电波之梦：使用扩散模型的心脏电兴奋波生成式建模
医学物理
2024-10-07 v2 计算机视觉与模式识别
图像与视频处理
生物物理
组织与器官
摘要
在危及生命的心律失常（如心房或心室颤动）期间，心脏中的电波形成旋转的螺旋波或卷曲波。该波动力学通常使用耦合偏微分方程来建模，描述可激发介质中的反应-扩散动力学。最近，数据驱动的生成式建模已成为在物理和生物系统中生成了时空模式的替代方法。在此，我们探索了去噪扩散概率模型，用于心肌组织中电波模式的生成式建模。我们用模拟的电波模式训练扩散模型，使其能够在无条件生成和条件生成任务中生成此类波模式。例如，我们探索了基于扩散的螺旋波动力的 i) 特定参数生成、ii) 演化与 iii) 图像修复，包括从表面二维测量重建三维卷曲波动力。此外，我们生成了任意形状的双心室几何结构，并使用扩散同时在这些几何结构内部启动卷曲波模式。我们将扩散生成的解与使用相应生物物理模型获得的解进行了表征与比较，发现扩散模型学会了如此完美地复制螺旋波和卷曲波动力学，以至于它们可用于心肌组织兴奋波的数据驱动建模。例如，扩散生成的螺旋波动力集合表现出与使用生物物理模型模拟的相应集合相似的自终止统计特性。然而，我们也发现扩散模型在缺乏训练数据时（例如在自终止期间）会产生伪影，并在约束不足时“幻觉”出波模式。
引用
@article{arxiv.2312.14830,
title = {Dreaming of Electrical Waves: Generative Modeling of Cardiac Excitation Waves using Diffusion Models},
author = {Tanish Baranwal and Jan Lebert and Jan Christoph},
journal= {arXiv preprint arXiv:2312.14830},
year = {2024}
}