2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of Radiation-Distribution Estimation-System with Higher Precision Using Deep Neural Networks and Photon Transport Simulator and Its Implementation on Edge Device
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20K11991
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| Research Institution | Kagawa University |
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Principal Investigator |
藤本 憲市 香川大学, 創造工学部, 准教授 (20300626)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
阪間 稔 徳島大学, 大学院医歯薬学研究部(医学域), 教授 (20325294)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 放射線強度分布推定 / 光子飛跡シミュレーション / 深層ニューラルネットワーク / 敵対的生成ネットワーク / データ拡張 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光子飛跡シミュレータ及び機械学習システムを効果的に利用することにより，土壌内の放射線強度分布を高精度に推定できるシステムを開発することが本研究の目的である。
令和3年度は，適切なパラメータ値を設定した場合の光子飛跡シミュレーションデータを効率的に大量生成（データ拡張）する方法及び放射線強度分布推定システムについて検討した。ある単一層にのみに放射線源を仮想配置した200個（10種類×20層）の光子飛跡シミュレーションデータに対して，ノイズ除去等の前処理を行なったあとに深層ニューラルネットワークをベースとした条件付き敵対的生成ネットワークに学習させた。更に，学習後の条件付き敵対的生成ネットワークに単一層にある強度の放射線源が存在する条件ラベルを与え，光子飛跡シミュレーションデータを計12万個に拡張した。
次に，拡張データから放射線源の位置と強度を推測するための放射線強度分布推定システムについて検討した。棒状放射線測定器が1024ch×20個の検出器を持つことから，まずそれらすべての放射線カウント値を入力とし，第1層から第20層における放射線源強度の推定値を出力する構造を持つ深層ニューラルネットワークを構築し学習させた結果，評価用データに対する正解率が約17%とかなり低い状況であった。そこで，検出対象とする放射線源を2種類に限定することにより使用チャネル数を168chに絞り込み，更に168ch×20層分の放射線スペクトルデータを2次元データとして取り扱うことにより，畳み込み型深層ニューラルネットワークを使用できるように改良した。条件付き敵対的生成ネットワークで拡張した計12万個の放射線スペクトルデータのうち，10万個分を畳み込み型深層ニューラルネットワークに学習させ，残りのうち2千個を評価用として利用した結果，評価用データに対する正解率が100%なった。
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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
適切なパラメータ値を設定した光子飛跡シミュレータを用いて，放射線源を単一層に仮想配置した場合の数値実験データを作成し，条件付き敵対的生成ネットワークに学習させることによって光子飛跡シミュレーションデータを拡張（水増し）した。更に，拡張した光子飛跡シミュレーションデータを畳み込み型深層ニューラルネットワークに学習させることによって，高精度の放射線深度分布推定システムを構築できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
コロナ禍のために令和3年度に実施できなかった放射線測定実験を実施する予定である。次に，光子飛跡シミュレーションデータを実測データの形状に近づけるため，数値シミュレーションデータと実測データとの比較を通じて光子飛跡シミュレータのパラメータを再調整する。再拡張した光子飛跡シミュレーションデータを深層ニューラルネットワークに学習させながら，その深層ニューラルネットワークの規模縮小を図る。更に，可能な限り規模縮小した深層ニューラルネットワークを，汎用計算用GPUを搭載したエッジデバイスへ実装する。
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| Causes of Carryover |
棒状放射線測定器を保有する大学の協力を得て放射線測定実験を実施するよう計画していたが，香川大学新型コロナウイルス感染症対応指針等により当該協力大学へ出張することが叶わなかった。次年度に，当該大学にて放射線測定実験を実施するための旅費等として使用する予定である。
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