Simulation of Temperature Distribution During HIFU Therapy Using Physics Based Deep Learning Method

离散化 偏微分方程 有限元法 人工神经网络 有限差分法 非线性系统 计算机科学 深度学习 有限差分 应用数学 算法 人工智能 数学分析 数学 物理 量子力学 热力学
作者
Yuzhang Wang,Mohamed Almekkawy
标识
DOI:10.1109/laus53676.2021.9639152
摘要

Deep learning techniques has been employed recently to solve Partial Differential Equations (PDEs). A current approach known as Physics-Informed Neural Network (PINN), has evolved as a remarkable method to implement deep learning with the corresponding physics laws in the form of given linear or nonlinear PDEs. PDEs were commonly solved by using classical numerical methods like Finite Element Method or Finite Difference Method (FDM). However, it requires huge computational resources due to data set requirements, multiple dimensions or discretization. The solution of solving PDEs using PINN utilizes a mesh-free domain while still maintains high accuracy compared to conventional numerical methods. Comparing to FDM, PINN runs in less execution time with the same features and constraints. In addition, using PINN to estimate the solutions of PDEs can significantly reduce the tremendous discretized elements needed. In this paper, a PINN architecture is proposed, which employs the Bioheat Transfer Equation (BHTE) into a neural network to predict the temperature rise in a heterogeneous tissue. The thermal model simulates the heat conduction generated from the wave propagating from High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) transducer.
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