La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative affectant environ 1% des gens de plus de 60 ans. Le diagnostic de la maladie est clinique et repose sur l'observation des symptômes classiques tels que les tremblements de repos, la bradykinésie et la rigidité musculaire. Depuis maintenant près de 30 ans, les cliniciens peuvent profiter d'une alternative pour traiter les symptômes moteurs de la MP lorsque la médication est jugée inefficace ou ses effets secondaires trop handicapants pour le patient : la stimulation cérébrale profonde (SCP). Cette chirurgie repose sur l'insertion d'électrodes dans des noyaux profonds du cerveau, souvent les noyaux sous-thalamiques (NST), en s'appuyant sur la stéréotaxie pour établir l'emplacement optimal. Ces électrodes sont par la suite connectées à un stimulateur qui permet d'induire un courant électrique à haute fréquence dans la zone cible, selon des paramètres établis par le neurologue. Ce traitement non curatif permet d'améliorer la qualité de vie des patients et de diminuer les doses d'analogues dopaminergiques administrés tout en réduisant les effets secondaires qui y sont associés. L'objectif de la présente étude est d'identifier les changements cliniques, morphologiques et neurochimiques induits par la SCP chronique du NST. Ainsi, nous analyserons de façon détaillée les cerveaux de patients parkinsoniens ayant subi une SCP pendant 11 et 12 ans - deux des plus longues durées de stimulation répertoriées dans la littérature - afin de mieux comprendre les changements induits par une exposition chronique aux champs électriques. Le but ultime de notre travail est de corréler certaines de ces modifications anatomiques et neurochimiques aux différents impacts cliniques de la thérapie. Différentes suggestions seront faites concernant les mécanismes physiologiques de la SCP. Une meilleure compréhension du fonctionnement de cette méthode thérapeutique permettra de mieux cibler d'autres structures nerveuses impliquées dans différentes pathologies neurologiques, psychiatriques ou cognitives. / Parkinson's Disease (PD) is a neurodegenerative disorder affecting approximately 1% of people above 65 years old. Diagnosis is based on clinical evaluation, the patients typically presenting a combination of resting tremor, bradykinesia and muscular rigidity, sometimes accompanied by postural instability. For almost 30 years now, clinicians have been able to take advantage of an alternative therapy to alleviate PD motor symptoms when the medication is deemed ineffective or its side effects impair significatively the patient's condition. This therapeutic approach is called deep brain stimulation (DBS). The surgery implies the permanent insertion of electrodes into deep nuclei of the brain, usually the subthalamic nucleus (STN), relying on stereotaxic landmarks to establish the optimal target. Electrodes are subsequently connected to a stimulator to induce a high frequency electric current locally, according to parameters established by the neurologist. This non-curative therapy improves patient's quality of life and reduces the doses of dopaminergic analogues administered along with their side effects. The objective of this study is to identify the clinical, morphological and neurochemical changes induced by chronic STN-DBS. This case series will therefore focus on a detailed analysis of the brain of two PD patients who underwent DBS for 11 and 12 years, two of the longest stimulation durations ever reported in detail in the literature, in order to better understand the long-term changes induced by chronic exposure to electric fields. The ultimate goal is to correlate some of the anatomical and neurochemical changes to the clinical outcomes of the therapy. Various mechanisms will be proposed to improve the global understanding of deep brain stimulation to be able, in the long-term, to target other brain structures in order to treat other neurological, psychiatric or cognitive disorders.

Mémoire ou thèse en cotutelle / L'électrodialyse (ÉD) est largement utilisée dans diverses industries, y compris l'industrie alimentaire (pour la désacidification des jus de fruits et du vin, la déminéralisation du lactosérum, etc.). Cependant, les membranes utilisées dans le traitement des solutions alimentaires sont souvent sujettes au colmatage. Le colmatage, dépôt de différentes espèces sur la surface ou à l'intérieur du matériau, dégrade considérablement les performances et la durée de vie des membranes, ce qui conduit à la nécessité de leur remplacement et de leur nettoyage régulier. À cet égard, la formation de dépôts à la surface des membranes entraîne une augmentation du coût de l'ensemble du procédé d'électrodialyse (ÉD). La détermination des moyens pour réduire le colmatage est une problématique réelle, en particulier dans l'industrie alimentaire, qui traite des solutions complexes. Cette thèse consistait à déterminer la contribution du débit de la solution dans la cellule d'ÉD à l'échelle laboratoire, ainsi que des modes de courant électrique sur la cinétique de colmatage protéique (formation de dépôts protéiques) des membranes bipolaires (MB) lors du traitement d'électroacidification par ÉD de solutions laitières. La nouveauté scientifique et l'originalité du travail tiennent au fait qu'à notre connaissance, il n'y a jamais eu d'évaluation de l'effet combiné du débit de solution et d'utilisation de régimes de champ électrique pulsé (CÉP), alternant des impulsions de courant et des pauses (courant égal à zero), sur cette cinétique de colmatage . De plus, dans le cadre de cette étude, un modèle mathématique a été développé, pour la première fois, afin de tenter de décrire la cinétique de formation et de dissolution des dépôts de protéines au cours du processus d'ÉDMB. L'objectif principal de la première étape de la thèse était de déterminer l'effet du débit de solution et du mode de courant électrique sur la cinétique de colmatage protéique des membranes lors du procédé d'électrodialyse à membranes bipolaires du lait écrémé. Deux modes de courant électrique ont été utilisés : le mode de courant traditionnel, à savoir le courant continu (CC) et le CÉP. Un seul régime d'impulsion-pause de CÉP a été étudié, dans lequel 10 s d'impulsion alternaient avec 50 s de pause. De plus, cinq débits différents de solution ont été testés et correspondant aux nombres de Reynolds (Re) suivants : 162, 242, 323, 404 et 485. Les résultats obtenus en mode CÉP ont été comparés aux données obtenues en mode CC sur une même base de nombre de charges transportées pendant l'expérience. Des dépôts de protéines sur la couche échangeuse de cations de la membrane bipolaire (MB) en mode CC ont été trouvés, quel que soit le débit de solution appliqué. Les résultats ont montré que l'utilisation de CÉP empêchait presque complètement la formation de colmatage protéique sur la surface de la MB, quel que soit le débit de la solution dans le canal de la cellule d'ÉD. Il a ainsi été démontré que la minimisation du colmatage est principalement liée à l'utilisation de CÉP en comparaison avec l'augmentation du débit de solution. L'objectif de la deuxième étape du projet était d'optimiser le régime actuel de CÉP afin de minimiser davantage le colmatage des protéines sur la surface de la MB. Dans cette partie du travail, l'effet combiné du débit de la solution et de différents régimes d'impulsion-pause de CÉP a été étudié sur la quantité de protéines déposée durant le processus d'ÉDMB d'une solution modèle de caséinate de sodium. Ainsi, trois débits (correspondant à des nombres de Reynolds de 187, 374 et 560) pour la solution d'alimentation et quatre régimes d'impulsion-pause (avec des rapports Ton/Toff égaux à 10 s-10 s, 10 s-20 s, 10 s-33 s et 10 s-50 s) ont été évalués à une densité de courant de 5 mA/cm². Un colmatage protéique a été observé sur la couche échangeuse de cations de la MB dans toutes les conditions expérimentales considérées, et cela quels que soient le régime de courant et le débit de solution. Il a cependant été constaté que l'augmentation du temps de pause et du débit de la solution de caséinate avaient un impact positif sur la minimisation du colmatage protéique à la surface cationique de la MB. Une pause longue et un débit élevé ont contribué à une diminution plus efficace de la concentration de protons et d'anions caséinates à la surface de la MBP: Une diminution de 87 % de la quantité de colmatage de la membrane a été obtenue avec 50 s de temps de pause en CÉP et un débit correspondant à Re = 374. Une augmentation supplémentaire du temps de pause en CÉP (au-dessus de 50 s) ou du débit (au-dessus de Re = 374) n'a pas entraîné de diminution significative de la quantité de colmatage. La dernière étape du travail a été la modélisation mathématique du processus à l'étude afin de mieux comprendre le mécanisme d'attachement et de croissance du colmatage au cours de l'ÉDBM. Dans cette partie du projet, un modèle unidimensionnel d'ÉDBM d'une solution de caséinate de sodium a été développé. Il est basé sur l'équation de Nernst-Planck sous la condition d'électroneutralité locale. Le modèle prend en compte le transfert de 6 espèces ioniques (Na⁺, K⁺, H⁺, Cl⁻, OH⁻ et anions caséinate (Cas⁻)), ainsi que des molécules non chargées de caséine, qui précipitent (HCas⁰). La géométrie du modèle cible la surface de la couche échangeuse de cations de la MB d'un côté et le volume de la solution agitée de l'autre. Les paramètres hydrodynamiques du système sont pris en compte à travers l'épaisseur de la couche de diffusion. Le modèle développé permet le calcul des concentrations ioniques dans la solution traitée et décrit qualitativement la cinétique de colmatage des protéines à la surface de la MB. Il a ainsi été montré qu'une augmentation du temps de pause en CÉP entraîne une diminution de l'épaisseur des dépôts protéiques en surface. Les meilleurs résultats en termes de minimisation des dépôts ont été obtenus pour le régime de CÉP de 10 s-50 s, ce qui est cohérent avec les résultats expérimentaux obtenus précédemment. Le plus grand effet anticolmatant a été obtenu avec une durée d'impulsion de courant de 10 s et une pause de 50 s en combinaison avec un nombre de Reynolds de 560. La combinaison optimale du mode de courant et paramètre hydrodynamique a réduit la masse du dépôt de caséine à la surface de la MB de 78 % par rapport au régime de CÉP de 10 s-10 s combiné avec un nombre de Reynolds de 187. Les résultats obtenus dans cette thèse de doctorat ont démontré pour la première fois les impacts du mode hydrodynamique dans la cellule d'ÉD, du mode de courant électrique ainsi que du régime de courant en CÉP sur la cinétique de colmatage dans la cellule d'ÉDBM lors de l'électroacidification de solutions laitières. De plus, le modèle développé a permis de prédire qualitativement la quantité de dépôt à la surface de la membrane en fonction du débit (nombre de Reynolds) et de la combinaison impulsion/pause de CÉP appliqués. Les perspectives futures du travail sont la transition vers un système d'ÉD semi-industriel, l'utilisation d'autres types d'espaceurs, l'utilisation de membranes modifiées avec une hétérogénéité géométrique, le test d'autres modes impulsion-pause de CÉP. De plus, concernant la modélisation, le modèle développé pourrait être amélioré en passant par un système bidimensionnel, prenant en compte les molécules protéiques chargées positivement, ainsi que la présence d'un espaceur dans le canal d'acidification/déminéralisation. / Electrodialysis (ED) is widely used in various industries, including food industry (for deacidification of fruit juices and wine, demineralization of whey, etc.). However, membranes used in the processing of food solutions are often prone to fouling due to the solution complexity. Fouling, deposition of different species on the surface or inside the material, significantly degrades the performance and lifetime of membranes, leading to their regular replacement and cleaning. Hence, the formation of deposits on the surface of membranes leads to an increase in the cost of the entire electrodialysis (ED) process. The determination of ways to decrease fouling is a main actual concern, especially in the food industry, which treats complex solutions. This PhD thesis consisted in determining the contribution of the flow rate of the solution in an ED cell at laboratory scale, as well as of the electric current modes on the protein fouling kinetics (formation of protein deposits) on bipolar membranes (BPM) during electroacidification by ED of milk solutions. The scientific novelty and originality of the work are based on the fact that, as far as we know, there have been no assessments of the combined effect of both solution flow rate and use of pulsed electric field (PEF) regimes, in which CC pulses alternate with pauses (zero current), on such protein fouling kinetics. Also, within the framework of the study, a tentative mathematical model was developed, for the first time, to allow to describe the formation and dissolution kinetics of protein deposits during EDBM process. The main objective of the study at the first stage of the thesis was to determine the effect of solution flow rate and electrical current mode on the protein fouling kinetics on membranes during the process of electrodialysis with bipolar membranes of skim milk. Two electrical modes of current were used: the traditional mode of current, namely continuous current (CC) and PEF. One PEF regime was studied, in which 10 s of pulse lapse alternated with 50 s of pause. Additionally, five different flow rates of solution were tested corresponding to the following Reynolds numbers (Re): 162, 242, 323, 404, and 485. The results obtained in the PEF mode were compared with the data obtained in the CC mode with respect to the same number of charges transported during the experiment. Protein deposits on the cation exchange layer of the BPM using CC were found, regardless of the solution flow rate applied. However, the use of PEF allows to prevent the protein fouling formation on the BPM surface almost completely, regardless of the solution flow rate in the channel of the of ED cell. Furthermore, it has been shown that the use of PEF has the main effect in terms of fouling minimization compared to the effect of increasing solution flow rate. The objective of the thesis at the second stage of the project was to optimize the PEF current mode to further minimize protein fouling on the BPM surface. During this stage, the combined effect of solution flow rate and different PEF regimes on the amount of protein deposit during EDBM of a model sodium caseinate solution was investigated. To achieve this objective three different flow rates of the feed solution (corresponding to Reynolds numbers of 187, 374 and 560) and four different pulse-pause regimes (Ton/Toff ratios equal to 10 s-10 s, 10 s- 20 s, 10 s-33 s and 10 s-50 s) during EDBM treatment were evaluated at a current density of 5 mA/cm². Protein fouling was observed on the cation-exchange layer of BPM for all the experimental conditions considered, regardless of the PEF regime and the solution flow rate. It was found that increasing both pause duration and caseinate solution flow rate had a positive impact on protein fouling minimization occurring on the BPM cationic surface. A long pause associated with a high flow rate contribute to a more effective decrease in the concentration of protons and caseinate anions at the BPM surface: a very good membrane performance was achieved with 50 s of pause duration of PEF and a flow rate corresponding to Re = 374 (decrease in the amount of fouling by 87%). A further increase in PEF pause duration (above 50 s) or flow rate (above Re = 374) did not lead to a significant decrease in the amount of fouling. The next step of the work was the mathematical modelling of the process under study for better understanding the mechanism of fouling attachment and growth during EDBM. In this part of the project, a one-dimensional model of EDBM for sodium caseinate solution was developed. It is based on the Nernst-Planck equation under the local electroneutrality condition. The model takes into account the transfer of 6 ionic species (Na⁺, K⁺, H⁺, Cl⁻ , OH⁻ and caseinate anions (Cas⁻)), as well as uncharged molecules of casein, which precipitate (HCas⁰). The geometry of the model is the surface of the BPM cation-exchange layer on the one side and the volume of the stirred solution on the other. The hydrodynamic parameters in the system are taken into account through the diffusion layer thickness. The developed model allows the calculation of the ionic concentrations in the system and to qualitatively describe the kinetics of BPM protein fouling. It has been shown that an increase in the pause duration of PEF leads to a decrease in the thickness of the protein deposits at the BPM surface. The best results in terms of deposit minimization were achieved under the 10 s-50 s PEF regime, which is consistent with the experimental results obtained earlier. The greatest positive antifouling effect was achieved with a current pulse duration of 10 s and a pause of 50 s in combination with Reynolds number of 560. The synergistic combination of optimal current and hydrodynamic modes reduced the mass of casein deposits on the surface of the BPM by 78% compared to the 10 s-10 s PEF regime in combination with Reynolds number of 187. The results obtained in this Ph.D. thesis demonstrated for the first time the impact of the hydrodynamic parameter in the ED cell, the mode of electric current and the PEF regime on fouling kinetics in the process of EDBM of dairy solutions. Additionally, the developed model makes it possible to qualitatively predict the amount of deposit on the membrane surface depending on the flow rate (the Reynolds number) in the desalination compartment and PEF regime applied. The main perspectives of the work are the transition to a semi-industrial ED system, use of other types of spacers, use of modified membranes with geometric heterogeneity, testing of other pulse-pause modes of PEF. Regarding the modeling, the developed model could be improved, namely to transit to a two-dimensional system, taking into account positively charged protein molecules, as well as the presence of a spacer in the acidification/desalting channel.

Titre de l'écran-titre (visionné le 10 octobre 2023) / Ce mémoire étudie les impacts qu'a une mauvaise spécification de la loi du champ aléatoire latent dans un modèle spatio-temporel. Précisement les impacts sur les estimations et l'inférence d'une mauvaise spécification dans un modèle Poisson log-normal spatio-temporel ont été investigués. La mauvaise spécification correspond à la présence de valeurs très extrêmes pour une distribution Poisson log-normale. Un modèle pour tenir compte de ces valeurs extrêmes a été proposé. L'amélioration des estimations avec ce modèle alternatif est mise en évidence par une étude de simulation Monte Carlo. L'ajustement des modèles impliqués dans cette étude fait intervenir des intégrations en grandes dimensions pour évaluer la vraisemblance. Le package R TMB met en oeuvre une solution, en l'occurence l'approximation de Laplace, à ce problème. / This thesis studies the impact of a misspecification of the latent random field distribution in a spatio-temporal model. Specifically, the impact on estimates and inference of misspecification in a space-time log-normal Poisson model has been investigated. The misspecification corresponds to the presence of very extreme values for a log-normal Poisson distribution. A model to account for these extreme values was proposed. The improvement in estimates with this alternative model is demonstrated by a Monte Carlo simulation study. The fitting of the models involved in this study involves high-dimensional integrations to evaluate the likelihood. The R package TMB implements a solution to this problem: the Laplace approximation.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / L'utilisation des revêtements photopolymérisables cent pourcent solides est l'une des méthodes les plus couramment utilisées pour protéger les produits finaux du bois des rayures, de l'abrasion et des attaques chimiques, tout en créant également l'apparence souhaitée en matière de brillance. L'une des façons de contrôler la brillance de la surface du revêtement est de créer une rugosité de surface en ajoutant des particules solides à la composition du revêtement. En raison de l'absence de composés organiques volatils (COV) dans la composition du revêtement à durcissement UV 100% solides, la présence d'agents de matage à la surface du revêtement est réduite et, par conséquent, leur effet sur la création de la rugosité diminue. Il est donc essentiel de trouver un type d'agents de matage approprié ainsi qu'une méthode efficace de création de rugosité. Cette étude a examiné les particules magnétiques en tant que nouveau type d'agent de matage dans la formulation du revêtement à durcissement UV et par exposition à un champ magnétique externe. Les particules ont été soumises à des modifications afin de garantir leur bonne dispersion au sein de la formulation. Par conséquent, les particules d'oxyde de fer (Fe₃O₄) enrobées de polymère et les particules de pentacarbonyle de fer (Fe(CO)₅) ont été modifiées avec un l'aminosilane (APTES) avant d'être ajoutées à la formulation du revêtement. Cette recherche a étudié l'effet combiné de l'ajout de particules magnétiques et de l'application d'un champ magnétique pendant la polymérisation UV sur la brillance de la surface du revêtement, en raison de la création de particules magnétiques assemblées sous l'effet du champ magnétique. La brillance de la surface a été caractérisée à l'aide d'un brillancemètre, et la rugosité de la surface a été mesurée à l'aide d'images 3D prises par le microscope numérique Keyence. De plus, dans cette étude, l'impact de la nature des particules, de leur concentration et de leur méthode de modification, ainsi que l'effet des paramètres du champ magnétique, y compris son type et sa puissance, sur la brillance finale de la surface et l'uniformité de la surface finale ont été évalués. / One hundred percent solids ultraviolet-curable coating is one of the most used methods to protect final wood products from scratches, abrasion, and chemical attacks and also to create a desired appearance in terms of gloss. One of the ways to control the coating's surface gloss is to create surface roughness by adding solid particles to the coating composition. Due to the absence of volatile organic compounds (VOC) in 100% solids UV-curable coating composition, the presence of matting agent at the coating surface is reduced and hence, their effect on the creation of roughness diminishes. Therefore, finding a suitable matting agent type and efficient roughness creation method is essential. This study investigated magnetic particles as a new matting agent type in the UV-curable coating formulation to be photo-polymerized under an external magnetic field. The particles required modification to ensure their proper dispersion within the formulation. Therefore, the polymer-coated iron oxide (Fe₃O₄) particles and iron pentacarbonyl (Fe(CO)₅) particles were modified with aminosilane (APTES) before being added to the coating formulation. This research investigated the combined effect of adding magnetic particles and applying magnetic field during UV-curing on the coating's surface gloss due creating self-assembled magnetic particles under magnetic field. The surface gloss was characterized through glossmeter, and the surface roughness was measured by 3D images taken using a Keyence digital microscope. Moreover, in this study, the impact of particles' nature, concentration, modification method, and the effect of magnetic field parameters, including its type and strength, on the final surface gloss and the uniformity of the final surface have been assessed.

Pour une bonne modélisation mathématique de l'occurrence de phénomènes aléatoires, part fondamentale de la discipline actuarielle, il est nécessaire d'employer des distributions multivariées permettant de capturer adéquatement les relations de dépendance présentes entre les phénomènes. Celles qu'offrent les champs aléatoires markoviens, une famille de modèle probabilistes graphiques, répondent à ce besoin, les relations de dépendance qu'elles introduisent se calquant à un arbre ou à un graphe. Les champs aléatoires markoviens misent ainsi sur les riches possibilités de topologies d'arbres et de graphes pour offrir cette même richesse en termes de dépendance. Une nouvelle famille de champs aléatoires markoviens arborescents, c'est-à-dire se basant sur des arbres, est proposée. Les membres de cette famille se distinguent par le fait qu'ils ont des distributions marginales fixes de Poisson, « fixes » dans le sens que la dépendance introduite n'a pas d'impact sur elles. Des distribution marginales fixes sont inhabituelles pour un champ aléatoire markovien, bien que généralement désirables pour fins de modélisation. Cette caractéristique est possible par l'encapsulation, dans les arêtes de l'arbre, de la dynamique de propagation induite par l'opérateur d'amincissement binomial. Cela mène également à une représentation stochastique intuitive des champs aléatoires markoviens de la famille, à des méthodes simples de simulation et à des expressions analytiques pour leur fonction de masses de probabilités conjointe et leur fonction génératrice de probabilités conjointe, notamment. Quantités importantes dans un contexte actuariel, la somme des composantes du champ aléatoire markovien, interprétable comme le nombre total d'événement s'étant produits, et les contributions individuelles de ces composantes sont étudiées en profondeur. Cette analyse passe notamment par l'établissement d'ordres stochastiques. À cet effet, un nouvel ensemble partiellement ordonné est défini pour comparer des arbres aux topologies différentes selon la distribution qu'ils induisent pour la somme, ce qui est, à notre connaissance, novateur dans le contexte de modèles pobabilistes graphiques. Est offerte une comparaison de cet ensemble partiellement ordonné avec quelques autres en lien avec la théorie spectrale des graphes. / For adequate mathematical modeling of random phenomena's occurrences, it is necessary to employ multivariate distributions that appropriately capture the existing dependence relations between those phenomena. The multivariate distributions granted by Markov random fields, a family of probabilistic graphical models, answer to this need, by encrypting the dependence scheme they introduce on a tree or a graph. Markov random fields thus leverage on the rich possibilities of tree shapes and graph shapes to provide these possibilities in terms of dependence schemes. We propose a new family of tree-based Markov random fields, characterized by their Poisson marginal distributions. The marginal distributions are also fixed, meaning they are not affected by the introduced dependence. This fixedness is uncommon for Markov random fields, while being desirable for modeling purposes. It is obtained from the encapsulation, in the edges of the tree, of the propagation dynamic induced by the binomial thinning operator. This leads to an intuitive stochastic representation of Markov random fields from the proposed family, simple methods of simulation, and analytic expressions for their joint probability mass function and their joint probability generating function, notably. Important quantities in an actuarial context are the sum of the components of the Markov random field, interpreted as the total number of occurring phenomena, and the individual contributions of these components. They are thoroughly studied, notably via the use of stochastic order relations. We incidently design a new partially ordered set (poset) of trees, in order to compare trees of different shapes based on the distribution of the sum they respectively convey. To our knowledge, this approach is innovative in the context of probabilistic graphical models. We provide comparisons of the newly defined poset with some other posets of trees fetched from spectral graph theory.

La théorie des champs conformes est une théorie de champs quantiques obéissant à la symétrie conforme. Elle a trouvé des applications dans l'étude des phénomènes de transition de phases ainsi qu'en théorie des cordes . Étant donnée l'importance de la supersymétrie en théorie des cordes et physique des particules en général, il est dès lors naturel de rechercher des modèles de champs conformes obéissant à la supersymétrie. Dans ce mémoire, une généralisation supersymétrique d'un de ces modèles (la théorie des champs confornles parafermioniques) a ainsi été construite. Il a ensuite été vérifié que ce nouveau modèle respectait bien les contraintes d'associativité. Finalement, des paramètres de la théorie ont été calculés de deux manières différentes afin de s'assurer de la cohérence du modèle.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020. / La polarisation de concentration et le colmatage membranaire sont deux problèmes communs en électrodialyse qui affectent l’intégrité des membranes et l’efficacité du procédé de déminéralisation du lactosérum doux. L’utilisation des champs électriques pulsés (CÉPs) est l’une des méthodes les plus prometteuses pour contrer ces phénomènes. Néanmoins, les CÉPs n’ont jamais été étudiés pour la déminéralisation de solutions alimentaires complexes comme le lactosérum doux. Sept combinaisons de CÉPs (0.1s-0.1s, 1s-0.1s, 1s-1s, 10s-0.1s, 10s-1s, 10s-10s et 100s-1s) ont été testées pour évaluer leur impact sur la déminéralisation du lactosérum doux en comparaison avec le procédé conventionnel d’électrodialyse en courant continu (CC). Par rapport au CC, il a été démontré que les CÉPs avec les plus hautes fréquences, tels que 0.1s-0.1s (5 Hz), amélioraient le taux de déminéralisation de 81 % pour le même nombre de charges transportées tout en diminuant l’énergie consommée de 20 % pour le même taux de déminéralisation. Quelle que soit la condition de CÉP testée, un gain en transfert de masse élevé a été observé au début de la période d’impulsion, ce qui causait une chute du potentiel électrique des membranes environ 10 fois plus élevée que les valeurs moyennes observées en CC. Ce gain rapide en transfert de masse, présent seulement au début de la période d’impulsion, a permis la formation de phénomènes complexes, semblables à ceux observés en régime de courant surlimite, tels qu’un glissement électroosmotique de second degré avec l’émergence de vortex électroconvectifs (VEC) et la dissociation des ions H+ des acides faibles. Les CÉPs de haute fréquence donnaient lieu à une répétition plus fréquente de ce gain, en plus d’avoir un temps de pause suffisamment court pour maintenir les vortex. Ainsi, malgré le temps de pause de la condition 0.1s-0.1s (la plus haute fréquence testée), sa durée de traitement totale a été la même que le CC pour atteindre le même taux de déminéralisation tout en diminuant les variations de pH et l’énergie consommée. / Concentration polarization phenomena and membrane fouling remain the most common problems in electrodialysis (ED) that alter irreversibly the membrane integrity and decrease the process performance. The use of pulsed electric field (PEF) in ED is one of the most promising methods to counteract these both types of limitations. Nevertheless, PEF-ED has never been studied for the demineralization of complex food solutions such as sweet whey. Seven PEF combinations (0.1s-0.1s, 1s-0.1s, 1s-1s, 10s-0,1s, 10s-1s, 10s-10s and 100s-1s) were tested to assess their impacts on the demineralization of sweet whey in comparison with the conventional continuous current (CC) process. It was shown that PEF with higher frequencies, such as 0.1s-0.1s (5 Hz), improve the demineralization rate by 81 % for the same number of charges transported while decreasing energy consumption by 20 % for the same demineralization rate in comparison with CC. Regardless of the PEF condition tested, a gain in mass transfer was observed at the beginning of the pulse lapse increasing the potential drop of membranes around 10 times higher than the average value observed in the case of CC. This high gain in mass transfer only present at the beginning of the pulse lapse allowed complex phenomena, similar to those observed in the overlimiting current regime, such as an electroosmotic slip of the second kind with the emergence of electroconvective vortices (ECV) and the dissociation of weak acids from their H+ ions. PEF conditions with higher frequencies have a more frequent repetition of this gain while having a pause lapse short enough to maintain the vortices. Hence, despite the pause lapse of the 0.1s-0.1s condition (the highest frequency tested), its duration was the same as the CC condition to reach the same demineralization rate, with lower pH variations and energy consumption.

Ce mémoire présente une méthode d’augmentation du champ de vue d’une caméra temps-de-vol commerciale. Cette augmentation étendrait leur utilisation dans certaines applications où la perception de l’environnement sur un large champ de vision est un critère, notamment en robotique mobile. La conception inclut l’ajout d’une lentille de conversion au système optique de la caméra infrarouge ainsi qu’une modification du système d’illumination. Dans le cas d’une Kinect V2, les capacités de reconstruction 3D ont été conservées pour une augmentation d’environ 50% du champ de vue, soit de 70°x60° à 106°x86°. Afin de tenir compte des modifications apportées au système optique, une calibration de la caméra a été effectuée. Le système modifié comporte une bonne précision (<1%) et une bonne exactitude (<1,5%). Ces résultats sont calculés avec 100 acquisitions en considérant un peu moins de 40% des pixels disponibles sur le senseur. Les performances diminuent rapidement en dehors de la zone centrale du senseur. Un compromis a été fait sur les performances du système afin d’augmenter son champ de vue. / This dissertation presents a method to increase the field of view of a commercially available time-of-flight camera. This increase could extend the field of application of such cameras, especially in mobile robotics where awareness of the surrounding is an important factor. The design includes a conversion lens added in front of the optical system and a modification to the illumination system. In the specific case of a Kinect v2, capability of 3D reconstruction has been preserved for an augmentation of 50% of the field of view, from 70°x60° to 106°x86°. To take into consideration the optical modifications, a calibration of the camera has been made. The modified system is characterised by a good precision (<1%) and a good accuracy (<1,5%). These results are calculated on slightly under 40% of the available pixels using 100 acquisitions. Performances decrease at a great rate outside of the central pixel zone. A trade-off has been made on the system performances in order to increase the original field of view.

Résumé Ce projet s’inscrit comme un effort de modélisation et de développement d’outils analytiques décrivant la focalisation non-paraxiale de champs électromagnétiques. Des solutions vecto- rielles sont développées, suivant une généralisation du formalisme intégral de Richards-Wolf. La thèse se scinde en deux principales avenues. La première consiste à décrire, en langage mathématique moderne, le formalisme de Richards-Wolf qui permet de décrire les champs électromagnétiques vectoriels au foyer de systèmes focalisants. Le formalisme est exploré et plusieurs solutions analytiques aux équations intégrales de Richards-Wolf sont introduites. La deuxième avenue consiste en la généralisation du formalisme de Richards-Wolf pour des systèmes à foyer étendu (par exemple, distribué sur une ligne). Utilisant une méthode com- binée, basée sur le tracé de rayon et le traitement intégral de la diffraction, le modèle permet une amélioration en trois volets des descriptions classiques des champs au foyer. En premier lieu, l’analyse vectorielle de la diffraction permet de s’affranchir de toute hypothèse paraxiale. En second lieu, l’analyse exacte et l’analogie rayon/onde plane uniforme permet d’éviter la description de systèmes à foyer étendu par des termes de phases aberrés, qui réduisent la robustesse du modèle et la justesse des solutions trouvées. Finalement, l’élégance analytique de la méthode permet une compréhension physique plus instinctive des phénomènes d’inter- férence au foyer de systèmes complexes et encourage le développement de méthodes inverses, permettant de retracer les conditions nécessaires à l’obtention d’un profil d’intensité et de phase données, sans a priori sur le système focalisant. Sur le plan concret, les outils mathématiques décrits et développés dans cette thèse permettent une avancée pour l’étude de phénomènes et le développement de technologies, notamment en microscopie à haute-résolution, mais également en stockage de données, en piégeage optique ou même en accélération de particules à l’échelle microscopique. Il s’agit de la première méthode systématique proposée pour calculer le profil de faisceaux focalisés par des sections coniques (sphères, ellipses, etc.) par des moyens analytiques. / This project is part of a global effort toward modelization and development of mathemat- ical tools describing non-paraxial focusing of electromagnetic fields. Vectorial solutions are proposed, according to a generalization of the Richards-Wolf formalism. The objective of this thesis is two-fold. The first part covers the Richards-Wolf formalism with a modern mathematical formulation, which permits the formal description of focused vectorial electromagnetic fields. An in-depth exploration of the theory is exposed and multiple analytical solutions of the integrals are given. The second part covers the generalization of the Richards-Wolf formalism to systems without a single-point focus, by combining geometrical optics and diffraction principles. The vectorial analysis agrees with the assumption of non-paraxial focusing while the development is free of constraints upon the existence of an optical focus. Finally, the analytical treatment helps forge a physical intuition of the electromagnetic solutions and the development of inverse methods, which would help find the necessary illumination upon a system to produce a given electromagnetic pattern near the focus. The mathematical tools presented in this thesis may lead to advances in high-resolution microscopy, data encryption, optical tweezers and particle acceleration.

L’équilibrage statique d’un manipulateur robotique apporte plusieurs avantages. Ceux-ci comprennent notamment : une diminution des efforts d’actionnement dans un contexte statique, l’augmentation de la charge utile, une commande simplifiée et un robot plus sécuritaire dans un contexte d’interaction avec un humain. Incorporer une telle technologie à un manipulateur existant est donc souhaitable. Par contre, les techniques actuelles ne permettent pas l’intégration facile d’une compensation statique. Pour répondre à cette problématique, une nouvelle technique d’équilibrage est développée dans ce mémoire. Le concept présenté se base sur l’interaction entre des champs magnétiques pour produire un couple. En utilisant des cylindres d’Halbach imbriqués, un couple sinusoïdal théorique correspondant parfaitement à une charge gravitationnelle est obtenu. Cette technique est générale et peut être adaptée à différents contextes. Dans ce mémoire, la géométrie est optimisée dans le but de maximiser le couple produit et la compacité du prototype. Les aimants résultants sont assez complexes. Cela dit, dans un concept pratique, ils peuvent être segmentés afin de simplifier leur fabrication et leur intégration. Afin de démontrer qu’une compensation statique magnétique est une solution viable, un prototype est intégré à un robot industriel existant. Les résultats obtenus prouvent que le module de compensation statique développé réduit significativement le couple d’actionnement requis et ils justifient la poursuite des travaux dans ce domaine.