Development of a chemical code applicable to ions based on the PHITS code for efficient and visual radiolysis simulations

放射線分解を効率的かつ視覚的にシミュレートするPHITSコードに基づくイオン線に適用可能な化学コードの開発

松谷 悠佑  ; 吉井 勇治*; 楠本 多聞*; 小川 達彦   ; 大西 世紀*; 平田 悠歩   ; 佐藤 達彦   ; 甲斐 健師   

Matsuya, Yusuke; Yoshii, Yuji*; Kusumoto, Tamon*; Ogawa, Tatsuhiko; Onishi, Seiki*; Hirata, Yuho; Sato, Tatsuhiko; Kai, Takeshi

水の放射線分解により生成されるラジカルは、DNA損傷誘発、染色体異常、発がんなど、放射線による生物影響の評価において重要な役割を果たす。粒子および重イオン輸送コードシステム(PHITS)では、あらゆる荷電粒子について水中の原子相互作用を推定できる飛跡構造解析モードと、ラジカルをシミュレート可能な電子線専用の化学コード(PHITS-Chem)が先行研究にて開発された。本研究では、あらゆるイオンビームに適用可能なPHITS-Chemコードを開発すると同時に、化学種間の反応をより効率的に検出する空間分割法や化学種の4次元可視化機能を整備した。更新されたPHITS-Chemコードは、文献にて報告される陽子線、粒子線、炭素イオン線のG値と比較することにより検証され、PHITSオリジナル3次元描画ソフトPHIG-3Dによりラジカルの拡散動態を直感的に評価することに成功した。また、空間分割法の導入により、計算精度を維持しながら計算時間を大幅に短縮(約28倍高速化)することにも成功した。開発したPHITS-Chemコードは、粒子線治療においてラジカルにより誘発される生物効果の正確かつ直感的な理解に貢献することが期待される。

Radicals by water radiolysis play an important role in evaluating radiation-induced biological effects, such as DNA damage induction, chromosomal aberrations, and carcinogenesis. In the Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS), a track-structure simulation mode enabling the estimation of each atomic interactions in water and a chemical simulation code (PHITS-Chem) dedicated to electron beams that can simulate radical dynamics have been developed in our previous study. Here, we developed the PHITS-Chem code applicable to any ion species, considering a space partitioning method to detect radical reactions more efficiently and the 4D visualization function. The updated PHITS-Chem code was verified by comparing the simulated G values of proton beams, particle beams, and carbon ion beams to the corresponding values in the literature. We succeeded in intuitively evaluating the diffusion dynamics of radicals using the PHITS 3D drawing software, PHIG-3D. The time to calculate the G values was reduced (e.g., about 28 times faster) while maintaining its calculation accuracy. The developed PHITS-Chem code is expected to contribute to precise and intuitive understanding of the biological effects induced by radicals in ion-beam radiotherapy.