal characteristics with respect to size, surface charge, integrity, knockdown, toxicity followed by the characterization of their in vivo biodistribution; toxicity and gene knockdown potential following intravenous administration.  An initial study demonstrated that chitosan interferes with column based extractions of total RNA from low cell numbers. The digestion of chitosan using a relatively simple and inexpensive enzymatic method permitted total recovery of high-quality RNA. In addition, surface bound chitosan was shown to bias flow cytometry data, evaluating nanoparticle uptake through fluorescently labeled siRNA. Treatment of cells using the chitosanase method reduced false positive events by around 10-15%. Surprisingly, enzymatic digestion could be performed in guanidium, a chaotropic agent, containing lysis buffer demonstrating the convenience of the method and allowing for the extracted RNA to be used in quantitative PCR experiment. With the technical hurdle solved, specific formulations based on designs parameters for plasmid DNA were characterized for their size, shape, surface charge, nuclease protection and ability to transfect different cell lines and produce non-toxic target specific knockdown. In contrast to plasmid DNA, nanoparticles formed with siRNA were all spherical, and their size ranged from 40-100 nm. For the first time, nanoparticles could be obtained at low N:P ratio in striking difference with the literature. Nuclease protection was found to be molecular weight dependent, and gene silencing in the presence of 10 % serum reached around 80%. This study demonstrated that nanoparticles formulated at low N:P ratio were able to form stable nanoparticles and induce target knockdown.  In an attempt to understand the influence of chitosan molecular weight and degree of deacetylation on in vitro transfection efficiency, toxicity, genotoxicity, hemocompatibility and in vivo biodistribution, a library of precisely characterized chitosans was produced at different DDAs (98%, 92%, 80% and 72%) and Mn (5, 10, 40, 80 and 120 kDa). They were then mixed with siRNA at N:P ratios of 5:1 and 30:1, and nanoparticles were characterized for their size and surface charge in the presence of 10 and 150 mM salt. Encapsulation (EE) and transfection efficiencies were characterized at pH 6.5 and 8 for EE and pH 6.5 and 7.4 for in vitro transfection. Formulations were selected for further characterization of the influence of Mn and N:P ratio on nanoparticle uptake, metabolic activity, genotoxicity, and in vitro transfection in the presence of increasing concentrations of serum. Hemocompatibility and in vivo biodistribution were also investigated for several Mn, N:P ratio, and dose. Nanoparticle uptake and gene silencing correlated positively with increased surface charge, which in turn was obtained at high DDA and high Mn. A minimum polymer length of ~60-70 monomers, or Mn of ~10kDa, was required for stability and in vitro knockdown in the presence or absence of serum. In vitro knockdown reached levels equivalent to the DharmaFECT® (~ 80-90%) with no metabolic toxicity or genotoxicity, the former in contrast to the lipid-based control which severely impaired metabolic activity. Serum had negative dose-dependent effects on biological performance, which correlated inversely with increased DDA, Mn and N:P. The poor in vitro performance above 50% serum concentration is believed to be multifactorial in cause and could not be elucidated. Despite the negative effect of serum on in vitro transfection efficiency, several reports have demonstrated in vivo efficacy. Hemocompatibility was found to be dose-dependent and increased with both Mn and DDA prompting the use of hyaluronic acid (HA), a biocompatible and negatively charged polymer, to coat nanoparticles for limited blood interaction and improved colloidal stability. Single ascending dose toxicity studies showed that uncoated chitosan-formulated at N:P 5 could be tolerated up to 2.5mg/kg siRNA dose, with nanoparticle coating improving tolerability by at least 4-folds. In contrast to commercially available, and liver-restricted lipid nanoparticles (LNPs), both uncoated and HA-coated did not induce pro-inflammatory cytokines such as. IL-1β, IL-6, TNF-α, IFN-γ, and KC, nor had obvious effects on the liver (ALT, AST, ALP) and kidney (BUN, Creatinine) biomarkers. Thrombocytopenia was only observed with the LNPs formulated with a native siRNA sequence confirming previous reports and highlighting differences with chitosan. Repeated administration and histopathological analysis confirmed the safety profile of chitosan versus LNPs. In vivo biodistribution in mice showed accumulation of nanoparticles in the proximal epithelial tubules of the kidney, where 40-50% functional knockdown was observed and confirmed using multiple techniques, suggesting potential applications in kidney diseases.