An analysis of the photoelectron and Rydberg states of formaldehyde /|nby Carol R. Lessard. -- 260 St. Catharines [Ont.] : Dept. of Chemistry, Brock University,

Although it is generally accepted that Rydberg orbitals are very large and diffuse, and that electron promotion to a Rydberg orbital is not too different from ionization of the molecule, analysis of the two types of transitions proves otherwise. The photoelectron spectrum of the 2B2 (n) ion has very little vibrational structure attached to the origin band; on the other hand, several of the Rydberg transitions which involve the promotion of the n(bZ) electron exhibit a great deal of vibrational activity. In particular, the members of the n=3 Rydberg\ series interact with and perturb each other through pseudo-Jahn-Teller vibronic coupling. The vacuum ultraviolet spectrum contains a number of features which are difficult to explain, and two unusually sharp bands can only be identified as representing some form of electron promotion in formaldehyde.

Investigation of molecular polarizabilities and derivatives in halomethanes

The research undertaken was to obtain absolute Raman intensities for the symmetric stretching vibrations of the methyl halides, CH3X with (X=F, CI, Br), by experiment and theory. The intensities were experimentally measured using the Ar+ ion gas laser as excitation source, a Spex 14018 double monochromator and a RCA C-31034 photomultiplier tube as detector. These intensities arise from changes in the derivative of the polarizability (8 a'), with respect to vibration along a normal coordinate (8qi). It was intended that these derivatives obtained with respect to normal coordinates would be converted to derivatives with respect to internal coordinates, for a quantitative comparison with theory. Theoretical numerical polarizability derivatives for the stretching vibrations are obtained using the following procedure. A vibration was simulated in the molecule by increasi.ng and decreasing the respective bond by the amount ±o.oosA for the C-H bonds and ±o.oIA for the C-X (X=F, CI, Br) bond. The derivative was obtained by taking the difference in the polarizability for the equilibrium geometry and the geometry when a particular bond is changed. This difference, when divided by the amount of change in each bond and the number of bonds present results in the derivative of the polarizability with respect to internal coordinate i.e., !1u/!1r. These derivatives were obtained by two methods: I} ab initio molecular orbital calculation and 2} theory of atoms in molecules (AIM) analysis. Due to errors in the experimental setup only a qualitative analysis of the results was undertaken relative to the theory. Theoretically it is predicted that the symmetric carbonhalogen stretch vibrations are more intense than the respective carbon-hydrogen stretch, but only for the methyl chloride and bromide. The carbon fluorine stretch is less intense than the carbon-hydrogen stretch, a fact which is attributed to the small size and high electronegativity of the fluorine atom. The experimental observations are seen to agree qualitatively with the theory results. It is hoped that when the experiment is repeated, a quantitative comparison can be made. The analysis by the theory of atoms in molecules, along with providing polarizabilities and polarizability derivatives, gives additional information outlined below. The theory provides a pictorial description of the main factors contributing to the molecular polarizability and polarizability derivative. These contributions are from the charge transfer and atomic dipole terms i.e., transfer of charge from one atom to another and the reorganization of atomic electronic charge distribution due to presence of an electric field. The linear relationship between polarizability and molecular volume was also observed.

NMR studies of the exchange reactions of CH3CN.BX3 with excess CH3CN /|nJoseph Fogelman. -- 260 St. Catharines, Ont. : [s. n.],

Exchange reactions between molecular complexes and excess acid or base are well known and have been extensively surveyed in the literature(l). Since the exchange mechanism will, in some way involve the breaking of the labile donor-acceptor bond, it follows that a discussion of the factors relating to bonding in molecular complexes will be relevant. In general, a strong Lewis base and a strong Lewis acid form a stable adduct provided that certain stereochemical requirements are met. A strong Lewis base has the following characteristics (1),(2) (i) high electron density at the donor site. (ii) a non-bonded electron pair which has a low ionization potential (iii) electron donating substituents at the donor atom site. (iv) facile approach of the site of the Lewis base to the acceptor site as dictated by the steric hindrance of the substituents. Examples of typical Lewis bases are ethers, nitriles, ketones, alcohols, amines and phosphines. For a strong Lewis acid, the following properties are important:( i) low electron density at the acceptor site. (ii) electron withdrawing substituents. (iii) substituents which do not interfere with the close approach of the Lewis base. (iv) availability of a vacant orbital capable of accepting the lone electron pair of the donor atom. Examples of Lewis acids are the group III and IV halides such (M=B, AI, Ga, In) and MX4 - (M=Si, Ge, Sn, Pb). The relative bond strengths of molecular complexes have been investigated by:- (i) (ii) (iii) (iv) (v] (vi) dipole moment measurements (3). shifts of the carbonyl peaks in the IIIR. (4) ,(5), (6) .. NMR chemical shift data (4),(7),(8),(9). D.V. and visible spectrophotometric shifts (10),(11). equilibrium constant data (12), (13). heats of dissociation and heats of reactions (l~), (16), (17), (18), (19). Many experiments have bben carried out on boron trihalides in order to determine their relative acid strengths. Using pyridine, nitrobenzene, acetonitrile and trimethylamine as reference Lewis bases, it was found that the acid strength varied in order:RBx3 > BC1 3 >BF 3 • For the acetonitrile-boron trihalide and trimethylamine boron trihalide complexes in nitrobenzene, an-NMR study (7) showed that the shift to lower field was. greatest for the BB~3 adduct ~n~ smallest for the BF 3 which is in agreement with the acid strengths. If electronegativities of the substituents were the only important effect, and since c~ Br ,one would expect the electron density at the boron nucleus to vary as BF3orbital on the boron site. The degree of back-bonding varies inversely as the bo~on halogen distance and one would therefore expect the B-F bond to exhibit greater back-bonding character than the B-Cl or B-Br bonds. Since back-bonding transfers electron density from substituent to the boron atom site, this process would be expected to weaken the Lewis acid strength. This explains the Lewis acid strength increasing in the order BF 3 BC1 3 BBr 3 . When the acetonitrile boron trihalide complex is formed, the boron atom undergoes ~_cbange of hybridization from sp2 to sp3. From a linear relationship between the heat of formation of ethyl acetate adducts and the shift in the carbonyl I.R. stretch, Drago (22) et al have proposed that the angular di~tortion of the X-B-X bonds from sp2 (12 ) to sp3 (10 hybridization is proportional to the amount of charge transferred, i.e. to the nature of the base, and they have rejected the earlier concept of reorganization energy in explaining the formation of the adduct bond (19).

Rotation-electronic interaction in the 3p-complex Rydberg state of water

An energy theory is formulated for the rotational energy levels in a p-complex Rydberg state of an asymmetric top molecule of symmetry C2v. The effective Hamiltonian used consists of the usual rigid rotor Hamiltonian augmented with terms representing electronic spin and orbital angular momentum effects. Criteria for assigning symmetry species to the rotational energy levels, following Houganfs scheme that uses the full molecular group,are established and given in the form of a table. This is particularly suitable when eigenvectors are calculated on a digital computer. Also, an intensity theory for transitions to the Rydberg p-complex singlet states is presented and selection rules in terms of symmetry species of energy states are established. Finally, applications to HpO and DpO are given.

Mass spectrometric studies on aryltin compounds and alkali halides /

The fragmentation behavior of aryltin compounds [(p-ThAnis)nSnPh4.n (n=l-4); (p-ThAnis)3SnX (X=C1, Br, I); (o-CH30C6H4)3SnCl; Ph3Sn(o-pyr)] have been studied comparatively under EI and FAB ionization modes. Alkali halides were run under FAB mode. For the aryltin compounds, the effect of ligand type on the spectra have been explored in both EI and FAB modes. The fragmentation mechanisms have been examined with linked scans, such as fragment ion scans (B/E) and parent ion scans (B^/E). Ab Initio molecular orbital calculations were used to determine the structures of the fragments by comparing their relative stabilities. In the EI MS studies, negative ion EI mode has also been used for some of the aryltin compounds, to examine the possible ion molecule reactions under low pressures at 70eV. In the positive ion FAB MS studies, matrix optimization experiments have been carried out. Negative ion FAB experiments of all the compounds have been done in two different ways. Finally, the comparison of the two methods, EI MS and FAB MS, have been made.For alkali halides, the studies focused on the FAB MS behavior under different conditions. The intensities of cluster ions were reported, and the anomalies in the intensity distribution was also discussed.

ESI-MS[n] of anticancer pt[iv] organoamido complexes and their interactions with DNA-model compounds /

The general solution behaviour and" the major fragmentation pathways of the anticanceractive PtIV coordination complexes, trans, trans, cis, cis-[PtCIOH{N(pFC6F4) CH2h(pY)2] (1), trans, cis, cis-[Pt(OH)2{N(p-FC6F4)CH2h(Py)2] (2), trans, cis, cis-[Pt(OH)2{N(p-HC6F4)CH2h(Py)2] (3), trans, trans, cis, cis-[PtCIOH{N(pHC6F4) CH2h(Py)2] (4), and trans, trans, cis, cis-[PtOH(OCH3){N(p-HC6F4)CH2h(PY)2] (5) (Py = pyridine) have been deduced by positive-ion tandem-in-time ESI-MS. Overall, the acquired full-scan, positive-ion ESI-MS spectra of 2, 3, and 5 were characterized by the presence of relatively low-intensity [M+Nar and [M+Kt mass spectral peaks, whereas those of 1 and 4 were dominated by extremely intense [M+Hr peaks. Complexes 2 and 3 were also noted to form [2M+Ht and [2M+Nat dilneric cations. The source of Na + and K+ ions is believed to be the sample, the solvent systems used or the transport line carrying the sample solutions into the ES ion source. Further, the fragmentation pathway of all complexes studied was found to be almost identical with concurrent loss of py and H20 molecules, loss of a {N(p-YC6F4)CH2} (Y = F, H) group and/or concomitant release of the latter group and a py ligand being the most conunon. The photochemical degradation behaviour of 1 and 2 was also investigated using either fluorescent or ultraviolet light and some products of that degradation were positively identified. Altogether, light irradiation of solutions of both complexes resulted in cation cationisation, reductive-elimination, ligand-release, ligand-exchange and ligand-addition reactions. Finally, positive- and negative-ion ESI-MSn spectra of 5' -GMP, guanosine, inosine and products of their reactions with 1, 2,3, and 4 were also recorded. On the whole, full-scan ESI-MS spectra of the pure nucleobases revealed the presence of cationic and anionic species that are highly reflective of both their solution ionic composition and their propensity t9 form polymeric clusters. Analyses of mass spectra acquired from their reaction solutions with the aforementioned platinum complexes indicated very slow kinetics. However, all complexes investigated formed, to various degrees, Pt-nucleobase adducts with guanosine and inosine, but not with 5'-GMP. The products included species having coordination numbers of III, IV, V, and VI, among which the first-time· observed, coordinatively saturated, jive-coordinate PtlI-nucleobase complexes were of most interest. The latter complexes are presumably stabilized by 7tback- donation involving the filled d orbitals of the PtII centre and the empty pz· orbital of MeCN. All products, whose peaks appeared inlull-scan ESI-MS spectra, are believed to represent solution species rather than artifacts of gas-phase processes. Finally, negativeion ESI-MSn spectra recorded in reaction solutions of 1 and 4 with guanosine and of the latter complex with inosine revealed the negative-ion-ESI-MS first-time observed, noncovalent, nucleoside-chloride adducts, with the source of chloride anion being complexes 1 and 4 theillselves. In contrast, no such adducts were observed to form with Na25'-GMP or its protonated fonn. Few suggestions are offered for the possible cause(s) behind the absence of such adduct ions.

Formalizing affordances in situation

The representation of a perceptual scene by a computer is usually limited to numbers representing dimensions and colours. The theory of affordances attempted to provide a new way of representing an environment, with respect to a particular agent. The view was introduced as part of an entire field of psychology labeled as 'ecological,' which has since branched into computer science through the field of robotics, and formal methods. This thesis will describe the concept of affordances, review several existing formalizations, and take a brief look at applications to robotics. The formalizations put forth in the last 20 years have no agreed upon structure, only that both the agent and the environment must be taken in relation to one another. Situation theory has also been evolving since its inception in 1983 by Barwise & Perry. The theory provided a formal way to represent any arbitrary piece of information in terms of relations. This thesis will take a toy version of situation theory published in CSLI lecture notes no. 22, and add to the given ontologies. This thesis extends the given ontologies to include specialized affordance types, and individual object types. This allows for the definition of semantic objects called environments, which support a situation and a set of affordances, and niches which refer to a set of actions for an individual. Finally, a possible way for an environment to change into a new environment is suggested via the activation of an affordance.

New Building Blocks for Dual-Property Molecule-Based Magnets

Two classes of compounds have been prepared and characterized as building blocks for chiral magnets and ferromagnetic conductors. In the fIrst project, the organic framework of a pentadentate, (N302) macro cycle has been synthetically modifIed to introduce phenyl substituents into its organic framework and the synthesis of four new [Fe(In(N302)(CN)2] complexes (I) - (IV) is presented. [Molecular diagram availble in pdf] This work represents the fIrst structural and magnetic studies of a family of spin crossover macrocycles that comprise of both structural and stereo-isomers. Magnetic susceptibility and Mossbauer data for the R,R-complex (I) is consistent with both a thermal and a light induced spin crossover transition. The X-ray data supports a change in geometry accompanying the thermal spin transition, from a high spin (HS) 7 -coordinate complex at room temperature to a low spin (LS) 5-coordinate complex at 100 K. The crystal structure ofthe racemic complex (III) reveals a HS, 7-coordinate complex at 200 K that undergoes no signifIcant structural changes on cooling. In contrast, the magnetic - susceptibility and Mossbauer data collected on a powder sample of the racemic complex are consistent with a LS complex. Finally, the meso complex (IV) was prepared and its structure and magnetic properties are consistent with a 5-coordinate LS complex that remains low spin, but undergoes conformational changes on cooling in solution. The chiral [Fe(H)(N302)(CN)2] macro cycle (I), together with its Mn(H) and Fe(H) derivatives have also been exploited as building blocks for the self-assembly of chiral magnets. In the second project, a synthetic route for the preparation of tetrathiafulvalene (TTF) donors covalently attached to a diisopropyl verdazyl radical via a cross conjugated pyridyl linker IS presented. Following this strategy, four new TTF-py- (diisopropyl)verdazyl radicals have been prepared and characterized (V) - (VIII) . [Molecular diagram available in pdf] The first (2:1) charge transfer complex ofa TTF-py-(diisopropyl)verdazyl radical donor and a TCNQ acceptor has been prepared and structurally characterized. The crystal packing shows that the donor and acceptor molecules are organized in a mixed stacking arrangement consistent with its insulating behaviour. EPR and magnetic susceptibility data support intramolecular ferromagnetic interactions between the TTF and the verdazyl radicals and antiferromagnetic interactions between TTF donors within a stack. In an attempt to increase the intramolecular exchange interaction between the two radicals, a TTF-x-(diisopropyl)verdazyl radical (IX) was prepared, where the two radicals are connected ia a conjugated divinylene linker. The neutral radical donors stack in a more favourable head-to-head arrangement but the bulky isopropyl groups prevent the donor radicals from stacking close enough together to facilitate good orbital overlap. [Molecular diagram available in pdf].

Mirroring Enzymes: The Role of H-Bonding In HQuin-BAM Catalyzed Asymmetric Aza-Henry Reactions: A DFT Study into the Reactivity, Mechanism, and Origins of Selectivity

The exact mechanistic understanding of various organocatalytic systems in asymmetric reactions such as Henry and aza-Henry transformations is important for developing and designing new synthetic organocatalysts. The focus of this dissertation will be on the use of density functional theory (DFT) for studying the asymmetric aza-Henry reaction. The first part of the thesis is a detailed mechanistic investigation of a poorly understood chiral bis(amidine) (BAM) Brønsted acid catalyzed aza-Henry reaction between nitromethane and N-Boc phenylaldimine. The catalyst, in addition to acting as a Brønsted base, serves to simultaneously activate both the electrophile and the nucleophile through dual H-bonding during C-C bond formation and is thus essential for both reaction rate and selectivity. Analysis of the H-bonding interactions revealed that there was a strong preference for the formation of a homonuclear positive charge-assisted H-bond, which in turn governed the relative orientation of substrate binding. Attracted by this well-defined mechanistic investigation, the other important aspect of my PhD research addressed a detailed theoretical analysis accounting for the observed selectivity in diastereoselective versions of this reaction. A detailed inspection of the stereodetermining C-C bond forming transition states for monoalkylated nitronate addition to a range of electronically different aldimines, revealed that the origins of stereoselectivity were controlled by a delicate balance of different factors such as steric, orbital interactions, and the extent of distortion in the catalyst and substrates. The structural analysis of different substituted transition states established an interesting dependency on matching the shape and size of the catalyst (host molecule) and substrates (guest molecules) upon binding, both being key factors governing selectivity, in essence, offering an analogy to positive cooperative binding effect of catalytic enzymes and substrates in Nature. In addition, both intra-molecular (intra-host) and inter-molecular (host-guest, guest-guest) stabilizing interactions play a key role to the high π-facial selectivity. The application of dispersion-corrected functionals (i.e., ωB97X-D and B3LYP-D3) was essential for accurately modeling these stabilizing interactions, indicating the importance of dispersion effects in enantioselectivity. As a brief prelude to more extensive future studies, the influence of a triflate counterion on both reactivity and selectivity in this reaction was also addressed.

Études spectroscopiques expérimentales et théoriques de complexes de métaux de transition

Cette thèse présente une série d'études qui visent la compréhension de la structure électronique de complexes de métaux de transition en employant diverses méthodes de spectroscopie. L'information sur la structure électronique aide à comprendre et développer des nouveaux matériaux, des nouvelles voies de synthèses, ainsi que des nouveaux modèles théoriques. Habituellement, afin d'explorer la structure électronique d'un système qui comporte en son centre un métal de transition, l'information fournie par les spectres d'un seul composé n'est pas suffisante. On étudie une série de composés similaires, qui ont le même métal de transition à un degré d'oxydation donné, ainsi que des ligands qui forment des liaisons de différentes forces et caractéristiques avec le métal. Cependant, ces changements, bien qu'on les désire de faible impact, créent une grande perturbation de la structure électronique visée par les études. Afin d'étudier en profondeur une seule structure électronique, nous employons une stratégie d'analyse moins perturbante. Nous appliquons une pression hydrostatique sur les complexes de métaux de transition. Cette pression perturbe le système suffisamment pour nous livrer davantage d'informations sur la structure électronique, sans la « dénaturer ». Afin d'étudier précisément ces systèmes perturbés, la technique d'application de pression est conjuguée, dans la littérature, aux diverses techniques de spectroscopie d'absorption UV-visible, de luminescence, ainsi que de diffusion Raman. Pour extraire un maximum d'informations de ces expériences, on emploie des techniques de calculs de structure électronique ainsi que de dynamique des noyaux. Dans cette thèse, on tente de mettre en lumière la structure électronique de composés de molybdène(IV), de platine(II) et palladium(II) à l'aide de la technique de pression couplée aux spectroscopies de luminescence et de diffusion Raman. Dans le chapitre 3, on observe un déplacement de la bande de luminescence de +12 cm-1/kbar entre la pression ambiante et 25 kbar pour le complexe trans-[MoOCl(CN-t-Bu)4]BPh4, dont le centre métallique molybdène(IV)est de configuration électronique 4d2. Il s'agit de la première variation positive observée pour un complexe de type métal-oxo. À des pressions plus élevées, la tendance s'inverse. Le maximum d'énergie de la bande de luminescence se déplace de -8 cm-1/kbar. Ce changement de variation présage d'une compétition interne entre les ligands situés sur les différents axes de l'octaèdre. À l'aide de calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, on propose un mécanisme pour expliquer ce phénomène. Au cours du chapitre 4, on étudie des complexes de palladium(II) et de platine(II) qui ont les mêmes ligands. Un de ces ligands est le 1,4,7-trithiacyclononane (ttcn). On constate qu'à basse pression le ligand est bidentate. Par contre, lorsque la pression augmente, on constate, par exemple à l'aide du complexe [Pt(ttcn)Cl2], qu'une interaction anti-liante supplémentaire se produit entre le ligand ttcn et le métal, ce qui change la nature de l'orbitale HOMO. On observe un déplacement de la bande de luminescence de -19 cm-1/kbar. Tel que pour le complexe de molybdène(IV), le déplacement de la bande de luminescence dépend de la compétition entre les ligands situés sur les différents axes de l'octaèdre. L'interaction liante entre l'ion platine(II) et l'atome de soufre axial est l'effet le plus plausible qui peut induire un déplacement de la bande de luminescence vers les basses énergies. Ceci nous indique que cette interaction domine. Par contre, pour ce qui est du complexe palladium(II), la compétition est remportée par d'autres effets, car le déplacement de la bande de luminescence est de +6 cm-1/kbar. Encore une fois, des calculs, basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, aident à explorer les causes de ces observations en suggérant des explications corroborées simultanément par les diverses expériences de spectroscopie. Lors du chapitre 5, une étude plus exacte de la structure électronique ainsi que de la dynamique des noyaux de complexes de métaux de transition est présentée. En effet, les complexes de palladium(II) et de platine(II), de type [M(X)4]2-, ont une structure simple, très symétrique. Le premier état excité de ces molécules subit la distorsion Jahn-Teller. On veut établir un protocole de travail pour les expérimentateurs afin d'analyser des spectres de molécules pour lesquelles l'approximation de Born-Oppenheimer n'est pas valide. On utilise la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps ainsi que le modèle de Heidelberg afin de décrire des effets non adiabatique. On tente d'établir l'influence des effets non adiabatiques sur les spectres de ce type de complexe.

Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

Étude observationnelle de la collision des vents dans les systèmes Wolf-Rayet+O

Nous présentons les résultats de trois campagnes d'observation d'un mois chacune dans le cadre de l'étude de la collision des vents dans les systèmes binaires Wolf-Rayet + OB. Ce travail se concentre sur l'étude des objets de l'hémisphère sud n'ayant jamais encore fait l'objet d'études poussées dans ce contexte. À cela, nous avons ajouté l'objet archétype pour ce type de systèmes : WR 140 (WC7pd + O5.5fc) qui a effectué son dernier passage périastre en janvier 2009. Les deux premières campagnes (spectroscopiques), ont permis une mise à jour des éléments orbitaux ainsi qu'une estimation de la géométrie de la zone de collision des vents et d'autres paramètres fondamentaux des étoiles pour 6 systèmes binaires : WR 12 (WN8h), 21 (WN5o+O7V), 30 (WC6+O7.5V), 31 (WN4o+O8), 47 (WN6o+O5) et 140. Une période non-orbitale courte (probablement reliée à la rotation) a également été mesurée pour un des objets : WR 69 (WC9d+OB), avec une période orbitale bien plus grande. La troisième campagne (photométrique) a révélé une variabilité étonnamment faible dans un échantillon de 20 étoiles WC8/9. Cela supporte l'idée que les pulsations ne sont pas courantes dans ce type d'étoiles et qu'il est peu probable que celles-ci soient le mécanisme dominant de formation de poussière, suggérant, par défaut, le rôle prédominant de la collision des vents.

Systèmes superintégrables avec spin et intégrales du mouvement d’ordre deux

Ce mémoire est une partie d’un programme de recherche qui étudie la superintégrabilité des systèmes avec spin. Plus particulièrement, nous nous intéressons à un hamiltonien avec interaction spin-orbite en trois dimensions admettant une intégrale du mouvement qui est un polynôme matriciel d’ordre deux dans l’impulsion. Puisque nous considérons un hamiltonien invariant sous rotation et sous parité, nous classifions les intégrales du mouvement selon des multiplets irréductibles de O(3). Nous calculons le commutateur entre l’hamiltonien et un opérateur général d’ordre deux dans l’impulsion scalaire, pseudoscalaire, vecteur et pseudovecteur. Nous donnons la classification complète des systèmes admettant des intégrales du mouvement scalaire et vectorielle. Nous trouvons une condition nécessaire à remplir pour le potentiel sous forme d’une équation différentielle pour les cas pseudo-scalaire et pseudo-vectoriel. Nous utilisons la réduction par symétrie pour obtenir des solutions particulières de ces équations.

Approches générales de résolution pour les problèmes multi-attributs de tournées de véhicules et confection d'horaires

Thèse réalisée en cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université de Technologie de Troyes

Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.