Finding interpretable biomechanical models can provide insight into the functionality of organs with regard to physiology and disease. However, identifying broadly applicable dynamical models for in vivo tissue remains challenging. In this proof of concept study we propose a reconstruction framework for data-driven discovery of dynamical models from experimentally obtained undersampled MRI spectral data. The method makes use of the previously developed spectro-dynamic framework which allows for reconstruction of displacement fields at high spatial and temporal resolution required for model identification. The proposed framework combines this method with data-driven discovery of interpretable models using Sparse Identification of Non-linear Dynamics (SINDy). The design of the reconstruction algorithm is such that a symbiotic relation between the reconstruction of the displacement fields and the model identification is created. Our method does not rely on periodicity of the motion. It is successfully validated using spectral data of a dynamic phantom gathered on a clinical MRI scanner. The dynamic phantom is programmed to perform motion adhering to 5 different (non-linear) ordinary differential equations. The proposed framework performed better than a 2-step approach where the displacement fields were first reconstructed from the undersampled data without any information on the model, followed by data-driven discovery of the model using the reconstructed displacement fields. This study serves as a first step in the direction of data-driven discovery of in vivo models.


翻译:寻找可解释的生物力学模型能够为理解器官在生理与病理状态下的功能机制提供重要见解。然而,针对活体组织建立具有广泛适用性的动力学模型仍面临挑战。在本概念验证研究中,我们提出了一种重建框架,用于从实验获取的欠采样MRI谱数据中数据驱动地发现动力学模型。该方法利用了先前开发的谱-动力学框架,该框架能够重建模型辨识所需的高时空分辨率位移场。所提出的框架将此方法与基于稀疏非线性动力学辨识(SINDy)的可解释模型数据驱动发现相结合。重建算法的设计旨在建立位移场重建与模型辨识之间的共生关系。我们的方法不依赖于运动的周期性。通过使用临床MRI扫描仪采集的动态体模谱数据,该方法得到了成功验证。该动态体模被编程执行符合5种不同(非线性)常微分方程的运动。与先从未知模型信息条件下从欠采样数据重建位移场、再基于重建位移场数据驱动发现模型的两步法相比,所提出的框架表现出更优性能。本研究为活体模型的数据驱动发现迈出了第一步。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31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 · 2014年12月31日
Arxiv
12+阅读 · 2021年9月13日
Arxiv
18+阅读 · 2021年3月16日
A survey on deep hashing for image retrieval
Arxiv
15+阅读 · 2020年6月10日
VIP会员
相关VIP内容
相关资讯
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31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 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员