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放射線シミュレータの革新

Research Project

Project/Area Number 17H01084
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Research Field Computational science
Research InstitutionHigh Energy Accelerator Research Organization

Principal Investigator

佐々木 節  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 計算科学センター, 教授 (50259983)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 村上 晃一  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 計算科学センター, 准教授 (10353369)
藏重 久弥  神戸大学, 先端融合研究環, 教授 (20205181)
山下 智弘  神戸大学, 医学研究科, 医学研究員 (20567086)
大町 千尋  名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(医学), 研究員 (20588967)
阿蘇 司  富山高等専門学校, その他部局等, 教授 (30290737)
歳藤 利行  名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(医学), 研究員 (30377965)
岡田 勝吾  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 計算科学センター, 助教 (40731732)
田中 覚  立命館大学, 情報理工学部, 教授 (60251980)
木村 彰徳  足利大学, 工学部, 教授 (60373099)
小井 辰巳  中部大学, 工学部, 准教授 (60831774)
尾崎 正伸  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (90300699)
Project Period (FY) 2017-04-01 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥42,510,000 (Direct Cost: ¥32,700,000、Indirect Cost: ¥9,810,000)
Fiscal Year 2020: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000)
Fiscal Year 2019: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000)
Fiscal Year 2018: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000)
Fiscal Year 2017: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Keywords放射線シミュレーション / 超並列計算 / モンテカルロ法 / 超並列 / GPGPU / 計算機シミュレーション / 放射線 / モンテカルロ / GPU / CUDA / シミュレーション工学
Outline of Annual Research Achievements

放射線シミュレーションのために最も普及しているソフトウエアであるGeant4を開発し、保守している経験を生かし、GPUを用いた超並列放射線シミュレータMPEXSシリーズの開発とそれに必要な研究を実施している。放射線が入射する物体の形状や物質の記述法を簡略し、超並列化を考慮に入れた計算手法を確立した上で、新たに設計と実装を行った。MPEXS本体は、物体の形状の記述、粒子の追跡、電磁相互作用に関わる物理プロセスを含んでいる。物体の形状として、これまでは、画像診断装置の出力を扱うためにボクセルに限っていたが、より適用例を広げるために様々な形状を扱えるように変更を行い、アプリケーションによっては、計算速度の改善に繋げることができた。原子核相互作用を扱うための拡張パッケージであるMPEXS-hの実装の改善を続け、名古屋陽子線治療センターにおいて、実際の患者データに対する陽子線治療時の線量分布の計算を行う事が出来るようになった。細胞レベルの放射線の影響を見積もるためのソフトウエアであるGeant4-DNAの最新版に追随し、MPEXS-DNAをアップデートし、実装の改善を行うことで計算時間の短縮を図った。MPEXS-DNAをGeant4-DNAと比較した論文をMedical Physics誌に発表した。Geant4-DNA用いIntel XeonプロセッサでG-Valueの計算を行った場合と、TITAN-V GPUで計算を行った場合の比較を行い、結果は誤差の範囲内で一致した。MPEXS-DNAの計算速度は最大で約2900 Xeon コア相当の向上をGeant4-DNAに対して得ることが出来た。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

医学物理学の分野では最も評価の高いMedical Physics誌に論文が掲載された。また、計画通り、ソフトウエアの開発が進んでおり、陽子線治療などへの応用も進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

ソフトウエアの実装をさらに改善し、計算性能の改善を図ると同時に、機能の強化に努める。MPEXS本体に関しては、形状の記述、異なる物質の統一的な扱いを改善し、さらに汎用性の拡張に努める。MPEXS-DNAに関しては、化学過程および生物学的過程の扱いに関する研究を進め、Geant4-DNAを追随するだけではなく、独自の計算手法の開発に挑戦する。ハドロン相互作用に関しては、計算速度の改善が主たる課題であり、実装やアルゴリズムの改善を行うために必要な研究を実施する。応用を希望する問い合わせが企業及び海外の機関を含めて数件あり、条件が整えば共同研究の可能性を追求する。

Report

(2 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report

Research Products

(12 results)

All 2019 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research Journal Article Presentation Remarks

  • [Int'l Joint Research] CENBG(フランス)

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] SLAC(USA)

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Journal Article] MPEXS-DNA, a new GPU-based Monte Carlo simulator for track structures and radiation chemistry at subcellular scale2019

    • Author(s)
      Okada Shogo、Murakami Koichi、Incerti Sebastien、Amako Katsuya、Sasaki Takashi
    • Journal Title

      Medical Physics

      Volume: 46 Pages: 1483-1500

    • DOI

      10.1002/mp.13370

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 放射線シミュレーションのためのツールキットGeant42017

    • Author(s)
      佐々木節、村上晃一他
    • Journal Title

      放射線

      Volume: 43-2 Pages: 59-68

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 陽子線治療におけるGPUを用いたモンテカルロシミュレーションの臨床利用2018

    • Author(s)
      大町千尋
    • Organizer
      第117回日本医学物理学会学術大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] A GPU-based Monte Carlo simulator “MPEXS” and its extension (keynote)2018

    • Author(s)
      岡田勝吾
    • Organizer
      The Third Geant4 International User Conference at the Physics-Medicine-Biology frontier
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Geant4-DNAとその応用2018

    • Author(s)
      岡田勝吾
    • Organizer
      医療放射線技術研究会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Design and expected performance of GPU-based full Monte Carlo dose calculation system for proton therapy2018

    • Author(s)
      歳藤利行
    • Organizer
      World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering 2018 (IUPESM2018)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fast GPU Monte Carlo Simulation for Radiotherapy, DNA Ionization and Beyond2017

    • Author(s)
      N. Henderson, S. Okada, et al.
    • Organizer
      GPU Technology Conference Silicon Valley 2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 放射線シミュレータ「MPEXS」のPascalアーキテクチャ上での性能2017

    • Author(s)
      S. Okada, et al.
    • Organizer
      GPU Technology Conference Japan 2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] GPGPUによる細胞レベルの放射線シミュレータ「MPEXS-DNA」の開発2017

    • Author(s)
      S. Okada, et al.
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Remarks] MPEXS Project

    • URL

      https://wiki.kek.jp/display/mpexs/MPEXS+Project

    • Related Report
      2018 Annual Research Report 2017 Annual Research Report

URL: 

Published: 2017-04-28   Modified: 2020-08-26  

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