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Elasticity Imaging Using Physics-Informed Neural Networks: Spatial Discovery of Elastic Modulus and Poisson's Ratio

泊松比 弹性(物理) 泊松分布 弹性模量 人工神经网络 统计物理学 物理 数学 材料科学 计算机科学 统计 人工智能 热力学
作者
Ali Kamali,Mohammad Sarabian,Kaveh Laksari
出处
期刊:Social Science Research Network [RELX Group (Netherlands)]
被引量:2
标识
DOI:10.2139/ssrn.4203110
摘要

Elasticity imaging is a technique that discovers the spatial distribution of mechanical properties of tissue using deformation and force measurements under various loading conditions. Given the complexity of this reconstruction, most existing methods approximate only one material parameter while assuming homogeneous distributions for the others. We employ physics-informed neural networks (PINN) in linear elasticity problems to discover the space-dependent distribution of both elastic modulus (E) and Poisson's ratio (ν) simultaneously, using strain data, normal stress boundary conditions, and the governing physics. We validated our model on three examples. First, we experimentally loaded hydrogel samples with embedded stiff inclusions, representing tumorous tissue, and compared the approximations against ground truth determined through tensile tests. Next, using data from finite element simulation of a rectangular domain containing a stiff circular inclusion, the PINN model accurately localized the inclusion and estimated both E and ν, along with stress distributions. We observed that in a heterogeneous domain, assuming a homogeneous ν distribution increases estimation error for stiffness as well as the area of the stiff inclusion, which could have clinical importance when determining size and stiffness of tumorous tissue. Finally, our model performed well using data from another computational model, simulating uniaxial loading of a rectangular hydrogel sample containing a human brain slice with distinct gray matter and white matter regions and complex geometrical features. This elasticity imaging implementation has the potential to be used in clinical imaging scenarios to reliably discover the spatial distribution of mechanical parameters and identify material interfaces such as tumors.Funding Information: This work was supported by the National Institutes of Health (NIH) National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) Trailblazer award number R21EB032187.Conflict of Interests: The authors declare no conflict of interest.
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