Reconstructing cerebral hemodynamics from sparse data using Neural Operator Transformers

计算机科学 人工神经网络 人工智能 操作员(生物学) 血流动力学 变压器 模式识别(心理学) 医学 心脏病学 工程类 化学 电气工程 抑制因子 基因 电压 转录因子 生物化学
作者
Wojciech Kaczmarek,Jakub Magdziarz Ibrahim-El-Nur,Magdalena Bogdan,Tomasz Roleder
出处
期刊:Computers in Biology and Medicine [Elsevier BV]
卷期号:195: 110492-110492
标识
DOI:10.1016/j.compbiomed.2025.110492
摘要

Cardiovascular diseases remain a major cause of mortality and disability, underscoring the need for improved analysis of brain hemodynamics. The Circle of Willis plays a crucial role in maintaining cerebral blood flow; however, conventional measurement and computational methods often lack the accuracy or speed required for real-time clinical application. We propose a novel computational framework that integrates a one-dimensional reduced-order blood flow model with two neural operator architectures: the General Neural Operator Transformer and the Variational Autoencoding Neural Operator. Synthetic data are first generated via finite-element simulations of the 1D system under a wide range of parameter and boundary-condition variations. The surrogate model learns to predict blood velocity, cross-sectional area, and pressure from sparse inputs, while the generative model provides a prior to ensure physiologically plausible parameter sampling. An inverse procedure is then employed to reconstruct full Circle of Willis hemodynamics from limited clinical-like observations, and subject-specific boundary conditions are derived from the reconstructed flow and pressure waveforms via an adaptive grid search fitting procedure. Across major vessels of the Circle of Willis, our surrogate model achieves below 1% mean relative error in velocity and area predictions while maintaining approximately 3.3% global error in reconstructing entire networks from sparse measurements. The adaptive boundary-condition estimation closely reproduces the original outlet pressures, facilitating case-specific parameter calibration. This neural-operator-based framework enables fast, accurate reconstruction of cerebral hemodynamics and boundary-condition inference from limited data, holding potential for real-time clinical integration and personalized digital-twin workflows in cerebrovascular diagnostics.
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