放射線シミュレータの新展開

• Project/Area Number: 21H04881
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 60:Information science, computer engineering, and related fields
• Research Institution: High 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, 理学研究科, 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, 理工学部, 教授 (60831774) ; 尾崎 正伸 国立天文台, 先端技術センター, 教授 (90300699)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,470,000 (Direct Cost: ¥31,900,000、Indirect Cost: ¥9,570,000); Fiscal Year 2024: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2023: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2022: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2021: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000)
• Keywords: 放射線シミュレーション / 超並列計算 / GPGPU / モンテカルロ法 / 超並列

Outline of Research at the Start

放射線と物質の相互作用は、物理法則に従った確率過程であり、その影響の定量的な評価は、モンテカルロ法によるほかはない。放射線を利用する様々な応用分野で、モンテカルロ法の処理時間の短縮が課題となっている。GPUを利用する超並列シミュレータのMPEXSの開発の開発をさらに進め、高速化を図ることで、産業応用や生医学分野での応用に求められる計算時間を実現する。そのような分野で求められる精度と計算時間の両方を満足する実用的な放射線シミュレータを開発し、展開する。

Outline of Annual Research Achievements

放射線を扱う全ての分野において、放射線と物質の相互作用を定量的に見積もるためにモンテカルロ法が用いられている。放射線を構成する粒子を小さなステップで移動させ、放射線の線種によって異なる物理過程を網羅的に扱い、次のステップを進める。放射線が入射した興味ある空間から通り抜けるか、放射線が消滅するまで、この小さなステップで放射線を追跡する。粒子輸送法とも呼ばれている。計算時間が掛かることが問題であり、過去から、様々な取り組みが行われてきた。本研究は、従前より開発を行っているMPEXS2を改善し、計算時間の短縮とともに機能の充実を図ることを目的としている。医学物理、宇宙、放射線化学など様々な分野の要求要件を解析し、機能の拡充に努めてきた。基礎的な測定結果との比較を精密に行い、各アプリケーションに対する精度の保証を行った。本研究において、GPUで実行するためにCUDA言語で実装を行い、これまでの汎用放射線シミュレータをはるかに凌ぐ実行性能を得ることが出来た。
本年度は、陽子線治療、炭素線治療のシミュレーションに加え、X線治療のシミュレーションにも着手した。X線治療のシミュレーションにおいては、様々な近似を行うことで、計算時間を短縮する試みが古くから行われてきた。しかし、近年、VMAT(Volumetric Modulated Arc Therapy)と呼ばれる多方向から強度を変えたビームを照射する手法が広く利用されるようになり、近似計算による計算精度の問題が指摘されるようになった。MPEXS2は、フルモンテカルロ法と呼ばれる近似に依存しない計算アルゴリズムを採用しており、計算速度が向上した上で、精度の問題はない。VMATのシミュレーションへの応用を可能にする様々な高速化手法に関する検討を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究員を雇用する予定であったが、適任者に恵まれなかった。しかし、研究を研究分担者が代わりに行うことで、ほぼ計画通りに研究は進捗している。

Strategy for Future Research Activity

研究員を雇用する努力を続けるものの、研究分担者が必要な研究を実施することで、計画通り進める予定である。