2019 Fiscal Year Research-status Report
The high-speed dose calculation technology for human geometry which allows performing the high precision Monte-Carlo treatment planning
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18K19899
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
熊田 博明 筑波大学, 医学医療系, 准教授 (30354913)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高田 健太 群馬県立県民健康科学大学, 診療放射線学部, 准教授 (10640782)
佐藤 達彦 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究主幹 (30354707)
古田 琢哉 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究職 (40604575)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | 線量評価 / モンテカルロ計算 / 人体モデル / 四面体法 / ボクセル法 / 並列計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
放射線治療における治療計画立案作業では、1つの評価条件に対して数分で線量計算を完了する必要があるが、高精度評価が可能なモンテカルロ法による線量評価は、並列計算機を用いても数十分の計算時間を要するため、医療現場に実用化できない。本研究目的は、人体モデルに対してモンテカルロ法による高精度線量計算を1分程度で完了する超高速計算技術の開発を目指す。
平成30年度までの研究活動によって、ポリゴン技術を応用した多数の四面体を組み合わせて計算モデルを構築する“四面体法”によるモデリング法の基盤技術を構築した。単純形状の対象物に対する検証では、四面体法による計算は、ボクセル法に対して、計算時間を約60％短縮できることを確認した。続いて、よりリアルな人体形状に対する計算性能の検証を行った。モンテカルロベース治療計画システムを用いて、人体頭部ファントムのCT画像データを取得し、従来のボクセル法による計算モデルと、新しい四面体法による頭部計算モデルをそれぞれ作成して、モンテカルロ輸送計算を実行した。この結果から、四面体法による計算モデルでの計算は、従来のボクセルモデルに対して計算時間を約30％削減することができた。この結果から四面体法による計算モデルは、その形状の複雑性などにはあまり影響を受けず、従来のボクセル法に対して計算を高速化できることを確認した。これにより、治療計画の線量計算に四面体法モデリングを導入することで、線量計算を高速化できる見通しを得た。
この研究成果は、日本医学物理学会の第117回学術大会（2019年4月、横浜）、BNCTの国際学会：YBNCT-10（2019年10月、ヘルシンキ）、第1回ロシアBNCTシンポジウム（2019年10月、ノヴォシビルスク）、及び、放射線治療の線量評価に関する国際シンポジウム：MMND-2020 （2020年2月、ウーロンゴン）でそれぞれ発表した。
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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
四面体法による人体モデルの線量計算に関する研究においては、平成30年度までに人体モデルの計算体系を四面体法でモデリングする手法と手順を構築した。令和元年度は、構築した四面体法による計算モデリング手法の計算性能を検証するため、同じ形状の対象物に対して従来のボクセル法による計算モデルと四面体法による計算モデルをそれぞれ作成し、計算速度（時間）と計算精度の検証を行った。円筒及び直方体などの単純形状の対象物に対しては、四面体法による計算モデル作成も容易に実施できるが、複雑形状の人体モデルに対して四面体法で計算モデルを作成する技術は存在しない。そこで令和元年度は、まず、筑波大学で開発中のモンテカルロベース治療計画システム（開発コード：ツクバプラン）を用いて、頭部ファントムのCTデータを取り込み、このCTデータから人体計算モデルの基盤となるジオメトリ情報を抽出し、これを基に四面体法による人体モデルを作成した。この人体形状の両モデルに対して計算性能の比較評価を実施し、従来のボクセル法に対して四面体法による計算モデリング手法が、人体形状モデルに対しても高速化できることを確認した。
もう１つの研究テーマであるManyコアプロセッサでの超並列計算においては、平成30年度に筑波大学のOakForest-PACSによる並列計算環境の構築を行ったが、令和元年度は、さらに並列コア数を増加させて計算できることを確認した。また、四面体法によるモデリングをサポートしているモンテカルロ計算コード：PHITSの改良版が2019年度に公開されたため、この改良版をOakForest-PACS上で並列計算できるように、再コンパイルを実施し、並列計算環境の増強整備を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
人体モデルに対する四面体法によるモンテカルロ計算の課題については、形状が複雑な人体形状に対して四面体法による計算モデル作成では、現状の手順では、自動的に四面体法でのモデルを作成することは困難であり、人が介在して計算を実行できるインプットを作るように手作業で修正しなければならない。そこでどのような条件下で手作業を行うことになるのかの条件を抽出し、人による修正作業を加えずに自動的に四面体モデルを構築する方法の検討を行う。可能であれば治療計画システム：ツクバプランに同手法を実装するアルゴリズムの検討を行う。また、四面体法による計算でも、計算速度と計算精度がトレードオフとなるため、実際の治療計画作業を行う上での適切な計算速度と精度のバランスを解析し、最適な四面体モデリング法を導く。
並列計算においては、筑波大学のOakForest-PACS並列計算環境を令和2年度も前年度と同等の128ノード、32,768コア（128ノード×256コプロセッサ）を確保することができた。この並列環境を用いて、引き続き人体モデルのモンテカルロ計算の検証を実行する。また、OakForest-PACSは外部からの計算実行も可能であるため、研究分担者によって筑波大学以外の実行環境（日本原子力研究開発機構、群馬県立県民健康科学大学）から計算を実行できるかどうかの試験を行う。
令和2年度は本研究の最終年度となるため、これまでの研究成果を国内外の関連する学会で発表を行う。また、フル・モンテカルロを高速化するための新しい手法、アルゴリズムを導くことができた場合は、速やかに特許出願も行う。
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| Causes of Carryover |
当初、本研究成果を2019年3月に開催予定だった国際学会で発表する計画であったが、新型コロナウィルス禍により国際学会が延期となり、渡航費、学会参加費を執行できなかった。2020年度の国際学会にて発表することとした。
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Research Products
(12 results)
