模拟和高性能计算降低骨质疏松患者的骨折风险

作者Marco Viceconti，意大利博洛尼亚大学工业工程教授

制药公司在开发药物以帮助减少骨质疏松症引起的骨折数量时遇到了一个问题。骨质疏松症会削弱数百万老年妇女的骨骼。这并不是说这些公司无法发现可能有助于减少骨折的药物;而是他们不能进行临床试验，将骨折复位确定为显示所研究药物疗效的主要终点。问题是多方面的:这样的试验将涉及观察1000多名骨质疏松患者反复摔倒，持续5到10年，或者直到他们经历骨折。即使没有道德上的担忧，看着奶奶一遍又一遍地摔倒10年，进行这样的试验的成本也会令人望而却步。

由于这些困难，制药公司不会进行专注于骨折复位的试验。相反，他们关注替代终点，如骨密度的增加，以显示药物的疗效。这种试验涉及的参与者数量要小得多，只需要运行几个月。但是这样的替代端点也有自己的问题。骨密度的增加本身并不能保证骨折的减少。骨强度是骨骼解剖结构和骨矿物质分布的函数，骨强度是减少骨折的关键。然而，如果没有一项涉及数千名骨质疏松症患者的5到10年的临床试验——反复摔倒却没有骨折——就不可能将骨强度的变化与骨折的减少联系起来。

但是，如果这种相关性可以在没有真人和真骨头的情况下表现出来呢?或者，就这一点而言，实时?

理解一个潜在的工程问题

在博洛尼亚大学(UNIBO)，工业工程系的生物力学研究人员一直与意大利领先的骨科医院里佐利医院的医疗技术实验室密切合作，探索与骨质疏松症和摔倒相关的潜在生物物理学的复杂性。从根本上说，当一个人跌倒时，骨骼会受到物理力的作用。不同类型的下落会产生不同类型和方向的力。根据力的强度和骨骼的强度，跌倒可能导致骨折，也可能不会导致骨折。然而，随着时间的推移，骨质疏松症会改变骨骼的结构和密度，以及骨骼中矿物质的分布，降低骨骼强度，增加摔倒导致骨折的风险。

从这个角度来看，坠落是否会在任何给定的时间导致骨折的问题，从最纯粹的意义上来说，是一个工程问题——UNIBO的研究人员相信，通过正确的工具和正确的投入，可以解决这个问题。

UNIBO的研究小组从100个人身上获得了计算机断层扫描生成的股骨图像。他们使用主成分分析技术分析了这些图像，以了解100根股骨之间的解剖变化及其频率，以及这些股骨之间骨密度变化的频率。其他内部开发的工具使研究人员能够准确地看到骨矿物质沉积如何分布在每根股骨的解剖结构中。

使用万博Ansys机械，研究人员根据这100根真实股骨的CT扫描创建了有限元(FE)模型。每个模型中的网格不仅绘制了每根股骨的独特结构，而且还绘制了每根骨头中骨矿物质的分布。然后，他们复制并重新采样这100个模型，以创建总共1000个FE模型。这一队列精确地反映了解剖学和骨密度变化的分布，研究人员原本预计会在1000名骨质疏松症患者中发现这些变化。

研究人员随后开发了一个跌倒的随机模型，其中的参数可以考虑到患者的体重、可能吸收冲击的软组织数量、跌倒的方向和距离等等。UNIBO的研究人员打算使用Mechanical对这1000个模型进行100次不同的跌倒模拟，以将骨骼强度与骨折风险联系起来。然后，他们打算修改1000个模型中的每个模型的骨矿物质组成，以反映骨质疏松症在一年内的退化效应，然后他们将重新运行所有的模拟。最终，他们将重新运行所有这些模拟10次，有效地反映了1000个人随着骨质疏松症的增加，在10年里每年摔倒100次的观察结果。这些模拟将提供人们渴望已久的临床见解，而不会让任何人的实际祖母遭受摔倒和髋部骨折的侮辱和痛苦。

解决首要的时间问题

但研究人员很快就遇到了一个问题。在UNIBO可用的计算资源上，解决一次坠落模拟大约需要1.8个小时。解决100万次模拟，也就是1000个虚拟病人在10年里每年摔倒100次，需要180万小时，也就是205年多。

这是不可能的，特别是因为在硅质临床试验中的实际应用最终将涉及使用这些相同的技术来模拟潜在的骨质疏松药物的效果，以观察它们是否能随着时间的推移被证明能减少骨折。

与Ansys合作，UNIB万博O的研究人员在荷兰SURF托管的Cartesius超级计算机和意大利CINECA托管的Galileo超级计算机上使用Ansys机械软件。Cartesius被配置为一个高性能计算(HPC)系统，拥有超过1,900个中央处理单元(cpu)，每个cpu都有16到64个计算核(总共超过47,000个核)。每个CPU配置64gb ~ 256gb内存。Galileo还配置为一个具有2044个18核CPU(总共近36800个核)的HPC系统，每个CPU配置128 GB内存。Cartesius和Galileo都可以访问pb级的存储容量和超高性能的互连，以确保以高效、高度并行的方式使用系统资源。

由于Ansys 万博Mechanical针对HPC进行了优化，UNIBO研究人员可以同时在数千个计算核上运行它，这大大加快了百万次模拟的完成速度。如果连续执行，可能需要200年的事情，在笛卡尔和伽利略的实验中只用了不到两周的时间。

在通往硅片试验的路上

UNIBO的研究人员正在为硅质临床试验创造机会，其终点是减少骨质疏松患者的骨折。最初的研究结果构成了临床试验安慰剂组的基础，如果得到监管部门的批准(这一目标本身就涉及许多尚未遇到的障碍)。研究人员使用机械和HPC系统建模，代表了1000名骨质疏松症在10年时间里发展不受阻碍的人群中的骨折风险。在此基础上，临床研究人员可以分析新的FE模型来模拟一种研究骨质疏松症药物在10年内的效果，以观察与安慰剂组相比，该药物是否能增加骨强度并降低骨折风险。

但是UNIBO的研究人员还有更多的工作要做。他们需要学习如何在他们的FE模型中模拟未来骨质疏松药物的效果，这包括学习如何获取显示研究药剂对动物种群的影响的数据，并适当地缩放以模拟药物在人类种群中的作用——这是一项具有自身挑战的任务。然后，他们必须在1000名虚拟参与者中模拟这些潜在药物的效果(在10个模拟年中，每年下降100倍)。最终，这意味着解决另外100万次模拟，在这些模拟中，研究代理现在每年都扮演着修改角色。骨头会变得更强壮吗?骨折的风险是否因长期用药而降低?

所有这些问题都有待回答，但至少UNIBO的研究人员知道，通过在高度并行的HPC系统上运行Ansys Mechanical，他们最终应该能够在几周内回答其中许多问题，而不是几个世纪的问题。万博