Hemodynamic velocity fields in coronary arteries could be the basis of valuable biomarkers for diagnosis, prognosis and treatment planning in cardiovascular disease. Velocity fields are typically obtained from patient-specific 3D artery models via computational fluid dynamics (CFD). However, CFD simulation requires meticulous setup by experts and is time-intensive, which hinders large-scale acceptance in clinical practice. To address this, we propose graph neural networks (GNN) as an efficient black-box surrogate method to estimate 3D velocity fields mapped to the vertices of tetrahedral meshes of the artery lumen. We train these GNNs on synthetic artery models and CFD-based ground truth velocity fields. Once the GNN is trained, velocity estimates in a new and unseen artery can be obtained with 36-fold speed-up compared to CFD. We demonstrate how to construct an SE(3)-equivariant GNN that is independent of the spatial orientation of the input mesh and show how this reduces the necessary amount of training data compared to a baseline neural network.


翻译:冠状动脉中的血流动力学速度场可作为心血管疾病诊断、预后及治疗规划中具有价值的生物标志物基础。速度场通常通过计算流体动力学(CFD)从患者特异性三维动脉模型获得。然而,CFD模拟需要专家进行精细的配置且耗时较长,这阻碍了其在临床实践中的大规模应用。为解决这一问题,我们提出将图神经网络(GNN)作为一种高效的黑箱替代方法,用于估计映射到动脉腔体四面体网格顶点上的三维速度场。我们在合成动脉模型及基于CFD的真实速度场上训练这些GNN。一旦GNN训练完成,对于新且未见过的动脉,其速度估计相较于CFD可实现36倍的加速。我们展示了如何构建与输入网格空间方向无关的SE(3)等变GNN,并证明了相较于基准神经网络,这能减少所需的训练数据量。

0
下载
关闭预览

相关内容

【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
106+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Neural Architecture Search without Training
Arxiv
10+阅读 · 2021年6月11日
Arxiv
11+阅读 · 2019年4月15日
VIP会员
最新内容
论文 | OmniScientist:全模态全学科AI科学家
专知会员服务
4+阅读 · 8月16日
无人机已改变战场,但并未解决指挥问题
专知会员服务
8+阅读 · 8月14日
驱动军事决策变革的顶尖人工智能指挥系统
专知会员服务
11+阅读 · 8月11日
非对称防御中的自组织临界性:俄乌战争
专知会员服务
10+阅读 · 8月10日
相关VIP内容
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
106+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
无监督元学习表示学习
CreateAMind
27+阅读 · 2019年1月4日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员