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Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)
Früherkennung von Osteoporose verbessern
Zürich, Schweiz (2. Juli 2008) – Forscher der ETH Zürich und des IBM Forschungslabors in Rüschlikon haben mit Hilfe eines Blue-Gene-Supercomputers von IBM die bisher umfassendste Simulation von menschlichen Knochenstrukturen durchgeführt. Die Simulation ist wichtig für die Entwicklung von besseren medizinischen Geräten zur Früherkennung und Behandlung von Osteoporose.
Osteoporose ist die häufigste Knochenkrankheit. Sie wird heute durch die Messung von Knochendichte und -masse mithilfe spezieller Röntgen- oder Computertomografieverfahren diagnostiziert. Studien haben gezeigt, dass diese Verfahren nur bedingt Aufschluss über die tatsächliche Stärke bzw. Schwäche der Knochen geben. Grund hierfür ist deren Aufbau. Knochen sind keine massiven Festkörper. Im Inneren der Knochenwand befindet sich eine schwammartige Struktur. Diese komplexe Mikrostruktur ist hauptsächlich für die Belastbarkeit des Knochens verantwortlich und stellt daher einen präziseren Indikator für die Knochenstärke dar.
Abb. 1: Forscher der ETH Zürich und des IBM Forschungslabors haben die umfassendste Simulation von menschlichen Knochenstrukturen demonstriert. Die Simulation gibt ein präzises und realistisches Bild der Knochenstrukturen und deren Stärke in Abhängigkeit zur Belastung. Die vorliegende Abbildung zeigt einen 5 x 5 x 5 mm grossen Ausschnitt eines Rückenwirbelknochens unter einer Belastung, die dem Gewicht der Person im Stehen entspricht. Die in grün und blau dargestellten Regionen entsprechen „stärkeren“ Knochen. Die rötlichen Regionen „schwächeren“ Knochen. Photo: ETH Zürich, IBM Research
Damit man das Forschreiten von Osteoporose so gut wie möglich verhindern kann, ist eine frühzeitige Diagnose entscheidend. Forscher der ETH Zürich und von IBM haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem die Knochendichte gemessen und gleichzeitig die Belastbarkeit der Mikrostrukturen simuliert wird. Im Ergebnis erhalten die Forscher eine genaue Abbildung der Knochenstärke in Abhängigkeit der Belastung. So lässt sich erkennen, an welcher Stelle und mit welcher Belastung der Knochen mit hoher Wahrscheinlichkeit bricht.
Hilfe für Ärzte
"Dieses Wissen kann Ärzten helfen, frühzeitig geschwächte Knochenregionen zu erkennen oder etwa bei der Behandlung einer bereits erfolgten Fraktur die optimale Stellen zum Befestigen der Schiene zu identifizieren", erklärt Dr. Costas Bekas, Forscher im Bereich Computational Sciences am IBM Labor.
Abb. 2: Die Abbildung zeigt hochauflösende (bis 6 Mikrometer), mit einem speziellen quantitativen Computertomografieverfahren erstellte Aufnahmen eines gesunden Knochens eines 78 Jahre alten Mannes (links) und eines osteoporosekranken Knochens eines 72 Jahre alten Mannes (rechts). Solche CTs werden im Rahmen der Knochendichtemessung als Grundlage zur Diagnose von Osteoporose verwendet. Dabei wird allerdings die schwammartige Mikrostruktur im Innern des Knochens, die massgeblich für dessen Belastbarkeit verantwortlich ist, nicht mit berücksichtigt.
Für die Simulationen haben die Forscher ein 8-Rack-System eines IBM Blue Gene/L Supercomputers genutzt. Durch dessen Leistungsfähigkeit und hohe Skalierbarkeit konnten die Berechnungen für eine 5 x 5 x 5 mm grosse Knochenprobe in nur 20 Minuten durchgeführt werden. Dabei wurden 90 Gigabyte an Daten generiert.
Schnelle Simulationen für komplexe Systeme
"Die Kombination von erhöhter Geschwindigkeit und zunehmender Grösse der Proben wird uns künftig erlauben, medizinisch relevante Fälle in einer akzeptablen Zeit und in beispiellosem Detailgrad zu simulieren", unterstreicht Professor Ralph Müller, Direktor des Instituts für Biomechanik an der ETH Zürich.
Professor Peter Arbenz, Leiter des Instituts für Computational Sciences an der ETH Zürich, betont zudem die wachsende Bedeutung von hochentwickelten numerischen Modellen für die schnelle Lösung bei immer komplexeren Systemen. Hierbei stellt die vorliegende Arbeit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Anwendung von solchen Simulationen in der Praxis dar. "Wir befinden uns am Anfang einer vielversprechenden Reise und müssen diese Forschung weiterverfolgen, um das Ziel – der erfolgreiche Einsatz solcher Technologien in der Medizin – zu erreichen", so Arbenz.
In der nächsten Projektphase geht es für die Forschenden von ETH Zürich und IBM darum, das Verfahren zu erweitern und so die tatsächliche Entstehung von Frakturen in individuellen Fällen simulieren zu können – ein weiterer Schritt in der Entwicklung von zuverlässigen und präzisen Methoden zur Früherkennung von Osteoporose in der Praxis.
Originalbeitrag
Die Arbeit mit dem Titel "Extreme Scalability Challenges in Analyses of Human Bone Structures" von Peter Arbenz, Cyril Flaig, Harry van Lenthe, Ralph Müller und Andreas Wirth von der ETH Zürich, sowie Costas Bekas and Alessandro Curioni vom IBM Forschungslabor Zürich, wird am 2. Juli im Rahmen der Fachkonferenz IACM/ECCOMAS 2008 in Venedig, Italien, präsentiert.