Using machine learning to characterize heart failure across the scales

心力衰竭 推论 人工智能 贝叶斯推理 计算机科学 机器学习 高斯过程 克里金 心肌细胞 贝叶斯概率 高斯分布 心脏病学 医学 物理 量子力学
作者
Mathias Peirlinck,Francisco Sahli Costabal,Kenneth E. Sack,Jenny S. Choy,Ghassan S. Kassab,Julius M. Guccione,Matthieu De Beule,Patrick Segers,Ellen Kuhl
出处
期刊:Biomechanics and Modeling in Mechanobiology [Springer Nature]
卷期号:18 (6): 1987-2001 被引量:61
标识
DOI:10.1007/s10237-019-01190-w
摘要

Heart failure is a progressive chronic condition in which the heart undergoes detrimental changes in structure and function across multiple scales in time and space. Multiscale models of cardiac growth can provide a patient-specific window into the progression of heart failure and guide personalized treatment planning. Yet, the predictive potential of cardiac growth models remains poorly understood. Here, we quantify predictive power of a stretch-driven growth model using a chronic porcine heart failure model, subject-specific multiscale simulation, and machine learning techniques. We combine hierarchical modeling, Bayesian inference, and Gaussian process regression to quantify the uncertainty of our experimental measurements during an 8-week long study of volume overload in six pigs. We then propagate the experimental uncertainties from the organ scale through our computational growth model and quantify the agreement between experimentally measured and computationally predicted alterations on the cellular scale. Our study suggests that stretch is the major stimulus for myocyte lengthening and demonstrates that a stretch-driven growth model alone can explain [Formula: see text] of the observed changes in myocyte morphology. We anticipate that our approach will allow us to design, calibrate, and validate a new generation of multiscale cardiac growth models to explore the interplay of various subcellular-, cellular-, and organ-level contributors to heart failure. Using machine learning in heart failure research has the potential to combine information from different sources, subjects, and scales to provide a more holistic picture of the failing heart and point toward new treatment strategies.
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