Solving inverse problems in cardiovascular modeling is particularly challenging due to the high computational cost of running high-fidelity simulations. In this work, we focus on Bayesian parameter estimation and explore different methods to reduce the computational cost of sampling from the posterior distribution by leveraging low-fidelity approximations. A common approach is to construct a surrogate model for the high-fidelity simulation itself. Another is to build a surrogate for the discrepancy between high- and low-fidelity models. This discrepancy, which is often easier to approximate, is modeled with either a fully connected neural network or a nonlinear dimensionality reduction technique that enables surrogate construction in a lower-dimensional space. A third possible approach is to treat the discrepancy between the high-fidelity and surrogate models as random noise and estimate its distribution using normalizing flows. This allows us to incorporate the approximation error into the Bayesian inverse problem by modifying the likelihood function. We validate five different methods which are variations of the above on analytical test cases by comparing them to posterior distributions derived solely from high-fidelity models, assessing both accuracy and computational cost. Finally, we demonstrate our approaches on two cardiovascular examples of increasing complexity: a lumped-parameter Windkessel model and a patient-specific three-dimensional anatomy.


翻译:心血管建模中的逆问题求解因高保真模拟的高计算成本而尤为困难。本研究聚焦于贝叶斯参数估计,探索利用低保真近似降低后验分布采样计算成本的不同方法。常见方法是为高保真模拟本身构建代理模型;另一种是为高-低保真模型间的差异构建代理。这种通常更易近似的差异,可采用全连接神经网络或非线性降维技术建模,后者能在低维空间实现代理构建。第三种可能方法是将高保真模型与代理模型间的差异视为随机噪声,并利用标准化流估计其分布,通过修正似然函数将近似误差纳入贝叶斯逆问题。我们在解析测试案例中验证了基于上述思路的五种变体方法,通过对比仅基于高保真模型得到的后验分布,评估了其精度与计算成本。最后,我们在两个复杂度递增的心血管案例中展示了这些方法:集总参数Windkessel模型和患者特异性三维解剖结构。

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