Inquiry based science education in National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" as a way to increase the popularity of natural and thechnical sciences

The article analyses the problem of reducing the rating of natural sciences in youth. Possible options for solving this issue are considered. Based on the experience of young scientists of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" (NTU "KhPI"), it is indicated on perspective directions of interaction between higher education and secondary school in order to increase the popularity of natural and technical sciences. One of the points of contact can be the foundation of a creative space for children, which will be the focus of STEM education, and promote a positive image of the natural and technical sciences

Use of the covariation analysis of biomepedance signals for information support of the procedure of ultrafiltration

В работе приведено обоснование и разработка неинвазивной информационной технологии ковариационного анализа и контроля переходных режимов в биофизическом состоянии пациента при процедуре ультрафильтрации. В статье обоснована проблематика исследования и выполнен аналитический обзор литературных источников информации. Предложена модель биофизических процессов в организме пациента при процедуре ультрафильтрации на основании уравнения Старлинга-Ландиса. Предложенная модель позволила условно разделить процедуру ультрафильтрации на три участка. Используя математический аппарат классического ковариационного разложения в работе проведен анализ биоимпедансных сигналов, полученных в течении процедуры для 7 пациентов. Глобальные и локальные тренды, полученные в результате ковариационного анализа, позволяют идентифицировать переходные участки процедуры. Статистический анализ с использованием F – статистики, позволяет значимо тестировать сигнал биоимпедансометрии на наличие и отсутствие влияющего фактора – отрицательного изменения объема сосудистого русла.У роботі наведено обґрунтування та розробка неінвазивної інформаційної технології коваріаційного аналізу і контролю перехідних режимів в біофізичного стану пацієнта при процедурі ультрафільтрації. У статті обґрунтована проблематика дослідження та виконано аналітичний огляд літературних джерел інформації. Запропоновано модель біофізичних процесів в організмі пацієнта при процедурі ультрафільтрації на підставі рівняння Старлинга-Ландіса. Запропонована модель дозволила умовно розділити процедуру ультрафільтрації на три ділянки. Використовуючи математичний апарат класичного коваріаційного розкладання в роботі проведено аналіз біоімпедансних сигналів, отриманих протягом процедури для 7 пацієнтів. Глобальні і локальні тренди, отримані в результаті коваріаційного аналізу, дозволяють ідентифікувати перехідні ділянки процедури. Статистичний аналіз з використанням F - статистики дозволяє значимо тестувати сигнал біоімпедансометрії на наявність і відсутність впливаючого чинника – негативної зміни обсягу судинного русла.The paper substantiates and develops a non-invasive information technology for covariance analysis and control of transient regimes in the patient's biophysical state during the ultrafiltration procedure. The article substantiates the research problems and provides an analytical review of the literature sources of information. A model of biophysical processes in the patient's body is proposed in the procedure of ultrafiltration based on the Starling-Landis equation, which takes into account the distribution of fluids between the intestinal space and the vascular bed. The proposed model allowed us to conditionally divide the procedure of ultrafiltration into three sections and to isolate the functional phase of hemodialysis and the phase of the critical state of the patient. Using the mathematical apparatus of the classical covariance decomposition, the bioimpedance signals obtained during the procedure for 7 patients were analyzed. Global and local trends, obtained as a result of covariance analysis, allow identifying transitional areas of the procedure. Separate use as informative parameters of F-statistics of BIM signals at different frequencies does not allow to unequivocally judge the level of hydration of the p atient, since it does not take into account the mutual influence of various components of bioimpedance signals, and can be used only to identify control-w arning intervals for changing the trend of each of them. The use of separate F-statistics can give additional information on the influence of parameters of the ultrafiltration procedure on the state of the biophysical object ( patient) and allows the use of standard tests on the significance of such influence

Динаміка параметрів тричастотної біоімпедансометрії пацієнтів під час гемодіалізної ультрафільтрації

Background/Aim. At present, methods based on the analysis of non-invasively measured parameters of electrical bioimpedance for the diagnosis of the patient's biohydrality are of interest. The purpose of this article is to investigate the dynamics of electrical impedance parameters (module, phase angle, active and reactive components) of the human body during ultrafiltration of programmed hemodialysis at three frequencies of 20 kHz, 100 kHz, 500 kHz. Equipment and Methods. For the research was used the hemodialysis system Fresenius Medical Care 5008C. This system provided the implementation of the ultrafiltration procedure profile. Also was used the hardware and software complex of monitoring bioimpedasometry TOR-M-1, adapted for hemodialysis procedure and conditions. Using these equipment the dependences of the modulus Z, the phase angle $\varphi$, active R and the reactive X impedance components corrected to the body length of the patient H, the region of distribution of the bioimpedance vector relative to the tolerance ellipses and the dynamics of these parameters, depending on the volume of the ultrafiltrate and the profile of the ultrafiltration procedure were studied. Dynamics of bioimpedance parameters. It was found that during the ultrafiltration has a characteristic complex nonlinear behavior of the impedance parameters for each individual patient. The intensity of this nonlinearity increases with increasing frequency. It is expressively observed at higher frequencies of 100 kHz and 500 kHz. Interpretation of Impedance Dynamics with Tolerance Ellipses. The non-stationary oscillatory character of the parameter dynamics testifies to the complexity of the individual transient processes of redistribution of volumes of human water sectors in the process of hemodialysis and associated with changes in the ratio of intracellular, extracellular fluids and blood, the structural composition of the liquid. This causes fast flowing changes in active conductivity in the intercellular environment and reactive conductivity due to the action of polarization processes on the dielectric structures of biological tissues. Discussion and Conclusion. Measurements and cumulative analysis of the parameters of electrical impedance directly in the process of hemodialysis allows to objectively monitor the progress of the patient's functional state in real time with an assessment of the presence or absence of a `dry weight 'level, evaluate the nature of the processes of redistribution of intracellular and extracellular sectors of the body and blood, and the differences in the course of the process of ultrafiltration of patients. This can be the basis, if necessary, for promptly adjusting the ultrafiltration process. Widening of the impedance measurement bandwidth enhances the diagnostic capabilities of such monitoring and the timely correction of the ultrafiltration procedure.Представлены результаты экспериментального исследования характерных вариантов динамики параметров электрического биоимпеданса (модуля, фазового угла, активной и реактивной составляющих) пациентов, в зависимости от объема ультрафильтрата, удаленного в процессе гемодиализа, измеренных на трех частотах 20 кГц, 100 кГц, 500 кГц. Для исследований применена система программного гемодиализа человека, в составе которой использован аппарат «искусственная почка» Fresenius Medical Care 5008S, что обеспечивает реализацию режима изменения скорости и характера процедуры ультрафильтрации, и аппаратно-программный комплекс мониторинговой биоимпедасометрии ТОР-М-1, адаптированный для условий и требований программного гемодиализа. Изучались зависимости модуля Z, фазового угла φ, активной R и реактивной X составляющих импеданса, скорректированных к длине тела пациента Н, области распределения вектора биоимпеданса относительно эллипсов толерантности и динамика значений этих параметров, в зависимости от объема ультрафильтрата и профиля процедуры ультрафильтрации. Установлено, что во время ультрафильтрации есть характерным сложный нелинейный характер изменения параметров импеданса, индивидуальный для каждого пациента. Выраженность этой нелинейности увеличивается с ростом частоты, наиболее выразительной она наблюдается на более высоких частотах 100 кГц и 500 кГц. Нестационарный колебательный характер динамики параметров свидетельствует о сложности переходных процессов перераспределения объемов водных секторов человека в процессе гемодиализа, индивидуальных для каждого пациента, и связанных с изменениями соотношения внутриклеточной, внеклеточного жидкостей и крови, структурного состава жидкости. Это обусловливает быстротекущие изменения активной проводимости в межклеточной среде и реактивной проводимости вследствие действия поляризационных процессов на диэлектрических структурах биотканей. Измерения и совокупный анализ параметров электрического импеданса непосредственно в процессе гемодиализа позволяет объективно контролировать ход функционального состояния пациента в реальном масштабе времени с оценкой наличия или отсутствия уровня «сухого веса», оценивать характер процессов перераспределения объемов внутриклеточных и внеклеточного секторов тела и крови, личностные условия и различия течения процесса ультрафильтрации пациентов. Это является основанием для оперативной корректировки процесса ультрафильтрации в случае необходимости. Расширение полосы частот измерения параметров импеданса углубляет диагностические возможности такого контроля и своевременной коррекции процедуры ультрафильтрации.Представлено результати експериментального дослідження характерних варіантів динаміки параметрів електричного біоімпедансу (модуля, фазового кута, активної і реактивної складових) пацієнтів, залежно від об’єму ультрафільтрату, видаленого в процесі гемодіалізу, виміряних на трьох частотах 20 кГц, 100 кГц, 500 кГц. Встановлено, що під час ультрафільтрації характерним є складний нелінійний характер зміни параметрів імпедансу, індивідуальний для кожного пацієнта. Вираженість цієї нелінійності збільшується зі зростанням частоти, найбільш виразною вона спостерігається на більш високих частотах 100 кГц і 500 кГц. Нестаціонарний коливальний характер динаміки параметрів свідчить про складність перехідних процесів перерозподілу об’ємів водних секторів людини в процесі гемодіалізу, індивідуальних для кожного пацієнта, і пов’язаних зі змінами співвідношення внутрішньоклітинної, зовнішньоклітинної рідин і крові, структурного складу рідини. Вимірювання і сукупний аналіз параметрів електричного імпедансу безпосередньо в процесі гемодіалізу дозволяє об’єктивно контролювати перебіг функціонального стану пацієнта в реальному масштабі часу з оцінкою наявності або відсутності рівня ``сухої ваги''. Це є підставою для оперативного корегування процесом ультрафільтрації у разі необхідності. Розширення смуги частот вимірювання параметрів імпедансу поглиблює діагностичні можливості такого контролю і вчасної корекції перебігу ультрафільтрації

Динамика параметров трехчастотной биоимпедансометрии пациентов при гемодиализной ультрафильтрации

Представлено результати експериментального дослiдження характерних варiантiв динамiки параметрiв електричного бiоiмпедансу (модуля, фазового кута, активної i реактивної складових) пацiєнтiв, залежно вiд об’єму ультрафiльтрату, видаленого в процесi гемодiалiзу, вимiряних на трьох частотах 20 кГц, 100 кГц, 500 кГц. Встановлено, що пiд час ультрафiльтрацiї характерним є складний нелiнiйний характер змiни параметрiв iмпедансу, iндивiдуальний для кожного пацiєнта. Вираженiсть цiєї нелiнiйностi збiльшується зi зростанням частоти, найбiльш виразною вона спостерiгається на бiльш високих частотах 100 кГц i 500 кГц. Нестацiонарний коливальний характер динамiки параметрiв свiдчить про складнiсть перехiдних процесiв перерозподiлу об’ємiв водних секторiв людини в процесi гемодiалiзу i пов’язаних зi змiнами спiввiдношення внутрiшньоклiтинної, зовнiшньоклiтинної рiдин i кровi, структурного складу рiдини. Вимiрювання i сукупний аналiз параметрiв електричного iмпедансу безпосередньо в процесi гемодiалiзу дозволяє об’єктивно контролювати перебiг функцiонального стану пацiєнта в реальному масштабi часу з оцiнкою наявностi або вiдсутностi рiвня “сухої ваги”. Це є пiдставою для оперативного корегування процесом ультрафiльтрацiї у разi необхiдностi. Розширення смуги частот вимiрювання параметрiв iмпедансу поглиблює дiагностичнi можливостi такого контролю i вчасної корекцiї перебiгу ультрафiльтрацiї.Background/Aim. At present, methods based on the analysis of non-invasively measured parameters of electrical bioimpedance for the diagnosis of the patient’s biohydrality are of interest. The purpose of this article is to investigate the dynamics of electrical impedance parameters (module, phase angle, active and reactive components) of the human body during ultrafiltration of programmed hemodialysis at three frequencies of 20 kHz, 100 kHz, 500 kHz. Equipment and Methods. For the research was used the hemodialysis system Fresenius Medical Care 5008C. This system provided the implementation of the ultrafiltration procedure profile. Also was used the hardware and software complex of monitoring bioimpedasometry TORM- 1, adapted for hemodialysis procedure and conditions. Using these equipment the dependences of the modulus Z, the phase angle φ, active R and the reactive X impedance components corrected to the body length of the patient H, the region of distribution of the bioimpedance vector relative to the tolerance ellipses and the dynamics of these parameters, depending on the volume of the ultrafiltrate and the profile of the ultrafiltration procedure were studied. Dynamics of bioimpedance parameters. It was found that during the ultrafiltration has a characteristic complex nonlinear behavior of the impedance parameters for each individual patient. The intensity of this nonlinearity increases with increasing frequency. It is expressively observed at higher frequencies of 100 kHz and 500 kHz. Interpretation of Impedance Dynamics with Tolerance Ellipses. The non-stationary oscillatory character of the parameter dynamics testifies to the complexity of the individual transient processes of redistribution of volumes of human water sectors in the process of hemodialysis and associated with changes in the ratio of intracellular, extracellular fluids and blood, the structural composition of the liquid. This causes fast flowing changes in active conductivity in the intercellular environment and reactive conductivity due to the action of polarization processes on the dielectric structures of biological tissues. Discussion and Conclusion Measurements and cumulative analysis of the parameters of electrical impedance directly in the process of hemodialysis allows to objectively monitor the progress of the patient’s functional state in real time with an assessment of the presence or absence of a ‘dry weight ’level, evaluate the nature of the processes of redistribution of intracellular and extracellular sectors of the body and blood, and the differences in the course of the process of ultrafiltration of patients. This can be the basis, if necessary, for promptly adjusting the ultrafiltration process. Widening of the impedance measurement bandwidth enhances the diagnostic capabilities of such monitoring and the timely correction of the ultrafiltration procedure.Представлены результаты экспериментального исследования характерных вариантов динамики параметров электрического биоимпеданса (модуля, фазового угла, активной и реактивной составляющих) пациентов, в зависимости от объема ультрафильтрата, удаленного в процессе гемодиализа, измеренных на трех частотах 20 кГц, 100 кГц, 500 кГц. Для исследований применена система программного гемодиализа человека, в составе которой использован аппарат “искусственная почка” Fresenius Medical Care 5008S, что обеспечивает реализацию режима изменения скорости и характера процедуры ультрафильтрации, и аппаратно-программный комплекс мониторинговой биоимпедасометрии ТОР-М- 1, адаптированный для условий и требований программного гемодиализа. Изучались зависимости модуля Z, фазового угла φ, активной R и реактивной X составляющих импеданса, скорректированных к длине тела пациента Н, области распределения вектора биоимпеданса относительно эллипсов толерантности и динамика значений этих параметров, в зависимости от объема ультрафильтрата и профиля процедуры ультрафильтрации. Установлено, что во время ультрафильтрации есть характерным сложный нелинейный характер изменения параметров импеданса, индивидуальный для каждого пациента. Выраженность этой нелинейности увеличивается с ростом частоты, наиболее выразительной она наблюдается на более высоких частотах 100 кГц и 500 кГц. Нестационарный колебательный характер динамики параметров свидетельствует о сложности переходных процессов перераспределения объемов водных секторов человека в процессе гемодиализа, индивидуальных для каждого пациента, и связанных с изменениями соотношения внутриклеточной, внеклеточного жидкостей и крови, структурного состава жидкости. Это обусловливает быстротекущие изменения активной проводимости в межклеточной среде и реактивной проводимости вследствие действия поляризационных процессов на диэлектрических структурах биотканей. Измерения и совокупный анализ параметров электрического импеданса непосредственно в процессе гемодиализа позволяет объективно контролировать ход функционального состояния пациента в реальном масштабе времени с оценкой наличия или отсутствия уровня “сухого веса”, оценивать характер процессов перераспределения объемов внутриклеточных и внеклеточного секторов тела и крови, личностные условия и различия течения процесса ультрафильтрации пациентов. Это является основанием для оперативной корректировки процесса ультрафильтрации в случае необходимости. Расширение полосы частот измерения параметров импеданса углубляет диагностические возможности такого контроля и своевременной коррекции процедуры ультрафильтрации