لأول مرة، يقوم كمبيوتر IBM بإجراء محاكاة كاملة للبنية الداخلية للعظم البشري

قام علماء شركة IBM، الذين استخدموا ثاني أقوى جهاز كمبيوتر في العالم - بلو جين، بتطوير طريقة تساعد في تشخيص وعلاج مرض ترقق العظام

قام العلماء في مختبر أبحاث IBM في زيورخ بتطوير طريقة محاكاة حاسوبية من شأنها أن تساعد في تشخيص وعلاج هشاشة العظام - ترقق العظام (أو كما يطلق عليه شعبيا "تسرب الكالسيوم")، والذي يصيب واحدة من كل ثلاث نساء وواحد من كل خمسة رجال فوق سن الخمسين، وعادةً ما يتم تشخيصه بعد وصوله إلى مرحلة غير قابلة للتعديل.

باستخدام الكمبيوتر العملاق Blue Gene من شركة IBM، تمكن علماء IBM والباحثون في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا (ETH) من تقديم المحاكاة الأكثر تفصيلاً التي تم إجراؤها على الإطلاق لبنية العظام في جسم الإنسان، وصولاً إلى مستوى البنية المجهرية الداخلية لكل جزء. . وهذا المستوى العالي من الانفصال يفتح المجال أمام البحث في مجال قوة هذه العظام، وهو ما لم يكن ممكنا من قبل. قد يمهد الإنجاز التكنولوجي الفريد الطريق لتطوير أدوات أفضل لتشخيص وعلاج هشاشة العظام.

يعد تشخيص هشاشة العظام في أقرب وقت ممكن أمرًا ضروريًا لمنع استمرار عملية المرض. قد تؤدي المحاكاة الرائدة إلى تحسين قدرة الأطباء بشكل كبير على علاج الكسور بشكل أفضل، وتحليل مستوى هشاشة العظام وقوتها في كل مرحلة من مراحل المرض. وبالتالي، من الممكن تحديد الأدوات التي يجب استخدامها لعلاج كل مريض، وذلك لمنع حدوث الكسور حتى قبل حدوثها.

هشاشة العظام هي مرض العظام الأكثر شيوعا في العالم. ويؤثر المرض على 75 مليون شخص في الولايات المتحدة وأوروبا واليابان، وعشرات الملايين غيرهم في بقية أنحاء العالم. وتشكل التكاليف الناجمة عن المرض، من حيث أسعار العلاج والاستشفاء والعبء على النظام الصحي، ثاني أكبر قسم من الميزانية الطبية، بعد تكاليف أمراض القلب والأوعية الدموية.

ويتميز المرض بانخفاض كثافة العظام، ويؤدي إلى ارتفاع خطر الإصابة بالكسور. يسبب الألم، ويحد من حركة ونشاط كبار السن. في كثير من الحالات، لا يتم تشخيص المرض إلا بعد حدوث الكسر الأول - ولكن بعد ذلك يكون بالفعل في مرحلة متقدمة، ويتطلب استخدام زرعات أو إجراءات جراحية باهظة الثمن من أجل علاج هذه الكسور أو منع الكسر التالي.

يتم تشخيص هشاشة العظام حاليًا عن طريق قياس كثافة العظام، باستخدام تقنيات الأشعة السينية الخاصة أو المسح المحوسب (CT). ومع ذلك، تشير الدراسات إلى أن دراسة كتلة العظام بالأدوات المتاحة اليوم لا تظهر سوى مستوى معتدل من الدقة في الإجابة على السؤال الحقيقي - ما هي قوة العظام المقاسة. ويعود هذا عدم الدقة إلى أن العظام ليست بنية صلبة ومكتملة تماما: فداخل القشرة الخارجية الصلبة والكاملة، تتميز العظام ببنية داخلية إسفنجية. هذه البنية المجهرية هي المسؤولة عن قدرة العظام على تحمل الأحمال الثقيلة - وقياسها يوفر أفضل مؤشر على القوة الحقيقية للعظم.

ومن أجل تطوير طريقة دقيقة وسريعة للتحليل التلقائي لقوة العظام، قاموا بتشكيل فريق من الخبراء في مجال الهندسة الميكانيكية وهندسة العمليات في المعهد الوطني السويسري للتكنولوجيا في زيوريخ مع خبراء الكمبيوتر العملاق في مختبرات أبحاث IBM العاملة في مدينة. تجمع الطريقة الرائدة التي طورها الفريق المشترك بين قياس كثافة العظام والتحليل الميكانيكي واسع النطاق للبنية المجهرية الداخلية.

وبمساعدة محاكاة واسعة النطاق، ومعالجة متوازية ضخمة، تمكن علماء IBM من تقديم "خريطة لمناطق التحميل"، وتحليل التغييرات التي تنطبق على الأحمال التي يتعرض لها العظم. تعطي هذه الخريطة للأطباء إجابة دقيقة لسؤال أين يمكن أن يحدث الكسر في العظم - وما هو الحمل المتوقع الذي يسبب مثل هذا الكسر. على أساس التحليل التفصيلي والأكثر دقة من أي وقت مضى، يمكن للطبيب تحديد العملية الجراحية وتكييفها، وزرع اللوحات لدعم العظام ووضع الزرعة في النقطة الصحيحة.

سمح الكمبيوتر العملاق Blue Gene /L من شركة IBM لفريق البحث بإجراء أول محاكاة لعينة عظام بشرية حقيقية، بقياس 5 × 5 ملم. استغرق الأمر 20 دقيقة من وقت المعالجة حتى يتمكن الكمبيوتر من توليد معلومات بحجم 90 غيغابايت، والتي توفر وصفًا وتحليلاً لقطعة العظم على المستوى الهيكلي الأكثر تفصيلاً.

وتتوقع شركة IBM أنه في غضون عشر سنوات ستكون القدرات التي يتميز بها الجيل الحالي من أجهزة الكمبيوتر العملاقة متاحة على مستوى الأنظمة المكتبية، وستصبح المحاكاة التفصيلية لقوة العظام مصدر قلق يومي في عملية التصوير المقطعي المحوسب.

من أجل إكمال المعالجة، كانت هناك حاجة إلى خوارزميات رياضية متقدمة تسمح بحل المشكلات بأعلى سرعة. يعد العمل الحالي خطوة أساسية أولى على طريق الاستخدام السريري في محاكاة العظام على نطاق واسع. والآن، يخطط العلماء لتوسيع تقنياتهم الحسابية إلى ما هو أبعد من تحليل القوة الثابتة للعظم، من أجل إجراء محاكاة على مستوى المريض الفردي.