放射線シミュレータの革新

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01084
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 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, 研究機関講師 (10353369) ; 藏重 久弥 神戸大学, 先端融合研究環, 教授 (20205181) ; 岡田 勝吾 神戸大学, 先端融合研究環, 助教 (40731732) [辞退] ; 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, 大学院医学研究科, 研究員 (20588967) ; 阿蘇 司 富山高等専門学校, その他部局等, 准教授 (30290737) ; 歳藤 利行 名古屋市立大学, 大学院医学研究科, 研究員 (30377965) ; 田中 覚 立命館大学, 情報理工学部, 教授 (60251980) ; 木村 彰徳 足利工業大学, 工学部, 教授 (60373099) ; 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)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 放射線シミュレーション / GPU / CUDA

研究実績の概要

放射線と物質の相互作用は、物理法則に則った確率過程であり、定量的な見積もりは、モンテカルロ法による方法に依らざるを得ない。近年、細胞レベルにおける放射線の影響を精度よく見積もることが求められているが、膨大な計算量を可能な限り短時間で処理することが課題となっている。電子計算機は、元々中性子の物質中での相互作用をシミュレーションするために開発され、並列化技法も研究されてきた。より多数の粒子を扱うために、超並列化し、計算時間を短縮することが重要な課題である。GPUという超並列計算機を容易に入手することが可能となったため、最も普及している放射線シミュレータであるGeant4 の開発の経験を活かし、GPUを利用するためのシミュレーション体系を新たに構築する。

物体の形状をボクセルにより記述し、物質中の電磁相互作用を扱うためのソフトウエアツールキットであるMPEXSの開発を2013年度-2016年度に実施した基盤研究(A)「次世代放射線シミュレーション基盤」において行った。MPEXSは、SLACおよびStanford大学との共同研究により開発を行った。このMPEXSの性能改善の努力を続けている。細胞レベルの相互作用を扱うためにどう研究で開発を行ったMPEXS-DNAに関しては、元となったGeant4-DNAの開発と同期し、最新の状況を維持している。両者の比較を行い、結果が矛盾無いことを確認した。これらの結果は、国際会議や国内の学会で発表した他、Geant4の応用例として論文でも結果を発表している。

MPEXSをさらに多くの事例に適用するため、ハドロン相互作用の実装に着手した。C++で記述されたGeant4から、必要なアルゴリズムとデータを抽出し、CUDA言語によりGPU向けに再実装を行っている。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

開発を続けているMPEXSに対し、順調にハドロン相互作用を扱うために必要な拡張を進めており、平成30年度には、いくつかの応用例に関する結果を学会などで発表する予定となっている。

今後の研究の推進方策

ハドロン相互作用の実装を推進し、陽子線治療のシミュレーションに応用するために必要な研究と開発を行う。Geant4および測定値との比較を行い、新たに開発したCUDA版であるMPEXS-hの結果との矛盾がないか十分な検証を行う予定である。その上で、計算時間を短縮するための方策を講じる予定としている。

研究成果

• [国際共同研究] SLAC(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: SLAC
• [雑誌論文] 放射線シミュレーションのためのツールキットGeant4 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐々木節、村上晃一他
  • 雑誌名: 放射線 巻: 43-2 ページ: 59-68
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Fast GPU Monte Carlo Simulation for Radiotherapy, DNA Ionization and Beyond (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Henderson, S. Okada, et al.
  • 学会等名: GPU Technology Conference Silicon Valley 2017
  • 国際学会
• [学会発表] 放射線シミュレータ「MPEXS」のPascalアーキテクチャ上での性能 (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Okada, et al.
  • 学会等名: GPU Technology Conference Japan 2017
• [学会発表] GPGPUによる細胞レベルの放射線シミュレータ「MPEXS-DNA」の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Okada, et al.
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [備考] MPEXS Project
  • URL: https://wiki.kek.jp/display/mpexs/MPEXS+Project