Parameter estimation and uncertainty quantification are crucial in computational cardiology, as they enable the construction of digital twins that faithfully replicate the behavior of physical patients. Robust and efficient mathematical methods must be designed to fit many model parameters starting from a few, possibly non-invasive, noisy observations. Moreover, the effective clinical translation requires short execution times and a small amount of computational resources. In the framework of Bayesian statistics, we combine Maximum a Posteriori estimation and Hamiltonian Monte Carlo to find an approximation of model parameters and their posterior distributions. To reduce the computational effort, we employ an accurate Artificial Neural Network surrogate of 3D cardiac electromechanics model coupled with a 0D cardiocirculatory model. Fast simulations and minimal memory requirements are achieved by using matrix-free methods, automatic differentiation and automatic vectorization. Furthermore, we account for the surrogate modeling error and measurement error. We perform three different in silico test cases, ranging from the ventricular function to the entire cardiovascular system, involving whole-heart mechanics, arterial and venous circulation. The proposed method is robust when high levels of signal-to-noise ratio are present in the quantities of interest in combination with a random initialization of the model parameters in suitable intervals. As a matter of fact, by employing a single central processing unit on a standard laptop and a few hours of computations, we attain small relative errors for all model parameters and we estimate posterior distributions that contain the true values inside the 90% credibility regions. With these benefits, our approach meets the requirements for clinical exploitation, while being compliant with Green Computing practices.


翻译:参数估算和不确定性量化对于计算心脏病学至关重要,因为它们能够使数字双胞胎的构造忠实地复制物理病人的行为。必须设计强有力的高效数学方法,以适应从少数、可能是非侵入性的、吵闹的观测开始的许多模型参数。此外,有效的临床翻译需要较短的执行时间和少量的计算资源。此外,在巴伊西亚统计的框架内,我们结合了最高假设估计和汉密尔顿·蒙特卡洛,以找到模型参数及其外表分布的近似值。为了减少计算努力,我们采用了精确的人工神经网络替代值3D心脏内部电动机械模型,加上0D型心电动真实循环模型。快速模拟和最小的记忆要求需要通过使用无矩阵方法、自动区分和自动传记资源来实现。此外,我们考虑到超导模型错误和测量错误。我们从心血管功能到整个心血管系统,我们采用了精确的心电图、动和造型神经网络替代值网络替代值,同时使用0D的心电动真实循环模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型。在核心处理中,在使用高水平的汇率计算方法是稳性,同时,在高利率时,在核心处理中,一种随机计算中,一种随机计算中,一种随机计算中,一种随机的计算方法是稳定值,在高的计算中,在高的模型处理中,一种智能的计算中,在高的计算中,一种随机的计算中,一种随机的计算,一种方法是固定的计算,一种方法,在高的计算,一种方法以高的计算,一种方法是固定的计算,在高压的计算方法以高的计算,在高的计算中,一种方法是固定的计算中,一种方法以高的基数,一种方法以高的计算。

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