Grandes bague de roulement utilisés dans éolienne sont l'un des éléments de transmission de charge importantes de ces machines tournantes. Ces roulements fonctionnent grâce à des cycles de charge et de la fréquence et de l'expérience des défis complexes tribologiques sévères. Le coût de remplacement de ces paliers est très élevé et conduit aussi à quantité importante de temps d'arrêt. Il est donc important de comprendre certains des principaux problèmes de conception et tribologiques de ces roulements. Quatre points type de roulement de l'anneau de contact de rotation a été considéré comme une base de référence pour cette étude pour démontrer les questions de contact de troncature et d'échec de la cage pour les roulements de hauteur. Un palier de contact à deux points de remplacement est proposé d'éliminer le contact troncature et de réduire la force de la cage accumulation. Les méthodes de conception et d'analyse démontré dans cette étude peuvent être facilement étendus à lacet paliers ainsi que d'autres grands roulements utilisés dans l'industrie. / Large slewing ring bearings used in wind turbine are one of the important load transmitting elements of these rotating machines. These bearings operate through complex load and frequency cycles and experience severe tribological challenges. The cost of replacement of these bearings is very high and also leads to significant amount of down-time. It is therefore important to understand some of the major design and tribological issues in these bearings. Four-point contact slewing ring bearing type has been considered as a baseline for this study to demonstrate contact truncation and cage failure issues for pitch bearings. An alternate two-point contact bearing is proposed to eliminate contact truncation and reduce the cage force build-up. The design and analysis methods demonstrated in this study can be easily extended to yaw bearings as well as other large bearings used in the industry.

La thèse présente une étude numérique des instabilités de trajectoires de sphères, d'ellipsoïdes aplatis et de bulles en mouvement libre sous l'action de la gravité, de la poussée d'Archimède et des forces hydrodynamiques. Le chapitre sur les sphères reprend, complète et étend l'étude numérique de Jenny et al. (2004) en se concentrant sur la transition au chaos et sur les trajectoires chaotiques. Les résultats montrent la différence entre le scénario de transition au chaos de sphères de faible et de grand rapport de densité. Plusieurs grandeurs statistiques sont proposées afin de fournir une caractérisation quantitative des états chaotiques. Elle permettent de mettre en relation les états ordonnées et chaotiques et offrent une possibilité de comparaison objective de données aléatoires d'origine numérique ou expérimentale. L'étude, très extensive, du comportement d'ellipsoïdes aplatis établit le lien entre les disques et les sphères en faisant varier l'aplatissement des objets depuis infiniment plat jusqu'à presque sphérique. Les huit diagrammes d'état présentés permettent de comprendre l'effet de la forme des ellipsoïdes sur le scénario de transition. Le cas d'ellipsoïdes presque sphériques montre que de faibles imperfections de la forme peuvent avoir in impact significatif sur les trajectoires de sphères de très faible rapport de densité. Pour les bulles considérées dans la limite de rapport de densité et viscosité az/liquide nul, l'étude se concentre sur l'analyse de stabilité linéaire et aboutit à la courbe de stabilité marginale dans le plan des paramètres nombre de Bond – nombre de Galilée en tenant compte de la déformation des bulles au moment de la perte de leur axisymétrie. Plus deux décades de nombres de Bond, entre 0,1 et 20, sont couvertes. Les résultats montrent clairement l'effet de la déformation de la bulle sur le seuil de l'instabilité. / The thesis presents a numerical study of path instabilities for spheres, oblate spheroids and bubbles moving freely under the effect of the gravity, buoyancy and hydrodynamic forces. For spheres, the parametric study of Jenny et al. (2004) is revisited, improved end extended with a special focus on the chaotic states. The results reveal that the effect of density ratio responsible for different oblique oscillating states of low and high frequencies has a significant impact both on the onset of chaos and on the behavior of fully chaotic states. Several quantitative statistical quantities are proposed and shown to be relevant for establishing the relation between chaotic and ordered states and for an objective comparison of random data of numerical or experimental origin. The extensive study on freely moving spheroids establishes the link between disks and spheres by varying the aspect ratio of spheroids from infinitely flat to almost spherical. The state diagrams provided for eight different aspect ratios of spheroid show in detail how the transition scenario varies depending of the body shape. The investigation of almost spherical spheroids reveals the specificities of the dynamics of light imperfect spheres.For the deformable gas bubble in the limit of zero gas/liquid density and viscosity ratio, a marginal stability curve is given in the two-parameter plane of the Galileo and the Bond number indicating the critical Galileo numbers for the loss of stability of vertical trajectories. The numerical investigation covers more than two decades of Bond number going from 0.1 to 20. The results clearly show the crucial role of the surface deformation.

L’évaluation de la fonction pulmonaire est important pour la réduction des complications radio-induites des traitements de radiothérapie. En effet, plus de 30% des patients souffriront de pneumonie des suites de leur traitement [1]. L’implantation de la fonction pulmonaire dans la planification de traitement pourrait limiter les complications médicales. La ventilation pulmonaire, l’une des deux métriques permettant de caractériser la fonction pulmonaire, est habituellement obtenue à partir de mesures SPECT. Cependant, cette méthode demande d’effectuer des acquisitions de mesure supplémentaires sur les patients. L’objectif de ce projet est de valider l’utilisation de CT 4D afin d’extraire la ventilation pulmonaire. La preuve de concept a été effectuée sur une cohorte de 25 patients atteints de cancer du poumon. Grâce à des recalages déformables effectués à l’aide du logiciel ANTs, la ventilation a été extraite. Les valeurs obtenues ont été comparées à celles déterminées à partir des données de SPECT, analysées par un logiciel clinique nommé Hermès. Une corrélation modérée a été observée, avec un coefficient de Pearson de r =0:59 avec p<0:05. Les valeurs de ventilation obtenues par CT 4D ont été validées par les coefficients de Dice (DC > 0:9), la distance de Hausdorff (HD < 2 mm), le positionnement de marqueurs anatomiques et les valeurs de jacobien des transformations. Des incertitudes provenant de l’acquisition de données et l’initialisation des paramètres des recalages déformables peuvent expliquer ces résultats. / The assessment of pulmonary functionality is of prime importance to avoid radioinduced complications after radiotherapy treatments of lung cancer. Indeed, more than 30% of patients will suffer from a radiation-induced pneumonia following the treatment [1]. Implementing functionality in treatment planning could limit the medical complications. The current community standard for measuring the ventilation - one of the two metrics concerning pulmonary functionality - is SPECT imaging. However, this method requires to perform additional image acquisitions on patients. The objective of this work is to validate an image analysis method that provides deformable image registration allowing us to estimate lung ventilation for each voxel with four-dimensional computed tomography imaging (4DCT). The proof of concept is performed on a cohort of 25 patients with lung cancer. Each patient is required to a 4DCT scan before their radiotherapy treatment. Those scans were processed retroactively with Advanced Normalized Tools (ANTs) registration to evaluate the lungs deformation between the respiratory maxima. A vector field representing the deformation is produced for all voxels. Local behavior is estimated by the Jacobian of those vector fields. The deformation allows us to estimate the lung capacity to contain air, which can be linked to the ventilation. We showed that the values obtained with the 4DCT method are moderately correlated with those obtained by SPECT (r = 0:59; p < 0:05).Those results were validated using Dice coefficients (DC > 0:9), Hausdorff distance (HD < 2 mm) and targets registration error. The results of the lung ventilation obtained by 4DCT and with SPECT scans are moderately correlated. The uncertainties pertaining to data acquisition and deformable registration initialization might explain those differences.

Les méthodes de recalage d’images, qui ont pour but l’alignement de deux ou plusieurs images dans un même système de coordonnées, sont parmi les algorithmes les plus anciens et les plus utilisés en vision par ordinateur. Les méthodes de recalage servent à établir des correspondances entre des images (prises à des moments différents, par différents senseurs ou avec différentes perspectives), lesquelles ne sont pas évidentes pour l’œil humain. Un type particulier d’algorithme de recalage, connu comme « les méthodes de recalage déformables à l’aide de modèles graphiques » est devenu de plus en plus populaire ces dernières années, grâce à sa robustesse, sa scalabilité, son efficacité et sa simplicité théorique. La gamme des problèmes auxquels ce type d’algorithme peut être adapté est particulièrement vaste. Dans ce travail de thèse, nous proposons plusieurs extensions à la théorie de recalage déformable à l’aide de modèles graphiques, en explorant de nouvelles applications et en développant des contributions méthodologiques originales.Notre première contribution est une extension du cadre du recalage à l’aide de graphes, en abordant le problème très complexe du recalage d’une tranche avec un volume. Le recalage d’une tranche avec un volume est le recalage 2D dans un volume 3D, comme par exemple le mapping d’une tranche tomographique dans un système de coordonnées 3D d’un volume en particulier. Nos avons proposé une formulation scalable, modulaire et flexible pour accommoder des termes d'ordre élevé et de rang bas, qui peut sélectionner le plan et estimer la déformation dans le plan de manière simultanée par une seule approche d'optimisation. Le cadre proposé est instancié en différentes variantes, basés sur différentes topologies du graph, définitions de l'espace des étiquettes et constructions de l'énergie. Le potentiel de notre méthode a été démontré sur des données réelles ainsi que des données simulées dans le cadre d’une résonance magnétique d’ultrason (où le cadre d’installation et les stratégies d’optimisation ont été considérés).Les deux autres contributions inclues dans ce travail de thèse, sont liées au problème de l’intégration de l’information sémantique dans la procédure de recalage (indépendamment de la dimensionnalité des images). Actuellement, la plupart des méthodes comprennent une seule fonction métrique pour expliquer la similarité entre l’image source et l’image cible. Nous soutenons que l'intégration des informations sémantiques pour guider la procédure de recalage pourra encore améliorer la précision des résultats, en particulier en présence d'étiquettes sémantiques faisant du recalage un problème spécifique adapté à chaque domaine.Nous considérons un premier scénario en proposant un classificateur pour inférer des cartes de probabilité pour les différentes structures anatomiques dans les images d'entrée. Notre méthode vise à recaler et segmenter un ensemble d'images d'entrée simultanément, en intégrant cette information dans la formulation de l'énergie. L'idée principale est d'utiliser ces cartes estimées des étiquettes sémantiques (fournie par un classificateur arbitraire) comme un substitut pour les données non-étiquettées, et les combiner avec le recalage déformable pour améliorer l'alignement ainsi que la segmentation.Notre dernière contribution vise également à intégrer l'information sémantique pour la procédure de recalage, mais dans un scénario différent. Dans ce cas, au lieu de supposer que nous avons des classificateurs arbitraires pré-entraînés à notre disposition, nous considérons un ensemble d’annotations précis (vérité terrain) pour une variété de structures anatomiques. Nous présentons une contribution méthodologique qui vise à l'apprentissage des critères correspondants au contexte spécifique comme une agrégation des mesures de similarité standard à partir des données annotées, en utilisant une adaptation de l’algorithme « Latent Structured Support Vector Machine ». / Image registration methods, which aim at aligning two or more images into one coordinate system, are among the oldest and most widely used algorithms in computer vision. Registration methods serve to establish correspondence relationships among images (captured at different times, from different sensors or from different viewpoints) which are not obvious for the human eye. A particular type of registration algorithm, known as graph-based deformable registration methods, has become popular during the last decade given its robustness, scalability, efficiency and theoretical simplicity. The range of problems to which it can be adapted is particularly broad. In this thesis, we propose several extensions to the graph-based deformable registration theory, by exploring new application scenarios and developing novel methodological contributions.Our first contribution is an extension of the graph-based deformable registration framework, dealing with the challenging slice-to-volume registration problem. Slice-to-volume registration aims at registering a 2D image within a 3D volume, i.e. we seek a mapping function which optimally maps a tomographic slice to the 3D coordinate space of a given volume. We introduce a scalable, modular and flexible formulation accommodating low-rank and high order terms, which simultaneously selects the plane and estimates the in-plane deformation through a single shot optimization approach. The proposed framework is instantiated into different variants based on different graph topology, label space definition and energy construction. Simulated and real-data in the context of ultrasound and magnetic resonance registration (where both framework instantiations as well as different optimization strategies are considered) demonstrate the potentials of our method.The other two contributions included in this thesis are related to how semantic information can be encompassed within the registration process (independently of the dimensionality of the images). Currently, most of the methods rely on a single metric function explaining the similarity between the source and target images. We argue that incorporating semantic information to guide the registration process will further improve the accuracy of the results, particularly in the presence of semantic labels making the registration a domain specific problem.We consider a first scenario where we are given a classifier inferring probability maps for different anatomical structures in the input images. Our method seeks to simultaneously register and segment a set of input images, incorporating this information within the energy formulation. The main idea is to use these estimated maps of semantic labels (provided by an arbitrary classifier) as a surrogate for unlabeled data, and combine them with population deformable registration to improve both alignment and segmentation.Our last contribution also aims at incorporating semantic information to the registration process, but in a different scenario. In this case, instead of supposing that we have pre-trained arbitrary classifiers at our disposal, we are given a set of accurate ground truth annotations for a variety of anatomical structures. We present a methodological contribution that aims at learning context specific matching criteria as an aggregation of standard similarity measures from the aforementioned annotated data, using an adapted version of the latent structured support vector machine (LSSVM) framework.

Nous présentons une nouvelle approche pour la modélisation d'objets 3D de haute qualité à partir de séquences d'images en rotation partiellement calibrées. L'algorithme est capable: de calibrer la caméra (la pose et la longueur focale), de reconstruire la géométrie 3D et de créer une carte de texture. Par rapport à d'autres méthodes plus classiques, le calibrage est réalisé à partir d'un ensemble de silhouettes comme seule source d'information. Nous développons le concept de cohérence d'un ensemble de silhouettes généré par un objet 3D. Nous discutons d'abord la notion de cohérence de silhouettes et définissons un critère pratique pour l'estimer. Ce critère dépend à la fois des silhouettes et des paramètres des caméras qui les ont générées. Ces paramètres peuvent être estimés pour le problème de modélisation 3D en maximisant la cohérence globale des silhouettes. La méthode de reconstruction 3D est fondée sur l'utilisation d'un modèle déformable classique, qui définit le cadre dans lequel nous pouvons fusionner l'information de la texture et des silhouettes pour reconstruire la géométrie 3D. Cette fusion est accomplie en définissant deux forces basées sur les images: une force définie par la texture et une autre définie par les silhouettes. La force de texture est calculée en deux étapes: une approche corrélation multi-stéréo par décision majoritaire, et une étape de diffusion du vecteur gradient (GVF). En raison de la haute résolution de l'approche par décision majoritaire, une version multi-résolution du GVF a été développée. En ce qui concerne la force des silhouettes, une nouvelle formulation de la contrainte des silhouettes est dérivée. Elle fournit une manière robuste d'intégrer les silhouettes dans l'évolution du modèle déformable. A la fin de l'évolution, cette force fixe les contours générateurs du modèle 3D. Finalement, une carte de texture est calculée à partir des images originales et du modèle 3D reconstruit.

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

Cette thèse propose tout d’abord une méthode originale, appelée 2 en 1, de construction contrôlée, couche-par-couche, de films de polyélectrolytes, basée sur le dépôt d’un unique complexe polycation-polyanion. Détaillée dans le cas du poly(éthylènedioxythiophène)-poly(styrènesulfonate) PEDOT-PSS, la méthode est ensuite étendue avec le même succès à d’autres complexes (poly(éthylèneimine) branché-poly(4 styrènesulfonate), poly(diallyldiméthylammonium)-poly(4 styrènesulfonate) et poly(allylamonium)-poly(4 styrènesulfonate)).Les films 2 en 1 de PEDOT PSS sont robustes vis-à-vis d’un recuit thermique et possèdent une conductivité électronique indépendante de leur épaisseur. Cette conductivité peut être améliorée en utilisant un composite contenant des nanoparticules d’or Au Np PEDOT PSS. Des superstructures alternant dépôts de PEDOT PSS et de composite ont, en outre, pu être construites.La construction est contrôlée non seulement sur des substrats rigides (verre, wafer de silicium) mais également sur des substrats élastomère de type silicone (polydiméthylsiloxane PDMS). Le traitement du PDMS par polymérisation plasma d’EDOT sous vide permet le dépôt subséquent de films 2 en 1 de PEDOT PSS. Par ailleurs, la pulvérisation cathodique d’or sur le PDMS permet d’obtenir des conducteurs étirables, de surcroît utilisables comme substrats de films 2 en 1 de PEDOT PSS.Enfin, de nouveaux complexes aqueux synthétisés par voie chimique à partir d’EDOT et d’un polysaccharide (sulfate de chondroïtine A) ont conduit à des films présentant une très bonne conduction qui peut être augmentée par inclusion de nanoparticules d’or. Ces nouveaux composés sont porteurs d’un potentiel très prometteur. / This thesis proposes firstly an original method, called 2 in 1 method, for controlled, layer-by-layer, polyelectrolytes film buildup, based on the deposition of a sole polycation-polyanion complex. Detailed on the case of poly(ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT-PSS), the method was then extended with the same success to other complexes (branched poly(ethyleneimine)-poly(4 styrenesulfonate), poly(diallyldimethylammonium)-poly(4 styrenesulfonate) and poly(allylamonium)-poly(4 styrenesulfonate)).The 2 in 1 PEDOT PSS films are robust regarding thermal annealing and have an electronic conductivity independent of their thickness. This conductivity can be improved by using a composite containing gold nanoparticles Au Np PEDOT PSS. Superstructures alternating PEDOT PSS and composite depositions were also obtained.Film buildup is controlled not only on rigid substrates (glass, silicon wafer) but also on elastomeric substrates of the silicon type (polydimethylsiloxane PDMS). The treatment of PDMS by vacuum plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) of EDOT allows subsequent deposition of 2 in 1 PEDOT-PSS films. Besides, gold sputter deposition on PDMS reaches stretchable conductors. Gold sputtered PDMS can further act as a substrate for 2 in 1 PEDOT-PSS films.Finally, new aqueous complexes, chemically synthesized from EDOT and a polysaccharide (chondroitin sulfate A), lead to films which exhibit a very good conduction, which can be improved by the inclusion of gold nanoparticles. These new complexes are very promising in the field of conductive biomaterials.

Ce manuscrit présente un modèle dynamique de l'activité électromécanique du coeur pour l'analyse de séquences temporelles d'images et la simulation médicale. Tout d'abord, un processus de construction de modèles biomécaniques volumiques du myocarde à l'aide de maillages tétraédriques est mis en place. Puis la propagation du potentiel d'action dans le myocarde est simulée, en se fondant sur des équations aux dérivées partielles de réaction-diffusion de type FitzHugh-Nagumo, qui permettent l'inclusion de pathologies et la simulation d interventions. Ensuite, la contraction du myocarde est modélisée sur un cycle cardiaque grace à une loi de comportement incluant un couplage électromécanique et des conditions limites intégrant l'interaction avec le sang. Ce modéle est ainsi validé à travers certains paramètres globaux et locaux de la fonction ventriculaire cardiaque. Une fois ce modèle électromécanique mis en place, il est utilisé dans une méthode de segmentation par modèle déformable de séquences d'images médicales, afin d'en extraire des paramètres quantitatifs de la fonction cardiaque. Cette nouvelle génération de modéles déformables pro-actifs permet d'intègrer de l'information à priori non seulement sur l'anatomie et le comportement mécanique mais aussi sur l'activité électrique et le mouvement. Le couplage au sein d'un meme modéle d'informations anatomiques, biomécaniques et physiologiques contribué à ameliorer la robustesse et la précision face à des données bruitées et éparses comme les images médicales et ouvre des possibilités supplémentaires en simulation médicale.

Cette thèse a pour sujet la modélisation et le contrôle des processus intervenant lors de l'amplification d'impulsions laser à dérive de fréquence.<br />Nous présentons les modèles utilisés, qui prennent en compte la propagation, les effets non linéaires et les effets thermiques se produisant dans les chaînes laser basées sur le principe de l'amplification à dérive de fréquence. Une validation expérimentale de ces modèles a permis de souligner l'importance des aspects spatiaux du laser pour modéliser finement le processus d'amplification.<br />Nous avons également étudié l'importance, durant la propagation, des aspects spatiaux avec des calculs de propagation après un miroir déformable et montré toutes les précautions nécessaires pour l'utilisation d'une boucle d'optique adaptative. Cette boucle d'optique adaptative est utilisée maintenant de manière journalière pour garantir la qualité de la tache focale du laser 100 TW du LOA.<br />Nous avons réalisé des études sur les effets spatio-temporels créés dans les systèmes de lentilles. Le retard local et l'élargissement de la durée globale, dus au temps de propagation (PTD) dans un système de lentilles, ont été mesurés. Cette mesure directe de l'élargissement global de la durée temporelle est la première à notre connaissance.<br />Enfin, le futur laser Pétawatt (LUIRE) du LOA a été dimensionné avec les modèles validés précédemment. Nous pouvons atteindre le régime Pétawatt (30 J, 30 fs) avec un amplificateur multipassage supplémentaire dont les caractéristiques sont présentées.

Cette thèse concerne l'estimation du mouvement dans des séquences d'images échographiques, avec comme application médicale l'élastographie statique de la thyroïde. Le principe de l'élastographie, dont l'objectif est de caractériser l'élasticité des tissus biologiques, consiste à estimer les déplacements qui apparaissent au sein des tissus lorsque ceux-ci sont soumis à une contrainte mécanique externe. Discriminer les tissus pathologiques des tissus sains sur des critères d'élasticité nécessite une grande précision d'estimation du mouvement. Pour cela, nous proposons une méthode 2-D d'estimation du mouvement appliquée à des images radiofréquences dont la formation de voies est adaptée à l'imagerie du mouvement. Notre méthode travaille avec quatre images de phase, construites en utilisant des signaux analytiques multidimensionnels. Cette approche originale nous a permis de proposer une solution analytique à l'estimation locale des déplacements. Notre méthode s'avère plus performante que les approches classiques en terme de réduction d'erreur, de performances avec des images faiblement échantillonnées et de rapidité. Afin de prendre en compte la complexité des mouvements à estimer, engendrée par la diversité anatomique et par les spécificités de l'élastographie ultrasonore (compression des tissus exercée manuellement avec la sonde échographique), nous proposons d'utiliser un maillage déformable, régi par un modèle paramétrique bilinéaire. Une analyse spatio-temporelle du mouvement nous permet d'étendre cette méthode à l'estimation du déplacement dans des séquences d'images et de proposer une nouvelle carte paramétrique adaptée à la visualisation des tumeurs thyroïdiennes.