Gaussian process modeling with applications to tumor growth

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, João Vitor de Oliveira
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do LNCC
Texto Completo: https://tede.lncc.br/handle/tede/339
Resumo: Abstract Mechanistic models have been used widely as important tools for understanding and development in many areas of science and engineering. In particular, tumor growth models have provided a better understanding of how the disease evolves and helped in the development of therapies. This process incurs in the solution of an inverse problem. There are several methods dedicated to solving such problems, one of these is Bayesian inference. The difficulty of performing Bayesian inference or other methods is that, in general, they require repeated model evaluation. This may be computationally prohibitive for complex models, specially multiscale models. There are approximate Bayesian inference techniques, which reduce the overall computational time, although these may still be infeasible if the model is expensive to be evaluated. In order to alleviate the difficulty in this procedure, we propose the use of a surrogate (or metamodel). Our surrogate model is a Gaussian Process, a data-driven model recently used in machine learning and metamodeling context. This work reviews theoretical and practical aspects of Gaussian processes (GP) in a regression problem, discussing how to construct an adequate GP for a particular problem, covering recent developments in this area. We then define a GP surrogate model and combine it with an Approximate Bayesian Computation Markov-Chain Monte Carlo method, the ABC-MCMC method, for solving the inverse problem. We compare the standard and proposed approaches in two tumor growth models. Our results suggest that the proposed strategy is promising in terms of reducing the computational cost.
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There are approximate Bayesian inference techniques, which reduce the overall computational time, although these may still be infeasible if the model is expensive to be evaluated. In order to alleviate the difficulty in this procedure, we propose the use of a surrogate (or metamodel). Our surrogate model is a Gaussian Process, a data-driven model recently used in machine learning and metamodeling context. This work reviews theoretical and practical aspects of Gaussian processes (GP) in a regression problem, discussing how to construct an adequate GP for a particular problem, covering recent developments in this area. We then define a GP surrogate model and combine it with an Approximate Bayesian Computation Markov-Chain Monte Carlo method, the ABC-MCMC method, for solving the inverse problem. We compare the standard and proposed approaches in two tumor growth models. Our results suggest that the proposed strategy is promising in terms of reducing the computational cost.Modelos mecanicistas têm sido largamente usados como importantes ferramentas para o entendimento e desenvolvimento em muitas áreas da ciência e engenharia. Em particular, modelos do crescimento tumoral têm provido um melhor entendimento sobre como a doença evolui e ajudado no desenvolvimento de terapias. Para uso prático, é fundamental que os paramêtros dos modelos possam ser estimados a partir dos dados experimentais disponíveis. Esse processo acarreta a solução de um problema inverso. Existem diversos métodos dedicados a solução destes problemas, um deles sendo a inferência Bayesiana. A dificuldade de realizar inferência Bayesiana ou outros métodos é que, em geral, estes exigem repetidas execuções do modelo. Isso pode ser computacionalmente proibitivo para modelos complexos, especialmente modelos multiescala. Existem técnicas de inferência Bayesiana aproximada que reduzem o tempo computacional geral, embora ainda possam ser inviáveis se o modelo for caro para ser avaliado. Para amenizar a dificuldade desse procedimento, propomos o uso de um substituto (ou metamodelo). Nosso modelo substituto é um Processo Gaussiano, que é um modelo baseado em dados recentemente usado em aprendizado de máquina e no contexto de metamodelagem. Este trabalho revisa aspectos teóricos e práticos dos processos Gaussianos (GP) em um problema de regressão, discutindo como construir um GP adequado para um problema específico, cobrindo desenvolvimentos recentes nesta área. Em seguida, definimos um modelo GP substituto e o combinamos com um procedimento de computação Bayesiana aproximada usando o método de Markov-Chain Monte Carlo, o método ABC-MCMC, para resolver o problema inverso. Comparamos as abordagens padrão e proposta em dois modelos de crescimento tumoral. Os resultados sugerem que a estratégia proposta é promissora em termos de redução do custo computacional.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoLaboratório Nacional de Computação CientíficaCoordenação de Pós-Graduação e Aperfeiçoamento (COPGA)BrasilLNCCPrograma de Pós-Graduação em Modelagem ComputacionalAlmeida, Regina Célia Cerqueira deSilva, Renato SimõesGomes, Antônio Tadeu AzevedoBlanco, Pablo JavierCoutinho, Alvaro Luiz Gayoso de AzeredoOrlande, Helcio RangelSilva, João Vitor de Oliveira2023-03-29T17:57:50Z2021-08-05info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfSILVA, J. V. O. Gaussian process modeling with applications to tumor growth. 2021. 108 f. 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