Zvětšit obrázek

Počítač „Blue Gene“

S cílem vyvinout přesnou, výkonnou a rychlou metodu k automatizaci analýzy pevnosti kostní tkáně spolupracovali vědci z ETH Zurich Departments of Mechanical and Process Engineering and Computer Science s odborníky na superpočítače z IBM Zurich Research Laboratory. Zásadní novinkou vyvinutou tímto týmem je kombinace měření hustoty kostí s velice podrobnou mechanickou analýzou mikrostruktury uvnitř kostí.
Využitím rozsáhlých, komplexních paralelních počítačových simulací byli výzkumníci schopni získat dynamickou „mapu“ napětí, které se mění se změnou zatížení působícího na kost. Tato „mapa“ ukazuje lékařům, kde přesně a při jakém druhu a velikosti zátěže dojde s největší pravděpodobností ke zlomenině kosti.

Zvětšit obrázek

Costas Bekas z týmu IBM Computational Sciences v Zurichu: „Se znalostí dynamické „mapy napětí a pevnosti kostí mohou lékaři přesněji detekovat poškození osteoporózou a přesněji určit nejohroženější místo kosti.“.

„Tým spolupracující na tomto projektu náležitě využil rozsáhlé kapacity superpočítače „Blue Gene“ k provedení prvních simulací na vzorku kosti o rozměrech 5 krát 5 milimetrů. Během 20 minut vygenerovala superpočítačová simulace 90 gigabytů výstupních dat.

 
Překonání statické kostní pevnosti
Před deseti lety by ani nejvýkonnější superpočítač světa nazývaný „Deep Blue“ nebyl schopen zvládnout takový úkol. Ne, že by to nebyl schopen vypočítat, ale celý výpočet by zabral zhruba týden – což je příliš dlouho na smysluplné využití při diagnostice nebo léčbě.

Zvětšit obrázek

Obrázek ukazuje skutečnou námahu lidského obratle. Velikost vzorku je 5 x 5 x 5 milimetrů při zátěži odpovídající hmotnosti stojícího člověka. Modré oblasti ukazují pevnější části kosti; slabší části jsou zobrazeny červeně. (Credit: ETH Zurich / IBM research)

„Za deset let, až budou dnešní superpočítačové výkony dostupné ve stolních počítačových sestavách, bude to stačit k tomu, aby se takové simulace pevnosti kostní tkáně dostaly do rutinní praxe počítačové tomografie,“ předpovídá doktor Alessandro Curioni, manažer skupiny Computational Sciences group v IBM Zurich Research Laboratory.

Profesor Peter Arbenz z ETH Zurich, který inicioval spolupráci této skupiny, vysvětluje, že to, co bylo nejprve potřeba zvládnout, bylo vyjádřit celý stav do numerických algoritmů, aby vyřešili mimořádně velký problém v překvapivě krátkém čase, a to je prvním základním krokem ke klinickému využití rozsáhlé simulace pevnosti kostní tkáně. „Jsme na začátku opravdu vzrušující cesty. Tento směr výzkumu musí rozhodně pokračovat, abychom dosáhli svého cíle,“ prohlásil. Vědci si dávají za cíl do budoucnosti využití simulačních technik, aby překonali výpočty statické kostní pevnosti a dostali se tak k simulaci vlastního vzniku zlomenin u jednotlivých pacientů, aby udělali další krok blíže k rychlé, spolehlivé a časné detekci osob s vysokým rizikem zlomenin.

Zdroj: ETH Zurich/Swiss Federal Institute of Technology