Brain strain and strain rate are effective in predicting traumatic brain injury (TBI) caused by head impacts. However, state-of-the-art finite element modeling (FEM) demands considerable computational time in the computation, limiting its application in real-time TBI risk monitoring. To accelerate, machine learning head models (MLHMs) were developed, and the model accuracy was found to decrease when the training/test datasets were from different head impacts types. However, the size of dataset for specific impact types may not be enough for model training. To address the computational cost of FEM, the limited strain rate prediction, and the generalizability of MLHMs to on-field datasets, we propose data fusion and transfer learning to develop a series of MLHMs to predict the maximum principal strain (MPS) and maximum principal strain rate (MPSR). We trained and tested the MLHMs on 13,623 head impacts from simulations, American football, mixed martial arts, car crash, and compared against the models trained on only simulations or only on-field impacts. The MLHMs developed with transfer learning are significantly more accurate in estimating MPS and MPSR than other models, with a mean absolute error (MAE) smaller than 0.03 in predicting MPS and smaller than 7 (1/s) in predicting MPSR on all impact datasets. The MLHMs can be applied to various head impact types for rapidly and accurately calculating brain strain and strain rate. Besides the clinical applications in real-time brain strain and strain rate monitoring, this model helps researchers estimate the brain strain and strain rate caused by head impacts more efficiently than FEM.


翻译:然而,为了解决FEM的计算成本、有限的紧张率预测以及MLHM的临床应用对实地数据集的可概括性,我们提议进行数据整合和转移学习,以开发一系列MLHM系统来预测最大主要压力(MPS)和最高主要紧张率(MPSR),我们通过模拟、美国足球、混合武术、汽车撞车等方法对MLHM系统进行了13 623头部影响的培训测试,并与仅进行模拟或仅对实地影响的模型进行比较,MLHM系统应用的MLHM系统模型和MMLMMS系统应用的模型比MASR系统预测的绝对比率要精确得多。

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