Formação de professores de ciências para o uso de tecnologias

Na atualidade, torna-se premente que os alunos exerçam um papel ativo face a problemáticas de cariz científico e tecnológico na sociedade em que se inserem. Neste contexto, tem sido recomendada a promoção da Educação em Ciências, com orientação Ciência-Tecnologia-Sociedade (CTS) para o desenvolvimento da Literacia científica dos alunos, em particular, do Ensino Básico (EB). As Tecnologias da Informação e Comunicação (TIC) têm-se assumido, cada vez mais, como recursos privilegiados para os alunos aprenderem ciências. Portanto, é fundamental que os professores de Ciências do EB considerem os aspetos pedagógico-didáticos relacionados com a integração das TIC no processo de ensino e aprendizagem (E/A) das Ciências. No entanto, vários estudos têm revelado que a maioria dos professores parece não integrar as TIC no processo de E/A, o que se relaciona, entre outros obstáculos, com a falta de formação a este nível. Por outro lado, em Portugal, são escassos os estudos relacionados com a formação de professores de Ciências do EB para o uso de TIC no processo de E/A, com orientação CTS. O presente estudo tem como finalidade a criação de uma proposta de esquema referencial para o desenvolvimento de programas de formação (PF) de professores de Ciências do EB com orientação CTS (inicial, contínua e pós-graduada), com vista ao desenvolvimento de “competências TIC” destes (futuros) profissionais. Para tal, procurou-se responder a duas questões de investigação: Que componentes curriculares privilegiar em PF de professores do EB, que contribuam para o desenvolvimento de competências de integração das tecnologias no processo de E/A, em geral, e das Ciências, em particular?; e Qual o contributo de um PF na promoção de práticas pedagógico-didáticas com orientação CTS de Professores de Ciências do EB? O estudo organizou-se em duas fases. A Fase I designou-se “Formação de Professores do Ensino Básico em Tecnologia Educativa”, decorreu entre janeiro de 2009 e novembro de 2009, e teve um caráter exploratório com vista a descrever estratégias para a promoção do desenvolvimento pessoal, social e profissional, em particular, na dimensão do Conhecimento Pedagógico Tecnológico de Conteúdo (CPTC), de estudantes/professores do EB (inicial, contínua e pós-graduada). O CPTC representa o conhecimento de professores do EB para integrar as TIC no processo de E/A das Ciências, de acordo com a Perspetiva de Ensino por Pesquisa (EPP). A recolha de dados envolveu: a análise documental de vinte e três unidades curriculares (UC) de Tecnologia Educativa (TE) de Cursos de Educação Básica (1.º Ciclo de Bolonha), de dezassete Instituições de Ensino Superior Público Português; e o inquérito por entrevista a quatro Investigadores Portugueses em TE. A análise de conteúdo do corpus recolhido possibilitou a identificação dos componentes curriculares a privilegiar em PF de professores do EB neste âmbito, tais como: i) a “competência digital” de “pesquisa, seleção e organização de informação”; ii) a “competência pedagógica com TIC” de “planificação e/ou implementação de atividades de E/A”; iii) a “competência pedagógica com TIC de nível avançado” de reflexão crítica; iv) o conteúdo curricular centrado na colaboração online; v) a estratégia/atividade de E/A de trabalho de projeto; vi) o cenário de E/A misto (b-learning); vii) as ferramentas da web 2.0 (ex. Blog); e viii) a avaliação formativa de portefólios digitais desenvolvidos pelos estudantes/professores do EB em formação. A Fase II denominou-se “Formação de Professores de Ciências do Ensino Básico com Orientação CTS”, decorreu entre dezembro de 2009 e maio de 2011, e teve um caráter interventivo, com o intuito de conceber, produzir, implementar e avaliar um PF com esta orientação. O PF foi integrado nas UC de “TIC e Educação em Ciências” (TIC_EC) e de “Didática das Ciências Integradas II” (DCI_II) do Mestrado em Didática, área de especialização das Ciências, da Universidade de Aveiro (no 2.º semestre do ano letivo 2009/2010). O Mestrando dirigiu-se a um público profissionalizado, em particular, Educadores de Infância, Professores do 1.º CEB e Professores de Matemática e Ciências Naturais do 2.º CEB. A avaliação do PF foi contínua durante todo o seu processo de desenvolvimento, o que implicou a recolha das perceções dos principais envolvidos (os dois Docentes de DCI_II e de TIC_EC, os nove Mestrandos, um especialista externo em TE e a Investigadora do estudo). Para tal recorreu-se ao inquérito por questionário e por entrevista, à observação participante da Investigadora e à análise dos portefólios digitais desenvolvidos pelos Mestrandos durante o PF. A avaliação final do PF ocorreu no final do mesmo e dez meses após a formação ter terminado (maio de 2011). A análise de conteúdo do corpus recolhido permitiu demonstrar que o PF foi exequível e eficaz no contexto em que se projetou, o que se comprova na evidência de práticas pedagógico-didáticas de utilização das TIC no processo de E/A das Ciências, com orientação CTS, por parte de Mestrandos envolvidos no PF. O esquema referencial resultante do estudo integra a “estratégia de investigação conduzida pelo professor”, pressupõe a sinergia entre as áreas científicas da Didática das Ciências (DC) e da TE, e implica a integração da dimensão do CPTC ao nível da formação de professores de Ciências do EB (inicial, contínua e pós-graduada). Neste âmbito, sugere-se o desenvolvimento de projetos CTS pelos (futuros) profissionais, com recurso às TIC, e tendo em conta a perspetiva de EPP. Considera-se que estudos desta natureza poderão ser um contributo para impulsionar a Educação em Ciências com orientação CTS recorrendo às potencialidades educativas das tecnologias, em particular no EB. Assim, preconiza-se a necessidade de se investir na transferência, expansão e avaliação do referencial a outros contextos de formação de professores de Ciências.

A construção da identidade em ambientes digitais: estudo de caso sobre a construção da identidade online no Sapo Campus e em ambientes informais

O reconhecimento da dimensão criativa, participativa e social da rede trouxe profundas alterações à forma como se percebem e compreendem as questões relacionadas com a identidade, a educação, a prática e o conhecimento. Num cenário caraterizado pela conectividade e pela facilidade de acesso a pessoas e conteúdos, a rede oferece aos indivíduos um espaço onde podem interagir, trabalhar na sua aprendizagem, trocar experiências e construir uma identidade e reputação acessíveis a toda a comunidade. Quando se torna praticamente impossível permanecer fora do mundo digital e, consequentemente, da produção de uma identidade online (Costa e Torres, 2011; Warburton, 2009), a presença construída pelo indivíduo na rede surge como um currículo vitae ativo e dinâmico, revelador não apenas das competências adquiridas e certificadas em contextos de aprendizagem formais como daquelas desenvolvidas pela interação com os pares, pela partilha e pela comunicação. Partindo da análise da utilização de uma plataforma suportada institucionalmente (i.e. SAPO Campus), o presente trabalho de investigação tem como principal objetivo a análise e caraterização da construção da identidade online de um grupo de alunos do Mestrado em Comunicação Multimédia da Universidade de Aveiro num espaço providenciado pela instituição de ensino que frequentam. Com recurso a inquéritos por questionário, entrevistas em profundidade (realizadas aos participantes no estudo e a profissionais da área da comunicação e gestão de carreiras) e observação direta (análise quantitativa e qualitativa dos conteúdos publicados pelos participantes no SAPO Campus e em duas redes informais), procurou-se ainda caraterizar e analisar a identidade construída em espaços formais e informais, e aferir a importância – para alunos, instituição e mercado – da identidade online enquanto espaço de manifestação e divulgação de competências. Ainda que circunscrita ao contexto específico do Mestrado em Comunicação Multimédia e mais especificamente aos alunos cuja identidade online foi objeto de estudo, análise dos dados permite avançar que, de facto, os alunos estão conscientes da sua própria identidade online bem como da relevância de construir uma identidade e reputação sólidas e autênticas, que reflitam as suas competências e capacidades enquanto aprendentes e profissionais. Assim, poder-se-á avançar que no SAPO Campus os alunos estão a construir uma identidade online mais formal e cuidada, editando e selecionando os conteúdos de acordo com o contexto. Neste espaço, a maioria das publicações está diretamente relacionada com os trabalhos de investigação dos participantes, que recorrem à sua partilha nas redes informais para aumentar a visibilidade e exposição dos conteúdos publicados. Os participantes no estudo revelaram ainda valorizar o sentimento de segurança providenciado pelas tecnologias institucionais, bem como a possibilidade de construir uma identidade numa plataforma associada à sua instituição de ensino. Do estudo efetuado resultou ainda uma proposta de um modelo para a análise da identidade online, que poderá ser utilizado na análise da presença dos indivíduos em ambientes online formais e informais. Apresentando a identidade online como uma realidade assente na representação digital, na gestão da privacidade e na reputação construída na rede, o modelo foi aplicado aos dados recolhidos pelo estudo, conduzindo ao desenho de duas grandes formas de estar na rede: identidade orientada pelo contexto, e identidade orientada pelo utilizador. Quando as caraterísticas dos mundos digitais alteram a forma de produção da identidade e num cenário onde a contextualização de dados e informação assume uma importância crescente, este estudo de caso poderá contribuir para o conhecimento dos processos de construção da identidade em espaços formais e informais, da forma como os indivíduos gerem e constroem a sua identidade online, e ainda sobre a importância e o impacto da construção de uma identidade online consciente e credível para a reputação dos indivíduos e das Instituições de Ensino Superior.

Web 2.0 e a competência comunicativa em língua inglesa

O presente projeto pretende investigar as potencialidades das ferramentas Web 2.0 no desenvolvimento da competência comunicativa em língua inglesa no ensino superior. O referencial teórico que serve de sustentáculo ao estudo ancorou-se nas diretrizes emanadas pelos organismos nacionais e europeus no âmbito do Processo de Bolonha, analisando, por um lado, o papel da língua inglesa na consecução das metas de Bolonha e, por outro, os desafios ao nível pedagógico e metodológico decorrentes dos objetivos e linhas de ação traçados. Por sua vez, o Processo de Bolonha tem de ser enquadrado num vasto conjunto de mudanças de cariz económico e social, a que não são alheias as constantes inovações ao nível das Tecnologias de Informação e Comunicação, que têm gerado um ritmo acelerado de produção e disseminação da informação à escala global. Esta realidade implicou novos desafios e oportunidades, nomeadamente a criação de um contexto de aprendizagem dinâmico, potenciador de uma aprendizagem dialógica e dialética, contribuindo para um incremento de oportunidades para comunicar e agir em língua inglesa. A abordagem metodológica arquitetada caraterizou-se pela conceção e implementação de um projeto de investigação-ação ao longo de dois semestres nas unidades curriculares de Inglês II e Inglês III no curso de licenciatura em Turismo da Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Viseu. Tomando como ponto de partida os resultados de aprendizagem e o tema aglutinador de cada unidade curricular, implementaram-se tarefas interacionais com recurso a ferramentas Web 2.0 (rede social, wiki, podcast) que implicaram a criação e manutenção de processos dialógicos com vista à produção de outputs colaborativos. A análise da informação recolhida aponta para um impacto marcadamente positivo da implementação de tarefas dialógicas com recurso à Web social no âmbito da aprendizagem da língua inglesa no ensino superior. Destaca-se, nomeadamente, um envolvimento ativo dos estudantes na resolução de atividades autênticas do ponto de vista situacional e interacional, a harmonização entre o estudo contextualizado da língua com a descoberta da cultura, bem como o desenvolvimento de capacidades de gestão do processo individual e colaborativo de aprendizagem.

Formação cívica e formação de professores: limites e potencialidades

A reorganização curricular do Ensino Básico de 2001 representou uma mudança de paradigma: uma aposta na flexibilidade, na integração e na autonomia. Uma das principais inovações desta reforma foi a criação de áreas curriculares não disciplinares, entre elas a Formação Cívica. Uma década volvida qual o impacto desta decisão? Estudos anteriores revelaram o uso administrativo e burocrático da Formação Cívica, ao serviço do Diretor de Turma e das suas responsabilidades de gestão da turma e resolução de conflitos. Num cenário de defraudamento das expetativas iniciais depositadas neste domínio não disciplinar e convencidos que estávamos da importância de potenciar espaços reais de promoção da Cidadania nas escolas desencadeámos um estudo de modelização dupla investigação-formação que nos permitisse compreender qual o papel da formação de professores neste domínio e os respetivos limites e potencialidades da Formação Cívica. Com base no pressuposto de que a ação de qualquer professor em contexto de sala de aula depende do conhecimento profissional que possui acerca de um determinado domínio curricular e reconhecendo a ausência de mecanismos de formação específica para a concretização dos tempos letivos de Formação Cívica, estruturámos o nosso trabalho com o intuito de contribuir para a construção de conhecimento sobre a natureza da formação de professores em Formação Cívica. Realizado no contexto da formação contínua de professores, o presente estudo desenvolveu-se em duas etapas fundamentais que se foram interligando entre momentos de investigação, reflexão, formação, recolha e análise de dados. A abordagem metodológica que se delineou para todas as fases assumiu um cariz qualitativo e crítico-interpretativo. Numa primeira fase, realizámos um estudo exploratório que nos permitiu identificar conceções, práticas e contextos no domínio da Formação Cívica. Selecionámos uma escola no distrito de Aveiro e entrevistámos 10 professores do 3.º CEB, coordenação e direção da escola, analisámos documentos oficiais e observámos aulas. Concluímos que a operacionalização da Formação Cívica está refém de um conjunto de condicionalismos, entre eles: a ausência de orientações curriculares; a sobreposição de funções do Diretor de Turma; o não reconhecimento das funções pedagógicas de uma área não disciplinar; a ausência de preparação científica e pedagógica dos professores responsáveis por este tempo letivo. A segunda fase do estudo contemplou a conceção, desenvolvimento, implementação e avaliação de um percurso formativo projetado com base nos resultados do estudo exploratório e da revisão da literatura realizada para o efeito. O percurso formativo, desenvolvido na modalidade de Oficina de Formação (OF), envolveu e alicerçou-se no potencial das tecnologias (participação numa comunidade online; criação de blogues; desenvolvimento de recursos digitais) e envolveu sete professores. Dos professores participantes na OF, foram analisados em detalhe o percurso formativo de três professoras de diferentes escolas do ensino básico e com diferentes níveis de experiência letiva em Formação Cívica. A realização deste percurso formativo permitiu-nos: i) identificar processos de reconstrução do conceito de cidadania e do lugar da Formação Cívica; ii) identificar uma visão mais alargada e transformadora da Formação Cívica ao invés de abordagens restritas de cariz administrativo; ii) analisar a importância da partilha de experiências, do feedback, do suporte e da reflexão no processo formativo para o desenvolvimento das práticas pedagógico-didáticas; iv) conceptualizar o conhecimento profissional docente associado à Formação Cívica. Consideramos que este estudo contribui para a necessária reflexão sobre o espaço e o papel da Educação para a Cidadania no sistema educativo Português, assim como para o debate da afirmação da Formação Cívica (com esta ou outra designação mas necessariamente com novos contornos), em particular no currículo do ensino básico. Sustentamos ainda a importância fundamental da formação contínua (de carácter ativo e reflexivo) e da construção partilhada do conhecimento para o desenvolvimento profissional dos professores de Formação Cívica, necessário para dar resposta aos desafios da Educação para a Cidadania.

Caracterização e modificação de heteroestruturas de nitretos do grupo III

Os nitretos binários semicondutores do grupo III, e respetivos compostos, são vastamente estudados devido à sua possível aplicabilidade em dispositivos optoeletrónicos, tais como díodos emissores de luz (LEDs) e LASERs, assim como dispositivos para a eletrónica de elevadas temperatura, potência e frequência. Enquanto se concretizou a comercialização na última década de LEDs e LASERs recorrendo ao ternário In1-yGayN, estudos das propriedades fundamentais estruturais e óticas, assim como de técnicas de processamento no desenvolvimento de novas aplicações de outros ternários do grupo III-N encontram-se na sua fase inicial. Esta tese apresenta a investigação experimental de filmes finos epitaxiais de Al1-xInxN crescidos sobre camadas tampão de GaN e de Al1-yGayN e o estudo do recozimento e implantação de super-redes (SL) compostas por pontos quânticos de GaN (QD) envolvidos por camadas de AlN. Apesar do hiato energético do Al1-xInxN poder variar entre os 0,7 eV e os 6,2 eV e, por isso, numa gama, consideravelmente superior à dos ternários Al1-yGayN e InyGa1-yN, o primeiro é o menos estudado devido a dificuldades no crescimento de filmes com elevada qualidade cristalina. É efetuada, nesta tese, uma caracterização estrutural e composicional de filmes finos de Al1-xInxN crescidos sobre camadas tampão de GaN e de Al1-yGayN usando técnicas de raios-X, feixe de iões e de microscopia. Mostra-se que o Al1-xInxN pode ser crescido com elevada qualidade cristalina quando a epitaxia do crescimento se aproxima da condição de rede combinada do Al1-xInxN e da camada tampão (GaN ou Al1-yGayN), isto é, com conteúdo de InN de ~18%, quando crescido sobre uma camada de GaN. Quando o conteúdo de InN é inferior/superior à condição de rede combinada, fenómenos de relaxação de tensão e deterioração do cristal tais como o aumento da rugosidade de superfície prejudicam a qualidade cristalina do filme de Al1-xInxN. Observou-se que a qualidade dos filmes de Al1-xInxN depende fortemente da qualidade cristalina da camada tampão e, em particular, da sua morfologia e densidade de deslocações. Verificou-se que, dentro da exatidão experimental, os parâmetros de rede do ternário seguem a lei empírica de Vegard, ou seja, variam linearmente com o conteúdo de InN. Contudo, em algumas amostras, a composição determinada via espetrometria de retrodispersão de Rutherford e difração e raios-X mostra valores discrepantes. Esta discrepância pode ser atribuída a defeitos ou impurezas capazes de alterar os parâmetros de rede do ternário. No que diz respeito às SL dos QD e camadas de AlN, estudos de recozimento mostraram elevada estabilidade térmica dos QD de GaN quando estes se encontram inseridos numa matriz de AlN. Por implantação iónica, incorporou-se európio nestas estruturas e, promoveu-se a ativação ótica dos iões de Eu3+ através de tratamentos térmicos. Foram investigados os efeitos da intermistura e da relaxação da tensão ocorridos durante o recozimento e implantação nas propriedades estruturais e óticas. Verificou-se que para fluências elevadas os defeitos gerados por implantação são de difícil remoção. Contudo, a implantação com baixa fluência de Eu, seguida de tratamento térmico, promove uma elevada eficiência e estabilidade térmica da emissão vermelha do ião lantanídeo incorporado nos QD de GaN. Estes resultados são, particularmente relevantes, pois, na região espetral indicada, a eficiência quântica dos LEDs convencionais de InGaN é baixa.

Precoding techniques for coordinated multicell systems

Coordenação Multicélula é um tópico de investigação em rápido crescimento e uma solução promissora para controlar a interferência entre células em sistemas celulares, melhorando a equidade do sistema e aumentando a sua capacidade. Esta tecnologia já está em estudo no LTEAdvanced sob o conceito de coordenação multiponto (COMP). Existem várias abordagens sobre coordenação multicélula, dependendo da quantidade e do tipo de informação partilhada pelas estações base, através da rede de suporte (backhaul network), e do local onde essa informação é processada, i.e., numa unidade de processamento central ou de uma forma distribuída em cada estação base. Nesta tese, são propostas técnicas de pré-codificação e alocação de potência considerando várias estratégias: centralizada, todo o processamento é feito na unidade de processamento central; semidistribuída, neste caso apenas parte do processamento é executado na unidade de processamento central, nomeadamente a potência alocada a cada utilizador servido por cada estação base; e distribuída em que o processamento é feito localmente em cada estação base. Os esquemas propostos são projectados em duas fases: primeiro são propostas soluções de pré-codificação para mitigar ou eliminar a interferência entre células, de seguida o sistema é melhorado através do desenvolvimento de vários esquemas de alocação de potência. São propostas três esquemas de alocação de potência centralizada condicionada a cada estação base e com diferentes relações entre desempenho e complexidade. São também derivados esquemas de alocação distribuídos, assumindo que um sistema multicelular pode ser visto como a sobreposição de vários sistemas com uma única célula. Com base neste conceito foi definido uma taxa de erro média virtual para cada um desses sistemas de célula única que compõem o sistema multicelular, permitindo assim projectar esquemas de alocação de potência completamente distribuídos. Todos os esquemas propostos foram avaliados em cenários realistas, bastante próximos dos considerados no LTE. Os resultados mostram que os esquemas propostos são eficientes a remover a interferência entre células e que o desempenho das técnicas de alocação de potência propostas é claramente superior ao caso de não alocação de potência. O desempenho dos sistemas completamente distribuídos é inferior aos baseados num processamento centralizado, mas em contrapartida podem ser usados em sistemas em que a rede de suporte não permita a troca de grandes quantidades de informação.

Photoinactivation of viruses by porphyrins

A inativação fotodinâmica tem sido usada com sucesso na inativação de microorganismos. Diversos aspetos da inativação fotodinâmica foram já estudados para diferentes microrganismos, contudo, existe ainda pouca informação disponível no que diz respeito à inativação de bacteriófagos por processos fotodinâmicos. Este trabalho pretendeu elucidar e avaliar vários aspetos da fotoinativação de vírus, em particular de bacteriófagos, incluindo (i) o efeito de diversos parâmetros de luz utilizados na fotoinativação de bacteriófagos; (ii) a eficiência da inativação fotodinâmica de diferentes tipos de bacteriófagos (fagos do tipo DNA e RNA); (iii) o principal mecanismo através do qual a inativação fotodinâmica tem lugar; (iv) o efeito da fotoinativação nas proteínas do bacteriófago; e (v) o possível desenvolvimento de resistência e recuperação da viabilidade após vários tratamentos fotodinâmicos consecutivos. Para avaliar o efeito dos diferentes parâmetros de luz, suspensões fágicas com 107 UFP mL-1 foram irradiadas com diferentes fontes e doses de luz, intensidades luminosas e tempos de irradiação (30,90 e 270 min) na presença de 0,5; 1,0 e 5,0 μM dos derivados porfirínicos catiónicos Tri- Py+-Me-PF e Tetra-Py+-Me. A eficiência da fotoinativação de diferentes fagos do tipo DNA e RNA, foi avaliada através da irradiação da suspensão fágica com luz branca (40 W m-2) durante 270 min na presença de 0,5 e 5,0 μM do derivado porfirínico Tri-Py+-Me-PF, respetivamente para os fagos do tipo RNA e DNA. O mecanismo através do qual a fotoinativação de fagos de DNA (fago do tipo T4) e de RNA (fago Qb) tem lugar foi avaliado por exposição da suspensão fágica à luz branca com uma potência de 40 W m-2, na presença de fotossensibilizador (Tri-Py+-Me-PF e Tetra-Py+-Me) e inibidores, quer do oxigénio singuleto (azida de sódio e L-histidina) quer de radicais livres (Dmanitol e L-cisteína). Os danos nas proteínas do fago do tipo T4, induzidos pelas espécies reativas de oxigénio geradas por 5,0 μM Tri-Py+-Me-PF, foram avaliados pelo método convencional de SDS-PAGE e por espectroscopia de infravermelho. O possível desenvolvimento de resistência e recuperação da viabilidade após a inativação fotodinâmica dos bacteriófagos foi avaliado após dez ciclos consecutivos de tratamento fotodinâmico incompletos (120 min sob irradiação de luz branca a uma potência de 40 W m-2) na presença de 5,0 μM do derivado porfirínico Tri-Py+-Me-PF. Os resultados deste trabalho mostraram que (i) quando uma quantidade de energia (dose de luz) determinada foi aplicada numa suspensão fágica, a partir de uma mesma fonte irradiação, a fotoinactivação do fago foi tanto mais eficiente quanto mais baixa foi a potência luminosa aplicada; (ii) os bacteriófagos foram eficientemente inativados até ao limite de deteção (redução de 6-7 log); (ii) os fagos do tipo RNA foram inativados mais facilmente do que os fagos do tipo DNA (tempos de exposição mais curtos e com concentração de fotossensibilizador dez vezes menor do que a usada para inativar os fagos do tipo DNA); (iii) o mecanismo do tipo II (via produção de oxigénio singuleto) foi o principal mecanismo através do qual a fotoinativação dos bacteriófagos teve lugar; (iv) foi possível detectar danos no perfil proteico após tratamento fotodinâmico e a espectroscopia de infravermelho apresentou-se como uma metodologia promissora de screening para avaliação dos danos induzidos pela inativação fotodinâmica em proteínas; e (v) após dez ciclos consecutivos de tratamento fotodinâmico, o fago do tipo T4 não revelou nenhum tipo de resistência ao tratamento fotodinâmico nem recuperou a sua viabilidade. Como conclusão, a inativação fotodinâmica microbiana é uma tecnologia bastante eficaz para a fotoinativação de bacteriófagos do tipo DNA e RNA sem invólucro, a qual pode ser considerada como uma alternativa ao tratamento convencional com agentes antivíricos, mesmo com intensidades luminosas baixas, sem o risco associado de desenvolvimento de mecanismos de resistência.

Estudo de otimização de imagem e dose em mamografia digital

O objetivo deste trabalho foi efetuar um estudo de otimização dos parâmetros de exposição do mamógrafo digital da marca GE, modelo Senographe DS instalado no Instituto Português de Oncologia de Coimbra (IPOC) baseado numa análise contraste detalhe e avaliar o impacto do resultado obtido na melhoria da capacidade de detecção clínica das estruturas da mama. O mamógrafo em estudo dispõe de um sistema de controle automático da exposição designado por sistema AOP (Automatic Optimization of Parameters) que foi otimizado pelo fabricante a partir da razão contraste ruído. O sistema AOP é usado na prática clínica na quase totalidade dos exames de mamografia realizados no IPOC. Tendo em conta o tipo de estrutura que se pretende visualizar na mamografia, nomeadamente estruturas de baixo contraste como as massas e estruturas de dimensão submilimétrica como as microcalcificações, a análise contraste detalhe poderia constituir uma abordagem mais adequada para o estudo de otimização dos parâmetros de exposição uma vez que permitiria uma avaliação conjunta do contraste, da resolução espacial e do ruído da imagem. Numa primeira fase do trabalho foi efetuada a caracterização da prática clínica realizada no mamógrafo em estudo em termos de espessura de mama comprimida “típica”, dos parâmetros técnicos de exposição e das opções de processamento das imagens aplicadas pelo sistema AOP (combinação alvo/filtro, tensão aplicada na ampola - kVp e produto corrente-tempo da ampola - mAs). Numa segunda fase foi realizado um estudo de otimização da qualidade da imagem versus dose na perspectiva dos parâmetros físicos. Para tal foi efetuada uma análise contrastedetalhe no objeto simulador de mama CDMAM e usada uma figura de mérito definida a partir do IQFinv (inverted image quality figure) e da dose glandular média. Os resultados apontaram para uma diferença entre o ponto ótimo resultante do estudo de otimização e o ponto associado aos parâmetros de exposição escolhidos pelo sistema AOP, designadamente no caso da mama pequena. Sendo a qualidade da imagem na perspectiva clínica um conceito mais complexo cujo resultado da apreciação de uma imagem de boa qualidade deve ter em conta as diferenças entre observadores, foi efetuado na última parte deste trabalho um estudo do impacto clínico da proposta de otimização da qualidade de imagem. A partir das imagens realizadas com o objeto simulador antropomórfico TOR MAM simulando uma mama pequena, seis médicos(as) radiologistas com mais de 5 anos de experiência em mamografia avaliaram as imagens “otimizadas” obtidas utilizando-se os parâmetros técnicos de exposição resultantes do estudo de otimização e a imagem resultante da escolha do sistema AOP. A análise estatística das avaliações feitas pelos médicos indica que a imagem “otimizada” da mama pequena apresenta uma melhor visualização das microcalcificações sem perda da qualidade da imagem na deteção de fibras e de massas em comparação com a imagem “standard”. Este trabalho permitiu introduzir uma nova definição da figura de mérito para o estudo de otimização da qualidade da imagem versus dose em mamografia. Permitiu também estabelecer uma metodologia consistente que pode facilmente ser aplicada a qualquer outro mamógrafo, contribuindo para a área da otimização em mamografia digital que é uma das áreas mais relevantes no que toca à proteção radiológica do paciente.

Design and optimization next generation passive all-optical networks

Este trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização da rede. A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1 Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas passivas (PON). Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede. São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM). Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude (M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e distância de transmissão em cenários NG-OAN. O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso, é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM. A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento digital do sinal.

Electronic health records for mobile citizens: a secure and collaborative architecture

Durante as ultimas décadas, os registos de saúde eletrónicos (EHR) têm evoluído para se adaptar a novos requisitos. O cidadão tem-se envolvido cada vez mais na prestação dos cuidados médicos, sendo mais pró ativo e desejando potenciar a utilização do seu registo. A mobilidade do cidadão trouxe mais desafios, a existência de dados dispersos, heterogeneidade de sistemas e formatos e grande dificuldade de partilha e comunicação entre os prestadores de serviços. Para responder a estes requisitos, diversas soluções apareceram, maioritariamente baseadas em acordos entre instituições, regiões e países. Estas abordagens são usualmente assentes em cenários federativos muito complexos e fora do controlo do paciente. Abordagens mais recentes, como os registos pessoais de saúde (PHR), permitem o controlo do paciente, mas levantam duvidas da integridade clinica da informação aos profissionais clínicos. Neste cenário os dados saem de redes e sistemas controlados, aumentando o risco de segurança da informação. Assim sendo, são necessárias novas soluções que permitam uma colaboração confiável entre os diversos atores e sistemas. Esta tese apresenta uma solução que permite a colaboração aberta e segura entre todos os atores envolvidos nos cuidados de saúde. Baseia-se numa arquitetura orientada ao serviço, que lida com a informação clínica usando o conceito de envelope fechado. Foi modelada recorrendo aos princípios de funcionalidade e privilégios mínimos, com o propósito de fornecer proteção dos dados durante a transmissão, processamento e armazenamento. O controlo de acesso _e estabelecido por políticas definidas pelo paciente. Cartões de identificação eletrónicos, ou certificados similares são utilizados para a autenticação, permitindo uma inscrição automática. Todos os componentes requerem autenticação mútua e fazem uso de algoritmos de cifragem para garantir a privacidade dos dados. Apresenta-se também um modelo de ameaça para a arquitetura, por forma a analisar se as ameaças possíveis foram mitigadas ou se são necessários mais refinamentos. A solução proposta resolve o problema da mobilidade do paciente e a dispersão de dados, capacitando o cidadão a gerir e a colaborar na criação e manutenção da sua informação de saúde. A arquitetura permite uma colaboração aberta e segura, possibilitando que o paciente tenha registos mais ricos, atualizados e permitindo o surgimento de novas formas de criar e usar informação clínica ou complementar.

Development of high-resolution gamma cameras based on silicon photosensors

The development of a compact gamma camera with high spatial resolution is of great interest in Nuclear Medicine as a means to increase the sensitivity of scintigraphy exams and thus allow the early detection of small tumours. Following the introduction of the wavelength-shifting fibre (WSF) gamma camera by Soares et al. and evolution of photodiodes into highly sensitive silicon photomultipliers (SiPMs), this thesis explores the development of a WSF gamma camera using SiPMs to obtain the position information of scintillation events in a continuous CsI(Na) crystal. The design is highly flexible, allowing the coverage of different areas and the development of compact cameras, with very small dead areas at the edges. After initial studies which confirmed the feasibility of applying SiPMs, a prototype with 5 5 cm2 was assembled and tested at room temperature, in an active field-of-view of 10 10 mm2. Calibration and characterisation of intrinsic properties of this prototype were done using 57Co, while extrinsic measurements were performed using a high-resolution parallel-hole collimator and 99mTc. In addition, a small mouse injected with a radiopharmaceutical was imaged with the developed prototype. Results confirm the great potential of SiPMs when applied in a WSF gamma camera, achieving spatial resolution performance superior to the traditional Anger camera. Furthermore, performance can be improved by an optimisation of experimental conditions, in order to minimise and control the undesirable effects of thermal noise and non-uniformity of response of multiple SiPMs. The development and partial characterisation of a larger SiPM WSF gamma camera with 10 10 cm2 for clinical application are also presented.

Reconfigurable transmitters for software-defined radios

Flexible radio transmitters based on the Software-Defined Radio (SDR) concept are gaining an increased research importance due to the unparalleled proliferation of new wireless standards operating at different frequencies, using dissimilar coding and modulation schemes, and targeted for different ends. In this new wireless communications paradigm, the physical layer of the radio transmitter must be able to support the simultaneous transmission of multi-band, multi-rate, multi-standard signals, which in practice is very hard or very inefficient to implement using conventional approaches. Nevertheless, the last developments in this field include novel all-digital transmitter architectures where the radio datapath is digital from the baseband up to the RF stage. Such concept has inherent high flexibility and poses an important step towards the development of SDR-based transmitters. However, the truth is that implementing such radio for a real world communications scenario is a challenging task, where a few key limitations are still preventing a wider adoption of this concept. This thesis aims exactly to address some of these limitations by proposing and implementing innovative all-digital transmitter architectures with inherent higher flexibility and integration, and where improving important figures of merit, such as coding efficiency, signal-to-noise ratio, usable bandwidth and in-band and out-of-band noise will also be addressed. In the first part of this thesis, the concept of transmitting RF data using an entirely digital approach based on pulsed modulation is introduced. A comparison between several implementation technologies is also presented, allowing to state that FPGAs provide an interesting compromise between performance, power efficiency and flexibility, thus making them an interesting choice as an enabling technology for pulse-based all-digital transmitters. Following this discussion, the fundamental concepts inherent to pulsed modulators, its key advantages, main limitations and typical enhancements suitable for all-digital transmitters are also presented. The recent advances regarding the two most common classes of pulse modulated transmitters, namely the RF and the baseband-level are introduced, along with several examples of state-of-the-art architectures found on the literature. The core of this dissertation containing the main developments achieved during this PhD work is then presented and discussed. The first key contribution to the state-of-the-art presented here consists in the development of a novel ΣΔ-based all-digital transmitter architecture capable of multiband and multi-standard data transmission in a very flexible and integrated way, where the pulsed RF output operating in the microwave frequency range is generated inside a single FPGA device. A fundamental contribution regarding the simultaneous transmission of multiple RF signals is then introduced by presenting and describing novel all-digital transmitter architectures that take advantage of multi-gigabit data serializers available on current high-end FPGAs in order to transmit in a time-interleaved approach multiple independent RF carriers. Further improvements in this design approach allowed to provide a two-stage up-conversion transmitter architecture enabling the fine frequency tuning of concurrent multichannel multi-standard signals. Finally, further improvements regarding two key limitations inherent to current all-digital transmitter approaches are then addressed, namely the poor coding efficiency and the combined high quality factor and tunability requirements of the RF output filter. The followed design approach based on poliphase multipath circuits allowed to create a new FPGA-embedded agile transmitter architecture that significantly improves important figures of merit, such as coding efficiency and SNR, while maintains the high flexibility that is required for supporting multichannel multimode data transmission.

Channel estimation and parameters acquisition systems employing cooperative diversity

This work investigates new channel estimation schemes for the forthcoming and future generation of cellular systems for which cooperative techniques are regarded. The studied cooperative systems are designed to re-transmit the received information to the user terminal via the relay nodes, in order to make use of benefits such as high throughput, fairness in access and extra coverage. The cooperative scenarios rely on OFDM-based systems employing classical and pilot-based channel estimators, which were originally designed to pointto-point links. The analytical studies consider two relaying protocols, namely, the Amplifyand-Forward and the Equalise-and-Forward, both for the downlink case. The relaying channels statistics show that such channels entail specific characteristics that comply to a proper filter and equalisation designs. Therefore, adjustments in the estimation process are needed in order to obtain the relay channel estimates, refine these initial estimates via iterative processing and obtain others system parameters that are required in the equalisation. The system performance is evaluated considering standardised specifications and the International Telecommunication Union multipath channel models.

Analysis, modeling, design and optimization of future communications systems: from theory to practice

Esta tese descreve uma framework de trabalho assente no paradigma multi-camada para analisar, modelar, projectar e optimizar sistemas de comunicação. Nela se explora uma nova perspectiva acerca da camada física que nasce das relações entre a teoria de informação, estimação, métodos probabilísticos, teoria da comunicação e codificação. Esta framework conduz a métodos de projecto para a próxima geração de sistemas de comunicação de alto débito. Além disso, a tese explora várias técnicas de camada de acesso com base na relação entre atraso e débito para o projeto de redes sem fio tolerantes a atrasos. Alguns resultados fundamentais sobre a interação entre a teoria da informação e teoria da estimação conduzem a propostas de um paradigma alternativo para a análise, projecto e optimização de sistemas de comunicação. Com base em estudos sobre a relação entre a informação recíproca e MMSE, a abordagem descrita na tese permite ultrapassar, de forma inovadora, as dificuldades inerentes à optimização das taxas de transmissão de informação confiáveis em sistemas de comunicação, e permite a exploração da atribuição óptima de potência e estruturas óptimas de pre-codificação para diferentes modelos de canal: com fios, sem fios e ópticos. A tese aborda também o problema do atraso, numa tentativa de responder a questões levantadas pela enorme procura de débitos elevados em sistemas de comunicação. Isso é feito através da proposta de novos modelos para sistemas com codificação de rede (network coding) em camadas acima da sua camada física. Em particular, aborda-se a utilização de sistemas de codificação em rede para canais que variam no tempo e são sensíveis a atrasos. Isso foi demonstrado através da proposta de um novo modelo e esquema adaptativo, cujos algoritmos foram aplicados a sistemas sem fios com desvanecimento (fading) complexo, de que são exemplos os sistemas de comunicação via satélite. A tese aborda ainda o uso de sistemas de codificação de rede em cenários de transferência (handover) exigentes. Isso é feito através da proposta de novos modelos de transmissão WiFi IEEE 801.11 MAC, que são comparados com codificação de rede, e que se demonstram possibilitar transferência sem descontinuidades. Pode assim dizer-se que esta tese, através de trabalho de análise e de propostas suportadas por simulações, defende que na concepção de sistemas de comunicação se devem considerar estratégias de transmissão e codificação que sejam não só próximas da capacidade dos canais, mas também tolerantes a atrasos, e que tais estratégias têm de ser concebidas tendo em vista características do canal e a camada física.

Fiber-optic components for optical communicatios and sensing

Nos últimos anos, a Optoelectrónica tem sido estabelecida como um campo de investigação capaz de conduzir a novas soluções tecnológicas. As conquistas abundantes no campo da óptica e lasers, bem como em comunicações ópticas têm sido de grande importância e desencadearam uma série de inovações. Entre o grande número de componentes ópticos existentes, os componentes baseados em fibra óptica são principalmente relevantes devido à sua simplicidade e à elevada de transporte de dados da fibra óptica. Neste trabalho foi focado um destes componentes ópticos: as redes de difracção em fibra óptica, as quais têm propriedades ópticas de processamento únicas. Esta classe de componentes ópticos é extremamente atraente para o desenvolvimento de dispositivos de comunicações ópticas e sensores. O trabalho começou com uma análise teórica aplicada a redes em fibra e foram focados os métodos de fabricação de redes em fibra mais utilizados. A inscrição de redes em fibra também foi abordado neste trabalho, onde um sistema de inscrição automatizada foi implementada para a fibra óptica de sílica, e os resultados experimentais mostraram uma boa aproximação ao estudo de simulação. Também foi desenvolvido um sistema de inscrição de redes de Bragg em fibra óptica de plástico. Foi apresentado um estudo detalhado da modulação acústico-óptica em redes em fibra óptica de sílica e de plástico. Por meio de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânica aplicadas ao modulador acústico-óptico, destacou-se que dois modos predominantes de excitação acústica pode ser estabelecidos na fibra óptica, dependendo da frequência acústica aplicada. Através dessa caracterização, foi possível desenvolver novas aplicações para comunicações ópticas. Estudos e implementação de diferentes dispositivos baseados em redes em fibra foram realizados, usando o efeito acústico-óptico e o processo de regeneração em fibra óptica para várias aplicações tais como rápido multiplexador óptico add-drop, atraso de grupo sintonizável de redes de Bragg, redes de Bragg com descolamento de fase sintonizáveis, método para a inscrição de redes de Bragg com perfis complexos, filtro sintonizável para equalização de ganho e filtros ópticos notch ajustáveis.