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Enregistrement W4392078868 · doi:10.1016/j.cmpb.2024.108081

Performance of Fourier-based activation function in physics-informed neural networks for patient-specific cardiovascular flows

2024· article· en· W4392078868 sur OpenAlexafffund
A. Aghaee, Muhammad Owais Khan

Notice bibliographique

RevueComputer Methods and Programs in Biomedicine · 2024
Typearticle
Langueen
DomainePhysics and Astronomy
ThématiqueModel Reduction and Neural Networks
Établissements canadiensUniversity of TorontoToronto Metropolitan University
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of Canada
Mots-clésArtificial neural networkFourier transformFourier analysisComputer scienceFunction (biology)Partial differential equationSpectral methodArtificial intelligenceStatistical physicsPhysicsMathematicsBiologyMathematical analysis

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

BACKGROUND AND OBJECTIVES: Physics-informed neural networks (PINNs) can be used to inversely model complex physical systems by encoding the governing partial differential equations and training data into the neural network. However, neural networks are known to be biased towards learning less complex functions, called spectral bias. This has important implications in modeling cardiovascular flows, where spatial frequencies can vary substantially across anatomies and pathologies (e.g., aneurysms or stenoses). Recent evidence suggests that Fourier-based activation functions have desirable properties, and can potentially reduce spectral bias; however, the performance and adequacy of such Fourier activation functions have not yet been evaluated in patient-specific cardiovascular flow applications. METHODS: The performance of sine activation function was evaluated against tanh and swish activation functions in a 1D advection-diffusion problem, an eccentric 2D stenosis model (Re=5000), and a patient-specific 3D aortic model (Re=823) under pulsatile flow conditions. CFD simulations were performed at high spatio-temporal resolution and data points were extracted for training the neural network. The number of training data points were normalized by L/D. The performance of the PINNs framework was evaluated with increasing number of training data points and across all three activation functions. RESULTS: Our results demonstrate that sine activation function presents desirable characteristics, such as monotonic reduction in errors, relatively faster convergence, and accurate eigen spectra at higher modes, compared to tanh and swish activation functions. Interestingly, for all activation functions, the domain-averaged errors tended to asymptote at ≈15-20% despite substantial increase in training point density. For 2D eccentric stenosis, errors asymptoted at a sensor point density of 40L/D. For 3D patient-specific aorta, this asymptote was achieved at 180L/D for all three activation functions with an error of ≈15% although sine activation function demonstrated relatively faster convergence. CONCLUSIONS: We have demonstrated that Fourier-based activation functions have higher performance in terms of accuracy and convergence properties for cardiovascular flow applications; however, inherent challenges of neural networks (e.g., spectral bias) can limit the accuracy to ≈15% under physiological, 3D patient-specific blood flow conditions.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,002
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,005
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,006
Score d'incertitude au seuil0,012

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0020,005
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0000,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,044
Tête enseignante GPT0,307
Écart entre enseignants0,264 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations14
Publié2024
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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