Federal Targeted Programme

Этап 1

Отчет о выполненном исследовании

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/).

Этап 2

Отчет о выполненном исследовании

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"

Этап 1

Отчет о выполненом исследовании

• Этап 1 - Отчет о выполненом исследовании

Статьи

1. Hybrid nanocavity for molecular sensing
   Valentin A. Milichko, Kristina S. Frizyuk, Pavel A. Dmitriev, Dmitry A. Zuev, George P. Zograf, Sergey V. Makarov, Pavel A. Belov
2. Nanoscale optical high-temperature sensor
   George P. Zograf, Mihail I. Petrov, Ivan S. Sinev, Anton K. Samusev, Dmitry A. Zuev, Valentin A. Milichko, Sergey V. Makarov

Этап 2

Отчет о выполненом исследовании

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 03.10.2017 г. № 14.584.21.0024 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2018 г. по 31.12.2018 г. выполнялись следующие работы:

Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии:

• Проведена теоретическая оптимизация параметров диэлектрических и гибридных наночастиц, наноструктур и метаповерхностей, обладающих наилучшими оптическими свойствами для задач сенсинга;
• Проведен расчет фактора Парселла для наноэмиттеров света возле и внутри таких структур;
• Изготовлены наночастицы с оптимизированными параметрами, наноструктур и метаповерхностей при помощи освоенных на первом этапе методов лазерной абляции;
• Изготовлены наночастицы с оптимизированными параметрами, наноструктур и метаповерхностей с использованием метода трансфера наночастиц на различные подложки;
• Проведена экспериментальная характеризация оптических свойств созданных структур методами спектроскопии пропускания, отражения и рассеяния в видимом диапазоне.

Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет внебюджетных средств:

Чжэцзянский университет:

• Проведена экспериментальная реализация диэлектрических и гибридных наноструктур, созданных с помощью электронной литографии и плазменного травления и оптимизированных для сенсорных приложений;
• Проведено исследование оптических свойств созданных структур методами спектроскопии пропускания, отражения и рассеяния в видимом диапазоне;
• Проведена оптимизация дизайна наноструктур с учетом полученных экспериментальных результатов;
• Измерены зависимости оптических свойств структур от параметров окружающей среды (подложки, температуры).

В ходе второго этапа выполнения Проекта были изучены оптические резонансные свойства созданных при помощи разработанных и оптимизированных на первом этапе методик одиночных диэлектрических и гибридных наночастиц, наноструктур, а также метаповерхностей. Анализ показал зависимость добротностей, спектральных положений и эффективностей возбуждений оптических мод (состояний) в таких наноструктурах, в зависимости от геометрических и материальных параметров образца при использовании методик спектроскопий отражения, прохождения и рассеяния.

ЦОНП:

• Проведена экспериментальная реализация оптического захвата диэлектрических и гибридных наночастиц, созданных российской стороной в ходе выполнения проекта;
• Проведено теоретическое моделирование процесса оптического захвата диэлектрических и гибридных наночастиц;
• Проведено теоретическое моделирование оптических свойств диэлектрических и гибридных наночастиц, закрепленных на заостренном конце диэлектрического волновода путем оптического захвата;
• Проведено экспериментальное исследование резонансных свойств (через спектры рассеяния) диэлектрических и гибридных наночастиц, закрепленных на заостренном конце диэлектрического волновода путем оптического захвата.

В ходе второго этапа выполнения работ по Проекту были изучены теоретические механизмы и экспериментальная реализация оптического захвата одиночных диэлектрических и гибридных наноструктур, созданных на предыдущем этапе проекта. Также уделено особое внимание процессам захвата таких наночастиц при помощи диэлектрического наноострия, процесс создания которых был оптимизирован на прошлом этапе. Было изучеено влияние возбуждаемых оптических мод на механизмы захвата, а также на изменение и динамику спектров упругого рассеяния в видимой области одиночных наночастиц, оптически захваченных наноострием.

На втором этапе были получены:

• Материальные и геометрические параметры диэлектрических и гибридных наноантенн с оптимальными для задач сенсинга характеристиками.
• Материальные и геометрические параметры диэлектрических и гибридных наноантенн для управления фактором Парселла наноэмиттеров света возле и внутри таких наноантенн.
• Метод лазерной абляции, оптимизированный для создания наноантенн и метаповерхностей.
• Метод для создания резонансных наноструктур, сочетающий метод лазерной абляции и методику переноса одиночных наночастиц на кончике зонда в СЭМ.
• Образцы диэлектрических наноантенн, наноструктур и метаповерхностей.

Область исследований (нанофотоника и сенсорика), проводимых в проекте, является актуальной и быстроразвивающейся в России и мире. Разрабатываемая концепция создания устройств нанофотоники на базе диэлектрических и гибридных наноструктур и метаповерхностей позволит существенно расширить функциональность существующих устройств сенсорики и оптоэлектроники и создать новый класс принципиально новых сверхбыстрых многофункциональных сенсоров, устройств нанофотоники, управляемых оптическими сигналами. Поставленные задачи и программа их решения, а также достигнутые результаты не имеют прямых аналогов.

Область диэлектрической и гибридной нанофотоники и наноантенн является областью высокого научного интереса и интенсивно развивающейся. За последние несколько лет были достигнуты значительные успехи в этой области в группах Юрия Кившаря (Австралия), Арсения Кузнецова (Сингапур), Romain Quidant (Испания), Stefan Maier (Великобритания), Naomi Halas (США) и др. При этом данный проект направлен на создание биосенсоров нового поколения, способных обеспечить высокую чувствительность и стабильность работы в реальных условиях их использования. К основным предназначениям таких биосенсоров можно отнести детектирование сверхмалых концентраций опасных веществ, микроорганизмов и химических соединений в воде, воздухе и твердых субстратах. Среди существующих успешных научных направлений, ставящих перед собой задачу решить данную проблему, можно выделить следующие: развитие плазмоники и создание плазмонных наноструктур для детектирования единичных молекул в режиме реального времени за счет высокой чувствительности частоты плазмонного резонанса к химическому и физическому окружению [Kuznetsov, Arseniy I. , et al. , Science 354.6314 (2016):aag2472]; развитие волоконно-оптических методов детектирования молекул в растворах и воздухе [Petryayeva, Eleonora, and Ulrich J. Krull, Analytica chimica acta 706.1 (2011): 8-24.] за счет высокой чувствительности добротности волоконных резонаторов к химическому окружению; использование электрических схем [Baffou, Guillaume, and Romain Quidant, Laser & Photonics Reviews 7.2 (2013): 171-187], работающих по принципу изменения вольт-амперных характеристик устройства при контакте активного элемента с молекулами окружающей среды; и, наконец, возникшее первым, направление – детектирование молекул за счет химической реакции с реагентом [Maier, Stefan Alexander. Plasmonics: fundamentals and applications. Springer Science & Business Media, 2007], позволяющей проводить селективное детектирование с наименьшими затратами. Все вышеперечисленные научные направления сталкиваются с рядом принципиальных недостатков, связанных со сложностью контроля температуры в часто применяемых для этих целей плазмонных наносистемах. Поиск наиболее оптимального решения проблемы создания эффективных и удобных в использовании биосенсоров привел совместный российско-индийский-китайский коллектив к развитию нового научного направления (диэлектрические и металлодиэлектрические нанофотонные сепнсоры), позволяющего избежать недостатки существующих популярных направлений и оптимизировать работу биосенсоров, заключается в использовании положительных моментов плазмоники и диэлектрической фотоники: высокая степень локализации оптических полей плазмонными элементами для увеличения взаимодействия излучения с единичными молекулами для достижения фундаментальных пределов чувствительности; возбуждение отдельно электрических и магнитных оптических резонансов в диэлектрических элементах, позволяющее увеличить взаимодействие магнитного поля оптических частот как с самими элементами, так и с молекулами, что ранее было принципиально невозможно, но существенно для большинства биологических веществ и соединений, содержащих ионы железа (этой особенностью не обладает ни один сенсор, изготовленный по существующим технологиям); кристалличность диэлектрических компонент, обеспечивающая как измерение температур окружения на наномасштабе, так и эффективный теплоотвод, снижающие эффект тепловой деградации плазмонных элементов (этой особенностью также не обладает ни один сенсор, изготовленный по существующим технологиям); высокая биосовместимость диэлектрических элементов за счет оксидного слоя. Таким образом, проводимые исследовании и получаемые результаты соответствуют мировому уровню.

Детектирование одиночных молекул взрывчатых, наркотических или токсичных веществ в газах или жидкостях является крайне важной проблемой, в том числе для России, Индии и Китая. Высокоэффективный экспресс-анализ качества питьевой воды и быстрое обнаружение наличия токсичных, а также взрывоопасных веществ в общественных местах повысили бы эффективность борьбы с пищевыми отравлениями, террористическими угрозами и обеспечили бы производственную безопасность. Кроме того, возможными областями применения метаповерхностей на базе диэлектрических и гибридных наноструктур, являются: солнечная энергетика, системы связи и оптические шины передачи данных, оптические компьютеры и квантовые вычислительные системы нового поколения, оптические фильтры, и т.д. Полученные результаты обладают большим потенциалом использования в существующих высокотехнологичных устройствах сенсорики, оптоэлектроники и перспективных нанофотонных сенсорных системах. Дальнейшие работы, развивающие полученные в ходе данного исследования результаты и/или адаптирующие их для серийного промышленного производства нанофотонных сенсоров нового поколения, несомненно обеспечат лидирующие позиции в этих высокотехнологичных областях. Полученные результаты будут использованы для формирования в России научно-технологического задела в перспективных областях диэлектрической и гибридной нанофотоники для задач сенсорики и экспресс анализа, и в дальнейшем могут быть использованы для формирования глобально конкурентоспособной и высокотехнологичной продукции нового поколения, которая позволит увеличить долю экспорта отечественной высокотехнологичной продукции на мировом рынке. Разрабатываемые сенсорные нанофотонные системы особенно важны для международного сотрудничества в таких областях как экология, биомедицина. При этом емкость мирового рынка для применения высокоэффективных систем экспресс-анализа на базе диэлектрических и гибридных структур на данный момент фактически не ограничена, так как качественный переход от классических «электронных» устройств к перспективным фотонным наносистемам потребует как интеграции разрабатываемых сенсорных устройств в существующие технологии, так и разработки и создания концептуально новых полностью нанофотонных устройств сенсорики и экспресс диагностики.

Разработанные наносенсоры на основе перечисленных структур благодаря уникальным возможностям по контролю света обеспечат качественный скачок в развитии оптических сенсорных технологий, сочетая более высокую чувствительность и удобство в использовании таких систем. Это позволит совершить переход к формированию совершенно новых подходов к созданию сверхкомпактных и энергоэффективных наносенсоров как для создания систем экспресс диагностики, так и систем вида “лаборатория на чипе”, а также повсеместному их внедрению во все сферы общественной жизни – от простейших систем мониторинга экологического состояния в жилых помещениях и общественных местах до сложных биоинтегрируемых высокоинтеллектуальных медицинских систем, позволяющих проводить мониторинг с учетом индивидуальных особенностей пациента. Реализация проекта будет выгодна для трех сторон-участников проекта и будет стимулировать разработку инновационных технологий и высокотехнологичных продуктов, а также появление новых научных направлений, основанных на общем научном опыте.

Опубликованы статьи

• I. S. Sinev, F. E. Komissarenko, I. S. Mukhin, M. I. Petrov, I.V. Iorsh, P. A. Belov, A. K. Samusev "Nearfield optical microscopy of surface plasmon polaritons excited by silicon nanoantenna"
• F. Walla, F. Bürkle, I. Sinev, A. Bogdanov, F. Komissarenko, A. Soltani, R. Malureanu, A.V. Lavrinenko, H. G. Roskos "Direct near-field mapping of nano-sphere-excited leaky surface modes atanisotropic metasurface".

На основе полученных в ходе реализации проекта результатов защищена кандидатская диссертация Ф.Э. Комиссаренко "Манипулирование нанообъектами и модификация материалов с помощью сфокусированного электронного пучка для создания функциональных наноструктур".

Этап 3

Отчет о выполненом исследовании

Измерен собственный сигнал и оптимизирована интенсивность комбинационного рассеяния (КР) от резонансных диэлектрических и гибридных наночастиц(РДиГН), наноструктур и метаповерхностей.

Оптимизирована интенсивность сигнала КР от резонансных свойств структур.

Экспериментально исследованы зависимости сигнала КР от свойств окружающей резонансную структуру среды.

Определена температурная зависимость для собственного сигнала КР от РДиГН, наноструктур и метаповерхностей.

Измерен сигнал КР от осажденных органических веществ на РДиГН, наноструктуры и метаповерхности/

Проведены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.

Проведено обобщение результатов полученных по итогам трех этапов проекта, разработаны рекомендации по коммерческой реализации результатов исследования.

Измерен собственный сигнал КР от РДиГ, осажденных на заостренный конец диэлектрического
волновода (ЗКДВ).

Измерен собственный сигнал отражения ЗКДВ заполненных PDMS поддерживавших резонансные состояния.

Измерен сигнал КР от осажденных органических веществ на РДиГН, находящихся на ЗКДВ.

Измерен сигнал отражения от осажденных органических веществ в полости ЗКДВ заполненной PDMS.

Построена теоретическая модель для расчета усиления сигнала собственного КР с учетом зависимости сигнала КР от модового состава РДиГ, а также от ее окружения и температуры.

Построена теоретическая модель для расчета усиления сигнала КР от органических веществ осажденных на РДиГН на ЗКДВ с учетом зависимости сигнала КР от модового состава РДиГ.

Разработана концепция переключаемых сенсоров на основе материалов с переменной фазой (Ge2Sb2Te5, GST), функциональных в видимом и инфракрасном спектральном диапазонах.

Проведены эллипсометрические измерения оптических постоянных пленок Ge2Sb2Te5, нанесенных на стеклянную подложку.

Проведена оптимизация геометрических параметров метаповерхностей из дисков GST, методами численного моделирования, поддерживающих высокодобротные темные моды

Область исследований (нанофотоника и сенсорика), проводимых в проекте, является актуальной и быстроразвивающейся в России и мире. Разрабатываемая концепция создания устройств нанофотоники на базе диэлектрических и гибридных наноструктур и метаповерхностей позволит существенно расширить функциональность существующих устройств сенсорики и оптоэлектроники и создать новый класс принципиально новых сверхбыстрых многофункциональных сенсоров, устройств нанофотоники, управляемых оптическими сигналами. Поставленные задачи и программа их решения, а также достигнутые результаты не имеют прямых аналогов.

Область диэлектрической и гибридной нанофотоники и наноантенн является областью высокого научного интереса и интенсивно развивающейся. За последние несколько лет были достигнуты значительные успехи в этой области в группах Юрия Кавшаря (Австралия), Арсения Кузнецова (Сингапур), Romain Quidant (Испания), Stefan Maier (Великобритания), Naomi Halas (США) и др. При этом данный проект направлен на создание биосенсоров нового поколения, способных обеспечить высокую чувствительность и стабильность работы в реальных условиях их использования. К основным предназначениям таких биосенсоров можно отнести детектирование сверхмалых концентраций опасных веществ, микроорганизмов и химических соединений в воде, воздухе и твердых субстратах. Среди существующих успешных научных направлений, ставящих перед собой задачу решить данную проблему, можно выделить следующие: развитие плазмоники и создание плазмонных наноструктур для детектирования единичных молекул в режиме реального времени за счет высокой чувствительности частоты плазмонного резонанса к химическому и физическому окружению [Kuznetsov, Arseniy I. , et al. , Science 354.6314 (2016): aag2472]; развитие волоконно-оптических методов детектирования молекул в растворах и воздухе [Petryayeva, Eleonora, and Ulrich J. Krull, Analytica chimica acta 706.1 (2011): 8-24.] за счет высокой чувствительности добротности волоконных резонаторов к химическому окружению; использование электрических схем [Baffou, Guillaume, and Romain Quidant, Laser & Photonics Reviews 7.2 (2013): 171-187], работающих по принципу изменения вольт-амперных характеристик устройства при контакте активного элемента с молекулами окружающей среды; и, наконец, возникшее первым, направление – детектирование молекул за счет химической реакции с реагентом [Maier, Stefan Alexander. Plasmonics: fundamentals and applications. Springer Science & Business Media, 2007], позволяющей проводить селективное детектирование с наименьшими затратами. Все вышеперечисленные научные направления сталкиваются с рядом принципиальных недостатков, связанных со сложностью контроля температуры в часто применяемых для этих целях плазмонных наносистемах. Поиск наиболее оптимального решения проблемы создания эффективных и удобных в использовании биосенсоров привел совместный российско-индийский-китайский коллектив к развитию нового научного направления (диэлектрические и металлодиэлектрические нанофотонные сепнсоры), позволяющего избежать недостатки существующих популярных направлений и оптимизировать работу биосенсоров, заключается в использовании положительных моментов плазмоники и диэлектрической фотоники: высокая степень локализации оптических полей плазмонными элементами для увеличения взаимодействия излучения с единичными молекулами для достижения фундаментальных пределов чувствительности; возбуждение отдельно электрических и магнитных оптических резонансов в диэлектрических элементах, позволяющее увеличить взаимодействие магнитного поля оптических частот как с самими элементами, так и с молекулами, что ранее было принципиально невозможно, но существенно для большинства биологических веществ и соединений, содержащих ионы железа (этой особенностью не обладает ни один сенсор, изготовленный по существующим технологиям); кристалличность диэлектрических компонент, обеспечивающая как измерение температур окружения на наномасштабе, так и эффективный теплоотвод, снижающие эффект тепловой деградации плазмонных элементов (этой особенностью также не обладает ни один сенсор, изготовленный по существующим технологиям); высокая биосовместимость диэлектрических элементов за счет оксидного слоя. Таким образом, проводимые исследовании и получаемые результаты соответствуют мировому уровню.

Разработанные наносенсоры на основе перечисленных структур благодаря уникальным возможностям по контролю света обеспечат качественный скачок в развитии оптических сенсорных технологий, сочетая более высокую чувствительность и удобство в использовании таких систем. Это позволит совершить переход к формированию совершенно новых подходов к созданию сверхкомпактных и энергоэффективных наносенсоров как для создания систем экспресс диагностики, так и систем вида “лаборатория на чипе”, а также повсеместному их внедрению во все сферы общественной жизни – от простейших систем мониторинга экологического состояния в жилых помещениях и общественных местах до сложных биоинтегрируемых высокоинтеллектуальных медицинских систем, позволяющих проводить мониторинг с учетом индивидуальных особенностей пациента. Реализация проекта будет выгодна для трех сторон-участников проекта и будет стимулировать разработку инновационных технологий и высокотехнологичных продуктов, а также появление новых научных направлений, основанных на общем научном опыте.

Разрабатываемые в проекте результаты проекта обладают высоким потенциалом к коммерциализации. Поэтому потенциальными потребителями результатов проекта являются производители систем оптоэлектроники и микроэлектроники, сенсорики, разработчики киберфизических и биосовместимых систем. Возможна разработка как собственной продукции (например, оптические сенсорные платформы для экспресс диагностики белковых соединений) на базе мелкосерийного производства, так и передача технологий крупным производителям биофизического оборудования по лицензионным договорам

Опубликованы статьи:

• G P Zograf, M I Petrova, M I Petrov, P A Belov, F E Komissarenko, E K Makarova, A P Pushkarev, Y Sun, P Ghosh, Q Li, M Qiu, S V Makarov, M V Zyuzin "Semiconductor resonant all-optical temperature sensor and thermal release trigger of encapsulated anti-cancer drugs for in vitro studies"
• A Y Shiker, I V Melchakova, M I Petrova, E K Makarova, M V Zyuzin, V A Milichko "Light induced heating of silicon nanoparticles inside cervical carcinoma cells (HeLa)"
   

Этап 1

Отчет о выполненом исследовании

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17.07.2017 г. № 14.587.21.0041 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 1 в период с 17.07.2017 г. по 29.12.2017 г. выполнялись следующие работы: 

Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии: 

• ​Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках проекта, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты).
• Проведены патентные исследования в соответст​вии с ГОСТ Р 15.011-96. 
• Проведено численное моделирование плоского метаматериала с запрещенной зоной в диапазоне частот сверх-высокопольного томографа 7 Тесла. 
• Численное моделирование массива дипольных антенн с плоской периодической структурой в виде метаматериала с запрещенной зоной.

Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет внебюджетных средств: 

• Проведено численное моделирование антенны на основе вырожденных мод резонатора из метаматериала.
• Проведен численный расчет РЧ поля и выбраны параметры геометрии антенны на основе вырожденных мод резонатора из метаматериала.
• Разработаны методики экспериментального исследования антенны на основе вырожденных мод резонатора из метаматериала.
• Измерение S-параметров миниатюрной РЧ катушки для доклинических исследований на основе метаматериала.
• Проведено тестирование миниатюрной РЧ катушки для доклинических исследований на основе метаматериала в присутствии эквивалента объекта исследования (фантома) на лабораторном МР-томографе с полем магнита 7-17 Тесла путем получения МРТ изображений.
• Проведено численное моделирование искусственного магнитного экрана на основе плоского метаматериала, работающего в диапазоне высокопольного МР-томографа.

На первом этапе выполнения работ был выполнен детальный обзор научно-технической литературы по теме метаповерхностей – двумерных матаматериалов для управления радиочастотными электромагнитными полями и свойствами антенн. Был проведен анализ и сравнение известных типов метаповерхностей на основе их функций по преобразованию радиочастотного электромагнитного поля и требований ко практическому применению в радиодиапазоне. Акцент был сделан на возможных применениях в области МРТ, включающих в себя новые РЧ-катушки для сверхвысокопольной исследовательской МРТ с уровнем постоянного поля 7 Тл. Были собраны и проанализированы данные об известных в литературе технических решениях катушек для МРТ на основе метаповерхностей. В результате были выделены наиболее перспективные пути использования метаповерхностей: развязка элементов фазированных антенных решеток МРТ, искусственный магнитный экран для обшивки радиочастотного экрана томографа, а также новые РЧ-катушки, основанные на резонаторах в виде метаповерхностей. Была построена численная модель плоского метаматериала с запрещенной зоной в диапазоне частот сверхвысокопольного томографа 7 Тл. Была предложена и изучена схема развязки близко расположенных электрических дипольных антенн, работающих в режиме параллельной передачи или в приемопередающем режиме, нацеленная на использование в МРТ всего тела пациента с уровнем постоянного поля 7 Тл, либо в задаче сканирования простаты. Развязка в предложенной модели выполняется с использованием паразитных металлических резонансных элементов, которые могут образовывать при их периодическом расположении между элементами антенной решетки так называемую структуру (метаматериал) с запрещенной зоной. Впервые в мире была разработана теоретическая модель системы из двух дипольных РЧ катушек МРТ в присутствии структуры для развязки, на основании которой получено строгое доказательство возможности идеальной пассивной развязки. Были сформулированы рекомендации по практическому проектированию структуры для развязки. Было показано, что очень плотно расположенная плоская решетка резонансных тонкопроволочных рассеивателей (называемая матаматериалом) может выполнять функцию развязки без искажения формы распределения РЧ поля антенн внутри сканируемого объекта. Новизна предложенного подхода заключается в сложности обеспечения развязки на столь близком расстоянии между антеннами как 1/30 от длины волны в воздухе, что требуется для повышения качества изображения сверхвысокопольных томографов за счет увеличения числа приемопередающих элементов антенной решетки. Были изучены два типа метаповерхностей с запрещенной зо но й в диапазоне частот сверхвысокопольного томографа 7 Тл - массив параллельных резонансных диполей и массив параллельных разомкнутых петлевых резонаторов.
Оптимизация вышеуказанных структур была достигнута за счет детального численного моделирования. В частности, были численно исследована периодическая структура, основанная на метаповерхности, которая включает в себя так называемые разомкнутые петлевые резонаторы. Было показано путем численного расчета коэффициентов матрицы рассеяния системы из двух дипольных антенн что данная метаповерхность подходят для развязки близкорасположенных дипольных антенн в МРТ, но при этом более проста в изготовлении и настройке в МРТ эксперименте по сравнению с известной ранее в литературе грибовидной структурой, использовавшейся для развязки антенн в СВЧ диапазоне. Численно были рассчитаны ветви дисперсионной характеристики бесконечной метаповерхности, показывающие существование запрещенной зоны в диапазоне частот сверхвысокопольного томографа 7 Тл (в окрестности Ларморовой частоты протонов в поле 7 Тл – 298 МГц). Далее были рассчитаны коэффициенты матрицы рассеяния системы из двух дипольных антенн в присутствии метаповерхности. Был показан выигрыш в использовании метаповерхности, заключающийся в снижении коэффициента взаимной связи согласованных диполей S12 в сравнении с теми же диполями без метаповерхности. Численные расчеты были проведены с учетом присутствия фантома и радиочастотного экрана томографа. Было показано, что развязка и согласование, обеспечиваемые предложенной метаповерхностью на основе петлевых резонаторов, сопровождается улучшением уровня РЧ магнитного поля на глубине фантома при сохранении однородного распределения без искажений, что важно для получения изображений МРТ с высокой однородностью и коэффициентом сигнал-шум по сравнению с отсутствием развязывающей метаповерхности. В сравнении с метаповерхностью, состоящей из резонансных диполей, метаповерхность из петлевых резонаторов обеспечивают более
высокий уровень РЧ магнитного поля в глубине фантома, и, что более важно, позволяет избежать искажения распределения поля. В результате проведенных численных расчетов впервые было показано, что метаповерхность может улучшить развязку на 10 дБ при расстоянии между диполями всего лишь 1/30 от длины волны в воздухе, что достигается в достаточном для приложений сверхвысокопольного МРТ диапазоне частот 0.2 МГц.

Подана заявка на полезную модель "Радиочастотная катушка магнитно-резонансного томографа"(заявка № 20173512 от 25.12.2017, Россия), а также опубликованы 2 статьи (см. вложения ниже).

В результате проводимых в рамках проекта работ будут разработаны антенны МРТ, способные существенным образом улучшить характеристики МРТ изображений, получаемых при помощи сверхвысокопольных томографов, что будет важным шагом к применению их наивысшей разрешающей способности и контраста изображений в клиниках. Данные результаты будут непосредственно применимы в разработке промышленных образцов перспективных антенн МРТ ведущими производителями диагностического оборудования как в России (НПФ "Аз", "RTI Криомагнитные системы", "С.П. Гелпик"), так и за рубежом (Phillips, GE, Siemens, Intera, и т.д.).

Применение разрабатываемых антенн поможет снизить время проведения МРТ исследования в разы при сохранении характеристик изображения, что повысит производительность и высокопольных томографах на МРТ станциях и в клиниках. Поэтому применение разрабатываемых антенн, является выгодным и при эксплуатации уже существующих на рынке МР-томографов с полем 1.5 Тл. Использование разработанных антенн на основе метаматериалов также позволит расширить возможности исследовательской сверхвысокопольной МРТ в задачах биологии и медицины. 

На данный момент подана одна патентная заявка на полезную модель. В дальнейшем планируется предоставлять заинтересованным компаниям-производителям лицензии на производство аналогичных продуктов, что будет возможно благодаря своевременной защите прав на интеллектуальную собственность. В целом, стратегией коммерциализации разработок, созданных в рамках настоящего проекта будет демонстрация преимуществ проведения МРТ-исследований с использованием разработанных антенн. Так все планируемые к разработке типы антенн на
основе метаматериалов в конечном счете должны быть исследованы путем сканирования живых объектов и демонстрации возможностей улучшения качества изображения в рамках актуальных биомедицинских задач. Для привлечения внимания заинтересованных компаний планируется участие в специализированных выставках и конференциях, а также публикация полученных результатов в СМИ.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

Статьи

1. A mechanically tunable and efficient ceramic probe for MR-microscopy at 17 Tesla
   Sergei Kurdjumov, Stanislav Glybovski, Anna Hurshkainen, Andrew Webb, Redha Abdeddaim, Luisa Ciobanu, Irina Melchakova, and Pavel Belov
   AIP Conference Proceedings, vol. 1874, p. 30011, 2017
   [DOI: 10.1063/1.4998040] [SJR: 0.163]

    

2. Decoupling capabilities of split-loop resonator structure for 7 Tesla MRI surface array coils
   A. Hurshkainen, S. Kurdjumov, C. Simovski, S. Glybovski, I. Melchakova, C. A. T. van den Berg, A. Raaijmakers, and P. Belov
   AIP Conference Proceedings , vol. 1874, p. 20007, 2017
   [DOI: 10.1063/1.4998028] [SJR: 0.163]

Этап 2

Отчет о выполненом исследовании

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17.07.2017 г. № 14.587.21.0041 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2018 г. по 31.12.2018 г. выполнялись следующие работы:

Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии:

• Проведены дополнительные патентные исследования.
• Проведено численное моделирование, расчет резонатора из метаматериала для беспроводной катушки высокопольного томографа, изготовлен экспериментальный образец.
• Измерены поля передающей РЧ катушки томографа в присутствии пассивной подложки для пациента на основе резонатора из метаматериала в условиях реального томографа и ее тестирование в присутствии эквивалента тела пациента(фантома) на лабораторном МР-томографе.

Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет внебюджетных средств:

• Получены результаты тестирования миниатюризированной антенны.
• Численное моделирование, сравнительный анализ 4 типов метаматериалов для использования в составе РЧ-катушек сверх-высокопольных томографов.
• Разработан программный пакет и проведен расчет РЧ поля томографа в присутствии метаматериалов.
• Разработаны методика изготовления, измерительный стенд, процедуры для РЧ-катушек на основе метаматериалов.
• Проведены численные расчеты и моделирование РЧ поля разработанной катушки.
• Проведен численный расчет РЧ поля передающей катушки томографа в присутствии разработанной катушки, эквивалента тела пациента(фантома), также детальной модели тела человека и РЧ экрана томографа.
• Проведена пост-обработка полученных изображений.

В ходе работ на данном этапе были проведены численное моделирование и выполнены численные расчеты электродинамических характеристик беспроводных катушек различных видов на основе плоских аналогов метаматериалов – метаповерхностей. Беспроводные катушки предназначены для эффективной «фокусировки» поля внешней катушки, расположенной на корпусе клинического томографа. В ходе численного моделирования и расчетов было проведено сравнение резонатора на основе метаповерхности с обычным резонатором в виде рамочной антенны с сосредоточенными конденсаторами, а также сравнение плоской и объемной беспроводных катушек на основе метаповерхностей между собой на основе сопоставления их рассчитанных характеристик. Кроме того, были численно исследованы два метода точной настройки резонансной частоты резонатора беспроводной катушки на основе метаповерхности (частоты резонанса фундаментальной собственной моды метаповерхности), а также был численно исследован метод пассивного отключения беспроводной катушки на основе нелинейной метаповерхности в режиме передачи импульсной последовательности внешней катушкой. Наконец, был изготовлен экспериментальный образец беспроводной катушки для высокопольного клинического томографа на основе плоской нелинейной метаповерхности и методом точной настройки резонансной частоты путем изменения заполнения объема, прилегающего к проводникам метаповерхности дистиллированной водой.

Работы второго этапа были направлены на создание и изучение беспроводных радиочастотных катушек нового типа на основе метаповерхностей, которые являются крайне востребованными устройствами в клинических приложениях МРТ. Резонаторы на основе метаповерхностей обеспечивают большую эффективность локальной «фокусировки» поля внешней катушки, а также более однородное магнитное поле и сниженное отношение поля B1 к квадратному корню из SAR. Кроме того, на данном этапе были численно промоделированы, рассчитаны и экспериментально реализованы радиочастотные катушки сверхвысокопольного томографа с уровнем поля 7 Тл: доклиническая катушка на основе метаповерхности с возможностью многомодового возбуждения на нескольких Ларморовых частотах, а также двухканальный резонатор из двух печатных диполей, соединенных посредством миниатюризированного гибридного делителя для сканирования тела человека в составе фазированной антенной решетки. Для всех трех экспериментальных образцов были проведены измерения характеристик радиочастотного магнитного поля (либо сигнала МРТ) средствами МР-томографов, а также получены изображения тестовых объектов, среди которых фрукты, лабораторные мыши и здоровый доброволец.

Сравнительный анализ плоской катушки на основе метаповерхности и обычной петлевой катушки показывает выигрыш первой до 42% по уровню РЧ магнитного поля на поверхности фантома при заданной воспринятой мощности передающего устройства, при чуть более низкой нагруженной добротности и более широкой полосе согласования импеданса. Сравнительное исследование показало перспективы применения предлагаемой катушки на основе метаматериала из резонансных проволок со структурной емкостью для томографии небольших животных в биомедицинских исследованиях при помощи МРТ. Преимущества предложенной катушки заключаются в более высокой эффективности в режиме передачи и простоты проектирования без использования дорогостоящих немагнитных конденсаторов с сосредоточенными характеристиками.

Также в ходе работ было показано, что:

• Плоская беспроводная катушка имеет более сильную фокусирующую способность по отношению к магнитному полю внешней катушка, чем объемная беспроводная катушка. Поле катушки типа «птичья клетка» увеличивается в 8.9 раза в присутствии плоской беспроводной катушки и в 6.6 раз в присутствии объемной беспроводной катушки.
• Распределение амплитуды поля циркулярной поляризации B1+ остается весьма однородным в области интереса в случае объемного резонатора. В случае плоского резонатора поле сосредоточено вблизи плоскости проволок. Достижимое соотношение уровня магнитного поля к квадратному корню из максимального значения SAR выше для объемной беспроводной катушки.
• Две исследованные конструкции метаповерхности (с регулируемым заполнением диэлектриком) и с телескопическими проволоками позволяют точно настраивать частоту резонанса фундаментальной собственной моды в пределах полосы в 10 МГц вокруг Ларморовой частоты 63.8 МГц клинического магнитно-резонансного томографа.
• Нелинейная метаповерхность на основе тонких проводников с включенными последовательно парами встречно включенных диодов позволяет беспроводной радиочастотной катушке практически не взаимодействовать с внешней катушкой типа «птичья клетка» в режиме передачи, однако, увеличивать чувствительность последней в режиме приема.
• При помощи доклинической катушки на основе метаповерхности без дальнейшей подстройки возможно получить изображения анатомии мыши под наркозом по водороду, совмещенные с изображениями по фтору. При этом было экспериментально показано, что при правильном подборе возбужденных собственных мод можно контролировать глубину проникновения в объект сканирования, т.е. эффективно возбуждать все тело или только определенную область маленького животного.
• Предложенная доклиническая катушка может быть настроена на Ларморовы частоты фтора 19 и водорода 1 при уровне поля в 7 Тл и согласована по импедансу без использования сосредоточенных конденсаторов.

Двухканальный резонатор из двух печатных диполей, соединенных посредством миниатюризированного гибридного делителя, может заменить комбинацию из двух антенн в каждой позиции массива: диполь и поверхностная рамку, достигающих тех же эффективности передачи и уровня связи между элементами, а также качества МРТ изображений при существенно сниженном SAR при сканировании тела человека при уровне поля 7 Тл.

Подана заявка на полезную № 2018145655 от 20.12.2018 "Радиочастотная катушка для магнитно-резонансного томографа", получены Свидетельство о государственной регистрации № 2018663149 от 22.20.2018 "Решение задачи моментов методом разложения по полиномам Лежандра для декодирования сигнала с антенны на основе метаматериалов для сверх-высокопольной магнитно-резонансной томографии", Свидетельство о государственной регистрации № 2018663151 от 22.20.2018 "Расчет характеристик антенн на основе метаматериалов для сверх-высокопольной магнитно-резонансной томографии методом граничных интегральный уравнений", Патент № 183997 от 11.10.2018 "Радиочастотная катушка магнитно-резонасного томографа".

Также опубликованы 3 статьи:

• Anna Hurshkainen, Anton Nikulin, Elodie Georget, Benoit Larrat, Djamel Berrahou, Ana Luisa Neves, Pierre Sabouroux, Stefan Enoch, Irina Melchakova, Pavel Belov, Stanislav Glybovski, Redha Abdeddaim "A Novel Metamaterial-Inspired RF-coil for Preclinical Dual-Nuclei MRI"
• Georgiy Solomakha, Carel van Leeuwen, Alexander Raaijmakers, Constantin Simovski, Alexander Popugaev, Redha Abdeddaim, Irina Melchakova, Stanislav Glybovski "The dual-mode dipole: A new array element for 7T body imaging with reduced SAR"
• M. Zubkov, A.A. Hurshkainen, E. A. Brui, S.B. Glybovski, M.V. Gulyaev, N.V. Anisimov, D. V. Volkov, Y.A. Pirogov, I.V. Melchakova "Small animal large field of view magnetic resonance imaging with metamaterial-inspired resonator".

На основе полученных в ходе реализации проекта результатов защищена кандидатская диссертация А.В. Щелоковой «Метаповерхности для локального усиления радиочастотного поля в высокопольной магнитно –резонансной томографии».

Этап 3

Отчет о выполненом исследовании

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17.07.2017 г. № 14.587.21.0041 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 3 в период с 01.01.2019 г. по 31.12.2019 г. выполнялись следующие работы: 
Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии: 

1. Проведены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
2. Выполнен численный расчет РЧ поля массива дипольных антенн с плоской периодической структурой в виде метаматериала в присутствии эквивалента тела пациента (фантома) и РЧ экрана томографа.
3. Выполнен численный расчет РЧ поля массива дипольных антенн с плоской периодической структурой в виде метаматериала в присутствии эквивалента тела пациента (детальной модели организма пациента) и РЧ экрана томографа.
4. Проведено численное моделирование миниатюрной РЧ катушки для доклинических исследований на основе метаматериала в присутствии эквивалента объекта исследования (фантома) и РЧ экрана томографа.
5. Выполнена оптимизация миниатюрной РЧ катушки для доклинических исследований на основе метаматериала и выбор реализации и параметров экспериментального образца.
6. Изготовлен экспериментальный образец миниатюрной РЧ катушки для доклинических исследований на основе метаматериала.
7. Выполнен численный расчет РЧ поля миниатюрной РЧ катушки для доклинических исследований на основе метаматериала в присутствии эквивалента объекта исследования (фантома) и РЧ экрана томографа.

Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет внебюджетных средств: 

1. Разработан экспериментальный образец массива дипольных антенн с плоской периодической структурой в виде метаматериала.
2. Измерены поля массива дипольных антенн с плоской периодической структурой в виде метаматериала в присутствии эквивалента тела пациента (фантома) и РЧ экрана томографа.
3. Проведено тестирование массива дипольных антенн с плоской периодической структурой в виде метаматериала в присутствии эквивалента тела пациента (фантома) на лабораторном МР-томографе с полем магнита 7 Тесла путем получения МРТ изображений;
4. Проведен сравнительный анализ полученных МРТ изображений при помощи массива дипольных антенн с плоской периодической структурой в виде метаматериала.
5. Выполнено In-vitro тестирование МРТ с использованием четырех типов метаматериалов с целью исследования биологического воздействия.
6. Проведена оценка рисков использования разработанных экспериментальных образцов клинической антенна для головы на основе метаматериалов, необходимые для отправки в этический комитет, включая результаты расчета таких параметров, как kfactor / q-matrices.
7. Проведено тестирование антенны для головы на основе метаматериала с использованием фантомов на лабораторном МР-томографе.
8. Проведено тестирование антенны для головы на основе метаматериала путем получения изображений головы добровольцев на лабораторном МР-томографе.
9. Определена стабильность работы антенны для головы на основе метаматериала на группе добровольцев.
10. Проведено численное моделирование антенны для головы на основе метаматериала с возможностью параллельной передачи и повышенной межканальной развязкой.
11. Выполнен численный расчет S-параметров системы антенн для головы на основе метаматериала для параллельной передачи.
12. Выполнен численный расчет распределения РЧ электромагнитного поля системы антенн для головы на основе метаматериала.
13. Разработан экспериментальный образец миниатюрной РЧ катушки для доклинических исследований на основе метаматериала.
14. Измерены поля миниатюрной РЧ катушки для доклинических исследований на основе метаматериала в присутствии эквивалента объекта исследования (фантома) и РЧ экрана томографа.

В ходе работ на третьем этапе были теоретически и экспериментально изучены возможности использования многомодовых структур на основе метаматериалов в составе радиочастотных катушек для МРТ высокого и сверхвысокого поля. В частности, было рассмотрено два основных направления применения многомодовых свойств: электромагнитная развязка вибраторных (дипольных) элементов применяемых в МРТ сверхвысокого поля фазированных антенных решеток и управление формой и размерами области сканирования, обеспечиваемым возбуждением одной из мод высшего порядка или комбинацией мод. Наиболее значимые научные результаты, полученные на отчетном этапе – следующие. В ходе проведенных работ по первому направлению удалось достичь требуемого уровня развязки ниже -10 дБ для близкорасположенных вибраторных антенн, расположенных вблизи тела человека при снижении относительного уровня искажения формы РЧ поля каждого из элементов внутри сканируемого образцы приблизительно в два раза за счет резонансного возбуждения моды высшего порядка. В ходе проведенных работ по второму направлению был разработан подход модификации формы и размеров области сканирования заданной рамочной катушки (к примеру, имеющейся в продаже поверхностной катушки МРТ) путем индуктивной связи с разработанным резонатором на основе метаматериала. За счет оптимальной отстройки резонансных частот катушки и метаматериала удается приблизительно (с точностью до 10% по уроню поля) сохранить эффективность катушки в ее исходной области сканирования, но продлить область сканирования в несколько раз на расстояние, равное длине проводов предложенного резонатора. Также при помощи предложенных доклинических катушек на основе метаматериалов и композитного керамического материала удалось улучшить такие характеристики как ОСШ и SAR по сравнению с известными в литературе решениями.

Применение результатов проекта позволит улучшить работу катушек для высокопольной и сверхвысокопольной магнитно-резонансной томографии тела человека, в частности для томографов с уровнем поля 1.5 и 7 Тл.  Внедрение результатов исследований позволят повысить соотношение сигнал-шум получаемых МРТ изображений, а также повысить удобство проведения процедуры МРТ и снизить стоимость изготовления и обслуживания радиочастотных катушек в их клинических применениях. Данные результаты будут непосредственно применимы в разработке промышленных образцов перспективных антенн МРТ ведущими производителями диагностического оборудования как в России (НПФ "Аз", "RTI Криомагнитные системы", "С.П. Гелпик"), так и за рубежом (Phillips, GE, Siemens, Intera, и т.д.).

Опубликованы статьи: 

• Stanislav Glybovski, Tania S. Vergara Gomez, Marc Dubois, Benoit Larrat,  Julien de Rosny, Carsten Rockstuhl,  Monique Bernard, Redha Abdeddaim, Stefan Enoch, Frank Kober "Wireless coils based on resonant and nonresonant coupledwire structure for small animal multinuclear imaging"
• Stanislav Glybovski, Georgiy Solomakha, Anna Hurshkainen, Anton Nikulin, Dmitry Dobrykh, Redha Abdeddaim, Alexey Slobozhanyuk, Alena Shchelokova, Alexander Kozachenko, Alexander Efimtcev, Irina Melchakova, Stefan Enoch, Pavel Belov "Surface and Volumetric Modes of Resonators
• Based on Periodic Wires for MRI Applications"
• V. Lenets, A. Sayanskiy, S. Glybovski, E. Martini, J. Baena and S. Maci "Investigation of surface waves on anisotropic self-complementary metasurfaces"
• G. Solomakha, A. Hurshkainen, E. Brui, M. Zubkov, S. Glybovski and A. Andreychenko "Volume metasolenoid-based coil for 23Na MRI at 7 Tesla"
• S.Kurdjumov, M.A.C.Moussu, L.Ciobanu, E.Nenasheva, B.Djemai, M. Dubois, A.Webb, S.Enoch, P.Belov, R.Abdeddaim, S.Glybovski "Tunable all-dielectric RF-coils for magnetic resonance microscopy"
   

Отчет о выполненом исследовании

1. Этап 1 - Отчет о выполненом исследовании
2. Этап 2 - Отчет о выполненом исследовании
3. Этап 3 - Отчет о выполненом исследовании

Статьи

1. Reflection compensation mediated by electric and magnetic resonances of all-dielectric metasurfaces
   Viktoriia E. Babicheva, Mihail I. Petrov, Kseniia V. Baryshnikova, and Pavel A. Belov
   Journal of the Optical Society of America B, vol. 34, pp. D18-D28, 2017
   [DOI: 10.1364/JOSAB.34.000D18] [IF: 1.806, SJR: 0.894]

    

2. Enhanced Second-Harmonic Generation from Sequential Capillarity-Assisted Particle Assembly of Hybrid Nanodimers
   Flavia Timpu, Nicholas R. Hendricks, Mihail Petrov, Songbo Ni, Claude Renaut, Heiko Wolf, Lucio Isa, Yuri Kivshar, Rachel Grange
   Nano Letters, vol. 17 (9), pp. 5381–5388, 2017
   [DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01940] [IF: 12.712, SJR: 7.983]

    

3. Control of luminescence in resonant nanodiamonds with NV-centers
   A.S Zalogina, G.P.Zograf, E.V. Ushakova, F.E. Komissarenko, R.S. Savelev, S. I. Kudryashov,3, S.V. Makarov, D.A. Zuev and P. A. Belov
4. Raman scattering governed by dark resonant modes in silicon nanoparticles (Conference paper)
   Friziuk K.S., Milichko V.A., Petrov M.I., Zuev D.A., Baranov A.V., Baranov M.A.,Makarov S.V., Krasnok A.E., Belov P.A., Mukhin I.S.
   Days on Diffraction (DD), pp. 155-160, 2016
   [DOI: 10.1109/DD.2016.7756833]

    

5. Collective polaritonic modes in an array of two-level quantum emitters coupled to an optical nanofiber
   D. F. Kornovan, A. S. Sheremet, and M. I. Petrov
   Phys. Rev. B, vol. 94, pp. 245416, 2016
   [DOI: 10.1103/PhysRevB.94.245416] [IF: 3.736, SJR: 2.334]

2016, 4й этап

11. Laser printing of Au/Si core-shell nanoparticles ^{(Conference paper)}
    G P Zograf, D A Zuev, V A Milichko, I S Mukhin, M A Baranov, E V Ubyivovk, S V Makarov, and P A Belov
    JPCS, vol. 741, pp. 012119, 2016
    [DOI: 10.1088/1742-6596/741/1/012119] [IF: 0.36, SJR: 0.24]

     

10. Laser-Induced Periodical Structures Fabrication for Third Harmonic Generation ^{(Conference paper)}
    T A Voytova, S V Makarov, A N Tsypkin, V A Milichko, I S Mukhin, A V Yulin, S E Putilin, M A Baranov, A E Krasnok, and P A Belov
    JPCS, vol. 741, pp. 012112, 2016
    [DOI: 10.1088/1742-6596/741/1/012112] [IF: 0.36, SJR: 0.24]

     

9. Manipulating Fano resonance via fs–laser melting of hybrid oligomers at nanoscale ^{(Conference paper)}
   S. Lepeshov, Yali Sun, D. Zuev, S. Makarov, V. Milichko, I. Mukhin, A. Krasnok, and P. Belov
   JPCS, vol. 741, pp. 012140, 2016
   [DOI: 10.1088/1742-6596/741/1/012140] [IF: 0.36, SJR: 0.24]

    

8. Optical tuning of near and far fields form hybrid dimer nanoantennas via laser-induced melting ^{(Conference paper)}
   S. Kolodny, D. Zuev, S. Makarov, V. Milichko, I. Mukhin, A. Krasnok, and P. Belov
   JPCS, vol. 741, pp. 012152, 2016
   [DOI: 10.1088/1742-6596/741/1/012152] [IF: 0.36, SJR: 0.24]

    

7. Femtosecond laser transfer of silicon nanoparticles with enhanced Raman response ^{(Conference paper)}
   P. Dmitriev, D. Baranov, S. Makarov, V. Milichko, I. Mukhin, A. Samusev, A. Krasnok, and P. Belov
   AIP Conf. Proc., vol. 1748, pp. 030001, 2016
   [DOI: 10.1063/1.4954347] [SJR: 0.163]

2015, 2й и 3й этап

6. Input impedance of small antenna provides Purcell factor ^{(Conference paper)}
   Alexander Krasnok, Alexey Slobozhanyuk, Pavel Belov, Constantin Simovski, Ravindra Sinha
   Days on Diffraction (DD), 2015
   [DOI: 10.1109/DD.2015.7354854]

    

5. An antenna model for the Purcell effect
   Alexander E. Krasnok, Alexey P. Slobozhanyuk, Constantin R. Simovski, Sergei A. Tretyakov, Alexander N. Poddubny, Andrey E. Miroshnichenko, Yuri S. Kivshar, and Pavel A. Belov
   Sci. Rep., vol. 5, 2015
   [DOI: 10.1038/srep12956] [IF: 4.259, SJR: 1.625]

    

4. Mapping plasmonic topological states at the nanoscale
   Ivan Sinev, Ivan Mukhin, Aleksei Slobozhanyuk, Alexander Poddubny, Andrey Miroshnichenko, Anton Samusev and Yuri S Kivshar
   Nanoscale, vol. 7, pp. 11904-11908, 2015
   [DOI: 10.1039/C5NR00231A] [IF: 7.367, SJR: 2.769]

    

3. Enhanced emission extraction and selective excitation of NV centers with all–dielectric nanoantennas
   Alexander E. Krasnok, Alex Maloshtan, Dmitry N. Chigrin, Yuri S. Kivshar, and Pavel A. Belov
   Laser Photon. Rev., vol. 9, pp. 385-391, 2015
   [DOI: 10.1002/lpor.201400453] [IF: 8.529, SJR: 4.23]

    

2. Probing magnetic and electric optical responses of silicon nanoparticles
   Dmitry Permyakov, Ivan Sinev, Dmitry Markovich, Pavel Ginzburg, Anton Samusev, Pavel Belov, Vytautas Valuckas, Arseniy I. Kuznetsov, Boris S. Luk'yanchuk, Andrey E. Miroshnichenko, Dragomir N. Neshev and Yuri S. Kivshar
   Appl. Phys. Lett., vol. 106, pp. 171110, 2015
   [DOI: 10.1063/1.4919536] [IF: 3.411, SJR: 1.132]

    

1. Magnetic and Electric Hotspots with Silicon Nanodimers
   Reuben M Bakker, Dmitry Permyakov, Ye Feng Yu, Dmitry Markovich, Ramón Paniagua-Domínguez, Leonard Gonzaga, Anton Samusev, Yuri S. Kivshar, Boris Luk`yanchuk, and Arseniy I. Kuznetsov
   Nano Lett., 2015
   [DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b00128] [IF: 12.712, SJR: 7.983]