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Type: Dissertação
Title: Modelagem da resposta imunológica com aprendizado de máquina: validação e analise de custo computacional de PINNs frente a redes neurais e volumes finitos
Author: Fernandes, Thiago Esterci
First Advisor: Lobosco, Marcelo
Co-Advisor: Santos, Rodrigo Weber dos
Referee Member: Fonseca, Leonardo Goliatt da
Referee Member: Vieira, Vinícius da Fonseca
Resumo: A miocardite infecciosa é uma inamação do músculo cardíaco frequentemente associada à formação de edema miocárdico, podendo resultar em arritmias, insuciŸncia cardíaca e morte súbita. Dados epidemiológicos apontam um aumento de 62,2% na incidŸncia global da doença trŸs décadas passadas, totalizando 324.490 óbitos em 2019. Apesar do avanço no entendimento dos mecanismos siopatológicos envolvidos, persistem desaos relacionados à modelagem eciente da resposta imunológica frente à infecção. Este trabalho tem como objetivo central investigar estratégias para acelerar a simulação da resposta imunológica frente à infecção por meio do uso de redes neurais profundas. Para isso, propõe-se uma análise comparativa entre Redes Neurais Informadas por Física (PINNs) e Redes Neurais convencionais (NNs) na tarefa de modelar a dinâmica espaço-temporal das concentrações de patógenos e leucócitos no tecido miocárdico. Utilizase um modelo baseado em equações diferenciais parciais (EDPs), validado previamente na literatura, que descreve os processos de difusão, quimiotaxia, replicação patogŸnica e recrutamento leucocitário em um meio poroso saturado. Vericou-se que as PINNs demonstram tendŸncia à suavização excessiva e perda de precisão local em regiões com gradientes acentuados. Já as NNs mostraram excelente capacidade de representar fenômenos localizados e estruturas estacionárias, desde que houvesse densidade amostral adequada. Em termos de desempenho, ambas as abordagens superaram signicativamente o Método dos Volumes Finitos (MVF) mesmo em sua versão paralelizada em GPU via CUDA, que apresentou uma aceleração média de 483 vezes. As redes neurais alcançaram aceleração computacional média de 6,66 vezes em relação ao MVF em sua versão GPU, resultado atribuído à possibilidade de avaliação totalmente paralela do domínio espaço-temporal, sem dependŸncia sequencial entre os passos de tempo. Em um contexto caracterizado por soluções com variações abruptas, cobertura espacial uniforme e dados sintéticos, conclui-se que as redes neurais clássicas apresentaram desempenho superior, conciliando delidade à solução de referŸncia e eciŸncia computacional. Por outro lado, as PINNs mostraram-se mais robustas à escassez de dados, o que reforça seu potencial para aplicações em contextos com menor disponibilidade de dados.
Abstract: Infectious myocarditis is an inammation of the cardiac muscle often associated with the development of myocardial edema, potentially leading to arrhythmias, heart failure, and sudden death. Epidemiological data indicate a 62.2% increase in the global incidence of the disease over the past three decades, culminating in 324,490 deaths in 2019. Despite advances in understanding the underlying pathophysiological mechanisms, challenges persist in eciently modeling the immune response to infection. This study focuses on evaluating deep neural networks as accelerated surrogates for the simulation of the immune response. To this end, a comparative analysis is proposed between Physics-Informed Neural Networks (PINNs) and conventional Neural Networks (NNs) for modeling the spatio-temporal dynamics of pathogen and leukocyte concentrations in myocardial tissue. A model based on partial dierential equations (PDEs), previously validated in the literature, is employed to describe the processes of diusion, chemotaxis, pathogen replication, and leukocyte recruitment in a saturated porous medium. PINNs tended to smooth the solution excessively, resulting in reduced local accuracy in regions with sharp gradients. In contrast, NNs demonstrated excellent capability in capturing localized phenomena and stationary structures, provided that an adequate sampling density was available. In terms of performance, both neural network approaches signicantly outperformed the Finite Volume Method (FVM), even in its GPU-parallelized version using CUDA, which achieved an average acceleration of 483 times. The neural networks reached an average computational acceleration of 6,66 times when compared to the GPU Version of FVM, a result attributed to their ability to evaluate the entire spatiotemporal domain in parallel, without the sequential dependency between time steps required by traditional solvers. In a context characterized by smooth solutions, uniform spatial coverage, and synthetic data, conventional neural networks demonstrated superior performance, striking a balance between delity to the reference solution and computational eciency. On the other hand, PINNs proved to be more robust in the face of data scarcity, thereby reinforcing their potential for applications in contexts with limited data availability, such as myocardial edema.
Keywords: Imunologia computacional
Redes neurais informadas por física
Modelagem computacional
Miocardite infecciosa
Edema miocárdico
Computational immunology
Physics-informed neural networks
Computational modeling
Infectious myocarditis
Myocardial edema
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-ShareAlike 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/19599
Issue Date: 8-Aug-2025
Appears in Collections:Mestrado em Modelagem Computacional (Dissertações)



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