Projets novateurs réalisés

Analyse de la connectivité cérébrale à l’aide de l’apprentissage automatique

Description du projet :

Les stagiaires sélectionnés travailleront avec des étudiants diplômés au développement de méthodes novatrices pour analyser la connectivité cérébrale fonctionnelle et structurelle. Deux applications sont envisagées pour ce projet : le regroupement des fibres cérébrales et l’analyse dynamique de la connectivité fonctionnelle.

Pour la première application, des techniques récentes d’apprentissage automatique, basées sur l’apprentissage par dictionnaire, seront utilisées pour regrouper les filaments de la matière blanche en faisceaux proéminents. L’extraction de ces faisceaux est essentielle pour effectuer une analyse de haut niveau de la connectivité structurelle cérébrale. Les méthodes développées pour cette application seront testées sur des données IRM de diffusion réelles. Le rôle du stagiaire pour cette application sera d’aider les étudiants diplômés à programmer et tester les fonctions de base de la méthode proposée. Le stagiaire travaillera aussi au développement de programmes pour visualiser les résultats du regroupement.

La deuxième application ciblée par le projet est liée à la connectivité fonctionnelle dynamique (FC) multi-sujets. Jusqu’à présent, les analyses de connectivité fonctionnelle en IRMf à l’état de repos ont été dominées par la FC statique, qui calcule la corrélation entre des séries temporelles entières provenant de différents voxels. Récemment, une FC dynamique pour l’IRMf à l’état de repos a été proposée, en considérant de petites fenêtres spatio-temporelles à partir des données individuelles d’IRMf et en calculant comment la corrélation change entre les signaux capturés dans ces fenêtres. Le projet utilisera des techniques de co-regroupement pour analyser conjointement les données de plusieurs sujets. Encore une fois, le stagiaire sera impliqué dans la mise en œuvre et les tests de la méthode proposée.

Analyse et mise en œuvre de modèles comportementaux pour le développement d’amplificateurs de puissance RFIC GAAS HBT/HEMT avancés

Les concepteurs RFIC PA (RF Integrated Circuit Power Amplifier) font souvent face au défi difficile de combler l’écart entre les données de simulation et les résultats expérimentaux, ce qui a un impact négatif sur la convergence de la conception et les considérations de délai de mise sur le marché lors du développement de structures d’amplificateurs complexes. Cela est particulièrement sévère lorsqu’il s’agit de techniques de circuits non linéaires durant la phase de développement pratique. Les modèles comportementaux orientés conception (par exemple [1], [2]) qui permettent de combler cet écart de manière efficace en termes de temps sont précieux pour les concepteurs de PA RFIC. Ce projet vise à développer un modèle comportemental orienté conception, adapté au développement de PA RFIC autonomes utilisant des architectures complexes, en GaAs HBT et d’autres technologies.

Le projet intègre le cadre d’enquêtes en cours sur des structures complexes de PA RFIC GaAs/InGaP HBT/BiHEMT pour les communications sans fil, en collaboration avec un fournisseur mondial de premier plan de PA RFIC. Un modèle comportemental adapté à la corrélation des données expérimentales et des résultats de simulation durant la phase pratique du développement du PA du RFIC sera analysé, amélioré et mis en œuvre au sein des plateformes de conception (Agilent – logiciel de simulation ADS et autres outils expérimentaux de développement). Une méthodologie qui accompagne le modèle comportemental sera proposée et validée de manière à démontrer l’impact sur la convergence de conception lors du développement de l’PA RFIC.

En partant d’une architecture PA RFIC bien définie, des objectifs de performance électrique RF (par exemple, platitude du gain, efficacité énergétique ajoutée, linéarité et stabilité), une étude de faisabilité préliminaire, un modèle comportemental de base existant (par exemple [1], [2]) et des formulations mathématiques, de nouvelles formulations (ou adaptées de formulations proposées dans d’autres travaux) décrivant le comportement non linéaire des PA RFIC seront dérivées et un modèle comportemental amélioré sera développé. D’une part, le modèle visera à améliorer les capacités de simulation avec ADS en incorporant des données de caractérisation expérimentale de dispositifs et de blocs de circuits de transistors RF, ainsi que des résultats expérimentaux du système PA obtenus à partir de mises en œuvre réelles de PA. D’un autre côté, le même modèle sera adapté pour permettre un diagnostic et un dépannage efficaces des performances PA par le concepteur durant la phase de développement, dans le but d’accélérer la convergence de la conception.

[1] S. Sharma, N.G. Constantin, « Formulations pour l’estimation des niveaux IMD dans un amplificateur RFIC à rétroaction d’enveloppe : une extension du comportement dynamique AM et PM », IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, nov. 2013.

[2] N. G. Constantin, K. H. Kwok, H. Shao, C. Cismaru, et P. J. Zampardi, Formulations et une méthode d’essai assistée par ordinateur pour l’estimation des niveaux IMD dans un amplificateur de puissance RFIC à rétroaction d’enveloppe, IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, décembre 2012.

Analyse du mouvement de la langue à l’aide d’images à ultrasons

L’imagerie par ultrasons est un outil idéal pour étudier les mouvements de la langue impliqués dans la parole, car elle fournit des informations très riches tout en étant relativement peu coûteuse et non invasive. Son utilisation est donc devenue répandue parmi les spécialistes de la parole.

L’analyse des séquences vidéo échographiques de la langue en mouvement pose plusieurs défis concernant l’extraction, le suivi et l’analyse fiables du contour de la langue en mouvement. L’objectif de ce projet est de développer de nouveaux outils statistiques automatisés et interactifs pour analyser la forme et le mouvement de la langue en lien avec des questions intéressantes dans le domaine de la science de la parole. Un exemple de cette question pourrait être : « Comment le mouvement de la langue diffère-t-il chez les enfants et les adultes pendant la parole? ». Pour répondre à ces questions, l’étudiant étudiera, mettra en œuvre et comparera diverses techniques dans le domaine de la reconnaissance de formes.

Le projet sera réalisé en collaboration avec la locutioniste, la professeure Lucie Ménard, qui dirige le Laboratoire de phonétique du département de linguistique de l’Université du Québec à Montréal.

Rendu multi-vues en temps réel à partir de vidéo stéréoscopique 3D

Avec la production régulière de films 3D, la disponibilité du contenu vidéo stéréoscopique 3D augmente, ouvrant la voie au déploiement de la 3DTV sur le marché grand public. Les écrans auto-stéréoscopiques, ceux qui produisent de la 3D sans avoir besoin de porter de lunettes, sont une technologie viable pour l’environnement domestique et attirent beaucoup d’attention de la part des industries de la production médiatique et de l’électronique grand public. L’un des principaux problèmes à résoudre avec l’introduction des 3DTV auto-stéréoscopiques sur le marché domestique est le manque de contenu spécialement préparé pour ce type d’affichage. Les affichages auto-stéréoscopiques nécessitent plusieurs vues, plus de deux et généralement autour de neuf, pour présenter plusieurs points de vue au spectateur, générant une représentation 3D plus réaliste et confortable de la scène. Étant donné que la plupart du contenu actuellement produit est basé sur un format à deux vues (S3D), il y a un besoin important d’algorithmes de haute qualité pour convertir le contenu vidéo stéréoscopique à deux vues en format multi-vues pour les affichages autostéréoscopiques. L’exigence supplémentaire de conversion en temps réel pour l’industrie de la radiodiffusion ajoute une couche de complexité au problème de la conversion.

Dans ce projet, nous visons à développer un ensemble d’outils pour effectuer la conversion du contenu vidéo du format deux vues au multi-vues en temps réel. L’application visée est l’industrie de la radiodiffusion. La quantité de données à traiter, HD et UHD (4K), ainsi que la haute qualité d’image et de profondeur requise pour les applications de diffusion, rendent ce problème difficile. Le processus de conversion comprend trois étapes principales : récupérer l’information de profondeur à partir de la source vidéo stéréoscopique, rendre les vues supplémentaires nécessaires pour les affichages autostéréoscopiques en fonction de la profondeur récupérée et des conditions de visionnage, ainsi que le post-traitement des images pour la présentation dans l’affichage autostéréoscopique. Chacune de ces étapes nécessite l’application de plusieurs algorithmes de traitement d’image et de vidéo pour obtenir les résultats souhaités.

Ce projet particulier se concentrera sur l’extraction conjointe de l’information de profondeur et le rendu des nouvelles vues en temps réel. L’extraction d’informations de profondeur à partir de sources vidéo stéréoscopiques est un problème bien étudié, normalement appelé problème de correspondance stéréo ou de correspondance stéréo. Cependant, il n’existe pas un seul algorithme qui fonctionne bien pour tous les types de vidéos. Un autre problème à aborder est la complexité des algorithmes disponibles. La plupart des algorithmes proposés sont très complexes et ne conviennent pas à une implémentation en temps réel. La combinaison de l’étape d’extraction de profondeur avec le processus de rendu de vue est une voie prometteuse pour améliorer à la fois la qualité des images reconstruites et le temps de traitement de l’ensemble du processus.

Un autre aspect qui sera pris en compte dans le projet est le choix des paramètres de profondeur afin d’assurer le confort du spectateur. Le confort du spectateur pour l’imagerie stéréoscopique est l’un des sujets de recherche les plus importants dans la communauté de recherche en 3DTV, et s’assurer que la profondeur produite soit cohérente avec la scène originale et agréable à visualiser est une exigence importante du projet.

Développement d’une plateforme de simulation pour les tissus humains mous et déformables

Introduction :
La simulation médicale est un domaine en pleine croissance qui a un impact positif sur la façon dont les fournisseurs de soins de santé sont formés et évalués. Au cours des dix dernières années, le nombre de centres de simulation médicale a été multiplié par 15 (1400 dans le monde aujourd’hui). La simulation chirurgicale permet une formation en dehors de la salle d’opération, minimisant ainsi le risque pour le patient, facilitant l’adoption de nouvelles techniques chirurgicales et assurant une utilisation efficace en salle d’opération, pour améliorer les soins aux patients. Les simulateurs chirurgicaux actuels utilisent la technologie de réalité virtuelle (RV) de première génération impliquant la manipulation de structures anatomiques simplistes à l’aide d’instruments chirurgicaux virtuels. Pour les spécialités chirurgicales nécessitant une haute précision et une perception aiguë, comme la simulation virtuelle ORL (ORL-ORL-nez-gorge), une représentation plus réaliste des structures anatomiques et des procédures chirurgicales avec une diversité d’outils chirurgicaux.

En ORL, une grande précision et une perception aiguë sont nécessaires pour éviter des dommages aux tissus cérébraux et aux structures vitales, minimisant ainsi le risque de conditions invalidantes et de conséquences potentiellement mortelles. La simulation VR est largement reconnue comme un outil précieux pour réduire les effets indésirables de la chirurgie, en permettant la formation et la répétition en dehors de la salle d’opération, sans conséquences pour le patient.

Projet :
Dans ce projet, nous visons à développer les bases d’un moteur de simulation chirurgicale VR basé sur la physique, axé sur la résection et l’ablation des tissus mous et déformables. La simulation basée sur la physique, comme les éléments finis, est particulièrement importante pour les chirurgies de haute précision et de perception aiguë comme l’ORL. Cette approche offre un réalisme plus élevé pour la simulation visuelle et tactile de la situation physique, en s’appuyant sur les fondamentaux de la mécanique du continu. La simulation est réalisée par la résolution en temps réel des équations mathématiques correspondantes.

Dans le cadre du projet, il faudra développer un logiciel comprenant le calcul par éléments finis en temps réel intégrant des modèles biomécaniques tissulaires et des modèles anatomiques dérivés d’images de patients. De plus, le moteur logiciel de simulation devrait être capable d’accomplir de manière interactive des tâches dans des scénarios chirurgicaux en utilisant une variété d’outils chirurgicaux. La mise en œuvre de nouveaux outils chirurgicaux nécessite le développement de données de scénarios ainsi que le développement logiciel dans le moteur de base, tous deux spécifiques à l’outil chirurgical.

Le moteur logiciel de simulation utiliserait des éléments finis pour calculer les interactions outil-tissu, gérant actuellement une simulation en temps réel d’un champ opératoire de résolution de 3 mm et 5 000 éléments finis (résection d’une tumeur cérébrale sur un ordinateur autonome). Le moteur doit simuler la déformation, l’ablation et le saignement des tissus, et inclut des modèles de manipulation tissulaire de base et de déformation hyperélastique des tissus, dérivés de données biomécaniques obtenues sur des tissus animaux, humains et virtuels.

Caractérisation des composants structurels d’aéronefs composites tressés

Avec l’utilisation croissante du composite dans l’aviation civile, l’industrie recherche des techniques de fabrication abordables pour produire des composants structurels de haute qualité. Pour atteindre cet objectif, une approche consiste à utiliser des techniques textiles automatisées pour assembler rapidement des architectures de fibres adaptées à l’application. Dans ce projet, le tressage est utilisé pour construire des préformes de fibres du cadre du fuselage avec une géométrie variable. L’étudiant participera à la production des tresses à l’aide d’une machine de tressage à 144 supports et d’un système de portique robotisé au laboratoire de Saint-Hyacinthe (QC). L’étudiant aidera également à caractériser la mésostructure de la tresse (Laboratoire de Montréal) afin de guider la conception de structures optimales.

Développement d’un réseau de capteurs pour la collecte de données piétonnes

Dans ce projet de recherche en cours, nous nous intéressons à la collecte de données au niveau des installations piétonnes (par exemple, gare, zone extérieure de festival) à l’aide de techniques automatisées. Cela signifie que le processus de collecte de données devrait pouvoir savoir où un piéton particulier est entré, quelles activités il a effectuées et où il est sorti du système. Nous avons besoin d’un système de capteurs capables de couvrir toute la zone d’étude et de communiquer entre eux et avec le serveur mobile central.

Nous développons une architecture de réseau de communication capable d’atteindre cet objectif. Les capteurs déployés feront partie d’un réseau de communication IEEE 802.11 (également appelé WiFi) qui utilisera la couche Protocole Internet (IP) pour l’identification et la connexion réseau, tandis que la couche Protocole de Datagrammes Utilisateurs (UDP) servira à la communication des données. Pour assurer la sécurité du réseau, les paquets UDP seront chiffrés selon le protocole de sécurité de la couche de transport de données (DTLS) décrit dans RFP43471. Ici, nous allons profiter du travail initial effectué par moi-même sur la mobilité sur les réseaux TCP/IP.

Les capteurs peuvent inclure des caméras, des capteurs de profondeur, des capteurs infrarouges, thermiques et autres. Chacun d’eux aura une carte Raspberry Pi attachée, qui servira de contrôleur du capteur et de point de communication sans fil. Ce tableau effectuera aussi un certain traitement des données sur place.

Le réseau pourra communiquer dans les deux sens entre les capteurs et avec le serveur mobile. Cela garantira que la plupart de l’identification et du suivi des piétons pourront être effectués par les capteurs de façon coopérative. Les traces piétonnes seront ensuite recueillies et fusionnées sur le serveur mobile afin d’être éventuellement transmises à un entrepôt de données infonuagique.

Validation expérimentale d’une nouvelle technologie de suivi d’un dispositif médical

Le carcinome hépatocellulaire (CCH) est le 5e cancer le plus fréquent au monde avec 500 000 nouveaux cas par année et le taux de mortalité le plus élevé (>97% en 5 ans). La chimiothérapie intraveineuse est limitée et les résultats cliniques sont généralement faibles, avec un taux de survie médian inférieur à un an. La chimioembolisation artérielle par cathéter (TACE) est une procédure d’oncologie interventionnelle guidée par image, qui constitue la base de la thérapie par CHC à un stade intermédiaire. Il a été démontré qu’il contrôle les symptômes, cependant la distribution rapide du médicament dans tout le corps empêche que des concentrations intratumorales élevées soient maintenues. Cela dit, cibler les cellules tumorales en transportant un médicament endovasculaire spécifique ou une livraison de radioisotopes au site de la masse tumorale du HCC est un défi en raison de la complexité du vascularisation hépatique et des limites actuelles aux injections de contraste, ce qui est inadapté à certains patients.

Pour administrer la quantité appropriée d’agents chimioembolisants, des travaux révolutionnaires en administration thérapeutique et en interventions mini-invasives doivent trouver les technologies de suivi appropriées pour faciliter la traduction dans le flux de travail interventionnel, avec la fusion multimodale automatisée basée sur l’image et la localisation intra-artérielle par cathéter. Pour mieux aider les radiologues interventionnels à suivre la position des cathéters et à atteindre le site tumoral avec une précision accrue et une confiance accrue, notre projet de recherche en cours développe une solution innovante pour le guidage par instruments médicaux intraopératoires et l’enregistrement non rigide en temps réel pour les procédures interventionnelles guidées par imagerie. La plateforme envisagée comprend un dispositif composé de réseaux de Bragg en fibre optique avec un noyau hélicoïdal unique permettant d’inférer en temps réel la forme 3D d’un cathéter à l’intérieur du corps à visualiser par l’intervenant. Cette technologie minimalement invasive respecte plusieurs éléments critiques tels que la précision computationnelle, l’intégration dans des environnements complexes dans la salle d’opération ou la suite interventionnelle aux rayons X, ainsi que les interactions en temps réel pour obtenir un retour d’information en temps opportun. En raison des contraintes strictes de précision pour préserver l’alignement avec les voies virtuelles, la compensation de mouvement en temps réel est un axe clé de nos efforts. Bien qu’elle reste sensible aux fluctuations externes, la fibre optique de détection de forme basée sur plusieurs réseaux de fibres détecte les signaux lumineux réfléchis intégrés au cathéter afin de surveiller la forme 3D dynamique du vaisseau influencée par la respiration ou de compenser les mouvements involontaires.

Ce projet de recherche offre une nouvelle voie dans la localisation des dispositifs, l’estimation du mouvement et la fusion d’images multimodales lors des procédures de guidage, simplifiant ainsi l’environnement chirurgical et le flux de travail clinique en introduisant des flux de travail automatisés. Cela offrira une occasion unique d’améliorer la robustesse et la reproductibilité en introduisant des dispositifs flexibles dans les vaisseaux et les coronaires, et en les guidant vers une cible pré-identifiée.

Impression 3D de systèmes microélectromécaniques à base de polymères

Il y a actuellement une grande tendance à l’impression 3D, une technologie transformatrice qui changera très probablement la façon dont nous fabriquons une multitude de produits, allant des jouets aux composants complexes d’avions. Le projet de recherche couvre l’ensemble des applications d’impression haut de gamme, allant de la conception des matériaux au processus de fabrication. Côté matériaux, le stagiaire mélangera les meilleurs matériaux nanoscopiques dans différents types de plastiques pour améliorer les propriétés électriques et mécaniques tout en innovant dans les méthodes d’impression 3D à l’aide d’imprimantes commerciales et sur mesure. L’étudiant peut aussi participer à la conception et à la fabrication d’accessoires d’impression.

Un qubit prometteur pour le calcul quantique : des excitons liés à de petites molécules intégrées dans des semi-conducteurs.

Les atomes d’impureté unique dans les cristaux semi-conducteurs peuvent être résolus spatialement et étudiés individuellement. En sélectionnant soigneusement la nature de l’impureté et le matériau hôte, un centre d’impureté composé d’un, deux ou trois atomes peut lier des électrons et des trous, formant ainsi un exciton lié à une structure quantique. Bien que les propriétés électroniques de ces points quantiques de taille atomique soient similaires à celles des points quantiques conventionnels composés de dizaines de milliers d’atomes, leur taille est comparable au volume de quelques atomes. Cela offre d’excellentes opportunités pour la réalisation d’un qubit basé sur le spin de dimensions atomiques dans le domaine du calcul quantique.

En utilisant des impulsions laser ultrarapides et des techniques de spectroscopie optique, nous avons récemment démontré qu’il était possible d’initialiser un qubit d’exciton et de manipuler son état sur toute la sphère de Block. Cela a révélé un moment dipolaire optique très élevé et un déphasage induit par très faible puissance, faisant de ce système un bloc de construction très attrayant pour les opérations quantiques à haute fidélité.

Transitions optiques et règles de sélection dans les semi-conducteurs 2D. (Nouveau)

Inspirée par les propriétés inhabituelles du graphène, la recherche d’autres matériaux 2D a révélé que les monocouches MoS2 offrent aussi des caractéristiques inhabituelles et spectaculaires. Contrairement au graphène sans espace, MoS2 est parfaitement adapté à l’électronique logique et à l’optoélectronique avec un écart de 1,8 eV. De plus, l’excellente performance des transistors, la longue durée de vie des dispositifs et sa grande résistance mécanique font du MoS2 un matériau idéal pour le développement d’écrans transparents et d’autres applications électroniques flexibles. Cependant, les propriétés de ce matériau 2D prometteur restent à dévoiler, car peu de choses sont connues sur ses propriétés électriques, optiques et mécaniques. L’une des caractéristiques les plus fondamentales d’un matériau est sa structure de bandes proche du niveau de Fermi : elle détermine la plupart des propriétés optiques et électroniques.

Ce projet consiste à fournir les valeurs expérimentales pour reconstruire la structure de bande. En utilisant la spectroscopie d’électroréflectance dans une large gamme spectrale, l’étudiant déterminera toutes les transitions optiques permises, ainsi que leurs règles de sélection de polarisation. En utilisant ces informations, l’étudiant dévoilera l’évolution des principaux points critiques en fonction du nombre de monocouches et en fonction des perturbations telles que la température, la déformation et le champ magnétique.

Modéliser les propriétés thermodynamiques et physiques des mélanges ternaires de liquides ioniques (c’est-à-dire des sels fondus à température ambiante)

Modéliser les propriétés thermodynamiques (y compris les équilibres de phase) et les propriétés physiques des systèmes multicomposantes revêt aujourd’hui une grande importance industrielle. Les industries métallurgiques et chimiques utilisent couramment des paquets thermochimiques pour simuler des réactions chimiques et des équilibres de phase pour le développement des procédés. La modélisation thermodynamique et d’équilibre de phase des systèmes de sels multicomposantes consiste à étendre l’énergie de Gibbs d’une phase en fonction de la température, de la pression et de la composition, et à trouver un minimum énergétique global. Les paramètres du modèle des fonctions d’énergie de Gibbs sont obtenus en optimisant leurs valeurs afin de mieux reproduire simultanément les données expérimentales trouvées dans la littérature (enthalpie, liquide, etc.). Les paramètres forment une base de données et les modèles sont utilisés pour prédire les équilibres de phase et les propriétés thermodynamiques dans le système multicomposant. Des modèles pour la densité, la viscosité et la conductivité électrique des sels fondus inorganiques multicomposants, tous liés au modèle thermodynamique qui donne une estimation de la structure du fondu, ont été développés et appliqués avec succès à des électrolytes inorganiques tels que NaCl-KCl-MgCl2-CaCl2 et NaF-AlF3-CaF2-Al2O3-LiF-MgF2.
Les « sels fondus à température ambiante » (ou « liquides ioniques ») sont impliqués dans de nombreuses applications potentielles (solvants et catalyseurs, électrochimie, ). Ils sont généralement composés d’un grand cation organique et d’un anion inorganique, et ils fondent à des températures relativement basses (souvent en dessous de la température ambiante). Depuis 2000, la recherche sur les liquides ioniques a connu une croissance spectaculaire et s’est concentrée sur la conception de composés uniques aux propriétés sur mesure. Comme le suggèrent Plechkova et Seddon, des mélanges ternaires liquides ioniques peuvent être envisagés, où le 1er composant contrôlerait et définirait la chimie du système, le 2e permettrait un ajustement fin des propriétés physiques (comme la densité et la viscosité) du système, et le 3e composant serait bon marché et inerte, réduisant ainsi le coût global du système. Les mélanges liquides ioniques ont été relativement peu étudiés, et la plupart des études existantes correspondent à des mélanges binaires.
Le projet proposé consiste à développer des modèles et des bases de données de paramètres pour la prédiction des équilibres de phase (en particulier, la température liquide) et des propriétés physiques (principalement la densité et la viscosité) des mélanges ternaires de type CX-CY-CZ (où C est un grand cation organique tel que le 1-alkyl-3-méthyl-imidazolium, et X, Y et Z sont trois petits anions tels que Cl-, NO3- et CH3SO3-). Les propriétés thermodynamiques (principalement le diagramme de phase) de la solution liquide seront modélisées avec le modèle quasi-chimique modifié dans l’approximation par paires. Les données expérimentales nécessaires à l’étalonnage du modèle seront fournies par le QUILL (Queens University Ionic Liquid Laboratories), situé en Irlande du Nord. Selon l’avancement de ce projet, la densité et la viscosité des mélanges ternaires liquides ioniques seront également modélisées.