超並列計算による高線量率超短時間照射 (FLASH) 効果の数理モデルの構築
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21K12246
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 63020:Radiation influence-related
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平野 祥之 名古屋大学, 医学系研究科(保健), 准教授 (00423129)
楠本 多聞 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学研究所 計測・線量評価部, 主任研究員 (90825499)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | 放射線シミュレーション / モンテカルロ法 / 超並列計算 / GPGPU / FLASH効果 / FLASH-RT / 酸素効果 |
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| Outline of Research at the Start |
近年放射線治療分野では、高線量率超短時間照射(FLASH)の実験研究が精力的に行われている。FLASHは、がん細胞への殺傷能力を維持し、正常細胞への放射線影響を顕著に低減する。実験研究から、正常細胞内で起きる酸素欠乏がFLASH効果の一因とする仮説が提唱されている。本研究では、FLASHにおける酸素の化学反応過程を定量化する数理モデルを構築する。細胞内部の放射線現象をモンテカルロ法でシミュレートして、照射荷電粒子の物理反応と活性酸素種等の化学反応を追跡し、細胞の放射線影響を予測する。FLASHの生物学的効果の定量的評価や、FLASH効果の原理解明等のためのシミュレーション基盤の確立を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度と同様MPEXS-DNAをベースに高線量率(UHDR)照射による水の放射性分解シミュレーションのモデル開発と検証を行った。シミュレーション上でサイクロトロン加速器によるパルスビームを模擬し、線量率を変えながら陽子線を照射してOHラジカルの収率の線量率依存性を計算。分担者から提供された実験結果との一致性を検証した。実験ではC3CAをOHラジカルの捕捉剤とし、7OH-C3CAを測定してOHラジカルの収率を間接的に得る。7OH-C3CAからOHの収率への変換で線量率依存性を無視するためCONV照射時の収率を基準とした相対値で比較し、シミュレーションは実験結果を概ね再現することを確認した。更に過酸化水素の収率についてはシミュレーションでは線量率の上昇とともに収率は上がった。過酸化水素はOHラジカルの再結合で生成されるが、線量率上昇でトラック内反応が活性化されるのでこれは妥当だと考えた。しかし、分担者による実験では線量率の上昇で収率は下がった。これを支持する論文が他にもあり、現象としてはこちらの方が正しいと考えている。UHDR照射で膨大なOHラジカルが生成されて過酸化水素の生成だけでなく、他の反応も活性化してそこにも消費される。シミュレーション側に考慮しきれていない化学反応がないか精査する必要性が生じた。
本研究課題では陽子線のUHDR照射を想定してモデル開発を進めているが、将来的には炭素線などへ応用範囲を拡大する。重イオンは、特に低エネルギー領域において多重電離作用の寄与が大きくなる。既出論文を参考に炭素線による水分子の多重電離作用の計算コードの実装を並行して行った。多重電離は酸素原子O(3p)を生成し、それが周囲のOHラジカルの消費を促進する。OHラジカルの再結合で生成される過酸化水素の化学収率は高LETになるにつれて下がる傾向を示し、これは実験結果と一致することを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
サイクロトロン加速器などのパルスビームを計算機上で模擬し、UHDR照射による水の放射性分解シミュレーションを可能とした。GPUにより計算時間の短縮も実現している。分担者による実験結果を用いたシミュレーションの検証も進めており、OHラジカルの収率は実験結果を概ね再現できている。一方、過酸化水素の収率は実験結果とは逆の相関を示した。シミュレーション側に考慮しきれていない点があると考えられ、再度化学反応のパラメータなどの精査が必要である。課題はあるもののモデル開発は着実に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
助成期間を一年延長した。現状、把握している課題を解決しつつ、最終年度であるのでこれまでの研究成果をまとめた学術論文の投稿準備を進める。また、並行して学会発表も行っていく。
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Report
(3 results)
Research Products
(1 results)
