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レポートナンバー 0000030193

AI・ナノ・量子による超高感度・迅速バイオセンシング

株式会社シーエムシー出版

―超早期パンデミック検査・超早期診断・POCTから健康長寿社会へ―

Ultrasensitive and Rapid Biosensing Using AI, Nanotechnology, and Quantum Technology: From Ultra-Early Pandemic Testing, Disease Diagnosis, and POCT towards Healthy Longevity Society

発刊日 2021/08/20

言語日本語

体裁B5/244ページ

ライセンス/価格244ページ

0000030193

書籍版 72,600 円(税込)

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ポイント

感染症・疾病の超早期診断、臨床現場での即時検査を実現するバイオセンシング・デバイス技術!
AI、ナノテクノロジー、量子科学の融合により、超高感度・超高速な検出を実現!
コロナ/インフルエンザウイルスの蔓延防止、在宅医療、食品検査などへの活用に!

レポート概要

【刊行にあたって】

内閣府・科学技術・イノベーション基本計画は、世界が目指すべき社会(Society 5.0)を実現すべく、フィジカル空間とサイバー空間の融合により、持続可能・強靱で一人ひとりの多様な幸せを実現する社会の構築を目指した研究開発を強力に推進しています。センシングは、フィジカル空間の最重要技術であり、Society 5.0実現のために、センシングの大幅な技術革新が切望されています。
Society 5.0においては、超高感度・迅速バイオセンシングが、ヒトの健康状態を超高速にサイバー空間に伝送し、AIがヒトをサイバー空間にリアルタイムに再現することで、健康状態を瞬時に把握し、これまで実現不可能であった将来起こる健康状態の変化の予測と予防を実現することが期待されています。さらに、がんをはじめとした万病の予測・予防、感染症パンデミックの予測・予防から老化修復、脳機能拡張などが実現し、人類史上かつてない、寿命が150歳を超える健康“超”長寿社会の出現さえ予測されています。このような社会を現実のものとするために、AI、ナノ、量子、バイオ技術などの大きな発展に基づく、バイオセンシングの革新的超高感度化・迅速化を実現するための研究開発が急速に進展しています。
(本書「はじめに」より抜粋)

レポート詳細

監修

馬場嘉信、柳田 剛、加地範匡

著者一覧

馬場嘉信   名古屋大学
柳田 剛   東京大学
加地範匡   九州大学
中木戸 誠  東京大学
松長 遼   東京大学
津本浩平   東京大学
鷲尾 隆   大阪大学
五十嵐龍治  (国研)量子科学技術研究開発機構
根来 誠   (国研)量子科学技術研究開発機構;大阪大学
須原哲也   (国研)量子科学技術研究開発機構
長島一樹   東京大学
高橋綱己   東京大学
細見拓郎   東京大学
田中 航   東京大学
山本貴富喜  東京工業大学
吉岡芳親   大阪大学
森 健策   名古屋大学
谷口正輝   大阪大学
篠田 肇   (国研)理化学研究所
渡邉力也   (国研)理化学研究所
小田昌宏   名古屋大学
豊嶋崇徳   北海道大学;北海道大学病院
松永哲郎   東北大学
本橋ほづみ  東北大学
赤池孝章   東北大学
川端智久   富士フイルム和光純薬(株)
澤上一美   プレシジョン・システム・サイエンス(株)
長野隆志   (株)ミズホメディー
森 健    (株)ミズホメディー
楢原謙次   (株)ミズホメディー
脇坂嘉一   (株)AFI テクノロジー
嶋田泰佑   名古屋大学
安井隆雄   名古屋大学
梅野哲嗣   シスメックス(株)
有馬彰秀   名古屋大学
筒井真楠   大阪大学
小野島大介  名古屋大学
下田麻子   京都大学
秋吉一成   京都大学
内藤豊裕   九州大学
木村 笑   九州大学
永井秀典   (国研)産業技術総合研究所
笠間敏博   東京大学;名古屋大学
渡慶次 学  北海道大学;名古屋大学
荒木徹平   大阪大学
関谷 毅   大阪大学
都甲 潔   九州大学
森下雅代   (株)HIROTSU バイオサイエンス
広津崇亮   (株)HIROTSU バイオサイエンス
宮崎真佐也  (株)HaKaL

目次

第Ⅰ編 総 論
第1 章 バイオテクノロジーが実現する超高感度・迅速バイオセンシング・デバイス
1 バイオセンサーにおける分子認識素子としての生物由来分子
2 抗体の特徴及び取得・生産方法
3 抗体を用いた超高感度検出法
3. 1 酵素免疫測定法(ELISA)
3. 2 イムノクロマト法
4 抗体工学による低コスト化や高機能化

第2 章 AIが実現する超高精度・ロバストなバイオセンシング・デバイス
1 はじめに
2 計測問題と分析問題
3 多段狭窄ナノチャンネルと深層学習による極微小な粒子・生体の計測デバイス開発
4 ナノポアと機械学習による極微小な粒子・生体種別の分析デバイス開発
5 おわりに

第3 章 量子科学技術が実現する超高感度・迅速バイオセンシング・デバイス
1 生命計測に変革をもたらす2つの量子科学技術
2 超偏極技術と生命計測
3 量子センサと生命計測
4 バイオセンシングにおいて量子科学技術が担う役割

第4 章 ナノテクノロジーが実現する超高感度・迅速バイオセンシング・デバイス

第Ⅱ編 基盤技術
第1 章 1分子生物物理学を牽引するマイクロ・ナノテクノロジー
1 はじめに
2 ナノ流路を活用した1分子ソーター
3 非線形電気インピーダンス測定による1分子測定の高度化
4 DNAのモレキュラーサージェリー
5 ナノ電極による分子固定化とマイクロ流体操作による1分子分析
6 まとめ

第2 章 極微センシングを可能とする生体ナノ量子センサー 
1 はじめに:蛍光検出法において解決されるべき2つの課題
2 微量のバイオセンシングに背景光がもたらす問題
3 ナノ量子センサーによるバックグラウンドフリー蛍光検出
4 まとめ:バックグラウンドフリー蛍光検出の将来展望

第3 章 体の中を可視化するMRIテクノロジー  
1 はじめに:磁気共鳴イメージング(MRI)の特徴
2 MRIの組織コントラスト
3 構造情報
4 機能情報
5 代謝情報
6 温度やpHなどの生理学的情報
7 まとめ

第4 章 機械学習とその医療支援応用  
1 はじめに
2 人工知能技術
2. 1 AIについて
2. 2 パーセプトロンとニューラルネットワーク
2. 3 ニューラルネットワークの基礎
2. 4 畳み込みニューラルネットワーク
3 医療画像分野におけるAI利活用の例
3. 1 医用画像AIによってできること
3. 2 医用画像AIの実例
3. 2. 1 大腸内視鏡画像認識
3. 2. 2 CT画像の認識
3. 2. 3 CycleGANによる画像変換
3. 2. 4 腹腔鏡手術ナビゲーション
4 むすび

第Ⅲ編 超早期パンデミック検査
第1 章 単一ウイルス解析  
1 はじめに
2 ナノポアの原理
3 イオン電流―時間波形の情報
4 ナノポアと機械学習の融合
5 ウイルスの識別
6 まとめと展望

第2 章 新型コロナウイルスのデジタル検出  
1 はじめに
2 CRISPR-Casを利用した核酸検出技術
3 SATORI法の開発
4 SARS-CoV-2 RNAの検出
5 既存技術との比較
6 SATORI法の将来展望

第3 章 COVID -19肺炎CT画像のAI解析  
1 AI開発の背景
2 AIによるCOVID -19症例診断支援
3 COVID -19診断支援AIの構成
4 肺野領域セグメンテーション
5 肺野領域クラスタリング
6 COVID -19典型度推定
7 むすび

第4 章 唾液を用いたCOVID-19検査  
1 唾液検査を考えたきっかけ
2 北大で研究開始
3 唾液と鼻咽頭のウイルス量の比較
4 無症状者を対象にした唾液スクリーニング検査の研究開始
5 唾液を用いたより迅速な検査法の開発
6 おわりに

第5 章 呼気オミックスと新型コロナウイルス感染症
1 はじめに
2 呼気オミックス:多次元サンプルからの多次元データセットの回収・統合
3 オミックスとAI診断
3. 1 ウイルスプロテオーム解析
3. 1. 1 新型コロナウイルスタンパク質の定量的検出
3. 1. 2 新型コロナウイルス以外のウイルスタンパク質診断
3. 2 生体(宿主:患者,感染者)の代謝・免疫オミックス解析
3. 2. 1 呼気オミックス(無侵襲モニタリング)
3. 2. 2 侵襲的(観血的)オミックスモニタリング
3. 3 ゲノム解析
3. 4 呼気オミックスの国際標準化
3. 5 環境オミックス
4 おわりに:未来型呼気医療への展開に向けて

第6 章 水際対策 ― 全自動迅速ウイルス検査
1 全自動遺伝子解析装置 ミュータスワコーg1
1. 1 はじめに
1. 2 ミュータスワコーg1システムの概要
1. 3 オンチップPCR -電気泳動(PCR - CE)分析
1. 3. 1 測定チップ
1. 3. 2 オンチップPCR - CE原理
1. 4 ミュータスワコーg1による新型コロナウイルス遺伝子の検出
1. 4. 1 新型コロナウイルス測定方法
1. 4. 2 新型コロナウイルス測定性能
1. 5 まとめ
2 全自動PCR検査システム(geneLEADシリーズ)
2. 1 背景
2. 2 全自動PCR検査システム(geneLEADシリーズ)の要素
2. 2. 1 装置構成
2. 2. 2 試薬
2. 3 周辺技術
2. 3. 1 唾液採取キット
2. 3. 2 プール検査法
2. 4 今後
3 全自動遺伝子解析装置(Smart Gene®)
3. 1 はじめに
3. 2 POCTとしての遺伝子検査:全自動遺伝子解析装置(Smart Gene®)
3. 3 Smart Gene®の操作法,測定原理および特徴
3. 3. 1 スマートジーン ® Myco(SG Myco)
3. 3. 2 スマートジーン ® SARS - CoV- 2(SG SARS - CoV- 2)
3. 4 スマートジーン ® SARS - CoV- 2の性能
3. 5 終わりに

第7 章 マイクロ流体デバイスによる迅速細菌検査  
1 はじめに
2 迅速細菌検査法
3 マイクロ流体制御と電気計測技術を活用した迅速細菌検査
3. 1 微生物汚染リスクモニタリングシステムELESTA® PixeeMo®
3. 2 培養法との相関性
3. 3 細菌の濃縮による検出感度の向上
4 今後の展望

第8 章 マイクロポアによる迅速細菌検査 
1 細菌感染症の診断
2 マイクロポアを用いた粒子検出とオンサイトへの展開
3 光・電気同時計測による細菌識別
4 おわりに

第9 章 ナノ流体を用いた迅速細菌薬剤感受性検査  
1 技術開発の背景
2 本技術の特徴
3 本システム・技術の説明
3. 1 ナノ流体チップのデザイン,および検体ローディング
3. 2 成長率の測定
3. 3 抗菌薬への反応の迅速な検出
3. 4 適切なブレイクポイントの選択による結果出力
3. 5 コンタミネーションの考慮
4 結論

第10 章 ナノスケールセンシングと人工知能の融合によるウイルス・細菌の変異・薬剤耐性予測システム創出の展望
1 はじめに
2 ナノスケールセンシングによる単一生体粒子識別
3 感染症の予測における動向
4 おわりに

第11 章 エアロゾルのサンプリング計測  
1 はじめに
2 エアロゾル汚染の実態
3 サンプリング技術
4 解析アプリケーションとサービス開発
5 おわりに

第Ⅳ編 超早期診断
第1 章 ナノワイヤとAIによる尿中マイクロRNA解析と早期がん診断
1 はじめに
2 リキッドバイオプシーの低侵襲性・簡便性
3 リキッドバイオプシーの網羅性
4 マイクロRNA とは
5 ナノワイヤの開発
6 ナノワイヤデバイスにより抽出した尿中マイクロRNAの解析
7 ナノワイヤとAIによる尿中マイクロRNA 解析と脳腫瘍の早期検知
8 おわりに

第2 章 細胞外小胞による超早期がん診断  
1 はじめに
2 細胞外小胞(EV)とは
3 EVの回収方法
4 EVによる超早期がん診断に向けた高感度検出法の開発
5 EVの検出方法
6 EV由来診断バイオマーカー
7 おわりに

第3 章 マイクロ流体デバイスによる単一がん細胞診断
1 はじめに
2 細胞の機械的特性
3 イオン電流計測の原理
4 イオン電流計測マイクロ流体デバイスを用いたプラスチック製ビーズの測定
5 マイクロ流体デバイスによる細胞の変形能測定
6 単一がん細胞診断の可能性
7 おわりに

第4 章 超高速遺伝子診断  
1 はじめに
2 超高速PCR技術
3 新型コロナウイルスのPCR検査
4 おわりに

第5 章 マイクロ流体デバイスによる超早期がん診断
1 はじめに
2 イムノウォールデバイス
3 脳腫瘍再発リスクの超早期診断
4 おわりに

第Ⅴ編 健康長寿社会実現
第1 章 低侵襲なウェアラブル・インプランタブル脳波計
1 はじめに
2 ストレッチャブル配線の研究動向
3 ストレッチャブル配線を用いた応用事例
3. 1 ウェアラブル脳波計
3. 2 インプランタブル脳波計
4 おわりに

第2 章 サルヴィタスデバイスを用いた健康長寿社会の実現  
1 はじめに
2 嗅覚
3 匂いセンサの研究開発方針
4 電気化学インピーダンス変化を利用した匂いセンサ
5 匂いの識別と定量
6 AIと嗅診

第3 章 尿診断によるヘルスケア  
1 「未病」と早期がん
2 がん検査の現状
3 非侵襲性の診断
4 がんには特有の匂いがある
5 線虫の嗅覚
6 線虫はがんの匂いに反応する
7 生物検査N-NOSEの開発と有効性
8 一次スクリーニングとしてのN-NOSE
9 N-NOSE のヘルスケアと今後の展望

第4 章 要素技術から見たPOCT 関連技術開発  
1 はじめに
2 POCTに向けた前処理技術
3 分離と反応技術
4 検出技術
5 実装・キット化
6 まとめ

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