Aujourd'hui, la plupart des ordinateurs sont encore basés sur des concepts développés il y a plus de 60 ans par Alan Turing et John von Neumann. Cependant, ces ordinateurs numériques ont déjà commencé à atteindre certaines limites physiques via la technologie de la microélectronique au silicium (dissipation, vitesse, limites d'intégration, consommation d'énergie). Des approches alternatives, plus puissantes, plus efficaces et moins consommatrices d'énergie, constituent depuis plusieurs années un enjeu scientifique majeur. Beaucoup de ces approches s'inspirent naturellement du cerveau humain, dont les principes opérationnels sont encore loin d'être compris. Au début des années 2000, la communauté scientifique s'est aperçue qu'une modification du réseau neuronal récurrent (RNN), plus simple et maintenant appelée Reservoir Computing (RC), est parfois plus efficace pour certaines fonctionnalités, et est un nouveau paradigme de calcul qui s'inspire du cerveau. Sa structure est assez semblable aux concepts classiques de RNN, présentant généralement trois parties: une couche d'entrée pour injecter l'information dans un système dynamique non-linéaire (Write-In), une seconde couche où l'information d'entrée est projetée dans un espace de grande dimension (appelé réservoir dynamique) et une couche de sortie à partir de laquelle les informations traitées sont extraites par une fonction dite de lecture-sortie. Dans l'approche RC, la procédure d'apprentissage est effectuée uniquement dans la couche de sortie, tandis que la couche d'entrée et la couche réservoir sont fixées de manière aléatoire, ce qui constitue l'originalité principale du RC par rapport aux méthodes RNN. Cette fonctionnalité permet d'obtenir plus d'efficacité, de rapidité, de convergence d'apprentissage, et permet une mise en œuvre expérimentale. Cette thèse de doctorat a pour objectifs d'implémenter pour la première fois le RC photoniques en utilisant des dispositifs de télécommunication. Notre mise en œuvre expérimentale est basée sur un système dynamique non linéaire à retard, qui repose sur un oscillateur électro-optique (EO) avec une modulation de phase différentielle. Cet oscillateur EO a été largement étudié dans le contexte de la cryptographie optique du chaos. La dynamique présentée par de tels systèmes est en effet exploitée pour développer des comportements complexes dans un espace de phase à dimension infinie, et des analogies avec la dynamique spatio-temporelle (tels que les réseaux neuronaux) sont également trouvés dans la littérature. De telles particularités des systèmes à retard ont conforté l'idée de remplacer le RNN traditionnel (généralement difficile à concevoir technologiquement) par une architecture à retard d'EO non linéaire. Afin d'évaluer la puissance de calcul de notre approche RC, nous avons mis en œuvre deux tests de reconnaissance de chiffres parlés (tests de classification) à partir d'une base de données standard en intelligence artificielle (TI-46 et AURORA-2), et nous avons obtenu des performances très proches de l'état de l'art tout en établissant un nouvel état de l'art en ce qui concerne la vitesse de classification. Notre approche RC photonique nous a en effet permis de traiter environ 1 million de mots par seconde, améliorant la vitesse de traitement de l'information d'un facteur supérieur à ~3. / Nowadays most of computers are still based on concepts developed more than 60 years ago by Alan Turing and John von Neumann. However, these digital computers have already begun to reach certain physical limits of their implementation via silicon microelectronics technology (dissipation, speed, integration limits, energy consumption). Alternative approaches, more powerful, more efficient and with less consume of energy, have constituted a major scientific issue for several years. Many of these approaches naturally attempt to get inspiration for the human brain, whose operating principles are still far from being understood. In this line of research, a surprising variation of recurrent neural network (RNN), simpler, and also even sometimes more efficient for features or processing cases, has appeared in the early 2000s, now known as Reservoir Computing (RC), which is currently emerging new brain-inspired computational paradigm. Its structure is quite similar to the classical RNN computing concepts, exhibiting generally three parts: an input layer to inject the information into a nonlinear dynamical system (Write-In), a second layer where the input information is projected in a space of high dimension called dynamical reservoir and an output layer from which the processed information is extracted through a so-called Read-Out function. In RC approach the learning procedure is performed in the output layer only, while the input and reservoir layer are randomly fixed, being the main originality of RC compared to the RNN methods. This feature allows to get more efficiency, rapidity and a learning convergence, as well as to provide an experimental implementation solution. This PhD thesis is dedicated to one of the first photonic RC implementation using telecommunication devices. Our experimental implementation is based on a nonlinear delayed dynamical system, which relies on an electro-optic (EO) oscillator with a differential phase modulation. This EO oscillator was extensively studied in the context of the optical chaos cryptography. Dynamics exhibited by such systems are indeed known to develop complex behaviors in an infinite dimensional phase space, and analogies with space-time dynamics (as neural network ones are a kind of) are also found in the literature. Such peculiarities of delay systems supported the idea of replacing the traditional RNN (usually difficult to design technologically) by a nonlinear EO delay architecture. In order to evaluate the computational power of our RC approach, we implement two spoken digit recognition tests (classification tests) taken from a standard databases in artificial intelligence TI-46 and AURORA-2, obtaining results very close to state-of-the-art performances and establishing state-of-the-art in classification speed. Our photonic RC approach allowed us to process around of 1 million of words per second, improving the information processing speed by a factor ~3.

La distinction entre les fœtus constitutionnellement petits de ceux qui présentent une réelle restriction de croissance liée à une insuffisance placentaire n’est pas aisée avec les mesures échographiques utilisées en pratique courante. Le retard de croissance intra-utérin (RCIU) est responsable d’une part importante de la prématurité induite, et d’une augmentation du risque de mortalité et de morbidité néonatales. C’est pourquoi, l’amélioration de la connaissance de la vascularisation placentaire est indispensable pour mieux identifier et prendre en charge les situations d’hypoxie chroniques foetales associées à l’insuffisance placentaire.Pour quantifier la vascularisation les modalités d’imagerie de perfusion disponibles sont l’échographie et l’IRM. Les études évaluant la quantification de la perfusion placentaire par échographie de contraste sont peu nombreuses. Les avantages et les limites de cet examen ont été évalués sur un modèle murin de RCIU par ligature vasculaire. Ainsi, l’échographie de contraste permettait de quantifier une baisse de la perfusion placentaire sur un modèle de RCIU sans que l’on puisse observer de passage d’agents de contraste ultrasonores au travers la barrière placentaire. Les résultats obtenus ont été comparés aux données obtenues par l’IRM de perfusion. Les paramètres quantitatifs obtenus à partir des courbes de cinétiques du contraste pour chacune des deux modalités d’imagerie étaient comparables sur un modèle identique de RCIU murin. Enfin, une méthode d’étude de l’oxygénation placentaire par imagerie photoacoustique a été évaluée. Cette modalité d’imagerie non invasive permettait d’obtenir en temps réel l’oxygénation placentaire, avec cependant une profondeur limitée d’exploration. Le placenta semblait se comporter comme une réserve en oxygène au cours de l’étude d’une séquence hypoxie – hyperoxygénation maternelle avec une désaturation moins importante que celle observée dans les autres tissus maternels. / To identify fetuses small for their gestational-age who have reached their appropriate growth potential from growth-restricted fetuses due to placental insufficiency is uneasy. Intra Uterine Growth Restriction (IUGR) increases the risk for indicated preterm delivery, neonatal mortality and morbidity. Therefore, improving the knowledge of the placental perfusion is essential to better identify and manage fetal chronic oxygen deprivation associated with placental insufficiency.Contrast Enhanced Ultrasound (CEUS) and MRI are two imaging modalities available to quantify placental perfusion. However, few studies focus on the quantification of placental perfusion with CEUS. First, the advantages and limitations of CEUS were presented in an IUGR rat model by uterine ligation. The placental perfusion observed by CEUS was significantly decreased in the ligated horn. No contrast enhancement was observed in the umbilical vein or the fetus. Then, we compared the CEUS parameters to results obtained by MRI perfusion. Perfusion parameters were obtained from the signal intensity decay curve for the two imaging modalities. Results of such perfusion parameters were comparable in the same IUGR rat model. Finally, we evaluated the response of the placenta to oxygenation by photoacoustic imaging. PA imaging is a real-time, non-invasive method to evaluate placental oxygenation without contrast agents. Our results suggesting that placenta is less affected than maternal tissue by the decline in maternal oxygenation. The placenta may play an important role in protecting the feus against hypoxia.

Le retard de croissance intra-utérin (RCIU) est une complication responsable d’une importante mortalité et morbidité périnatales. Son dépistage représente un enjeu important de la surveillance prénatale. Les objectifs de la thèse étaient d’évaluer la performance du dépistage anténatal du RCIU, d’identifier ses déterminants et de mesurer son impact sur les issues périnatales. Dans une première partie, nous avons utilisé les données de l’Enquête Nationale Périnatale de 2010 (N=14 100 enfants uniques) : 21,7% des enfants de poids <10ème percentile étaient suspectés avec un RCIU en anténatal tandis que la moitié des enfants suspectés avait un poids normal à la naissance (faux positifs). Le risque de naissance induite était élevé en cas de suspicion, indépendamment de l’existence d’un faible poids, suggérant des interventions iatrogènes. Les issues néonatales n’étaient pas différentes selon la suspicion. Dans une seconde partie, nous avons utilisé les données d’une cohorte nationale d’enfants nés avant 32 SA en 2011, EPIPAGE 2 (N=3698 enfants uniques sans anomalie congénitale). La prise en charge active pour indication fœtale en cas de RCIU était initiée à partir de 26 SA. Pour 14% des enfants, il existait une discordance entre la suspicion d’un RCIU en anténatal et un faible poids à la naissance. En cas de discordance, le poids de naissance était le paramètre le plus important pour évaluer le pronostic néonatal. Nos travaux soulèvent des questions sur l’efficacité du dépistage du RCIU en France. Ils montrent la nécessité de développer de nouvelles stratégies de dépistage et de poursuivre les recherches pour mesurer leur impact sur les décisions médicales et sur la santé. / Fetal growth restriction (FGR) is a pregnancy complication that is responsible for significant perinatal mortality and morbidity. Screening for FGR is a key component of prenatal care. The objectives of this thesis were to evaluate the performance of prenatal screening for FGR, to identify the determinants of antenatal suspicion of FGR and to measure its impact on perinatal outcomes. For the first part of the thesis, we used data from the nationally representative French National Perinatal Survey of births (N=14,100 singleton pregnancies): 21.7% of infants with a low birthweight <10th percentile were suspected with FGR during pregnancy and half of infants suspected with FGR had a normal birthweight (false positives). The risk of indicated delivery was higher when FGR was suspected, regardless of the existence of low birthweight, suggesting possible iatrogenic effects. Outcomes were not different for suspected versus unsuspected low birthweight infants. In the second part of the thesis, we used data from the EPIPAGE 2 national cohort of children born before 32 weeks of GA in 2011 (N=3698 singleton non-anomalous infants). Active management for fetal indications in cases of suspected FGR was initiated at 26 weeks. Antenatal and postnatal assessments of FGR were discordant for 14% of infants. When assessments were discordant, birthweight was a better predictor of adverse neonatal outcome. Our results raise questions about the effectiveness of screening strategies for FGR in France. New strategies for the detection of FGR are needed as well as research to measure the impact of screening on medical decisions and health.

Cette thèse s’insère dans le cadre général de l’étude de la dynamique des populations. La population prise en compte étant constituée de cellules souches normales et/ou cancéreuses. Nous proposons et analysons trois modèles mathématiques décrivant la dynamique de cellules souches. Le premier modèle proposé est un modèle d’équations aux dérivées partielles structurées en âge que nous transformons, via la méthode des caractéristiques, en un système d'équations différentielles à retard pour lequel on étudie l'existence et la stabilité des points d'équilibres. On effectue, après, des simulations numériques permettant d'illustrer le comportement des états d'équilibres. Dans le deuxième modèle, on considère que la durée du cycle cellulaire dépend de la population totale de cellules quiescentes. La méthode des caractéristiques nous permet de réduire notre modèle structuré en âge à un système d'équations différentielles avec un retard dépendant de l'état pour lequel on effectue une analyse détaillée de la stabilité. Nous confirmons, ensuite, les résultas analytiquement obtenus par des simulations numériques. Pour le troisième et dernier modèle de cette thèse, on propose un système d'équations différentielles ordinaires décrivant la dynamique de cellules souches saines et cancéreuses et prenant en compte leurs interactions avec les réponses immunitaires. Ce modèle nous a permis de souligner l'ampleur de l'impact que peuvent avoir différentes infections sur la prolifération tumoral que ce soit par le biais de leurs fréquences, leurs durées ou la façon dont ils agissent sur le système immunitaire. / This thesis fits into the general framework of the study of population dynamics. The population particularly considered in this work is comprised of stem cells with both cases of healthy and cancerous cells being investigated. We propose and analyze three mathematical models describing stem cells dynamics. The first model is an age-structured partial differential model that we reduce to a delay differential system using the characteristics method. We investigate the existence and stability of the steady states of the reduced delay differential system. We, then, conduct some numerical simulations to illustrate the behavior of the steady states. In the second model, the duration of the cell cycle is considered to depend upon the total population of quiescent cells. The method of characteristics reduces the age-structured model to a system of differentialequations with a state-dependent delay. We perform a detailed stability analysis of the resulting delay differential system. We confirm the analytical results by numerical simulations. The third and final model, proposed in this thesis, is an ordinary differential equations model describing healthy and cancerous stem cells dynamics and their interactions with immune system responses. Through this model, we show that the frequency, the duration of infections and their action (positive or negative) on immune responses may impact significantly tumor proliferation.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La dengue est une infection virale qui touche de 100 à 400 millions d'individus chaque année. Selon l'OMS, « la dengue sévère est l’une des principales maladies graves et causes de décès dans certains pays d’Asie et d’Amérique latine ». Il est justifiable de modéliser la propagation de cette maladie dans une population à l'aide de modèles mathématiques compartimentaux. Les travaux de Forshey et al. sur la fièvre dengue semblent indiquer la possibilité qu'une infection à la dengue ne donne pas une immunité à long terme contre les différents sérotypes du virus, et qu'une réinfection homotypique à la dengue serait commune. Nous étudions un modèle SIRS de la dengue qui prend en compte cette perte d'immunité via un système d'équations différentielles à délai. Nous caractérisons les états stationnaires et leur stabilité en termes des différents paramètres considérés, notamment les taux de reproduction de base associés à chacun des sérotypes de la dengue. Nous étudions les bifurcations du système en ses principaux paramètres, notamment les bifurcations de Hopf émergeant de la présence d'un délai dans le système d'équations différentielles. Des simulations numériques du modèle sont présentées afin de représenter les différents régimes du modèle à l'étude. / Dengue is a viral infection affecting from 100 to 400 million people each year. According to the WHO, "severe dengue is a leading cause of serious illness and death in some Asian and Latin American countries". This justifies the modelling of this illness's propagation in a population using mathematical compartmental models. Results of Forshey et al. on dengue fever seem to indicate the possibility that a dengue infection does not yield a long term immunity against the different dengue serotypes, and that an homotypical reinfection could be common. We study a SIRS model for the dengue virus that takes into account this loss of immunity via a system of delay differential equations. We characterize the stationary states and their stability in terms of the different parameters considered, in particular the basic reproduction ratios associated to each dengue serotype. We study the system's bifurcations in its main parameters, especially the Hopf bifurcations arising from the presence of a delay in the system of differential equations. Numerical simulations of the model are presented to represent the model's different regimes.

Les interfaces haptiques à retour d’effort sont des dispositifs robotiques capables deproduire des forces à destination de l’utilisateur en téléopération et en réalité virtuelle. L’utilisation d’interface à retour d’effort en Conception Assistée par Ordinateur (CAO) offre de nouvelles perspectives pour la création et la conception de formes 3D grâce à une interactivité à la fois visuelle et kinesthésique. Elles permettent à la fois de visualiser, de manipuler en temps réel des objets virtuels et d’en ressentir les efforts (liés aux contacts, à la déformation, etc.).Les travaux présentés dans cette thèse contribuent au développement d’interfaces àretour d’effort pour répondre au mieux aux besoins de la CAO. Dans ce mémoire, l’accent est placé sur la problématique de la stabilité et son exploitation pour la commande de l’interface mais aussi pour la conception électromécanique. L’ensemble des travaux porte sur une interface à un degré de liberté.Dans un premier temps, différents facteurs liés au système mécanique (amortissement, modes vibratoires) et à l’environnement virtuel (échantillonnage, retard. . .) agissant sur la stabilité d’une interface sont mis en évidence à l’aide de critères fréquentiels. Ensuite, la conception d’une interface (choix et dimensionnement des composants) est ramenée sous forme d’un problème d’optimisation incluant une contrainte liée à la stabilité (en termes de domaine d’utilisation) et un critère de maximisation de la transparence (en termesd’inertie du dispositif).Dans un second temps, l’architecture de commande des dispositifs haptiques est étudiée. À l’aide d’une nouvelle condition de stabilité asymptotique pour les systèmes en temps discret à retard variable et en utilisant un observateur d’état augmenté comme alternative à l’utilisation standard de la méthode des différences finies arrières, la synthèse d’une nouvelle architecture de commande est proposée.La dernière partie du mémoire aborde la description du banc d’essai expérimental développé pendant le travail de thèse ainsi que les résultats des tests réalisés. / Force feedback haptic interfaces are robotic devices which are able to produce forces for the user in a teleoperation or virtual reality context. The integration of force feedback haptic interfaces in Computer-Aided Design (CAD) systems offers new perspectives for modeling and design of 3D objects by combining both visual and kinesthetic interaction. It allows viewing and manipulating virtual objects in real-time with a sense of touch (linked to contact, deformation, etc.).The works presented in this thesis contribute to the development of a force feedbackhaptic device to meet the needs of CAD at the best. In this thesis manuscript, the emphasis is put on the stability issue and its exploitation for the control of the device but also for the electromechanical conception. All the presented works concern an interface with one degree of freedom. First, several factors relative to the mechanic system (physical damping, vibration modes) and to the virtual environment (sampling period, delay-time, etc.) acting on the interface stability are highlighted through frequency domain stability criteria. Then, the interface design (choice and sizing of components) is expressed on the form of an optimization problem including a constraint linked to stability (in terms of application area).In a second part, the control architecture of haptic devices is studied. Using a newstability criterion for systems in discrete time with variable delay and an augmented state observer as an alternative to the standard finite difference scheme, the synthesis of novel control architecture is proposed.The last part of the manuscript deals with the description of the experimental testbench developed during the thesis period together with the results of some realized tests.

L’étude des caractéristiques physico-chimiques du Compritol® (béhénate de glycérol) et du Précirol® (palmito-stéarate de glycérol) a été effectuée. Les méthodes d’évaluation consistaient en la calorimétrie différentielle à balayage, la microscopie sur platine chauffante et la rhéologie dans un rhéomètre capillaire à pression variable. Cette étude a montré une évolution de la structure cristalline de ces deux corps gras en fonction du temps et de la température de stockage. En effet, ces composés, après fusion et refroidissement, « recristallisent » sous une structure partiellement amorphe, qui évolue avec le temps en structure cristalline. Il est également ressorti de cette évaluation que ces deux excipients lipidiques présentent des plages de fusion bien distinctes. Cette caractéristique est conservée lorsqu’ils sont en mélanges binaires. Enfin, ces corps gras se déforment sous l’action de fortes forces de cisaillement à des températures inférieures à leurs plages de fusion. <p>L’utilisation du Compritol® et du Précirol® comme corps gras lipophiles pour former des microbilles à libération prolongée a alors été envisagée. Nous avons procédé moyennant une technique de fabrication simple et rapide appelée « la pelletisation thermoplastique ». Il s’agit d’un procédé en une étape qui met à profit le pouvoir liant des corps gras facilement fusibles et se passe ainsi de l’usage de l’eau ou de solvants organiques. L’appareillage utilisé est de type mélangeur granulateur à haute vitesse. <p>Nous nous sommes basés sur les renseignements fournis par l’étude de préformulation afin d’optimaliser les conditions de fabrication des microbilles. Le contrôle de la température du mélange est très important pour la réussite du procédé de pelletisation thermoplastique. La vitesse du bras du mélangeur, la température de la double paroi et le temps de sphéronisation constituent les paramètres clés pour réussir la pelletisation du mélange. Nous avons mis au point des formulations contenant 15% (m/m) de Précirol® et une quantité croissante de Compritol® variant de 3 à 65 % (m/m). La libération du chlorhydrate de phényléphrine, employé comme agent traceur, a déjà été ralentie pour les formulations contenant 25 % (m/m) de corps gras. Face à ces résultats encourageants, nous avons mis au point des formulations contenant 75 % (m/m) de différents principes actifs (chlorhydrate de ciprofloxacine, théophylline et kétoprofène) et 25 % (m/m) de corps gras. Ces formulations ont abouti à la fabrication de microbilles à libération prolongée. Une étude de stabilité menée sur certaines des formes finies a montré la stabilité des microbilles lipidiques pour autant que le principe actif incorporé dedans ne soit par lui-même facilement dégradable. <p>Afin d’élargir le champ d’application du procédé de fabrication, nous avons mis au point des microbilles flottantes à libération prolongée. Les formulations proposées contiennent comme excipients :les deux corps gras, un mélange effervescent (bicarbonate sodique/ acide tartrique) et du Methocel K100. Leur flottabilité a été prouvée in vitro sur une période de plus de huit heures et In vivo par administration de microbilles de riboflavine flottantes versus non flottantes à des volontaires humains sains.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’exposition à certains sous-produits de la chloration peut avoir un effet sur le développe-ment foetal. Une étude cas-témoins populationnelle a été menée chez 1 430 femmes résidant dans la région de Québec afin d’évaluer l'association entre une exposition à des sous-produits émergents, particulièrement aux haloacétaldéhydes et aux haloacétonitriles, durant le troi-sième trimestre de grossesse, et le retard de croissance intra-utérine. L’interaction statistique entre ces sous-produits et ceux faisant l’objet d’un suivi règlementaire (trihalométhanes (THM) et acides haloacétiques (AHA) a également été évaluée. Les facteurs de risque du re-tard de croissance et l'exposition multiroute individuelle ont été pris en compte dans nos ana-lyses qui visaient à comparer le quatrième quartile d’exposition aux trois premiers quartiles combinés. Aucune association n'a été observée entre l’exposition aux haloacétaldéhydes, ou aux haloacétonitriles, et l’issue étudiée. En revanche, une interaction négative a été observée entre l’hydrate de chloral et les composés règlementés (THM et AHA). / Exposure to some chlorination by-products has been linked to adverse effects on fetal devel-opment. A population-based case-control study was conducted in a population of 1,430 women residing in the Quebec City region in order to assess the association between haloa-cetaldehydes and haloacetonitriles exposure during third trimester of pregnancy and intra-uterine growth retardation. Statistical interaction between these emerging by-products and those already subjected to regulatory control (trihalomethanes (THMs) and haloacetic acids (HAAs)) was also estimated. Known risk factors and individual multiroute exposure were included in our analyses, which aimed to compare the fourth quartile of exposure to the first three quartiles combined. No clear evidence of association was observed between exposure to haloacetaldehydes, haloacetonitriles, and intra-uterine growth retardation. However, a nega-tive interaction was observed between chloral hydrate and the compounds currently subjected to regulatory control (THMs and HAAs).