放射線シミュレータの革新

2020 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, 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, 准教授 (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)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 放射線シミュレーン / 超並列計算 / GPU

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現象であり、モンテカルロ法によるシミュレーションがその理解のために広く利用されている。放射線シミュレータは、細胞から、宇宙ステーションまで、まさにマルチスケールの対象を扱う。特に生体内での放射線の影響を定量的に知り場合、検出器等を生体内に挿入することで系の騒擾が起き、精確に知ることは叶わず、放射線シミュレータを用いることが唯一の方法であることが古くから知られている。従来の放射線シミュレータは、測定結果と矛盾のない結果を得ることが可能となっているが、計算時間が長大であることが問題となっている。特に、細胞レベルにおける放射線の影響を知るためには、大規模システムを用い、計算精度に妥協を行った上でも、1週間程度を必要としている。この課題を解くために、GPUを用いる超並列放射線シミュレータの開発に着手した。MPEXSと名付けられた新しいシミュレータは、ソフトウエアツールキットとして設計されており、個々の事例に最適化したアプリケーションを開発するために必要なソフトウエア部品一式を備えている。MPEXSを様々な放射線に関わる事例に適用するために、機能の追加や様々な改善を行ってきた。計算速度を改善するために、新たなアルゴリズムの開発と改善を行い、CPUの数百コアから、1000コア以上に相当する性能をGPU一基で得られるようになった。新型GPUにも対応し、さらなる計算速度の改善を図るとともに、より多くの事例への適用が可能となりつつある。がんの放射線治療のシミュレーションに適用し、従来の放射線シミュレータとの比較を行った。細胞レベルにおける放射線の影響を定量的に評価するために必要な研究と開発を実施し、広く利用されているGeant4-DNAと同等の機能を実現し、1000倍以上の速度で計算することができた。今後、さらに広い応用が期待されている。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [学会発表] Geant4 applications in radiology (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Okada, K. Murakami, K. Amako, Y. Chen, and T. Sasaki
  • 学会等名: Asian Forum for Accelerators and Detectors (AFAD) 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Interface for exchanging geometric parameters in Geant4 based particle therapy simulation framework (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Aso, C. Omachi, T. Toshito, and T. Sasaki
  • 学会等名: IEEE NSS/MIC, November 2020, N-20-059
  • 国際学会