隆德大学开发了一种人工神经网络用于匹配心脏移植供体与受者

挑战

通过识别最佳接收者和捐助者匹配来改善心脏移植接受者的长期存活率

解决方案

使用MathWorks工具开发一个预测性人工神经网络模型,并在一个56个处理器的计算集群上模拟数千个风险配置组合

结果

  • 预期的五年生存率提高了10%
  • 网络培训时间减少了三分之二以上
  • 模拟时间从几周缩短到几天

“我花了很多时间在诊所,没有时间或技术专业知识学习,配置和维护软件。Matlab让像我这样的医生来完成工作并产生有意义的结果。“

约翰·尼尔森博士,Skåne大学医院,隆德大学

心脏移植受体的存活取决于数十种变量,包括供体和接受者的重量,性别,年龄和血型,以及在没有血液对器官的血液流动时移植过程中的缺血时间或时间。

为了更好地了解移植危险因素和改善患者预后,瑞典隆德大学和Skåne大学医院的研究人员使用人工神经网络(ANNs)来探索多个变量之间的复杂非线性关系。人工神经网络模型使用来自两个全球数据库的供体和受体数据进行训练:国际心肺移植协会(ISHLT)注册和北欧胸器官移植数据库(NTTD)。Lund的研究人员使用MATLAB加速了他们的人工神经网络的训练和仿真®,深度学习工具箱™和Mathworks并行计算产品。下载188bet金宝搏

隆德大学心胸外科副教授Johan Nilsson博士说:“我们使用的许多技术都是计算机密集型的,而且很耗时。”“我们使用MATLAB并行服务器的并行计算工具箱在一个56个处理器集群上分发工作。这使我们能够使用MATLAB和深度学习工具箱快速识别最佳神经网络配置,使用移植数据库中的数据训练网络,然后运行模拟来分析风险因素和存活率。”

挑战

了解各种风险因素如何影响生存率涉及数十万个计算和数据密集型操作 - 例如,该团队必须测试数百个ANN配置以识别最好的配置。对六个变量的分析需要模拟30,000种不同的组合。使用开源软件包模拟50,000名患者的所有这些组合。

Nilsson和他的同事们也遇到了他们使用的软件的可靠性问题。“该软件不稳定,在长期多次模拟期间导致崩溃,”尼尔斯森解释道。“此外,它产生的一些结果并不是正确的。当我们发布我们的调查结果时,我们需要非常确定我们可以信任结果。“

解决方案

为了解决速度和可靠性挑战,隆德大学研究人员使用Matlab和深度学习工具箱开发了他们的初始Ann模型。要查找最佳网络配置,它们将写入MATLAB脚本,可在网络中使用的隐藏节点的数量进行重量衰减(或正则化)值。

该团队使用并行计算工具箱™和MATLAB并行服务器™来加速模拟200多个ANN配置。然后,他们评估结果,以找到最佳的性能配置。

在使用数据库中使用捐赠者和收件人信息培训ANN后,他们通过模拟培训集中省略的10,000名患者的结果来验证模型的准确性。然后他们将结果与实际存活率进行比较。

在下一阶段,研究小组进行了数千次模拟,对研究中考虑的预测长期生存的57个风险因素进行排名。

使用Monte Carlo模拟的结果对计算机集群和模拟退火技术,研究人员确定了任何特定接受者的最佳和最糟糕的捐赠者。

作为最后一步,该团队开发了一个自动化流程,对等待受赠人名单进行排序,以确定潜在捐赠者的最佳候选人。

在该项目的下一个主要阶段,隆德大学的研究人员正在使用人工神经网络来调查人类白细胞抗原(HLA)基因图谱的使用,以匹配捐献者和接受者。

结果

  • 预期的五年生存率提高了10%.尼尔森说:“在一项模拟随机试验中,初步结果显示,我们使用MATLAB和深度学习工具箱开发的神经网络模型移植的患者比使用传统选择标准考虑的多约20%。”“ann选择的患者的5年预期生存率比那些符合今天医生使用的标准的患者高5-10%。”1,2

  • 网络培训时间减少了三分之二以上.尼尔森说:“使用深度学习工具箱和MATLAB,我们花了5到10分钟来训练我们的人工神经网络。“使用开源软件进行的培训需要30到60分钟。这是一个很大的不同,因为我们培训和评估了数百种网络配置。”

  • 模拟时间从几周缩短到几天.尼尔森说:“当我们切换到MATLAB和MathWorks并行计算技术时,我们通常在5天内完成3到4周的实验。”“更重要的是,模拟完成得很可靠,没有发生碰撞。”

1尼尔森,J., Ohlsson, M., Höglund, P., Ekmehag, B., Koul, B., and anderson, B.(2015)。”国际心脏移植存活算法(IHTSA):一种提高器官共享和存活的新模型.”《公共科学图书馆·综合》。10(3),E0118644。DOI:10.1371 / journal.pone.0118644

2Ansari,D.,Anderson,B.,Ohlsson,M.,Högöglund,P.,Andersson,R.和Nilsson,J.(2013)。”Codusa - 使用心脏移植中的模拟退火定制最佳供体.”科学报告,3, 1922。doi: 10.1038 / srep01922

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