2021 Fiscal Year Annual Research Report

放射線シミュレータの新展開

Research Project

Project/Area Number	21H04881
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, 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, 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)	2021-04-05 – 2025-03-31
Keywords	放射線シミュレーション / 超並列 / GPGPU
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	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。