Circolazione del sangue analizzata nei minimi dettagli con un supersoftware

Rappresentazione completa e in quattro dimensioni grazie a 600 mila miliardi di operazioni al secondo

In giallo l'accumulo di materiale lipidico nelle coronarie simulato dal nuovo software (da Cnr)

MILANO - Simulare il sangue umano è oggi possibile. O meglio: mimare alla perfezione l’armonia del movimento dei globuli rossi, dei globuli bianchi e delle piastrine che interagiscono tra loro e con il plasma, è diventata un’impresa abbordabile. Grazie a un supersoftware si riesce a ricostruire nei minimi dettagli la circolazione sanguigna e a darne una rappresentazione multiscala, completa e in quattro dimensioni (tre nello spazio più il tempo) nonché reale perché presa da un vero paziente. E la prevenzione dei disturbi cardiovascolari ci guadagna, poiché è possibile circoscrivere le zone delle coronarie dove si accumulano i grassi e stimare pertanto il rischio di avere l’aterosclerosi o l’infarto. «LAVORO IMMANE» - Quale tecnologia ha permesso simili traguardi? Metodi computazionali estremamente avanzati. Per ognuno delle centinaia di milioni di particelle che rappresentano la parte corpuscolare del sangue è stato eseguito un calcolo, come pure per il miliardo di nodi che rappresentano la parte fluida (plasma). E oltre 600 mila miliardi di operazioni aritmetiche al secondo, tra somme, sottrazioni, radici quadrate, algoritmi, moltiplicazioni e divisioni, sono state necessarie per simulare un battito cardiaco. «Un lavoro immane», ammette Massimo Bernaschi, dirigente tecnologo dell’Istituto per le applicazioni del calcolo Mauro Picone di Roma, che ha contribuito alla messa a punto del supersoftware insieme all’Istituto per i processi chimico-fisici del Cnr, «ma ce l’abbiamo fatta e abbiamo vinto la sfida che ci ha portato per due volte a partecipare come finalisti alla Conferenza mondiale del supercalcolo che si svolge negli Stati Uniti. A Seattle, nell’ambito dei Gordon Bell Awards, abbiamo ricevuto una menzione speciale per il lavoro svolto a cui hanno contributo tra gli altri i miei colleghi Sauro Succi e Mauro Bisson».
LO SPUNTO DAI VIDEOGIOCHI - Questa applicazione, la prima in assoluto nel suo genere, è frutto della combinazione tra la modellistica, che ha la capacità di rappresentare problematiche con diversi punti di vista, e la tecnologia computazionale di ultima frontiera. Per metterla a punto sono infatti state necessarie ben 4 mila schede Gpu (Graphics Processing Unit) assai potenti in grado di comunicare tra loro alla velocità di centinaia di megabyte al secondo. «Queste schede sono state originariamente realizzate per la grafica, soprattutto per rappresentazioni realistiche all’interno di videogame. Successivamente si è capito che potevano essere usate per calcoli ad altissime prestazioni», spiega Bernaschi. «Da tre o quattro anni esiste una comunità che le sfrutta in vari campi: dalla crittografia alla trattazione in genere di una grande mole di dati a cui devono essere applicati calcoli onerosi. La Guardia di finanza le impiega per mettere a punto scenari di evoluzione di grandezze, indici azionari o movimenti dei prezzi delle opzioni. Il loro utilizzo si è andato ampliando sempre più, tanto che oggi vi si ricorre anche per l’analisi di segnali radar o per la simulazione di fenomeni atmosferici o di bacini idrogeologici».
CONVENIENZA - Queste schede con altissime prestazioni sono state installate in una piattaforma di calcolo, prestata alle due realtà italiane dal Tokyo Institute of Techology e contenente una rete che metteva in comunicazione le schede tra loro e con un sistema adibito a leggere e a scrivere i dati basati su dischi a stato solido. In altre parole, le simulazioni del sangue umano sono state eseguite su un computer, che è il terzo al mondo per prestazioni assolute. «L’utilizzo delle schede dà in genere molteplici vantaggi», sostiene Bernaschi. «Il consumo di energia elettrica di una singola scheda è di un ordine di grandezza in meno rispetto a una piattaforma tradizionale che offre le stesse possibilità di calcolo e il costo per prestazione è estremamente conveniente. Una scheda adibita, per esempio, alla crittografia ha un prezzo di circa 500 euro e permette di controllare 2 milioni di password al secondo: in pratica ciò che farebbe un cluster di sedici e più computer tradizionali».
A FAVORE DEI PAZIENTI - Il prossimo passo sarà quello di poter eseguire la simulazione del sangue umano anche sui computer degli ambulatori medici per scopi clinici. Già è partita una sperimentazione presso l’ospedale Fondazione Toscana Gabriele Monasterio di Massa Carrara. «Qui si stanno studiando con il supersoftware le coronarie e le carotidi di un ampio numero di pazienti al fine di capire l’incidenza di disturbi silenti del flusso sanguigno che quando diventa turbolento, e perde la sua linearità, può danneggiare l’epitelio di rivestimento dei vasi sanguigni favorendo la formazione di placche aterosclerotiche», aggiorna Simone Melchionna, ricercatore all’Istituto processi chimico-fisici del Cnr. Lo studio, che durerà tre anni, sarà un esempio di medicina predittiva basata su calcoli ad alta prestazione.
Manuela Campanelli