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中获得。然而,CFD模拟需要专家进行精细设置且耗时较长,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内四面体网格顶点的三维速度场。我们在合成动脉模型和基于CFD的真实速度场上训练这些GNN。训练完成后,对于未见过的全新动脉,速度估计速度相比CFD可提升36倍。我们展示了如何构建与输入网格空间方向无关的SE(3)等变图神经网络,并证明相比于基线神经网络,该方法可减少所需的训练数据量。

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