Un supercomputer per studiare l'osteoporosi

Un supercomputer Blue Gene ha permesso agli esperti del Swiss Federal Institute of Technology di Zurigo con la collaborazione del Laboratorio di Ricerca IBM di Zurigo di presentare la simulazione più ampia in assoluto della struttura ossea dell'uomo offrendo ai medici una vista "ad alta definizione" delle ossa, mai avuta precedentemente. Questo risultato potrebbe condurre alla realizzazione di strumenti clinici più sofisticati per migliorare la diagnosi e la cura dell'osteoporosi, una malattia diffusa che colpisce una 1 donna su 3 e 1 uomo su 5 di età superiore ai 50 anni.

Oggi, l'osteoporosi viene diagnosticata misurando la massa e la densità ossea tramite raggi X speciali o tecniche di tomografia, un processo estremamente empirico. Dagli studi è emersa la scarsa precisione delle misurazioni della massa ossea per determinare la resistenza delle ossa perché queste ultime non presentano una struttura solida. All'interno dello strato esterno compatto, le ossa presentano una parte centrale spugnosa. Questa microstruttura complessa è importante per la capacità delle ossa di sopportare i carichi e rappresenta quindi un indicatore migliore della forza di un osso. Gli esperti dei Reparti di Meccanica e di Ingegneria dell'Elaborazione e di Scienze Informatiche dell'ETH di Zurigo hanno collaborato insieme agli esperti di supercomputer del Laboratorio di Ricerca IBM di Zurigo per mettere a punto un metodo preciso, potente e veloce per automatizzare l'analisi della resistenza delle ossa. Il metodo unisce le misurazioni della densità a un'analisi meccanica su vasta scala della microstruttura della parte interna dell'osso. Utilizzando simulazioni parallele su vasta scala, i ricercatori sono riusciti a ottenere una "mappa dinamica del calore" dello sforzo, che varia con il carico applicato all'osso. Questa mappa mostra al medico in modo preciso in quale punto e con quali variazioni di carico applicate all'osso quest'ultimo potrebbe essere soggetto a fratture. rrUna diagnosi precoce dell'osteoporosi è fondamentale per prevenirne l'evoluzione.

Questa simulazione potrebbe migliorare notevolmente la capacità di un medico di trattare le fratture, analizzare e rilevare la fragilità ossea per poter adottare misure preventive prima dell'avanzamento dell'osteoporosi nei pazienti. rL'osteoporosi è la malattia delle ossa più diffusa a livello mondiale, che colpisce 75 milioni di persone solo negli Stati Uniti, in Europa e in Giappone con costi sanitari inferiori solo a quelle delle malattie cardiovascolari. Il termine osteoporosi significa "ossa porose", malattia caratterizzata dalla perdita di densità ossea che provoca un elevato rischio di fratture ed è una delle principali cause di dolore, invalidità e morte nella popolazione più anziana. Purtroppo, in molti casi, l'osteoporosi non viene diagnosticata fino a quando non si verificano fratture ma, ormai, la malattia è già a uno stadio avanzato e richiede trapianti o l'inserimento di placche per il trattamento e la prevenzione delle fratture.

Utilizzando le capacità del supercomputer il team di ricerca è stato in grado di condurre le prime simulazioni su un campione di 5 mm x 5 mm di osso. In soli 20 minuti di tempo informatico, la simulazione con il supercomputer ha generato 90 gigabyte di dati.

Il Professor Peter Arbenz dell'Istituto di Scienze Computazionali, che ha avviato la collaborazione tra i gruppi coinvolti, spiega che sono serviti anche gli algoritmi numerici più avanzati per risolvere questi enormi problemi in tempi così brevi.

Per il lavoro futuro, gli esperti di IBM ed ETH prevedono di puntare ad anticipare il lavoro relativo alle tecniche di simulazione in modo tale che vada oltre il calcolo della forza statica delle ossa per essere in grado di simulare la formazione effettiva di fratture per i singoli pazienti e rilevare in maniera precoce di persone con elevato rischio di fratture.