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Physics-informed neural networks for transcranial ultrasound wave propagation

离散化 人工神经网络 计算机科学 波动方程 一般化 经颅多普勒 功能(生物学) 人工智能 应用数学 算法 数学分析 数学 生物 医学 进化生物学 内科学
作者
Linfeng Wang,Hao Wang,Lin Liang,Jian Li,Zhoumo Zeng,Yang Liu
出处
期刊:Ultrasonics [Elsevier BV]
卷期号:132: 107026-107026 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.ultras.2023.107026
摘要

Transcranial ultrasound imaging has been playing an increasingly important role in the non-invasive treatment of brain disorders. However, the conventional mesh-based numerical wave solvers, which are an integral part of imaging algorithms, suffer from limitations such as high computational cost and discretization error in predicting the wavefield passing through the skull. In this paper, we explore the use of physics-informed neural networks (PINNs) for predicting the transcranial ultrasound wave propagation. The wave equation, two sets of time snapshots data and a boundary condition (BC) are embedded as physical constraints in the loss function during training. The proposed approach has been validated by solving the two-dimensional (2D) acoustic wave equation under three increasingly complex spatially varying velocity models. Our cases demonstrate that due to the meshless nature of PINNs, they can be flexibly applied to different wave equations and types of BCs. By adding physics constraints to the loss function, PINNs can predict wavefields far outside the training data, providing ideas for improving the generalization capability of existing deep learning methods. The proposed approach offers exciting perspectives because of the powerful framework and simple implementation. We conclude with a summary of the strengths, limitations and further research directions of this work.
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