In recent years, a plethora of methods combining deep neural networks and partial differential equations have been developed. A widely known and popular example are physics-informed neural networks. They solve forward and inverse problems involving partial differential equations in terms of a neural network training problem. We apply physics-informed neural networks as well as the finite element method to estimate the diffusion coefficient governing the long term, i.e. over days, spread of molecules in the human brain from a novel magnetic resonance imaging technique. Synthetic testcases are created to demonstrate that the standard formulation of the physics-informed neural network faces challenges with noisy measurements in our application. Our numerical results demonstrate that the residual of the partial differential equation after training needs to be small in order to obtain accurate recovery of the diffusion coefficient. To achieve this, we apply several strategies such as tuning the weights and the norms used in the loss function as well as residual based adaptive refinement and exchange of residual training points. We find that the diffusion coefficient estimated with PINNs from magnetic resonance images becomes consistent with results from a finite element based approach when the residuum after training becomes small. The observations presented in this work are an important first step towards solving inverse problems on observations from large cohorts of patients in a semi-automated fashion with physics-informed neural networks.


翻译:近些年来,已经开发了将深神经网络和部分差异方程式相结合的众多方法。一个广为人知和受欢迎的例子是物理知情神经网络。它们解决了前方和反向问题,涉及神经网络培训问题方面的部分差异方程式。我们应用物理知情神经网络以及有限元素方法来估计长期的传播系数,即:几天后,分子在人类大脑中从新型磁共振成像技术中扩散;创建合成试验箱,以表明物理学知情神经网络的标准配方在应用中的测量时会遇到噪音的挑战。我们的数字结果显示,培训后部分差异方程式的剩余部分差异方程式需要很小才能准确恢复扩散系数。为了实现这一目标,我们采用了几种战略,例如调整损失功能中所使用的重量和规范,以及基于残留的适应性改进和交换残余培训点。我们发现,磁共振动图像估计的传播系数与在应用时基于有限要素的测量方法的结果是一致的,因为我们应用的测量方法,在我们的应用中,以噪声测量方法,在培训后,先是先步步式观测后,再进行大规模研究,然后进行这种观测,然后是研究。

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