次世代放射線治療のための超並列放射線輸送アルゴリズムの高度化

• Project/Area Number: 22K12066
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 60100:Computational science-related
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 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)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 放射線治療 / 線量計算 / GPUコンピューティング / 超並列計算アルゴリズム / 放射線シミュレーション / GPGPU

Outline of Research at the Start

近年、粒子線によるがんの放射線治療の手法が高度化している。アダプティブ放射線治療や、ホウ素中性子捕捉治療(BNCT)、高線量率超短時間照射(FLASH)などといった次世代の放射線治療においては、その線量評価に用いる線量計算エンジンの高精度化、高速化が求められる。
本研究では、モンテカルロシミュレーションを利用した高精度かつ超高速な線量計算エンジンを開発する。最新のGPUコンピューティングの技術を取り入れた国産線量計算エンジンを開発し、次世代の放射線治療への応用を計る。従来のモンテカルロシミュレーションと同精度で数百倍の高速化を実現し、次世代の放射線治療に応用展開していく。

Outline of Annual Research Achievements

近年、粒子線によるがんの放射線治療の手法が高度化している。アダプティブ放射線治療や、ホウ素中性子捕捉治療(BNCT)、高線量率超短時間照射(FLASH)など といった次世代の放射線治療においては、その線量評価に用いる線量計算エンジンの高精度化、高速化が求められる。本研究では、モンテカルロシミュレーショ ンを利用した高精度かつ超高速な線量計算エンジンを開発する。最新のGPUコンピューティングの技術を取り入れた国産線量計算エンジンを開発し、次世代の放 射線治療への応用を計る。従来のモンテカルロシミュレーションと同精度で数百倍の高速化を実現し、次世代の放射線治療に応用展開していく。
本年度は、GPUによる線量線量計算プログラムの改良、ジオメトリモデルの高度化、中性子反応のモデルの開発とその物理検証作業を実施した。X線を用いたアダプティブ放射線治療や陽子線のスポットスキャンニング治療の他、中性子を利用したBNCT治療での応用を展開した。本研究の線量計算プログラムが、既存のモンテカルロシ ミュレーションと同精度の計算精度を実現していることを確認した。また、実行速度面でも、CPUを用いた既存コードとの比較で、数百倍の高速化を実現した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

GPUによる線量計算エンジンの開発は順調に進んでいる。計算精度や実行速度面においても、実際の放射線治療での利用を想定した検証作業により、当初の研究 計画の目標を達成している。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究開発項目としては、GPUの性能をより活かすための超並列粒子輸送アルゴリズムの改良を引き続き実施していく。新たな機能として、ジオメトリ輸送アルゴリズムの高度化、粒子輸送の性能向上を目指す。引き続き、放射線治療で のアプリケーションにおいて、本研究の線量計算エンジンの検証に取り組んでいく。