ETH Zürich und IBM entwickeln Simulationsverfahren - Früherkennung von Osteoporose verbessern

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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 × 5 × 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.

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