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Novel and Interdisciplinary Application of Hard X-ray and Gamma-ray Detectors

Planned

Project AreaToward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
Project/Area Number 18H05463
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

高橋 忠幸  東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 教授 (50183851)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 武田 伸一郎  東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任助教 (80553718)
織田 忠  東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任助教 (10746522)
柳下 淳  東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任助教 (20626676)
サンペトラ オルテア  慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 助教 (50571113)
益子 高  近畿大学, 薬学部, 研究員 (30157200)
内山 泰伸  立教大学, 人工知能科学研究科, 教授 (00435801)
能町 正治  大阪大学, 核物理研究センター, 招へい教授 (90208299)
池田 博一  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙探査イノベーションハブ, 上席研究開発員 (10132680)
Project Period (FY) 2018-06-29 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥155,480,000 (Direct Cost: ¥119,600,000、Indirect Cost: ¥35,880,000)
Fiscal Year 2022: ¥27,040,000 (Direct Cost: ¥20,800,000、Indirect Cost: ¥6,240,000)
Fiscal Year 2021: ¥34,710,000 (Direct Cost: ¥26,700,000、Indirect Cost: ¥8,010,000)
Fiscal Year 2020: ¥38,220,000 (Direct Cost: ¥29,400,000、Indirect Cost: ¥8,820,000)
Fiscal Year 2019: ¥24,050,000 (Direct Cost: ¥18,500,000、Indirect Cost: ¥5,550,000)
Fiscal Year 2018: ¥31,460,000 (Direct Cost: ¥24,200,000、Indirect Cost: ¥7,260,000)
Keywordsガンマ線検出器 / CdTe / 核医学 / SPECT / コンプトンカメラ / ガンマ線イメージング / 分子イメージング
Outline of Annual Research Achievements

1)可搬型の冷却チャンバーを開発し、2mm厚のCdTe両面ストリップ検出器を格納したシステムを完成させた。B01班と共同で、実際にJ-PARCにおける負ミュオンビームによる隕石の非破壊元素分析(C,Mg,Siなどの軽元素の定量化)に向けた予備実験に供与した。医学研究においては、様々なin vivoイメージング実験を通じて、薬物動態の可視化に向けた課題の識別を行なった。Tc-99mなど高いエネルギーのガンマ線に対する感度向上、 コリメータの広視野化などが抽出され、それぞれ実際に改良型の研究を進めた。3D金属プリンタを用いて製作したタングステン製の平行孔コリメータを用いたAt-211のためのイメージャを整備し臨床応用に向けたコリメータの視野、サイズについて要求条件をまとめた。トモグラフィを行うため、並行コリメータやコンプトンカメラなどの光学系に対して画像解析ソフトウェアを整備した。医学、宇宙観測、素粒子実験等への応用をはかるために60μmピッチのCdTe両面ストリップ検出器やTimePix3を用いたSiおよびCdTeピクセル検出器の研究を進めた。可搬型装置の実現のため、高速で小型のデータ収集装置の開発を行った。機械学習を用いた画像解析、特に検出器でのクラスタリングの研究を進めた。2)益子によりがん細胞表面のCAT1に選択的結合性を有する抗体の研究により、抗CAT1抗体の添加により、細胞表面のCAT1が細胞に内在化することが示された。3) in vivo 3Dイメージングの検討のため、臓器や血管などの形状や密度分布を模したマウスや人体の数学モデルを用いたシミュレーションで設計検証を行うためのセットアップを完成させた。マウスのデジタルファントムとGeant4をつなげたシミュレーション手順を開発し、CdTe3Dイメージング装置(CdTeガントリー)の組み込みが完了した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

我々の技術は、医学・ライフサイエンス領域においても技術革新を呼び起こすブレークスルーとなりうるという確かな手応えが得られている。特に、我々が高い技術を持つ高いエネルギー分解能を有するCdTe半導体検出器を用いたイメージャは、従来の核医学ガンマカメラに比べて空間分解能、エネルギー分解能ともはるかに優れたものであり、既存技術では不可能だった核医学イメージングによる高空間分解能かつ、複数の核種からの異なるエネルギーの光子の同時描出を可能にしうることを明らかにできた。これをもとに医学・薬学の国内外の研究者との共同研究を進めることができている。医学コミュニティばかりではなく、原子核・素粒子実験、原子物理から惑星科学(サンプルリターン)におよぶ広いコミュニティに我々の有する技術が展開されるようになった。また、これらの宇宙科学の近接分野の研究者との様々な共同研究を通じて新たな知見が、さらなる検出器技術、あるいは解析技術の質的向上につながる循環が実現した。

Strategy for Future Research Activity

本研究は宇宙観測のために開発されてきた硬X線・ガンマ線検出器を進化させることで、医学研究の場において、これまでにない精度での生体内3Dイメージングを実現、「検知力」の格段な向上を提供し、これまでに困難であった課題に対する医学研究を可能とするものでことをめざす。そのために、医学研究からの要求を把握すること、さらに、共に実験を行い、物理研究者の観点で課題を見出すことが重要であり、医学研究者や薬学研究者との連携を深めることが必要である。共同研究契約により国立がん研究センター(千葉県柏市)に設置することができた本グループ開発のイメージング装置を用い、微小がんの発見や転移の早期発見をめざした微少リンパ節転移イメージングなど、担がんマウスを用いた医学実験を進める。また、低酸素領域やがん幹細胞に代表されるような微小環境の複雑性を研究するためのプローブの検討、さらにそれを目的の部位に到達させるためのDDS(Drug Delivery System)に関する研究、がん細胞において抵抗性をもたらしているとされるxCTに接合する抗体や低分子によるプローブの研究を進める。アルファ線放出核種を用い、診断と治療の同時実施を可能にするための研究において、薬物動態の可視化をはかる。成果を核医学や分子イメージング、あるいは癌学会など、数物領域以外のコミュニティにて発表する。医学研究と並行して、画像解析ソフトウェアの高速化・機械学習の導入、キャリブレーションの高精度化、シミュレーションの整備などのソフトウェア開発、さらに、より広視野をもつコリメータの開発、高い検出効率を持つCdTe半導体イメージャ、高いフラックスでのイメージングが可能なCdTeセンサーなど、検出器開発を進める。可搬性、小型化を強く意識した装置開発をイメージングセンサーやデータ収集装置について進めており、今後もその努力を続ける。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(58 results)

All 2021 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (7 results) Journal Article (19 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Peer Reviewed: 17 results,  Open Access: 7 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 6 results) Book (1 results) Remarks (4 results) Patent(Industrial Property Rights) (3 results)

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    • Author(s)
      Yagishita Atsushi、Ueno Tasuku、Tsuchihara Katsuya、Urano Yasuteru
    • Journal Title

      Bioconjugate Chemistry

      Volume: 32 Pages: 234-238

    • DOI

      10.1021/acs.bioconjchem.0c00565

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      Okita K, Hara Y, Okura H, Hayashi H, Sasaki Y, Masuko S, Kitadai E, Masuko K, Yoshimoto S, Hayashi N, Sugiura R, Endo Y, Okazaki S, Arai S, Yoshioka T, Matsumoto T, Makino Y, Komiyama H, Sakamoto K, Masuko T.
    • Journal Title

      Cancer Science

      Volume: 112 Pages: 563-574

    • DOI

      10.1111/cas.14741

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    • Author(s)
      Ishikawa Shin-nosuke、Matsumura Hideaki、Uchiyama Yasunobu、Glesener Lindsay
    • Journal Title

      Solar Physics

      Volume: 296 Pages: 39-39

    • DOI

      10.1007/s11207-021-01780-x

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  • [Journal Article] Development of a low-noise front-end ASIC for CdTe detectors2020

    • Author(s)
      Kawamura Tenyo、Orita Tadashi、Takeda Shin’ichiro、Watanabe Shin、Ikeda Hirokazu、Takahashi Tadayuki
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 982 Pages: 164575-164575

    • DOI

      10.1016/j.nima.2020.164575

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  • [Journal Article] Imaging and spectral performance of a 60μm pitch CdTe Double-Sided Strip Detector2020

    • Author(s)
      Furukawa Kento、Nagasawa Shunsaku、Glesener Lindsay、Katsuragawa Miho、Takeda Shin’ichiro、Watanabe Shin、Takahashi Tadayuki
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 978 Pages: 164378-164378

    • DOI

      10.1016/j.nima.2020.164378

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  • [Journal Article] Amplification of polarization correlations in Compton scattering of hard x-ray Bell states2020

    • Author(s)
      Caradonna Peter
    • Journal Title

      Journal of Physics Communications

      Volume: 4 Pages: 1-10

    • DOI

      10.1088/2399-6528/abcb45

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  • [Journal Article] X-Ray Hotspots in the Northwest Shell of the Supernova Remnant RX J1713.7-39462020

    • Author(s)
      Higurashi Ryota、Tsuji Naomi、Uchiyama Yasunobu
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 899 Pages: 102-102

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ab9945

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  • [Journal Article] Anticancer agent synthesis designed by artificial intelligence: Pd(OAc)2-catalyzed one-pot preparation of biphenyls and its application to a concise synthesis of various diazofluorenes2020

    • Author(s)
      Takabatake Tetsuhiko、Tomita Hiroki、Okada Syo、Hayashi Natsumi、Masuko Takashi、Toyota Masahiro
    • Journal Title

      Tetrahedron Letters

      Volume: 61 Pages: 152267-152267

    • DOI

      10.1016/j.tetlet.2020.152267

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  • [Journal Article] Novel functional anti-HER3 monoclonal antibodies with potent anti- cancer effects on various human epithelial cancers.2020

    • Author(s)
      Okita K, Okazaki S, Uejima S, Yamada E, Kaminaka H, Kondo M, Ueda S, Tokiwa R, Iwata R, Yamasaki A, Hayashi N, Ogura D, Hirotani K, Yoshioka T, Inoue M, Masuko K, Masuko T
    • Journal Title

      Oncotarget

      Volume: 11 Pages: 31-45

    • DOI

      10.18632/oncotarget.27414

    • NAID

      120006888520

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  • [Journal Article] 高分解能SPECT装置を用いた中枢神経系リンパ管の 機能イメージング2020

    • Author(s)
      水間 広, 武田 伸一郎, 柳下 淳, 桂川 美穂, 大貫 和信
    • Journal Title

      Precision Medicine

      Volume: 3 Pages: 113-117

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  • [Journal Article] 高性能SPECTを用いた中枢神経系リンパ管の循環動態イメージングの開発2020

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      水間 広, 武田 伸一郎, 柳下 淳, 桂川 美穂, 大貫 和信
    • Journal Title

      Medical Science Digest

      Volume: 46 Pages: 490-493

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  • [Journal Article] Imaging of 99mTc-DMSA and 18F-FDG in humans using a Si/CdTe Compton camera2020

    • Author(s)
      Nakano Takashi、Sakai Makoto、Torikai Kota、Suzuki Yoshiyuki、Takeda Shin’ichiro、Noda Shin-ei、Yamaguchi Mitsutaka、Nagao Yuto、Kikuchi Mikiko、Odaka Hirokazu、Kamiya Tomihiro、Kawachi Naoki、Watanabe Shin、Arakawa Kazuo、Takahashi Tadayuki
    • Journal Title

      Physics in Medicine & Biology

      Volume: 65

    • DOI

      10.1088/1361-6560/ab33d8

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  • [Journal Article] Double photon emission coincidence imaging with GAGG-SiPM Compton camera2020

    • Author(s)
      Uenomachi Mizuki、Mizumachi Yuki、Yoshihara Yuri、Takahashi Hiroyuki、Shimazoe Kenji、Yabu Goro、Yoneda Hiroki、Watanabe Shin、Takeda Shin’ichiro、Orita Tadashi、Takahashi Tadayuki、Moriyama Fumiki、Sugawara Hirotaka
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 印刷中 Pages: 161682-161682

    • DOI

      10.1016/j.nima.2018.11.141

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  • [Journal Article] Probing entanglement in Compton interactions2019

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      Caradonna Peter、Reutens David、Takahashi Tadayuki、Takeda Shin’ichiro、Vegh Viktor
    • Journal Title

      Journal of Physics Communications

      Volume: 3 Pages: 105005-105005

    • DOI

      10.1088/2399-6528/ab45db

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  • [Journal Article] Development of 60 μm pitch CdTe double-sided strip detectors for the FOXSI-3 sounding rocket experiment2019

    • Author(s)
      Furukawa Kento、Buitrago-Casas Juan Camilo、Vievering Juliana、Hagino Kouichi、Glesener Lindsay、Athiray P.S.、Krucker S?m、Watanabe Shin、Takeda Shin’ichiro、Ishikawa Shin’nosuke、Musset Sophie、Christe Steven、Takahashi Tadayuki
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 924 Pages: 321-326

    • DOI

      10.1016/j.nima.2018.07.011

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  • [Journal Article] The thermal-radiative wind in low-mass X-ray binary H1743-322: radiation hydrodynamic simulations2019

    • Author(s)
      Tomaru Ryota、Done Chris、Ohsuga Ken、Nomura Mariko、Takahashi Tadayuki
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 490 Pages: 3098-3111

    • DOI

      10.1093/mnras/stz2738

    • NAID

      120007132816

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  • [Journal Article] X-ray study of spatial structures in Tycho’s supernova remnant using unsupervised deep learning2019

    • Author(s)
      Iwasaki Hiroyoshi、Ichinohe Yuto、Uchiyama Yasunobu
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 488 Pages: 4106-4116

    • DOI

      10.1093/mnras/stz1990

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  • [Journal Article] NuSTAR Observations of the Supernova Remnant RX J1713.7?39462019

    • Author(s)
      Tsuji Naomi、Uchiyama Yasunobu、Aharonian Felix、Berge David、Higurashi Ryota、Krivonos Roman、Tanaka Takaaki
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 877 Pages: 96-96

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ab1b29

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  • [Journal Article] Inverse Compton emission from relativistic jets in binary systems2018

    • Author(s)
      Khangulyan, D, Bosch-Ramon, V, Uchiyama, Y.
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 481 Pages: 1455-1468

    • DOI

      10.1093/mnras/sty2356

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  • [Presentation] 様々な領域への応用をめざした高効率テルル化カドミウム半導体両面ストリップ検出器の開発2021

    • Author(s)
      南喬博, 渡辺 伸, 武田伸一郎, 桂川美穂, 高橋忠幸, 邱奕寰
    • Organizer
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  • [Presentation] CdTe 検出器を用いた負ミュオンによる非破壊三次元イメージング法の開発2021

    • Author(s)
      邱奕寰, 梶野芽都, 篠原厚, 二宮和彦, 武田伸一郎, 桂川美穂, 都丸亮太, 長澤俊作, 藪悟郎, 南喬博, 高橋忠幸, 渡辺伸
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      日本物理学会第76回年次大会
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  • [Presentation] 111In-DOTA/90Y-DOTA封入リポソームによるradio-theranosticsの試み2021

    • Author(s)
      梅田 泉、永田みどり、天﨑 茜、大貫和信、柳下 淳、武田伸一郎、桂川美穂、藤井博史、高橋忠幸.
    • Organizer
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  • [Presentation] New development of negative muon experiments using the latest detector technology for space X-ray and γ-ray observations2020

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      Tadayuki Takahashi
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  • [Presentation] 宇宙X線ガンマ線検出技術を用いた新たな負ミュオン 実験の展開。原子物理から高精度3D非破壊元素分析まで。2020

    • Author(s)
      高橋 忠幸
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      新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」 領域研究会
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      桂川美穂、武田伸一郎、峰 海里、藪 悟郎、柳下 淳、梅田 泉、高橋忠幸、 渡辺 伸、大貫和信、藤井博史
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  • [Presentation] 111In/90Y封入リポソームを用いたradio-theranostic2020

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      梅田 泉、角田 瞳、永田みどり、大貫和信、柳下 淳、武田伸一郎、藤井博史、高橋忠幸
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      Tadayuki Takahashi
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  • [Presentation] Development of a Low-Noise Front-end ASIC for CdTe Detectors, International Symposium on the Development and Application of Semiconductor Tracking Detectors (HSTD12)2019

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    • Organizer
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    • Organizer
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    • Organizer
      International Symposium on the Development and Application of Semiconductor Tracking Detectors (HSTD12)
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  • [Presentation] 超高分解能 CdTe-SPECT 試作機によるマルチプローブ生体イメージングへの展開2019

    • Author(s)
      柳下淳,武田伸一郎,織田忠,桂川美穂,藪悟郎,河村天陽,高橋忠幸,渡辺伸,水間広,金山洋介, 大貫和信,梅田泉,藤井博史
    • Organizer
      日本分子イメージング学会
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    • Author(s)
      武田伸一郎、織田忠、柳下淳、桂川美穂、都丸亮太、薮悟郎、高橋忠幸、渡辺伸、水間広、金山洋介、菅原寛孝、森山文基、大貫和信、梅田泉、藤井博史
    • Organizer
      日本分子イメージング学会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] CdTe検出器を用いた硬X線イメージング研究2019

    • Author(s)
      武田伸一郎
    • Organizer
      The 2nd Workshop on Quantum Beam Imaging
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] ラジオセラノスティック製剤を目指した放射性リポソーム2019

    • Author(s)
      梅田 泉,森田智子,浜根友仁子,大貫和信,柳下淳,武田伸一郎,高橋忠幸,藤井博史
    • Organizer
      第59回日本核医学会(松山),
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Si/CdTeコンプトンカメラの原子物理実験における偏光測定への応用2019

    • Author(s)
      都築豊, 渡辺伸, 大石晋平, 沼館直樹, 櫻井誠, 渡邉裕文, 中村信行, 内田悠介, 米田浩基, 小高裕和, 高橋 忠幸
    • Organizer
      原子衝突学会第44回年会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 8-アミノBODIPYを用いた青色ALDH1蛍光プローブの開発2019

    • Author(s)
      柳下淳,上野匡,梅田泉,土原一哉,浦野泰照
    • Organizer
      日本薬学会第140年会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 脳腫瘍幹細胞の低酸素応答と放射線抵抗性の克服2019

    • Author(s)
      サンペトラ オルテア,小池 直義,佐谷 秀行
    • Organizer
      日本放射線腫瘍学会第32回学術大会
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      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Toward a new frontier for in-vivo cancer researches, at Kavli IPMU2019

    • Author(s)
      Shin'ichiro Takeda
    • Organizer
      Interdisciplinary approach of applying cutting-edge technologies at the frontier of cancer research
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高分解能ガンマ線3次元イメージングを目指したCdTe SPECT装置の検出器応答の研究2019

    • Author(s)
      薮 悟朗
    • Organizer
      応用物理学会春季学術講演会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Study of 3D image reconstruction using a Si/CdTe semiconductor Compton Camera2018

    • Author(s)
      Goro Yabu
    • Organizer
      the 2018 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Novel and interdisciplinary application of space hard X-ray and gamma-ray detectors2018

    • Author(s)
      Tadayuki Takahashi
    • Organizer
      The 1st Workshop on Quantum Beam Imaging
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      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Development of a front-end ASIC for CdTe Hybrid Pixel Detector2018

    • Author(s)
      Tadashi Orita
    • Organizer
      International Workshop on Semiconductor Pixel Detectors for Particles and Imaging (PIXEL 2018)
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Book] 宇宙物理学ハンドブック2020

    • Author(s)
      高原文郎、家正則、小玉英雄、高橋忠幸
    • Total Pages
      912
    • Publisher
      朝倉書店
    • ISBN
      9784254131277
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  • [Remarks] 宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。

    • URL

      https://member.ipmu.jp/SpaceTech_to_QuantumBeam/planned-research/c01/

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  • [Remarks] ガンマ線イメージングの医学応用

    • URL

      https://www.ipmu.jp/en/research-activities/research-program/Gamma-ray_Imaging

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  • [Remarks] C01 宇宙硬エックス線・ガンマ線検出テクノロジーの異分野への展開

    • URL

      https://member.ipmu.jp/SpaceTech_to_QuantumBeam/planned-research/c01/index.html

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    • URL

      https://www.ipmu.jp/ja/research-activities/research-program/Gamma-ray_Imaging

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] Aldehyde dehydrogenase detecting blue fluorescent probe2020

    • Inventor(s)
      柳下 淳
    • Industrial Property Rights Holder
      柳下 淳
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2020
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] Time width signal processing method of radiation signal and its application to ASIC2020

    • Inventor(s)
      織田 忠
    • Industrial Property Rights Holder
      織田 忠
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2020-115866
    • Filing Date
      2020
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] アルデヒドロゲナーゼ1A1検出用青色蛍光プローブ2019

    • Inventor(s)
      柳下 淳
    • Industrial Property Rights Holder
      柳下 淳
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2020-014846
    • Filing Date
      2019
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Published: 2018-07-20   Modified: 2022-07-01  

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