|
Venedig, Italien, und 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.1
Osteoporose ist die häufigste Knochenkrankheit. Laut einer
Studie der Weltgesundheitsorganisation WHO sind rund 75 Millionen
Menschen allein in den USA, Europa und Japan von Osteoporose betroffen.
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.
Damit man das Forschreiten von Osteoporose so gut wie möglich
vorzubeugen 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.
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.
„In 10 Jahren wird die Leistungsfähigkeit heutiger
Supercomputer auf einem Standard-PC verfügbar sein. Dann könnten
solche Simulationen zur Routine bei Osteoporose-Untersuchungen
gehören und etwa einhergehend mit Computertomografien erstellt
werden“, prognostiziert Dr. Alessandro Curioni, Leiter des
Bereichs Computational Sciences am IBM Labor.
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.
Osteoporose
Laut einer Studie der Weltgesundheitsorganisation WHO sind rund
75 Millionen Menschen allein in den USA, Europa und Japan von
Osteoporose betroffen. Nach Herz- und Kreislauferkrankungen verursacht
sie die höchsten Gesundheitskosten. Osteoporose heisst wortwörtlich „poröser
Knochen“ und ist gekennzeichnet durch eine Abnahme der
Knochendichte und -masse. Die Knochenschwäche führt
zu einer erhöhten Gefahr von Knochenbrüchen. In vielen
Fällen wird die Krankheit erst nach einer Fraktur festgestellt.
In diesem fortgeschrittenen Stadium werden oft Behandlungen mit
Implantaten oder Schienen notwendig, um weitere Brüche zu
vermeiden.
ETH Zürich
An der ETH Zürich (Eidgenössische Technische Hochschule
Zürich) mit seinen 16 Departementen studieren 14.000 Personen
aus 80 Nationen. Rund 360 Professoren lehren Ingenieurwissenschaften
und Architektur, Systemorientierte Naturwissenschaften, Mathematik
und Naturwissenschaften. Die Forschung der ETH Zürich geniesst
weltweit einen ausgezeichneten Ruf; bis heute sind 21 Nobelpreisträger
mit der Schule verbunden. Die ETH Zürich meldet jährlich
80-100 Patente an und unterstützt die Gründung von bis
zu 20 Spin-Off Unternehmen. Sie verpflichtet sich ihren Studierenden
sowohl eine exzellente wissenschaftliche Ausbildung als auch herausragende
Führungsqualitäten zu vermitteln. www.ethz.ch
IBM-Forschungslabor Zürich (ZRL)
Das IBM-Forschungslabor Zürich (Rüschlikon) ist der europäische
Zweig der IBM-Forschung. Dieses Netzwerk von rund 3500 Mitarbeitern
in acht Laboratorien rund um den Globus ist die grösste industrielle
IT-Forschungsinstitution der Welt. Das ZRL, das 1956 gegründet
wurde, beschäftigt derzeit rund 330 Personen, die mehr als
30 Nationalitäten angehören. Das Spektrum der ZRL-Forschungsaktivitäten
schliesst Nanowissenschaften, Chiptechnologie, Supercomputing,
Servertechnologie, Datensicherheit und Schutz der Privatheit, Risiko
und Compliance, sowie die Optimierung von Geschäftsprozessen
ein. Weltklasse-Forschung und herausragende wissenschaftliche Leistungen — inklusive
zwei Nobelpreise — sind mit dem ZRL verbunden. www.zurich.ibm.com
1 Siehe aucho: International
Osteoporosis Foundation.
2 Prevention
and Management of Osteoporosis, WHO Technical Report Series,
No. 921.
IBM and Bluegene are trademarks or registered trademarks of International
Business Machines Corporation in the United States, other countries,
or both.
|
IBM Research
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. Basierend
auf einer speziellen, hochauflösenden Computertomografie-Aufnahme
(bis zu 6 Mikrometer) der Probe haben die Forscher ein komplexes
mathematisches Modell entwickelt mit mehr als 400 Millionen
Elementen, so genannten „Voxel“, um auch die
feine Mikrostruktur des Knochens präsize simulieren
zu können. In einem weiteren Schritt wurde die Belastbarkeit
für viele verschiedene Situationen simuliert. Die Abbildung
zeigt einen gesunden Knochen.
