Physics-informed neural entangled-ladder network for inhalation impedance of the respiratory system

呼吸 电阻抗 人工神经网络 呼吸系统 阻抗参数 物理 模拟 计算机科学 控制理论(社会学) 生物医学工程 医学 人工智能 麻醉 内科学 量子力学 控制(管理)
作者
Amit Kumar,Snigdha Jain,Shirin Jain,M. Ritam,Yuanqing Xia,Rohitash Chandra
出处
期刊:Computer Methods and Programs in Biomedicine [Elsevier BV]
卷期号:231: 107421-107421 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.cmpb.2023.107421
摘要

Background and Objectives: The use of machine learning methods for modelling bio-systems is becoming prominent which can further improve bio-medical technologies. Physics-informed neural networks (PINNs) can embed the knowledge of physical laws that govern a system during the model training process. PINNs utilise differential equations in the model which traditionally used numerical methods that are computationally complex. Methods: We integrate PINNs with an entangled ladder network for modelling respiratory systems by considering a lungs conduction zone to evaluate the respiratory impedance for different initial conditions. We evaluate the respiratory impedance for the inhalation phase of breathing for a symmetric model of the human lungs using entanglement and continued fractions. Results: We obtain the impedance of the conduction zone of the lungs pulmonary airways using PINNs for nine different combinations of velocity and pressure of inhalation. We compare the results from PINNs with the finite element method using the mean absolute error and root mean square error. The results show that the impedance obtained with PINNs contrasts with the conventional forced oscillation test used for deducing the respiratory impedance. The results show similarity with the impedance plots for different respiratory diseases. Conclusion: We find a decrease in impedance when the velocity of breathing is lowered gradually by 20%. Hence, the methodology can be used to design smart ventilators to the improve flow of breathing.
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