Wykorzystanie superkomputera przełomem w diagnostyce osteoporozy

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.
IBM
Podobne teksty
Cytologia - klasyfikacja Papanicolau
Po ukończeniu 30-go roku życia wykonuj badanie cytologiczne raz do roku - tylko wtedy masz szansę, że jeżeli atypowe komórki zostały przeoczone za pierwszym razem, zostaną zauważone w czasie następnego badania.
Dieta kobiety ciężarnej i matki karmiącej piersią
Racjonalna dieta kobiety w czasie ciąży i karmienia piersią powinna dostarczać odpowiednią ilość energii, a także zawierać niezbędne składniki odżywcze w prawidłowych ilościach i proporcjach.
Pierwsze zwiastuny
Ciało wysyła do nas alarmujące sygnały, które zauważone mogą stać się cenna wskazówką dla dalszego postępowania.
Kontrola cukrzycy na dobrym poziomie
Źle wyrównany poziom cukru we krwi to dla diabetyka jedno z największych zagrożeń, które może prowadzić do nieodwracalnych powikłań, a nawet do śmierci.
Poronienie
Uważa się, że około 10-15% wszystkich ciąż kończy się poronieniem samoistnym czyli wydaleniem obumarłego jaja płodowego.
Polacy a profilaktyka chorób cywilizacyjnych.
Najczęstszym powodem dla którego unikamy badań profilaktycznych jest przekonanie o tym, że jesteśmy zdrowi
Rodzaje nowotworów
Opis nowotworów złośliwych, półzłośliwych i złośliwych.
Rozpoznawanie raka piersi
Opis badań mających na celu wczesne rozpoznanie raka piersi.
Przyczyny niepłodności męskiej
Zestawienie najczęstszych przyczyn niepłodności.