Federal Targeted Programme

"FTP with Ceramics Co., Ltd."

Stage 1

Research report

Проект направлен на разработку и применение устройств на основе новых керамических материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости и малым уровнем диэлектрических потерь, предназначенных для внедрение в системы беспроводной передачи энергии и в магнитно-резонансную томографию (МРТ). В качестве базового элемента таких устройств являются диэлектрические резонаторы, которые могут поддерживать большое число различных продольных и поперечных электромагнитных мод в зависимости от геометрии и числа резонаторов. Каждая собственная мода характеризуется уникальным распределением ближнего электромагнитного поля. Таким образом наличие резонатора на основе керамического материала вблизи внешнего источника позволяет желаемым образом перераспределить электромагнитное поле.

Глобальными целями проекта являются изучение, разработка и изготовление новых устройств на основе диэлектрических элементов, выполненных из высокодобротной керамики. Разработанные устройства, благодаря уникальным возможностям по управлению распределением ближнего электромагнитного поля, позволят сделать качественный скачок в развитии технологии беспроводной передачи энергии и будут способствовать постановке более точного диагноза в МРТ исследованиях и снизят количество дополнительных тестов для его уточнения, а также позволят подобрать эффективный способ лечения значительно раньше. Конкретные задачи решаемые в рамках проекта:

    • разработка устройства для беспроводной передачи энергии и изготовление экспериментального образца устройства для беспроводной передачи энергии;
    • разработка подкладок для проведения магнитно-резонансной томографии (МРТ) – далее МРТ-подкладок, на основе диэлектрических элементов, изготавливаемых из керамических материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости и малым уровнем диэлектрических потерь, и изготовление экспериментального образца МРТ-подкладок.

Для достижения этих целей, предусмотрено решение задач, направленных в первую очередь на подготовку к комплексному решению задач проекта. К таким задачам, в первую очередь, относятся: определение современного состояния рынка систем беспроводной передачи энергии и беспроводной передачи сигнала магнитного резонанса, определение конкурентных возможностей разрабатываемых устройств на основе материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости, разработка численных моделей (ЧМ) предлагаемых устройств и разработка новых методов создания высокодобротной керамики для изготовления экспериментальных образцов.

Продемонстрированы результаты разработки численной модели устройства для беспроводной передачи энергии на основе диэлектрических элементов, произведена оценка эффективности передачи сигнала в случае одного и нескольких приемников.

Эффективность передачи энергии в случае одного приемника, составила от 70% до 92% в диапазоне расстояний передачи энергии от 10 сантиметров до 1 метра. В случае двух приемников суммарная эффективность передачи энергии составила от 30 до 90 % в зависимости от взаимного расположение передатчика энергии и приемников энергии. Проведенный анализ воздействия электромагнитного поля устройства для беспроводной передачи энергии на тело человека показал соответствие уровней электромагнитных полей и удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии российским и международным стандартам.

Также были разработаны численные модели МРТ-подкладок для локального повышения эффективности передачи и приема сигнала в МРТ с уровнем поля 3 Тл. МРТ-подкладка беспроводным образом связанна с основной радиочастотной катушкой для всего тела клинической МР-системы и открывает новые возможности для проведения высококачественных МР-исследований в любой существующей МР-системе.

С точки зрения МРТ-подкладок основная инновация заключается в разработке аналогов беспроводных радиочастотных катушек с использованием уникальных элементов с очень высокой диэлектрической проницаемостью. В то время как для разрабатываемые устройства для беспроводной передачи энергии на основе диэлектрических элементов представляют собой концептуально новую идею, отличающуюся от стандартных подходов передачи энергии с помощью металлических резонаторов.

Полученные на текущем этапе численные результаты, а также первая часть экспериментальных данных свидетельствует об успешном выполнение проекта. Полученные численные модели позволят нам разработать первые прототипы инновационных устройств устройств для беспроводной передачи энергии и для улучшения эффективности МРТ.

Сравнивая полученные результаты с лучшими мировыми достижениями, следует отметить что применение новых диэлектрических материалов для различных приложений является областью высокого научного интереса и интенсивно развивающейся. За последние несколько лет были достигнуты значительные успехи в этой области в группах Andrew Webb(Нидерланды), Christopher Collins (США), Stefan Enoch (Франция), Nico van den Berg (Нидерланды) и др. В то время как для сверхвысокопольного МРТ диэлектрические резонаторы уже были успешно использованы, применение таких структур для клинических томографов (1,5 Тл и 3 Тл) ограниченно в связи с ограничениями электромагнитных свойств доступных диэлектрических материалов. В данном проекте используя новые инновационные материалы планируется значительно улучшить эффективность именно клинических томографов. С точки зрения беспроводной передачи энергии сама концепция применения диэлектрических резонансных элементов является инновационной и не имеет прямых мировых конкурентов, в то время как полученные в рамках данного проекта численные результаты показывают более высокую эффективность превосходящую ранее достигнутую. Таким образом, проводимые исследования и получаемые результаты соответствуют мировому уровню.

Результаты проекта были представлены на Научно-образовательном семинаре "Новые диэлектрические материалы для практической радиофизики", проходившем с 14 по 17 декабря в Университете ИТМО (https://metalab.ifmo.ru/events/).