Modeling of brain tumor dynamics has the potential to advance therapeutic planning. Current modeling approaches resort to numerical solvers that simulate the tumor progression according to a given differential equation. Using highly-efficient numerical solvers, a single forward simulation takes up to a few minutes of compute. At the same time, clinical applications of the tumor modeling often imply solving an inverse problem, requiring up to tens of thousands forward model evaluations when used for a Bayesian model personalization via sampling. This results in a total inference time prohibitively expensive for clinical translation. Moreover, while recent data-driven approaches become capable of emulating physics simulation, they tend to fail in generalizing over the variability of the boundary conditions imposed by the patient-specific anatomy. In this paper, we propose a learnable surrogate with anatomy encoder for simulating tumor growth which maps the biophysical model parameters directly to simulation outputs, i.e. the local tumor cell densities. We test the surrogate on Bayesian tumor model personalization for a cohort of glioma patients. Bayesian inference using the proposed neural surrogate yields estimates analogous to those obtained by solving the forward model with a regular numerical solver. The near real-time computation cost renders the proposed method suitable for clinical settings. The code is available at https://github.com/IvanEz/tumor-surrogate.


翻译:脑肿瘤动态的模型化具有推动治疗规划的潜力。目前的模型化方法采用根据特定差异方程式模拟肿瘤进展的数字解析器。使用高效的数字解析器,单向前模拟需要数分钟的计算。同时,肿瘤模型的临床应用往往意味着解决反的问题,在用于贝叶斯模型时,需要数万个前期模型评估,通过取样直接用于模拟结果,即当地肿瘤细胞密度。这导致临床翻译的推导时间太贵,临床翻译费用太高。此外,虽然最近的数据驱动方法能够模拟物理模拟,但它们往往无法对特定患者解剖学所强加的边界条件的变异性进行概括化。在本文中,我们建议用解剖学编码模型来模拟肿瘤生长的可学习的替代器。我们测试Bayesian肿瘤模型个人化的代谢器,对于一组滑动病人来说费用太高。使用提议的神经基质模型的推推导法,在接近神经基化的临床模型化模型下,可以将实时的模型化为实时的模型。

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