Spectro-imagerie optique à faible flux et comparaison de la cinématique Ha et HI d'un échantillon de galaxies proches

Un nouveau contrôleur de EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) est présenté. Il permet de diminuer significativement le bruit qui domine lorsque la puce EMCCD est utilisé pour du comptage de photons: le bruit d'injection de charge. À l'aide de ce contrôleur, une caméra EMCCD scientifique a été construite, caractérisée en laboratoire et testée à l'observatoire du mont Mégantic. Cette nouvelle caméra permet, entre autres, de réaliser des observations de la cinématique des galaxies par spectroscopie de champ intégral par interférométrie de Fabry-Perot en lumière Ha beaucoup plus rapidement, ou de galaxies de plus faible luminosité, que les caméras à comptage de photon basées sur des tubes amplificateurs. Le temps d'intégration nécessaire à l'obtention d'un rapport signal sur bruit donné est environ 4 fois moindre qu'avec les anciennes caméras. Les applications d'un tel appareil d'imagerie sont nombreuses: photométrie rapide et faible flux, spectroscopie à haute résolution spectrale et temporelle, imagerie limitée par la diffraction à partir de télescopes terrestres (lucky imaging), etc. D'un point de vue technique, la caméra est dominée par le bruit de Poisson pour les flux lumineux supérieurs à 0.002 photon/pixel/image. D'un autre côté, la raie d'hydrogène neutre (HI) à 21 cm a souvent été utilisée pour étudier la cinématique des galaxies. L'hydrogène neutre a l'avantage de se retrouver en quantité détectable au-delà du disque optique des galaxies. Cependant, la résolution spatiale de ces observations est moindre que leurs équivalents réalisés en lumière visible. Lors de la comparaison des données HI, avec des données à plus haute résolution, certaines différences étaient simplement attribuées à la faible résolution des observations HI. Le projet THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey a observé plusieurs galaxies de l'échantillon SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey). Les données cinématiques du projet THIGNS seront comparées aux données cinématiques obtenues en lumière Ha, afin de déterminer si la seule différence de résolution spatiale peut expliquer les différences observées. Les résultats montrent que des différences intrinsèques aux traceurs utilisées (hydrogène neutre ou ionisé), sont responsables de dissemblances importantes. La compréhension de ces particularités est importante: la distribution de la matière sombre, dérivée de la rotation des galaxies, est un test de certains modèles cosmologiques.

Complexe d'épaule dans un contexte d'analyse tridimentionnel - Modélisation et mise en garde

L'épaule est un complexe articulaire formé par le thorax, la clavicule, la scapula et l'humérus. Alors que les orientation et position de ces derniers la rendent difficile à étudier, la compréhension approfondie de l'interrelation de ces segments demeure cliniquement importante. Ainsi, un nouveau modèle du membre supérieur est développé et présenté. La cinématique articulaire de 15 sujets sains est collectée et reconstruite à l'aide du modèle. Celle-ci s'avère être généralement moins variable et plus facilement interprétable que le modèle de référence. Parallèlement, l'utilisation de simplifications, issues de la 2D, sur le calcul d'amplitude de mouvement en 3D est critiquée. Cependant, des cas d'exception où ces simplifications s'appliquent sont dégagés et prouvés. Ainsi, ils sont une éventuelle avenue d'amélioration supplémentaire des modèles sans compromission de leur validé.

Méthode numérique d'estimation du mouvement des masses molles

L’analyse biomécanique du mouvement humain en utilisant des systèmes optoélectroniques et des marqueurs cutanés considère les segments du corps comme des corps rigides. Cependant, le mouvement des tissus mous par rapport à l'os, c’est à dire les muscles et le tissu adipeux, provoque le déplacement des marqueurs. Ce déplacement est le fait de deux composantes, une composante propre correspondant au mouvement aléatoire de chaque marqueur et une composante à l’unisson provoquant le déplacement commun des marqueurs cutanés lié au mouvement des masses sous-jacentes. Si nombre d’études visent à minimiser ces déplacements, des simulations ont montré que le mouvement des masses molles réduit la dynamique articulaire. Cette observation est faite uniquement par la simulation, car il n'existe pas de méthodes capables de dissocier la cinématique des masses molles de celle de l’os. L’objectif principal de cette thèse consiste à développer une méthode numérique capable de distinguer ces deux cinématiques. Le premier objectif était d'évaluer une méthode d'optimisation locale pour estimer le mouvement des masses molles par rapport à l’humérus obtenu avec une tige intra-corticale vissée chez trois sujets. Les résultats montrent que l'optimisation locale sous-estime de 50% le déplacement des marqueurs et qu’elle conduit à un classement de marqueurs différents en fonction de leur déplacement. La limite de cette méthode vient du fait qu'elle ne tient pas compte de l’ensemble des composantes du mouvement des tissus mous, notamment la composante en unisson. Le second objectif était de développer une méthode numérique qui considère toutes les composantes du mouvement des tissus mous. Plus précisément, cette méthode devait fournir une cinématique similaire et une plus grande estimation du déplacement des marqueurs par rapport aux méthodes classiques et dissocier ces composantes. Le membre inférieur est modélisé avec une chaine cinématique de 10 degrés de liberté reconstruite par optimisation globale en utilisant seulement les marqueurs placés sur le pelvis et la face médiale du tibia. L’estimation de la cinématique sans considérer les marqueurs placés sur la cuisse et le mollet permet d'éviter l’influence de leur déplacement sur la reconstruction du modèle cinématique. Cette méthode testée sur 13 sujets lors de sauts a obtenu jusqu’à 2,1 fois plus de déplacement des marqueurs en fonction de la méthode considérée en assurant des cinématiques similaires. Une approche vectorielle a montré que le déplacement des marqueurs est surtout dû à la composante à l’unisson. Une approche matricielle associant l’optimisation locale à la chaine cinématique a montré que les masses molles se déplacent principalement autour de l'axe longitudinal et le long de l'axe antéro-postérieur de l'os. L'originalité de cette thèse est de dissocier numériquement la cinématique os de celle des masses molles et les composantes de ce mouvement. Les méthodes développées dans cette thèse augmentent les connaissances sur le mouvement des masses molles et permettent d’envisager l’étude de leur effet sur la dynamique articulaire.

Évaluation clinique et biomécanique de deux différents types d’arthroplastie totale de genou

Différents dessins d’implants de prothèse totale de genou (PTG) sont utilisés en pratique clinique et chacun présente des caractéristiques biomécaniques spécifiques. Aucun implant n’a réussi à ce jour à reproduire parfaitement la biomécanique du genou naturel. Les objectifs de cette étude sont de comparer les résultats cliniques et biomécaniques tridimensionnels (3D) de deux types de PTG chez le même patient, puis de comparer la cinématique des PTG à celle d’un groupe de genoux asymptomatiques. Une cohorte de quinze patients avec un implant traditionnel dans un genou et un implant de nouvelle génération permettant un pivot dans le genou contralatéral a été étudiée. Le groupe contrôle était composé de trente-cinq genoux asymptomatiques. L’analyse de la cinématique 3D a été réalisée avec l’outil KneeKG (Emovi Inc. Canada) lors de la marche sur tapis roulant. L’évaluation clinique comprenait l’amplitude de mouvement ainsi que les questionnaires de perception articulaire, KOOS, Womac et SF-12. La comparaison de la cinématique des deux types de PTG a démontré quelques différences statistiquement significatives dans les plans sagittal et frontal alors que la comparaison des PTG et des genoux asymptomatiques a révélé plusieurs différences significatives dans les trois plans. Les scores cliniques des deux PTG ne comportaient pas de différence significative. Dans notre cohorte de patients, le design de l’implant a eu peu d’influence sur les résultats biomécaniques et cliniques. Les PTG n’ont pas reproduit une cinématique normale de genou. Beaucoup de travail et de recherche dans le développement de nouveaux implants sont encore nécessaires afin d’améliorer les résultats cliniques et de mieux reproduire la cinématique du genou naturel.

Étude de la cinématique HI (21cm) et H-Alpha de la galaxie du Triangle (M33).

Latex a été utilisé pour la redaction de cette thèse.

L’effet de la prothèse totale du genou sur la cinématique 3D : vers le développement de biomarqueurs mécaniques de la douleur

La prothèse totale du genou (PTG) est une chirurgie couramment pratiquée pour traiter les patients souffrant d’arthrose sévère du genou. Bien que cette technique chirurgicale soit efficace pour diminuer la douleur, améliorer la fonction du genou et rentable d’un point de vue socio-économique, un pourcentage non négligeable de patients n’est pas satisfait suite à la chirurgie, principalement due à une douleur persistante ou due à une perception d’avoir une mauvaise fonction articulaire, sans cause identifiée. Cependant, l’impact de cette chirurgie sur la cinématique tridimensionnelle (3D) du genou demeure mal compris. Dans le but de mieux comprendre pourquoi certains patients ressentent toujours de la douleur suite à cette chirurgie, cette étude analysera, dans un premier temps, l’effet prospectif de la chirurgie sur la cinématique 3D du genou. Puis dans un second temps, comparera la cinématique 3D de sujet souffrant de douleur à celle de sujets asymptomatiques suite à la prothèse. Pour parvenir à ces deux objectifs, deux études distinctes ont été entreprises. Une première étude prospective a porté sur l’évolution de la cinématique 3D du genou d’un groupe de 19 sujets, recrutés sur la liste d’attente pour prothèse totale du genou de deux chirurgiens du CHUM, hôpital Notre-Dame, puis la cinématique a été comparée avec un groupe contrôle de 17 sujets avec des genoux sains. Une seconde étude a comparé la cinématique 3D de 20 sujets souffrant de douleur post-PTG avec 20 sujets avec des genoux asymptomatiques suite à leur chirurgie. La première étude a permis de montrer que la cinématique dans le plan frontal suite à la prothèse totale du genou était corrigée vers celle des sujets sains. Contrairement à celle mesurée dans les autres plans (sagittal et axial) qui, malgré de petites corrections, demeure différente de la cinématique des sujets sains. La seconde étude a permis d’identifier un marqueur biomécanique de la douleur chez les sujets souffrant de douleur post-PTG. Effectivement, contrairement aux sujets asymptomatiques, suite à leur chirurgie, les patients souffrants de douleur marchent avec une contracture en flexion plus importante tout au long de la phase d’appui. Les résultats de ces deux études tendent à montrer que la prothèse totale du genou modifie la cinématique 3D du genou, sans toutefois redevenir semblable à celle d’un genou normal. De plus, certains marqueurs biomécaniques peuvent être associés à de la douleur suite à la chirurgie. Une meilleure compréhension de l’impact de la PTG sur la cinématique 3D du genou permettra d’offrir de meilleurs traitements en préparation et après la chirurgie et pourrait mener à de nouveaux designs de prothèses.

Optical emission spectroscopic studies on laser ablated zinc oxide plasma

Optical emission spectroscopic studies were carried out on the plasma produced by ablation of zinc oxide target using the third harmonic 355 nm of Q-switched Nd:YAG laser, in vacuum and at three different ambient gas oxygen pressures. The spatial variations of electron density Ne and electron temperature Te were studied up to a distance of 20 mm from the target surface. The kinematics of the emitted particles and the expansion of the plume edge are discussed. The optimum conditions favorable for the formation of high quality zinc oxide thin films are thereby suggested.

Estudio para el mejoramiento de la planta procesadora de maíces Algrano

La planta procesadora de maíces Algrano, se encuentra realizando los procesos de transformación del maíz de forma artesanal, es decir con maquinaria anticuada, falta de productividad, procesos no sistémicos, tiempos y movimientos ineficientes, y calidad de los productos de competitividad media. Es por esto que surge la necesidad de realizar un estudio de mejoramiento, mediante tres escenarios: tecnificación de la planta, aumento de turnos laborales y trabajo con horas variables, con el fin de evaluar cuál de las anteriores estrategias es la que se ajusta más para el mejoramiento de las falencias ya nombradas. Cumpliendo así con el objetivo de sus propietarios de estar a un nivel competitivo y sostenible en el mercado. Teniendo en cuenta información del sector agroindustrial de Colombia el cual indica que la producción de maíz así como la demanda en Colombia cada vez es mayor. Y que la apertura económica exige un alto nivel de competitividad.

Measuring motion with kinematically redundant accelerometer arrays: theory, simulation and implementation

This work presents two schemes of measuring the linear and angular kinematics of a rigid body using a kinematically redundant array of triple-axis accelerometers with potential applications in biomechanics. A novel angular velocity estimation algorithm is proposed and evaluated that can compensate for angular velocity errors using measurements of the direction of gravity. Analysis and discussion of optimal sensor array characteristics are provided. A damped 2 axis pendulum was used to excite all 6 DoF of the a suspended accelerometer array through determined complex motion and is the basis of both simulation and experimental studies. The relationship between accuracy and sensor redundancy is investigated for arrays of up to 100 triple axis (300 accelerometer axes) accelerometers in simulation and 10 equivalent sensors (30 accelerometer axes) in the laboratory test rig. The paper also reports on the sensor calibration techniques and hardware implementation.

Planetary-wave-induced transport in the stratosphere

In the stratosphere, chemical tracers are drawn systematically from the equator to the pole. This observed Brewer–Dobson circulation is driven by wave drag, which in the stratosphere arises mainly from the breaking and dissipation of planetary-scale Rossby waves. While the overall sense of the circulation follows from fundamental physical principles, a quantitative theoretical understanding of the connection between wave drag and Lagrangian transport is limited to linear, small-amplitude waves. However, planetary waves in the stratosphere generally grow to a large amplitude and break in a strongly nonlinear fashion. This paper addresses the connection between stratospheric wave drag and Lagrangian transport in the presence of strong nonlinearity, using a mechanistic three-dimensional primitive equations model together with offline particle advection. Attention is deliberately focused on a weak forcing regime, such that sudden warmings do not occur and a quasi-steady state is reached, in order to examine this question in the cleanest possible context. Wave drag is directly linked to the transformed Eulerian mean (TEM) circulation, which is often used as a surrogate for mean Lagrangian motion. The results show that the correspondence between the TEM and mean Lagrangian velocities is quantitatively excellent in regions of linear, nonbreaking waves (i.e., outside the surf zone), where streamlines are not closed. Within the surf zone, where streamlines are closed and meridional particle displacements are large, the agreement between the vertical components of the two velocity fields is still remarkably good, especially wherever particle paths are coherent so that diabatic dispersion is minimized. However, in this region the meridional mean Lagrangian velocity bears little relation to the meridional TEM velocity, and reflects more the kinematics of mixing within and across the edges of the surf zone. The results from the mechanistic model are compared with those from the Canadian Middle Atmosphere Model to test the robustness of the conclusions.

A self-similar expansion model for use in solar wind transient propogation studies

Since the advent of wide-angle imaging of the inner heliosphere, a plethora of techniques have been developed to investigate the three-dimensional structure and kinematics of solar wind transients, such as coronal mass ejections, from their signatures in single- and multi-spacecraft imaging observations. These techniques, which range from the highly complex and computationally intensive to methods based on simple curve fitting, all have their inherent advantages and limitations. In the analysis of single-spacecraft imaging observations, much use has been made of the fixed φ fitting (FPF) and harmonic mean fitting (HMF) techniques, in which the solar wind transient is considered to be a radially propagating point source (fixed φ, FP, model) and a radially expanding circle anchored at Sun centre (harmonic mean, HM, model), respectively. Initially, we compare the radial speeds and propagation directions derived from application of the FPF and HMF techniques to a large set of STEREO/Heliospheric Imager (HI) observations. As the geometries on which these two techniques are founded constitute extreme descriptions of solar wind transients in terms of their extent along the line of sight, we describe a single-spacecraft fitting technique based on a more generalized model for which the FP and HM geometries form the limiting cases. In addition to providing estimates of a transient’s speed and propagation direction, the self-similar expansion fitting (SSEF) technique provides, in theory, the capability to estimate the transient’s angular extent in the plane orthogonal to the field of view. Using the HI observations, and also by performing a Monte Carlo simulation, we assess the potential of the SSEF technique.

Cross-entropy optimizer: a new tool to study precession in astrophysical jets

Evidence of jet precession in many galactic and extragalactic sources has been reported in the literature. Much of this evidence is based on studies of the kinematics of the jet knots, which depends on the correct identification of the components to determine their respective proper motions and position angles on the plane of the sky. Identification problems related to fitting procedures, as well as observations poorly sampled in time, may influence the follow-up of the components in time, which consequently might contribute to a misinterpretation of the data. In order to deal with these limitations, we introduce a very powerful statistical tool to analyse jet precession: the cross-entropy method for continuous multi-extremal optimization. Only based on the raw data of the jet components (right ascension and declination offsets from the core), the cross-entropy method searches for the precession model parameters that better represent the data. In this work we present a large number of tests to validate this technique, using synthetic precessing jets built from a given set of precession parameters. With the aim of recovering these parameters, we applied the cross-entropy method to our precession model, varying exhaustively the quantities associated with the method. Our results have shown that even in the most challenging tests, the cross-entropy method was able to find the correct parameters within a 1 per cent level. Even for a non-precessing jet, our optimization method could point out successfully the lack of precession.

Controle adaptativo robusto para um modelo desacoplado de um robô móvel

This thesis presents a new structure of robust adaptive controller applied to mobile robots (surface mobile robot) with nonholonomic constraints. It acts in the dynamics and kinematics of the robot, and it is split in two distinct parts. The first part controls the robot dynamics, using variable structure model reference adaptive controllers. The second part controls the robot kinematics, using a position controller, whose objective is to make the robot to reach any point in the cartesian plan. The kinematic controller is based only on information about the robot configuration. A decoupling method is adopted to transform the linear model of the mobile robot, a multiple-input multiple-output system, into two decoupled single-input single-output systems, thus reducing the complexity of designing the controller for the mobile robot. After that, a variable structure model reference adaptive controller is applied to each one of the resulting systems. One of such controllers will be responsible for the robot position and the other for the leading angle, using reference signals generated by the position controller. To validate the proposed structure, some simulated and experimental results using differential drive mobile robots of a robot soccer kit are presented. The simulator uses the main characteristics of real physical system as noise and non-linearities such as deadzone and saturation. The experimental results were obtained through an C++ program applied to the robot soccer kit of Microrobot team at the LACI/UFRN. The simulated and experimental results are presented and discussed at the end of the text

Aprendizagem motora baseada em demonstrações de movimento biológico

O objetivo deste estudo foi avaliar o processo de aprendizagem motora de uma habilidade complexa da Ginástica Artística a partir da observação de demonstrações de modelos de pontos de luz e vídeo. Dezesseis participantes divididas em grupos dos respectivos modelos executaram um pré-teste, seguido de 100 tentativas de uma parada de mãos, igualmente distribuídas em blocos de 10 tentativas em dois dias, alternando períodos de demonstração e prática, com um teste de retenção após um dia. Cinemática de braço, tronco e perna das participantes possibilitaram análise da semelhança entre a coordenação de cada participante e do modelo e do tempo de movimento; a performance das participantes também foi avaliada por duas especialistas em Ginástica Artística. Ambas as análises indicaram que os grupos não diferiram. Os resultados são discutidos em termos da hipótese de suficiência de informação nos modelos de movimento biológico particularmente aplicada ao processo de aprendizagem de habilidades motoras complexas.

Ánálise da capacidade funcional e da distribuição regional da ventilação pulmonar em pacientes com doença de chagas

INTRODUCTION: Cardiac and pulmonary manifestations of the Chagas disease (CD) affect between 20-30% of the infected subjects. The chronic Chagas cardiomyopathy (CCC) has some peculiarities such as arrhythmias and, especially heart failure (HF) and is potentially lethal due to left ventricular dysfunction. How respiratory disorders, patients get progressive loss of functional capacity, which contributes to a poor quality of life related to disease. Measurements of lung volume by the movement of the chest wall surface are an alternative evaluation of lung function and kinematics of complex thoracoabdominal for these patients. OBJECTIVE: evaluate the kinematics of the thoracoabdominal complex through the regional pulmonary volumes and to correlate with functional evaluation of the cardiorrespiratory system in patients with Chagas disease at rest. MATERIALS AND METHODS: a cross-section study with 42 subjects had been divided in 3 groups, 15 composed for patients with CCC, 12 patients with HF of different etiologies and 15 healthful presented control group. An optoelectronic plethysmography (POE), Minnesota questionnaire, six minute walk test, spirometer and manovacuometer was used. RESULTS: It was observed in the 6MWT where group CRL presented greater distance 464,93±44,63m versus Group HF with 399,58± 32,1m (p=0,005) and group CCC 404±68,24m (p=0,015), both the groups presented difference statistics with regard to Group CRL. In the manovacuometer 54,59±19,98; of the group CCC and 42,11±13,52 of group IC found group CRL presented 81,31±15,25 of the predicted versus, presenting in relation to group CRL. In the POE it observed a major contribution in abdominal compartment in patients with IC if compared like CCC and control groups. On the basis of the questionnaire of quality of life of Minessota, verified a low one groups CCC and IC 43,2±15,2 and 44,4±13,1, respectively (p<0,05) when compared with the control group (19,6±17,31). CONCLUSION: it seems that the patients with CCC possess same functional and respiratory characteristics, observed for the POE, 6MWT, manovacuometer and spirometer to the patients of group HF, being able to consider similar interventions for this complementary group as therapeutical of this neglected disease