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Physics-Informed Neural Networks for Brain Hemodynamic Predictions Using Medical Imaging

医学影像学 血流动力学 人工神经网络 神经影像学 人工智能 计算机科学 医学物理学 物理 神经科学 医学 心理学 内科学
作者
Mohammad Sarabian,Hessam Babaee,Kaveh Laksari
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:41 (9): 2285-2303 被引量:73
标识
DOI:10.1109/tmi.2022.3161653
摘要

Determining brain hemodynamics plays a critical role in the diagnosis and treatment of various cerebrovascular diseases. In this work, we put forth a physics-informed deep learning framework that augments sparse clinical measurements with one-dimensional (1D) reduced-order model (ROM) simulations to generate physically consistent brain hemodynamic parameters with high spatiotemporal resolution. Transcranial Doppler (TCD) ultrasound is one of the most common techniques in the current clinical workflow that enables noninvasive and instantaneous evaluation of blood flow velocity within the cerebral arteries. However, it is spatially limited to only a handful of locations across the cerebrovasculature due to the constrained accessibility through the skull's acoustic windows. Our deep learning framework uses in vivo real-time TCD velocity measurements at several locations in the brain combined with baseline vessel cross-sectional areas acquired from 3D angiography images and provides high-resolution maps of velocity, area, and pressure in the entire brain vasculature. We validate the predictions of our model against in vivo velocity measurements obtained via four-dimensional (4D) flow magnetic resonance imaging (MRI) scans. We then showcase the clinical significance of this technique in diagnosing cerebral vasospasm (CVS) by successfully predicting the changes in vasospastic local vessel diameters based on corresponding sparse velocity measurements. We show this capability by generating synthetic blood flow data after cerebral vasospasm at various levels of stenosis. Here, we demonstrate that the physics-based deep learning approach can estimate and quantify the subject-specific cerebral hemodynamic variables with high accuracy despite lacking knowledge of inlet and outlet boundary conditions, which is a significant limitation for the accuracy of the conventional purely physics-based computational models.
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