放射線シミュレータの新展開

辐射模拟器的新进展

• 批准号: 21H04881
• 负责人: 佐々木 節
• 金额: $ 26.54万
• 依托单位: High Energy Accelerator Research Organization
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04881/
• 关键词: 放射線シミュレーション; 超並列計算; GPGPU; モンテカルロ法; 超並列

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。

在所有处理辐射的领域，蒙特卡洛方法用于定量估计辐射与材料之间的相互作用。构成辐射的颗粒以小步骤移动，并且根据辐射线类型的不同物理过程进行了全面处理，并进行了下一步。这个小的步骤可以通过出现的感兴趣的空间跟踪辐射，或者直到消失为止。它也称为粒子传输方法。问题在于需要计算时间，并且自过去做出了各种努力。这项研究旨在改善已开发长时间的MPEXS2，并缩短计算时间并增强功能。我们已经分析了各个领域的需求，例如医学物理，空间和辐射化学，并努力扩大我们的功能。我们已经与基本测量结果进行了精确的比较，以确保每种应用的准确性。在这项研究中，我们实施了CUDA语言以在GPU上运行，并且能够实现超过先前通用辐射模拟器的执行绩效。今年，除了模拟质子和碳疗法外，我们还开始模拟X射线治疗。在X射线治疗模拟中，已经尝试通过执行各种近似值来缩短计算时间的尝试。但是，近年来，已广泛使用了一种称为VMAT（体积调制的ARC治疗），该技术从多个方向发射了具有不同强度的光束，并且已经指出了通过近似计算的计算准确性的问题。 MPEXS2采用一种近似独立的计算算法，称为完整的蒙特卡洛方法，该算法提高了计算速度，并且没有任何精确性问题。我们研究了各种加速方法，使得可以将VMAT应用于模拟。