מחשב של יבמ מבצע לראשונה סימולציה מלאה של המבנה הפנימי של עצם אנושית

מדעני יבמ, שהשתמשו במחשב השני בעוצמתו בעולם – בלו ג'ין פיתחו שיטה שתסייע באבחון וטיפול במחלת דילול העצם

מדענים במעבדת המחקר של יבמ בציריך פיתחו שיטה לסימולציה ממוחשבת שתסייע לאבחן ולטפל במחלת האוסתיאופורוזיס – דילול העצם (או בשמה הפופולארי “בריחת סידן” ), הפוגעת באחת מכל שלוש נשים ובאחד מכל חמישה גברים מעל גיל 50 , ובד”כ מאובחנת לאחר שהגיעה לשלב שאינו ניתן לתיקון.

ע”י שימוש במחשב מחשב-על מדגם Blue Gene של יבמ, הצליחו מדענים של יבמ וחוקרים במכון הפדראלי השווייצי לטכנולוגיות (ETH) להציג את הסימולציה המפורטת ביותר שבוצעה אי-פעם של מבנה העצמות בגוף האנושי, עד לרמת המיקרו-מבנה הפנימי של כל מקטע עצם. רמת ההפרדה הגבוהה הזאת, פותחת את הדרך למחקר בתחום חוזק העצמות האלה, שלא היה אפשרי בעבר. ההישג הטכנולוגי הייחודי עשוי לסלול את הדרך לפיתוח כלים טובים יותר לאבחון ולטיפול באוסתיאופורוזיס.

אבחון מוקדם ככל האפשר של אוסתיאופורוזיס חיוני על מנת למנוע את המשך תהליך המחלה. הסימולציה פורצת הדרך עשוייה לשפר משמעותית את יכולתם של הרופאים לטפל טוב יותר בשברים, ולנתח את רמת השבירות וחוזק העצם בכל שלב משלבי המחלה. כך, ניתן להחליט באלו כלים יש לטפל בכל חולה, כדי למנוע שברים עוד לפני שהתרחשו.

אוסתיאופורוזיס היא מחלת העצמות השכיחה ביותר בעולם. המחלה פוגעת ב- 75 מיליון בני אדם בארה”ב, אירופה ויפאן, ובעשרות רבות של מיליונים נוספים בשאר חלקי העולם. העלויות הנובעות מהמחלה, במונחים של מחיר טיפולים, אשפוזים ונטל על מערכת הבריאות, מהוות את סעיף התקציב הרפואי השני בגודלו, לאחר עלויות מחלות לב וכלי דם.

המחלה מאופיינת בירידה בצפיפות העצם, ומובילה לסיכון גבוה לשברים. היא גורמת לכאבים, מגבילה את התנועה והפעילות של אנשים מבוגרים. במקרים רבים, המחלה אינה מאובחנת עד להתרחשות השבר הראשון – אלא שאז היא מצויה כבר בשלב מתקדם, ודורשת שימוש בשתלים או בתהליכים כירורגיים יקרים על מנת לטפל בשברים האלה או למנוע את השבר הבא.

אבחון אוסתיאופורוזיס מתבצע כיום באמצעות מדידת צפיפות העצם, תוך שימוש בקרני רנטגן מיוחדות או בטכנולוגיות סריקה ממוחשבת (CT). עם זאת, קובעים מחקרים כי מחקר מסת העצם בכלים הזמינים כיום מציג רק רמה בינונית של דיוק בדרך למתן מענה לשאלה האמיתית – מה חוזק העצם הנמדדת. חוסר הדיוק הזה נובע מכך שעצמות אינן מבנה מוצק ומלא לחלוטין: בתוך המעטפת החיצונית הקשה והשלמה, מאופיינות העצמות במבנה פנימי ספוגי. המיקרו-מבנה הזה אחראי ליכולתה של העצם לשאת עומסים כבדים – ומדידתו מספקת את האינדיקציה הטובה ביותר לחוזקה האמיתי של העצם.

על מנת לפתח שיטה מדוייקת ומהירה לניתוח אוטומטי של חוזק העצם, חברו מומחים בתחום ההנדסה המכאנית והנדסת תהליכים במכון הטכנולוגי הלאומי השווייצי בציריך יחד עם מומחי מחשוב-על במעבדות המחקר של יבמ הפועלות בעיר. השיטה פורצת הדרך אותה פיתח הצוות המשותף משלבת בין מדידת צפיפות עצם ובין ניתוח מכאני בהיקף גדול של המיקרו-מבנה הפנימי שלה.

בעזרת סימולציה בהיקף גדול, ועיבוד מקבילי מאסיבי, מצליחים המדענים של יבמ להציג “מפת אזורי עומס”, ולנתח את השינויים החלים בעומסים בהם עומדת העצם. המפה הזאת נותנת לרופאים תשובה מדוייקת לשאלה באיזה מקום של העצם עלול השבר להתרחש – ומה העומס הצפוי לגרום לשבר כזה. על בסיס הניתוח המפורט והמדוייק מאי-פעם, יכול הרופא לקבוע ולהתאים תהליך ניתוחי, להשתיל לוחיות לתמיכה בעצם ולמקמן בנקודה הנכונה ביותר.

מחשב-על Blue Gene /L של יבמ איפשר לצוות המחקר לבצע סימולציה ראשונה של דוגמת עצם אנושית אמיתית, בגודל 5X5 מ”מ. 20 דקות של זמן עיבוד, נדרשו למחשב על מנת להפיק מידע בנפח של 90 גיגה-בייט, המספק תיאור וניתוח של פיסת העצם ברמה המבנית המפורטת ביותר.

ביבמ חוזים כי בתוך עשר שנים יהיו היכולות המאפיינות את הדור הנוכחי של מחשבי-על זמינות ברמת מערכות שולחניות, ויהפכו סימולציות מפורטות של חוזק עצמות לעניין יום-יומי בתהליך הטומוגרפיה הממוחשבת.

על מנת להשלים את העיבוד, נדרשו אלגוריתמים מתמטיים מתקדמים המאפשרים לפתור בעיות במהירות גבוהה ביותר. העבודה הנוכחית היא שלב בסיסי ראשון בדרך לשימוש קליני בסימולציה של עצמות בהיקף גדול. עתה, מתכננים המדענים להרחיב את טכנולוגיות החישוב שלהם אל מעבר לניתוח החוזק הסטטי של העצם, על מנת לבצע סימולציה ברמת החולה הבודד.