À ce jour, la scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est la déformation rachidienne la plus commune parmi les enfants. Il est bien connu dans le domaine de recherche sur la SIA que les forces mécaniques, en particulier les forces biomécaniques internes dans le système musculosquelettique, pourraient jouer un rôle majeur dans l’initiation et le développement de la maladie. Cependant, les connaissances sur la transformation des forces et des stimulations mécaniques en activité biochimique sont peu abondantes. Cet axe de recherche est très prometteur et peut nous fournir de nouvelles idées dans le dépistage et le traitement de la SIA. Dans le cadre de cette étude, nous visons à caractériser la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA en employant des techniques novatrices aux niveaux in vivo et in vitro. Antérieurement dans notre laboratoire, nous avons démontré que les niveaux d’Ostéopontine (OPN) plasmatique chez l’humain corrèlent avec la progression et la sévérité de la maladie, et que ces changements sont observables avant le début de la scoliose. En plus, selon la littérature, l’OPN est une molécule sensible à la force mécanique, dont l’expression augmente en réponse dans de nombreux types de cellules chez plusieurs espèces. Toutefois, il n’existe aucune preuve que ce résultat soit valide in vivo chez l’humain. L’hétérogénéité physique et biochimique de la SIA pose un gros défi aux chercheurs. Souvent, il est très difficile de trouver des résultats ayant une grande applicabilité. Les études portant sur les facteurs biomécaniques ne font pas exception à cette tendance. En dépit de tout cela, nous croyons qu’une approche basée sur l’observation des contraintes de cisaillement présentes dans le système musculosquelettique pourrait aider à surmonter ces difficultés. Les contraintes de cisaillement physiologique sont générées par des courants de fluide en mouvement à l’intérieur des os. Aussi, elles sont omniprésentes et universelles chez l’humain, peu importe l’âge, le sexe, la condition physique, etc., ce qui veut dire que l’étudier pourrait fort bien avancer nos connaissances en formant une base fondamentale avec laquelle on pourra mieux comprendre les différences quant à la mécanotransduction chez les patients atteints de la SIA par rapport aux sujets sains. Pour ce projet, donc, nous proposons l’hypothèse que les sujets atteints de la SIA se différencient par leurs réponses respectives à la force mécanique au niveau cellulaire (en termes de l’expression génique) ainsi qu’au niveau in vivo (en termes du marqueur OPN et son récepteur, sCD44). Afin de vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant l’aspect in vivo, nous avons recruté une cohorte de patients âgés de 9-17 ans, y compris i) des cas pré-chirurgicaux (angle de Cobb > 45°), ii) des cas modérément atteints (angle de Cobb 10-44°), iii) des témoins, et iv) des enfants asymptomatiques à risque de développer la scoliose (selon nos dépistages biochimiques et fonctionnels) d’âge et sexe appariés. Une pression pulsatile et dynamique avec une amplitude variant de 0-4 psi à 0.006 Hz a été appliquée à un des bras de chacun de nos sujets pour une durée de 90 minutes. Au tout début et à chaque intervalle de 30 minutes après l’initiation de la pression, un échantillon de sang a été prélevé, pour pouvoir surveiller les niveaux d’OPN et de sCD44 circulants chez les sujets. Nous avons découvert que le changement des niveaux d’OPN plasmatique, mais pas des niveaux de sCD44, corrélaient avec la sévérité de la difformité rachidienne chez les sujets, ceux ayant une courbe plus prononcée démontrant une ampleur de réponse moins élevée. Pour vérifier la partie de notre hypothèse de recherche concernant la réponse mécanotransductive cellulaire, des ostéoblastes prélevées à 12 sujets ont été mis en culture pour utilisation avec notre appareil (le soi-disant « parallel plate flow chamber »), qui sert à fournir aux ostéoblastes le niveau de contraintes de cisaillement désiré, de manière contrôlée et prévisible. Les sujets étaient tous femelles, âgées de 11-17 ans ; les patients ayant déjà une scoliose possédaient une courbe diagnostiquée comme « double courbe majeure ». Une contrainte fluidique de cisaillement à 2 Pa, 0.5 Hz a été appliquée à chaque échantillon ostéoblastique pour une durée de 90 minutes. Les changements apportés à l’expression génique ont été mesurés et quantifiés par micropuce et qRT-PCR. En réponse à notre stimulation, nous avons trouvé qu’il n’y avait que quelques gènes étant soit différentiellement exprimés, soit inchangés statistiquement dans tous les groupes expérimentaux atteints, en exhibant simultanément la condition contraire chez les témoins. Ces résultats mettent en évidence la grande diversité de la réponse mécanotransductive chez les patients comparés aux contrôles, ainsi qu’entre les sous-groupes fonctionnels de la SIA. Globalement, cette œuvre pourrait contribuer au développement d’outils diagnostiques innovateurs pour identifier les enfants asymptomatiques à risque de développer une scoliose, et évaluer le risque de progression des patients en ayant une déjà. Aussi, dans les années à venir, les profils mécanotransductifs des patients pourraient s’avérer un facteur crucial à considérer cliniquement, particulièrement en concevant ou personnalisant des plans de traitements pour des personnes atteintes. / Adolescent idiopathic scoliosis (AIS) is the most commonly occurring musculoskeletal deformity among children today. It is generally well accepted in scoliosis research that mechanical forces, especially the internal biomechanical forces of the musculoskeletal system, could well have a major role in the induction and pathogenesis of the disease. However, the process by which mechanical loads or stimuli are converted into biochemical activity (mechanotransduction) has not been explored so deeply. This emerging facet of research in AIS holds much promise for new insights into the disease. Here, we aim to characterize mechanotransduction in scoliosis patients using some novel techniques at both the in vivo and in vitro levels. Previously in our lab, we demonstrated that the level of plasma osteopontin (OPN) and sCD44 in the human body is a strong indicator of disease progression and severity, and that these changes are observable before scoliosis onset. In the literature, OPN in vitro is known to be mechanosensitive, showing upregulation in response to mechanical stress in a variety of cell types across many species. However, to the best of the author’s knowledge, no literature exists as to whether this behaviour carries over in vivo in humans. A major difficulty in AIS research is the heterogeneity of the disease, both physically and biochemically. Because of this, many times it is difficult to find results with wide applicability to patients. Study of biomechanical factors in AIS is no exception. We believe, however, that study of fluid shear stress in the musculoskeletal system may be able to solve this problem for mechanotransduction-related issues in AIS. Native physiological fluid shear stresses in humans are experienced in the musculoskeletal system, caused by fluid movement over cells therein. These fluid shear stresses are omnipresent and universal in all humans, regardless of age, gender, fitness level, etc., which means that studying it could very well go a long way towards establishing a fundamental basis of understanding the differences as to mechanotransduction in scoliosis patients as opposed to normal cases. In this project, then, we advanced the hypothesis that AIS patients are distinguishable in the way they respond to mechanical force at both the cellular level (in terms of gene expression) as well as globally at the in vivo level (in terms of the scoliosis marker OPN and its receptor sCD44). To test the in vivo portion of our hypothesis, we recruited a cohort of patients between the ages of 9-17, each one of which fell into one of 4 subject groups: i) surgical cases (pre-surgery, Cobb angle > 45°), ii) moderately affected cases (Cobb angle 10-44°), iii) controls, or iv) asymptomatic children at risk of developing scoliosis matched for age and gender against healthy controls. A dynamic, pulsatile, compressive pressure of variable amplitude from 0-4 psi at 0.006 Hz was applied to the arm of each subject for a period of 90 minutes. Initially and at intervals of 30 minutes after the start of force application, blood samples were taken in order to monitor circulating plasma OPN and sCD44 levels in subjects. We found that the change of circulating OPN levels, but not sCD44 levels, measured in vivo in response to our mechanical stimulation was statistically significantly correlated to status of spinal deformity severity, with more severely affected subjects demonstrating lower magnitudes of ΔOPN. To test the cellular portion of our hypothesis, osteoblasts from severely affected AIS patients and unaffected controls were cultured for use with our parallel plate flow chamber (PPFC) apparatus setup, which permits application of fluid shear stress patterns to cells in a predictable, controllable manner. Subjects were all females who fell into the 11-17 years age range, with scoliotic patients presenting with double major curves. A dynamic, sinusoidal and oscillatory fluid shear stress pattern was applied to osteoblasts at 2 Pa, 0.5 Hz for 90 minutes. Overall gene expression changes across RNA samples as a result of our stimulation were measured using microarray and qRT-PCR approaches. In response, only a very small number of genes are either mutually differentially expressed or statistically unchanged across all functional scoliotic subgroups while having the opposite condition in the control group, indicating a great degree of difference in terms of mechanotransductive response as compared internally between AIS functional subgroups, as well as between control and AIS patients. Globally, this project’s work may contribute to the development of innovative diagnostic tools to identify asymptomatic children at risk of developing scoliosis, and to assess the risk of curve progression at an early stage in those already affected. Also, in years to come, the mechanotransductive profile of a patient could be another integral factor to weigh, clinically, when considering or designing treatment plans for affected persons.

Les antennes multifaisceaux (AMFs) sont cruciales pour les applications de télécommunications par satellite modernes et futures, civiles et militaires. La partie basse du spectre électromagnétique est saturée alors que de larges bandes de fréquences sont disponibles dans la bande Ka, dans laquelle des missions à très-haut débit ont émergées au cours de la dernière décennie. La tendance consiste à réduire la taille des spots pour les couvertures multi-spots afin de diminuer le prix des satellites. Ainsi des antennes d’ouverture de plus en plus grande électriquement sont requises, induisant des ruptures technologiques majeures. Les lentilles de Luneburg insérées dans un guide d’ondes à plans parallèles (GOPP) deux plaques métalliques parallèles (PMPs) sont des solutions attractives pour illuminer les AMFs, puisqu’elles peuvent aboutir à des formateurs de faisceaux de bande et champ de visée larges, pertes et coûts faibles, et simples à concevoir, réaliser et intégrer. Les travaux de cette thèse portent sur le développement de nouvelles méthodes d’implémentation et sur la conception de AMFs à base de lentille de Luneburg. La réalisation de la lentille de Luneburg est connue pour être un défi technologique majeur. Un état de l’art des méthodes de réalisation est fourni. Ensuite, deux nouvelles méthodes sont proposées, ainsi qu’une méthode et des outils de conception. La première méthode de réalisation consiste en une matrice périodique et régulière de plots métalliques de taille inférieure à la longueur d’onde, et où la séparation du GOPP varie. La hauteur des plots et la séparation du GOPP contrôlent la valeur de l’indice de réfraction équivalente. L’antenne à 9 faisceaux tout métal conçue, fabriquée et mesurée, comporte 8314 plots et présente d’excellentes performances, notamment meilleures que sa version à séparation de plaques constante. La seconde méthode de réalisation consiste en une matrice périodique et régulière de trous circulaires de taille inférieure à la longueur d’onde réalisés sur un des deux revêtements cuivrés d’un substrat diélectrique plus une plaque métallique supérieure séparée du plan des trous par une couche d’air d’épaisseur fixe. L’antenne à 5 faisceaux conçue comporte 2696 trous et présente de très bonnes performances comparés à ces semblables dans la littérature. / Multi-beam antennas (MBAs) are crucial to modern and future, civilian and military satellite telecommunications applications. The low part of the electromagnetic spectrum is congested, while wide band of frequencies are available in the Ka-band, in which broadband missions have emerged in the last decade. The trend is reducing the size of spots in multi-beam coverage to reduce the cost of satellites, hence more electrically large antennas are needed, with major technological breakthrough as a consequence. Luneburg lenses in parallel-plate waveguide (PPW) are attractive solutions to excite MBAs, since they could lead to wide band and field-of-view, low loss and cost, easy to design, manufacture and accommodate Beam Forming Networks. This PhD deals with the development of novel implementations and the design of broadband, low loss and wide field-of-view Luneburg lens based MBAs. The implementation of the Luneburg lens is known as a major technological challenge. A state-of-the art of the implementation techniques is presented. Then two novel implementations of Luneburg lens in PPW environment are proposed, like design method, process and tools. The first implementation consists of a periodic and regular array of subwavelength vertical metal posts, where the PPW spacing is variable. The post height and PPW spacing modulate the equivalent refractive index. The all-metal 9-beams antenna designed, manufactured and measured, has 8314 posts and shows excellent performances, better than the traditional constant PPW spacing version. The second implementation consists of periodic and regular array of subwavelength circular holes etched on the copper cladding of a dielectric substrate with an air gap between the holes plane and the PPW top plate. The radius of the holes control the equivalent index. The 5-beams antenna designed has 2696 holes and shows very good performances as compared to similar devices in literature.

This thesis investigates into possibilities of a design of a workplace for device endurance experiments against strong high-frequency electromagnetic field. It deals with testing methods, describes advantages and disadvantages of such methods. It investigates possibiities of testing devices, possible magnitudes of fieldstrenght. One can find in the thesis a review of a way of testing using a high-intensity electromagnetic field. A concept of a construction of a stripline including a practical example is a part of the thesis.

The differential mobility classifier (DMC) is one of the core components in electrical mobility particle sizers for sizing sub-micrometer particles. Designing the DMC requires knowledge of the geometrical and constructional imperfection (or tolerance). Studying the effects of geometrical imperfection on the performance of the DMC is necessary to provide manufacturing tolerance and it helps to predict the performance of geometrically imperfect classifiers, as well as providing a calibration curve for the DMC. This thesis was accomplished via studying the cylindrical classifier and the parallel plate classifier. The numerical model was built using the most recent versions of COMSOL Multiphysics® and MATLAB®. For the cylindrical DMC, two major geometrical imperfections were studied: the eccentric annular classifying channel and the tilted inner cylinder/rod. For the parallel-plates DMC, the first study examined for the perfectly designed plates to optimize its dimensions and working conditions, while the second study conducted the plates’ parallelism. For both DMCs, a parametric study was conducted for several tolerances under various geometrical factors (i.e., channel length, width, spacing, cylinders radii, etc…), flow conditions (i.e., sheath-to-aerosol flow ratio, total flow rate), and several particles sizes. The results show that the transfer function deteriorated as the geometrical imperfection increased (i.e., the peak is reduced and the width at the half peak height is broadened). The parallel- plates DMC results show that the aspect ratio of the classifying channel cross-section (width-to-height) was recommended to be above 8. Particle diffusivity reduces the effect of geometrical imperfection, especially for particle sizes less than 10 nm.

Wireless sensors are used widely for condition monitoring in electric machines. The metal enclosure of an electric motor restricts the signal from sensors to radiate outside. The signal from the metal cavity needs to be guided to the only opening in the enclosure, through a narrow gap between the stator and the rotating rotor. Gap waveguide technology is proposed as a solution by texturing the stator surface with electromagnetic band gap (EBG) structures. Arrays of periodic holey structures are used to realize the metasurface waveguide. Two Bravais lattice structures – square and hexagonal, are explored for guiding waves along a desired path in a parallel plate waveguide. Simulations are carried out to study the influence of various dimensions of the unit cells. A waveguide with hexagonal hole-type unitcell is designed and manufactured for experimental verification. The possibility of extending the same technology to cylindrical surface is confirmed by simulations. / Trådlösa sensorer används allmänt för tillståndsövervakning i elektriska maskiner. Metallhöljet hos en elektrisk motor begränsar signalen från sensorerna från att stråla utåt. Signalen från metallhåligheten behöver styras till den enda öppningen i höljet, genom ett smalt mellanrum mellan statorn och den roterande rotorn. Gap-vågledarteknik föreslås som en lösning genom att strukturera statorytan med elektromagnetiska bandgap-strukturer (EBG). Arrayer av periodiskt håliga strukturer används för att realisera metayt-vågledare. Två Bravais gitterkonstruktioner –kvadratiska och sexkantiga, undersöks för styrning av vågor längs en önskad väg i en parallellplattvågledare. Simuleringar utförs för att studera påverkan av olika dimensioner hos enhetscellerna. En vågledare med hexagonal håltypsenhetscell är konstruerad och tillverkad för experimentell verifiering. Möjligheten att utvidga samma teknik till cylindrisk yta bekräftas genom simuleringar.

Parallel-plate avalanche counters, PPACs, are commonly used to detect fission fragments. The PPAC detects them and mark (very accurately) the time of detection. Such measurements can be used to measure the neutron energy (via time-of-flight) to study neutron-induced fission.This project report provides a method that, together with the discussed improvements, allows the fabrication of good quality PPAC detectors. Several PPACs are manufactured and the electrodes are built from 0.9 µm thick mylar foils which are evaporated with a 40-80 nm thin layer of aluminum.The developed PPACs are characterized with well known radioactive Cf and Am sources (the source characterization also found in this report), and compared against each other. Additionally, the PPAC signal amplitude spectrum are found to follow theoretical expectations with regards to angular dependence, gas pressure and an applied electrode voltage.At a specific applied electrode voltage and range of gas pressures (3-9 mbar), the measured time resolutions are 2.24-1.38 ns. A trend is observed for finer time resolutions at higher gas pressures. / Parallel-plate avalanche counters, PPACs, används ofta för att detektera fissionsfragment. PPAC:en detekterar fragmenten med väldigt god tidsupplösning och således kan PPAC detektorer användas till att mäta neutron energier (mha. flygtidsmetoden), vilka uppmätts för att studera neutroninducerad fission.Det här projektet och den här rapporten beskriver en metod, med föreslagna förbättringar, som möjliggör tillverkning av PPAC detektorer av bra kvalitet. Under projektet har flera PPACs byggts med elektroder gjorda av 0.9 µm tunn mylar förångade med 40-80 nm aluminium. De tillverkade PPAC detektorerna är karaktäriserade med väl kända radioaktiva Cf- och Am-källor (dessa karaktäriseras även i den här rapporten). Detektorerna är sedan jämförda mot varandra och är funna att följa teoretiska förväntningar med avseende på vinkel-, gastryck- och pålagd elektrodspänningsberoende.Resultaten av projektet, som besvarar flera tidigare frågeställningar och bekräftar vissa antaganden, flyttar utsikten och förståelsen framåt för hur PPACs fungerar och vad forskarna kan uppnå med dem.