Development of AI/ML-ready shared repository for parametric multiphysics modeling datasets: standardization for predictive modeling of selective brain cooling after traumatic injury

开发用于参数多物理场建模数据集的 AI/ML 就绪共享存储库:创伤后选择性脑冷却预测模型的标准化

基本信息

  • 批准号:
    10842926
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 30.34万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-09-01 至 2024-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

ABSTRACT By rapidly and selectively cooling injured brain tissue, we can dramatically mitigate the long-term effect of trauma to the head. As part of the NIH-funded R21, we are developing a stylet that could be easily inserted in commonly used extra ventricular catheters to add cooling to intracranial pressure control. As we are developing the device, we also realize the need for using AI/ML algorithm for optimizing design of the device and treatment planning. Unfortunately all the commercially available software that run multiphisic numerical simulation produce data that is not ready for processing by artificial intelligence and machine learning (AI/ML) technologies. Although AI/ML are data-driven technologies could potentially revolutionize biomedical research, most research data is not readily useable by AI/ML applications. In particular, there is the widespread and urgent need to make AI-ML ready the large parametric datasets generated by multiphysics numerical simulations. This supplemental project aim to address that issue and create a framework template for other clinical/basic research groups to make AI/ML ready data from complex predictive multiphysics modeling to enhance significantly their optimization and prediction capabilities. These simulations can rapidly and accurately predict the behavior of complex biomedical devices in phantom, preclinical and clinical settings. Parametric predictive multiphysics modeling (PPMM) allows researchers/clinicians/patients to study the effects of potential variations in manufacturing, treatment parameters, anatomical features and physiological responses on treatment procedures. These sensitivity studies produce significantly large datasets that could be rapidly process by AI/ML algorithms to optimize clinical procedures. As part of a recently awarded R21 grant, we are developing a new device that can rapidly and selectively cool the cerebral tissue of traumatic brain injury patients. Rapid selective brain cooling could dramatically improve patient outcomes by minimizing secondary injuries. PPMM using commercially-available software (Comsol, Ansys, Matlab, CST and others) is used both at the design stage and during the treatment planning phase. However, the significant amount of PPMM data is not ready for AI/ML processing since each 4D database lack of reference to the original set of parameter (i.e. tissue properties, perfusion rate, type and location of injury…). We thus plan, within the proposed supplemental research, to address these specific aims: 1) Develop and disseminate an AI/ML-Ready PPMM dataset 2) Demonstrate the Usability of the AI/ML-Ready PPMM dataset in an AI/ML application (optimization of treatment planning) 3) Demonstrate the usability of the AI/ML-ready PPMM dataset with student engagement activities. Although the research will be focused on brain cooling PPMM, the approach will be easily expandable to other PPMM such as cancer thermal ablation, brain temperature monitoring of hypothermic cardiac surgeries and early detection of aggressive breast cancer. The proposed research will pave the way to the full potential of AI/ML technologies in tandem with multiphysics simulations for the benefit of traumatic brain injury patients.
抽象的 通过快速、选择性地冷却受伤的脑组织,我们可以显着减轻创伤的长期影响 作为 NIH 资助的 R21 的一部分,我们正在开发一种可以轻松插入常见部位的管心针。 在我们开发该设备时,使用了脑室外导管来增加颅内压控制的冷却效果。 我们还意识到需要使用 AI/ML 算法来优化设备设计和治疗计划。 不幸的是,所有运行多相数值模拟的商用软件都会产生以下数据: 尽管 AI/ML 技术尚未准备好进行人工智能和机器学习 (AI/ML) 处理。 数据驱动的技术是否有可能彻底改变生物医学研究,但大多数研究数据并没有 特别是,AI-ML 的需求非常广泛且迫切。 准备好由多物理场数值模拟生成的大型参数数据集。 该补充项目旨在解决该问题并为其他临床/基础创建框架模板 研究小组从复杂的预测多物理场建模中获取人工智能/机器学习数据,以增强 这些模拟可以快速准确地预测。 复杂生物医学设备在模型、临床前和临床环境中的行为。 多物理场建模 (PPMM) 允许研究人员/临床医生/患者研究潜在变化的影响 制造、治疗参数、解剖特征和治疗的生理反应 这些敏感性研究产生了非常大的数据集,可以通过人工智能/机器学习快速处理。 作为最近授予的 R21 资助的一部分,我们正在开发一种新的算法来优化临床程序。 能够快速、选择性地冷却脑外伤患者脑组织的装置。 大脑冷却可以通过最大限度地减少伤害来显着改善患者的治疗效果。 PPMM 使用商用软件(Comsol、Ansys、Matlab、CST 等) 然而,大量的 PPMM 数据却并非如此。 为 AI/ML 处理做好准备,因为每个 4D 数据库都缺乏对原始参数集(即组织 因此,我们在提议的补充范围内进行计划。 研究,以实现这些具体目标:1) 开发和传播 AI/ML-Ready PPMM 数据集 2) 展示 AI/ML-Ready PPMM 数据集在 AI/ML 应用程序中的可用性(优化治疗) 3) 通过学生参与活动展示支持 AI/ML 的 PPMM 数据集的可用性。 尽管该研究将重点关注大脑冷却 PPMM,但该方法可以轻松扩展到其他方法 PPMM,例如癌症热消融、低温心脏手术和早期脑温度监测 拟议的研究将为 AI/ML 的全部潜力铺平道路。 技术与多物理场模拟相结合,造福于脑外伤患者。

项目成果

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