تعاون بين علماء آي بي إم والمعهد الاتحادي السويسري للتقنية
تمكن العلماء في المعهد الاتحادي السويسري للتقنية زيوريخ (ETH) ومختبر آي بي إم زيوريخ من عرض أكبر عملية تنشيط مكثفة لبنية العظم البشري، من خلال استخدام السوبر كومبيوتر بلو جين Blue Gene، مقدمة للعلماء رؤية “عالية الدقة” لضعف أو قوة العظام، والتي لم تكن ممكنة من قبل.
سيمكن هذا الإنجاز الأطباء من الحصول على معدات سريرية على نحو أفضل لتحسين تشخيص وعلاج مرض هشاشة العظام، وهو مرض منتشر بشكل كبير والذي يصيب 1 من أصل 3 نساء و 1 من أصل 5 رجال في عمر 50. 1.
قال تكريم التهامي، المدير العام، آي بي إم الشرق الأوسط وشمال إفريقيا: “إن نشاطات أبحاث آي بي إم الضخمة التي تسد الفجوة بين التقنيات المتطورة والجمهور من العامة، تمكننا من تقديم حلول حقيقية لمشاكل حقيقية تؤثر علينا جميعاً” وأضاف: “يمكن هذا البحث المشترك والمبتكر في المشاكل ذات العلاقة آي بي إم من البقاء في المقدمة من خلال المشاركة بالمعرفة عبر شبكتنا العالمية”.
إن الكشف المبكر عن هشاشة العظام هو أمر جوهري لمنع تطوره ليصبح مرض وهن عظام. ستحسن عملية التنشيط المتطورة هذه الأطباء السريريين بشكل كبير على معالجة الكسور وتحليل والكشف عن هشاشة العظام الضعيفة، ممكنة إياهم من اتخاذ تدابير وقائية قبل أن يصبح لهشاشة العظام فرصة للتطور.
هشاشة العظام هي أكثر أمراض العظام انتشاراً في العالم، فهي تصيب 75 مليون شخص في الولايات المتحدة وأوروبا واليابان وحدها وتؤدي لتكاليف صحية تأتي في المرتبة الثانية بعد المصاريف التي تنتج عن الأمراض القلبية. وبشكل دقيق فإن مرض “العظم المسامي” يمكن توضيحه على أنه يتسم بالنقص في كثافة العظم وينتج عنه خطر كبير لحدوث الكسور وهو مسبب رئيسي للألم والعجز والموت عند الأشخاص المتقدمين في العمر.1 ولسوء الحظ، في العديد من الحالات، لا يتم تشخيص مرض هشاشة العظام إلى أن يحدث الكسر ولكن في تلك الأثناء يكون المرض قد أصبح في مرحلة متقدمة، فيكون هناك حاجة للزرع أو لوضع صفائح عن طريق الجراحة لمعالجة أو منع حدوث كسور جديدة.
يتم تشخيص مرض هشاشة العظام في الوقت الحالي من خلال قياس الكتلة العظمية وكثافتها من خلال استخدام أشعة سينية متخصصة أو تقنيات التصوير الطبقي باستخدام الحاسب- وهو إجراء تجريبي على نطاق كبير. ولكن من ناحية ثانية، بينت الدراسات أن قياسات الكتلة العظمية هي عبارة عن طريقة تقريبية لتحديد قوة العظم لأن العظام ليست بنى صلبة. فداخل القشرة الخارجية المحكمة، يكون للعظام مركزاً إسفنجياً. تفسر هذه البنية المجهرية والمعقدة قدرة العظام على تحمل الأثقال ولهذا فهي تمثل مؤشراً أفضل لقوة العظم الحقيقة.
بهدف الوصول إلى طريقة صحيحة وقوية وسريعة لإجراء تحليل آلي لقوة العظم، قام العلماء في أقسام الهندسة الميكانيكية والإجرائية وعلم الحاسوب في المعهد الاتحادي السويسري للتقنية زيوريخ بتوحيد القوى مع خبراء السوبر كومبيوتر في مختبر أبحاث آي بي إم في زيوريخ. تجمع هذه الطريقة المتقدمة التي قاموا بتطويرها قياسات الكثافة مع تحليل ميكانيكي واسع النطاق للبنية المجهرية للعظم الداخلي.
من خلال استخدام عمليات تنشط متوازية وواسعة النطاق، كان الباحثون قادرون على الحصول على “الخارطة الحرارية” للعنصر المتغير بحسب الوزن المطبق على العظم. تظهر هذه الخارطة للطبيب السريري وبدقة أين وتحت أية ظروف من المحتمل أن يحدث كسر في العظم.
يفسر الدكتور كوستاس بيكاس من فريق العلوم الحوسبية لآي بي إم في زيوريخ: “عند معرفة متى وأين من المحتمل أن يحصل كسر، يستطيع الطبيب السريري أن يكشف أيضاً عن التلف الناجم عن هشاشة العظام بشكل أكثر دقة، ومن خلال تركيب شريحة جراحية على نحو مناسب يستطيع تحديد الموقع الأمثل لذلك” وأضاف: “إن هذا العمل هو مثال رائع للإمكانيات المثيرة التي لدى السوبر كومبيوتر في حياتنا اليومية”.
من خلال الإستفادة من القدرات الضخمة والواسعة النطاق للسوبر كومبيوتر 8-rack Blue Gene /L ، كان فريق البحث قادراً على إجراء أول عملية تنشيط على عينة بقياس 5×5 ميليمتر من العظم الحقيقي. وفي خلال 20 دقيقة فقط من الوقت الحوسبي، ولدت عملية التنشيط من خلال السوبر كومبيوتر 90 جيجابايت من البيانات.
قال بروفسور رالف مولار، رئيس معهد الميكانيك البيولوجي في المعهد الاتحادي للتقنية زيوريخ: “إنه هذا المزج بين السرعة المتزايدة والحجم سوف يمكن من حل القضايا المتعلقة بهذا الموضوع في وقت مقبول وبتفصيل لم يسبق له مثيل”.
يتوقع الدكتور آليساندرو كريوني، مدير مجموعة العلوم الحوسبية في مختبر أبحاث آي بي إم في زيوريخ: “بعد عشر سنوات من الآن، سيصبح أداء السوبر كومبيوتر في يومنا هذا متوفراً في أنظمة الحواسب، جاعلاً مثل هذه التنشيط لقوة العظم ممارسة روتينية في التصوير الطبقي الشعاعي عن طريق الحاسب”.
يشرح البروفسور بيتر آربينز من معهد العلوم الحوسبية، الذي طرح مشروع التعاون بين المجموعات، أن اللوغاريتمات المتطورة أيضاً ضرورية لحل هذه المشاكل المعقدة بشكل كبير في مثل هذا الوقت القصير وبشكل مثير للدهشة. إن هذا العمل هو خطوة أساسية نحو الإستخدام السريري لعملية تنشيط العظم على نطاق واسع. وقال: “نحن في بداية رحلة مثيرة ونحتاج للاستمرار بهذا الخط من البحث بشكل أكبر من أجل تحقيق هذا الهدف”.
يخطط علماء آي بي إم والمعهد الاتحادي السويسري للتقنية في عملهم المستقبلي لاستهداف تطوير تقنيات التنشيط للوصول إلى ماهو أبعد من احتساب قوة العظم المثبت وأن يكونوا قادرين على تنشيط البناء الحقيقي للكسور بالنسبة للمرضى الأفراد، وبهذا يكونوا قد اتخذوا خطوة أبعد نحو تحقيق كشف سريع وموثوق ومبكر عند الأشخاص الذين لديهم خطر الإصابة بكسور.
تم تقديم العمل “التحديات التي تواجه قابلية القياس القصوى في تحليل بنى العظم الإنساني “الذي قام به علماء من المعهد الاتحادي السويسري للتقنية مثل بيتر آربينز وسايرل فلايغ و هاري فان لينذ و رالف ميلر و آندريا ويرذ و علماء من مختبر أبحاث زيوريخ مثل كوستاس بيكاس و آليساندرو كوريوني خلال مؤتمر IACM/ECCOMAS 2008 الذي تم عقده في فينيسيا بإيطاليا في 2 يوليو.
