Frühwarnsystem für Knochenbrüche

Schweizer Forscher haben mit Hilfe eines Supercomputers die bisher umfassendste Simulation von menschlichen Knochenstrukturen durchgeführt. Die Ergebnisse sind wichtig für die Entwicklung von besseren medizinischen Geräten zur Früherkennung und Behandlung von Osteoporose.

Osteoporose ist die häufigste Knochenkrankheit. 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 beziehungsweise 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.

Frühe Diagnose wichtig

Damit man das Fortschreiten von Osteoporose so gut wie möglich verhindern 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

Die Abbildung zeigt hochauflösende (bis 6 Mikrometer), mit einem speziellen quantitativen Computertomografieverfahren erstellte Aufnahmen eines gesunden Knochens eines 78 Jahre alten Mannes (links) und eines osteoporosekranken Knochens eines 72 Jahre alten Mannes (rechts). Solche CTs werden im Rahmen der Knochendichtemessung als Grundlage zur Diagnose von Osteoporose verwendet. Dabei wird allerdings die schwammartige Mikrostruktur im Innern des Knochens, die massgeblich für dessen Belastbarkeit verantwortlich ist, nicht mit berücksichtigt. © ETH Zurich, IBM Research

„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.

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 vom Institut für Biomechanik an der ETH Zürich.

Professor Peter Arbenz vom Institut 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 neue Studie 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.

Forscher erweitern Verfahren

In einem nächsten Schritt wollen die Forscher, das Verfahren 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.

(idw – Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), 03.07.2008 – DLO)