Wykorzystanie superkomputera przełomem w diagnostyce osteoporozy

Zaawansowane symulacje komputerowe struktury ludzkich kości pozwalają na niezwykle dokładną analizę ich kruchości i ocenę ryzyka złamań na wczesnym etapie rozwoju choroby.

Najbardziej kompleksową rzeczywistą symulację struktur ludzkich kości przeprowadzili za pomocą superkomputera Blue Gene naukowcy ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu (ETH) oraz Laboratorium Badawczego IBM w Zurychu (ZRL). Uzyskano w ten sposób niedostępny dotąd obraz „wysokiej rozdzielczości”, pokazujący łamliwość lub wytrzymałość tkanki kostnej. Osiągnięcie to doprowadzi w najbliższej przyszłości do stworzenia lepszych narzędzi klinicznych, które poprawią diagnostykę i leczenie osteoporozy, szeroko rozpowszechnionej choroby, która dotyka jedną na trzy kobiety i jednego na pięciu mężczyzn w wieku powyżej 50 lat.

Wczesne wykrycie osteoporozy odgrywa kluczową rolę w zapobieganiu dalszemu rozwojowi choroby. Kompleksowa symulacja komputerowa kośćca stworzona przez IBM i ETH pomoże lekarzom lepiej wykrywać i leczyć łamliwość osteoporotyczną, co pozwoli podejmować działania zapobiegawcze na wczesnym stadium rozwoju choroby.

Osteoporoza to najbardziej rozpowszechniona choroba układu kostnego na świecie, dotykająca 75 milionów osób w samych Stanach Zjednoczonych, Europie i Japonii. Szacuje się, że na osteoporozę w Polsce choruje około 25% kobiet i 13% mężczyzn po 60. roku życia. Koszty jej leczenia ustępują jedynie kosztom wynikającym z chorób układu sercowo-naczyniowego. Nazwa choroby w dosłownym tłumaczeniu oznacza „porowatą kość”. Schorzenie to charakteryzuje się utratą gęstości tkanki kostnej, co prowadzi do podwyższonego ryzyka złamań i jest jedną z głównych przyczyn bólu, niepełnosprawności i śmierci u osób w podeszłym wieku. Niestety, w wielu przypadkach osteoporoza jest diagnozowana dopiero w momencie, gdy dojdzie do złamania, ale wówczas już znajduje się w zaawansowanym stadium i do leczenia lub zapobiegania kolejnym złamaniom niezbędne jest stosowanie wszczepów bądź płytek chirurgicznych.

Obecnie diagnostykę osteoporozy prowadzi się za pomocą pomiarów masy i gęstości kości przy użyciu wyspecjalizowanych aparatów rentgenowskich, techniki densytometrii, bądź tomografii komputerowej. Badania wykazały jednak, że pomiary masy kości charakteryzują się jedynie umiarkowaną precyzją w określaniu ich wytrzymałości. Kości mają wewnątrz gąbczastą strukturę, która odpowiada za zdolność kośćca do przyjmowania obciążeń i dlatego stanowi lepszy wskaźnik ich faktycznej wytrzymałości.

Naukowcy z Wydziałów Inżynierii i Technologii oraz Informatyki ETH Zurich podjęli badania wspólnie z grupą specjalistów od superkomputerów z Laboratorium Badawczego IBM w Zurychu. Opracowana przez nich przełomowa metoda badawcza łączy pomiary gęstości z wielkoskalową analizą mechaniczną mikrostruktur wewnątrz ludzkiego kośćca. Za pomocą równoległych symulacji naukowcy zdołali uzyskać dynamiczną „mapę cieplną” odkształceń, która zmienia się w zależności od obciążenia przyłożonego do kości. Dzięki tej mapie lekarz widzi dokładnie, gdzie i pod jakim obciążeniem kość prawdopodobnie ulegnie złamaniu.

„Wiedząc kiedy i gdzie kość może ulec złamaniu, lekarz może także dokładniej wykrywać uszkodzenia osteoporotyczne. Następnie, odpowiednio korygując ustawienie płytki chirurgicznej, może określić jej optymalne położenie” – wyjaśnia dr Costas Bekas z zespołu Nauk Obliczeniowych IBM w Zurychu. - „Ta praca stanowi znakomity przykład olbrzymiego potencjału, jaki tkwi w superkomputerach, jest także dowodem na to, jak mogą one przyczynić się do poprawy naszego codziennego życia.”

Zespół badawczy, korzystając z wielkoskalowych możliwości potężnego superkomputera Blue Gene/L, był w stanie przeprowadzić pierwsze symulacje na próbce prawdziwej kości o rozmiarach 5 na 5 mm. W ciągu zaledwie 20 minut obliczeń symulacja uruchomiona na superkomputerze wygenerowała 90 gigabajtów danych wyjściowych.

„Połączenie szybkości i pojemności superkomputerów pozwoli rozwiązywać istotne z klinicznego punktu widzenia przypadki w optymalnym czasie i z niespotykaną wcześniej szczegółowością” – powiedział profesor Ralph Müller, dyrektor Instytutu Biomechaniki w ETH Zürich.

„Za dziesięć lat komputery stacjonarne osiągną moc obecnych superkomputerów, a to sprawi, że symulacje wytrzymałości kości staną się rutynową praktyką w tomografii komputerowej i profilaktyce ostroporozy” – przewiduje dr Alessandro Curioni, kierownik grupy Nauk Obliczeniowych w Laboratorium Badawczym IBM w Zurychu.

„Nasza firma inwestuje ogromne środki w badania nad rozwiązaniami mogącymi w niedalekiej przyszłości być odpowiedzią na takie problemy jak: nowe mutacje wirusów, wyczerpujące się źródła paliw kopalnych, zanieczyszczenie środowiska, i wiele innych” - powiedział Piotr Pietrzak, Chief Technologist IBM Polska. – „Odpowiedzialność społeczna w biznesie oznacza dla nas m.in. wykorzystanie naszych technologii, wiedzy i doświadczeń dla rozwoju nauki.”

Profesor Peter Arbenz z Instytutu Nauk Obliczeniowych, który zapoczątkował współpracę między grupami zaangażowanymi w projekt, wyjaśnia, że do rozwiązania takich problemów w zaskakująco krótkim czasie konieczne było również wykorzystanie najnowocześniejszych algorytmów. Prace te stanowią pierwszy, fundamentalny krok w kierunku klinicznego wykorzystania wielkoskalowych symulacji kości. „Jesteśmy na początku ekscytującej drogi i będziemy prowadzić dalsze badania w tym kierunku, żeby osiągnąć założony cel” – oświadczył.

Naukowcy IBM i ETH planują takie udoskonalenie technik symulacyjnych, aby służyły one nie tylko do obliczania statycznej wytrzymałości kości, ale były także w stanie symulować faktyczne powstawanie złamań dla poszczególnych pacjentów. Byłby to kolejny krok w kierunku wczesnej, szybkiej, niezawodnej diagnostyki osteoporozy u osób szczególnie narażonych na złamania.