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://physics.ifmo.ru/events/).

Stage 2

Research report

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: 

  1. разработка устройства для беспроводной передачи энергии и изготовление экспериментального образца устройства для беспроводной передачи энергии; 
  2. 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.

Описание результатов работ, выполненных на Этапе 2:

  1. Разработаны программы и методики исследовательских исследований ЭО УБПЭ в соответствии с пунктом 2.3.2 ТЗ.
  2. Разработаны программы и методики экспериментальных исследований ЭО МРТ-подкладок для МР-томографов с уровнем поля 1.5 Тл и 3 Тл в присутствии фантомов в соответствии с пунктами 2.3.4, 2.3.5 ТЗ.
  3. Разработана эскизно-конструкторская документация на экспериментальные образцы УБПЭ, МРТ-подкладки для 1,5 Тл и МРТ-подкладки для 3 Тл.
  4. Изготовлены экспериментальные образцы: УБПЭ, МРТ-подкладки 3 Тл и МРТ-подкладки 1.5 Тл в соответствии с пунктами 2.3.2, 2.3.5 и 2.3.6 ТЗ.
  5. Проведены исследовательские исследования ЭО УБПЭ согласно требованиям пункта 4.2.6 ТЗ.
  6. Проведены экспериментальные исследования МРТ-подкладки 3 согласно требованиям пункта 4.2.10 ТЗ;
  7. Проведены экспериментальные исследования МРТ-подкладки 1,5 Тл согласно требованиям пункта 4.2.10 ТЗ

Основные характеристики полученных результатов (в целом и/или отдельных элементов), созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
ЭО УБПЭ. Обеспечивает эффективность беспроводной передачи энергии в случае одного приемника 78% в диапазоне расстояний передачи энергии от 10 сантиметров до 1 метра.
МРТ-подкладка для МР-томографов с индукцией поля 1,5 Тл. Данная МРТ-подкладка позволяет усилить отношения сигнал-шум более чем на 50% в области интереса. При этом уровень передаваемой мощности в случае с МРТ-подкладкой можно снизить 50% по сравнению с уровнем мощности сканирования фантома без МРТ-подкладки, что обеспечивает безопасность МРТ исследования с точки зрения характеристик коэффициента удельного поглощения электромагнитной энергии (SAR).
МРТ-подкладка для МР-томографов с индукцией поля 3 Тл. МРТ-подкладка на основе ДЭ дает высокооднородное изображение в области интереса (маленький фантом) и увеличивает отношение сигнал-шум приемо-передающей катушки типа «птичья клетка» более, чем в 8 раз. По сравнению с 4х-канальной гибкой катушкой МРТ-подкладка позволяет увеличить отношение сигнал-шум до 100% в исследуемой области. 

Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявших методик и решений:
Концепция предложенного решения, на котором основано разработанное устройство для беспроводной передачи энергии является абсолютно новой так как используются диэлектрические элементы для передачи и приема, в отличии от стандартных концепций где для беспроводной передачи энергии используются металлические элементы. Также новизна разработанного устройства в том, что возможно передавать энергию с высокой эффективностью на большие расстояния.
С точки зрения МРТ-подкладок, основная новизна заключается в том, что разрабатываются новые беспроводные радиочастотные катушки, которые могут быть использованы для детектирования сигнала с высокой эффективностью в томографах различных производителей.

Подтверждение соответствия полученных результатов требованиям к выполняемому проекту:    
Полученные на втором этапе экспериментальные данные подтвердили функциональных характеристики разработанных устройств. Полученные значения эффективности разработанных устройств полностью коррелируют, с полученными ранее численными результатами, что свидетельствует об успешном выполнении проекта. 

Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень:
Разработанное решение для эффективной транспортировки энергии на основе новых керамических материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости и малым уровнем диэлектрических потерь обеспечит возможность создания высокоэффективной системы беспроводной передачи энергии. Сама концепция применения диэлектрических резонансных элементов является новой и не имеет прямых мировых конкурентов, в то время как полученные в рамках второго этапа экспериментальные данные показывают очень высокую эффективность превосходящую ранее достигнутую. 
Сравнивая полученные экспериментальные данные по эффективности МРТ-подкладок с лучшими мировыми достижениями, следует отметить, что в рамках разработанные аналоги основаны на уникальных диэлектрических материалах с очень высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями. Использованные ранее материалы с более низкой диэлектрической проницаемостью не могли быть применены для клинических томографов в связи с их малой эффективностью. 
Таким образом, проводимые исследования и получаемые результаты соответствуют мировому уровню.

Поданные заявки на патент на Этапе 2:
Изобретение заявка № 2019139935 от 05.12.2019 «Катушка для магнитно-резонансной томографии на основе диэлектрических колец (варианты)», РФ. 
Изобретение заявка № 2019139934 от 05.12.2019 «Устройство беспроводной передачи энергии», РФ.

Назначение и область применения результатов проекта:

  1. МРТ подкладки могут быть применены в клинических МР-томографх различных производителей (Siemens, Philips, General Electric). Также разработанные концепции путем небольшой оптимизации могут быть использованы и для низкопольных МРТ (менее 0,5 Тл), так и в сверхвысокпольных МРТ (свыше 3 Тл).
    Разработанные устройства и концепции для беспроводной передачи энергии могут быть использованы как в быту (зарядка электроники конечным потребителем), так и посредством оптимизации, могут быть использованы в индустрии электромобилей.
  2. МРТ подкладки могут быть использованы в качестве аналогов стандартным радиочастотным катушкам используемым в МРТ, но позволяющие получать более качественные изображение внутренних органов и тканей, а также способствующие снижению радиочастотной нагрузки на пациента. В тоже время данные подкладки могут использоваться в комбинации с существующими катушками с целью дальнейшего улучшения их эффективности. 
    Разрабатываемые устройства для беспроводной передачи энергии на основе диэлектрических элементов могут быть интегрированный внутрь рабочего пространства (например внутрь рабочего стола) дабы заряжать всю расположенную на столе технику, а также могут быть использованы для зарядки единичной продукции, например электроинструментов использующихся в строительстве.
  3. Применение новых материалов ( в том числе искусственных) является перспективной и конкурентной областью. В большей степени это связано с тем что использование новых материалов может повысить эффективность существующих устройств и потенциально открыть абсолютно новые приложения. В этом проекте используются новые диэлектрические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью для решения конкретных прикладных задач. Участники проекта активно выстраивают международные коллаборации с ведущими научными группами занимающимися аналогичными разработками.

Эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработка решений и устройств для эффективной транспортировки энергии одно из приоритетных направлений научно-технологического развития России. Устройства на основе новых керамических материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости и малым уровнем диэлектрических потерь позволят обеспечить эффективные способы передачи и хранения энергии. Разработка МРТ-подкладок позволит перейти к высокотехнологичным способам диагностики заболеваний на ранней стадии и повышению эффективности здоровье сбережения.
Предполагается, что работы, выполненные в ходе проекта, обеспечат возможность создания высокоэффективной системы беспроводной передачи энергии. Данные системы смогут получить широкое практическое применение для подзарядки мобильных устройств в офисах, кафе/ресторанах, аэропортах и т.д. Разработанный продукт будет решать проблему транспортировки энергии от источника к конкретным потребителям без проводов с высокой эффективностью и без вреда человеку.
Разработка МРТ-подкладок позволит перейти к высокотехнологичным способам диагностики заболеваний на ранней стадии и повышению эффективности здоровье сбережения. Данные подкладки позволяют локально усиливать соотношение сигнал/шум тем самым обеспечивая более лучшее разрешение МР-изображений, что способствует постановки правильного диагноза на более ранней стадии заболевания. Также МРТ-подкладок позволит производить процедуру МРТ быстрее в связи с меньшим временем требуемым для накопления полезного сигнала, что позволит уменьшить очереди на обследовнаия в медицинским учреждениях России.

Формы и объемы коммерциализации результатов проекта:

1) Доведение до конечного потребителя продукта для магнитно-резонансного томографа будет осуществляться посредством:

  • Прямой продажи частным клиникам и МРТ-центрам, которые имеют в распоряжении 1,5 и 3 Тл МРТ-системы и малое количество комплектов приемных радиочастотных (РЧ) катушек к ним.
  • Продажи региональным медицинским учреждениям, которые не могут себе позволить мощные дорогостоящие МР-томографы. Продажа региональным клиникам, оснащенным устаревшими системами МРТ, которые зачастую не позволяют быстро и корректно поставить диагноз.
  • Продажи сервисным компаниям для последующей̆ сдачи в аренду МРТ клиникам. Зачастую приемные РЧ катушки, используемые в комплекте с МРТ-аппаратом, выходят из строя. Чаще всего у таких катушек ломаются разъемы, с помощью которых они подключаются к томографу, и клиники вынуждены сдавать их в ремонт или покупать новые. Для того чтобы рабочий̆ процесс не стоял на месте, в момент временной̆ потери приемной катушки, сервисные центры могут предлагать МРТ-подкладку в аренду на время ремонта.
  • Продажи сублицензий производителям МРТ-аппаратов и приемных РЧ катушек.
  • Продажи дистрибьюторам медицинского оборудования.


Продвижение системы беспроводной передачи энергии возможно путем:

  • Продажи через дилеров (магазины электроники, салоны сотовой связи).
  • Продажи лицензии производителям мобильных устройств, ноутбуков и носимой электроники.
  • Продажа лицензии на систему беспроводной передачи энергии компаниям по производству мебели и товаров для дома.


2) Рынок беспроводной передачи энергии является одним из самых активно развивающихся. Ожидается, что в 2020 году его стоимость. достигнет 11 млрд долларов при среднегодовом темпе роста (CAGR) в 23%. При этом по оценке Global Market Insight в 2016 году размер рынка беспроводной передачи энергии оценивается в 3 млрд долларов. Данные цифры свидетельствуют о высоком темпе роста выбранного рынка, о перспективах развития спроса на эффективные системы беспроводной передачи энергии.

Рынок медицинских изделий является одним из крупнейших отраслей здравоохранения. В 2015 году его показатели составляли около 228 млрд долларов США, по сравнению с 164 долларами США в 2010 году и прогнозируемая до 440 млрд долларов США к 2018 году, причем средний годовой темп роста составляет около 4,4% в год. В связи с быстрым ростом спроса на мировые медицинские устройства, отрасль медицинского оборудования стала одной из самых быстрорастущих отраслей в мире. Значительно улучшенное качество жизни и быстро развитая социальная экономика приводят к увеличению доли населения, которое может позволить себе процедуры, которые ранее считались слишком дорогими, тем самым способствуя росту мирового спроса на здравоохранение. Кроме того, глобальная тенденция гериатрического населения приводит к увеличению спроса на медицинские оборудование. Согласно докладу Всемирного банка, в настоящее время, люди в возрасте 65 лет составляют около 9% мирового населения. Соединенные Штаты также предсказывают, что эта цифра достигнет 21,1% к 2050 году. В докладе «EvaluateMedTech World Preview 2015, Outlook to 2020», показано, что к 2020 году мировой рынок медицинских устройств будет увеличиваться с совокупным годовым темпом роста (CAGR) 4,1 процента в год. Считается, что размер рынка будет продолжать расти, а эффективность медицинских клиник должна быть улучшена. Поэтому появится возможность для выхода на рынок инновационных устройств.

Опубликованы статьи:

  • A. Slobozhanyuk, I. Zivkovic, A. Shchelokova, A. Mikhailovskaya, I. Sushkov, E. Nenasheva, I. Melchakova, P. Belov1, A. Webb  "Applications of dielectric pads, novel materials and resonators in 1.5T and 3T MRI"
  • Mingzhao Song, Aleksandr, Markvart, Constantin Simovski, Polina Kapitanova, and Pavel Belov "Wireless power transfer based on dielectric resonators and metasurfaces"