PhysiCell软件介绍及安装软件介绍PhysiCell是一个开源的多尺度细胞仿真软件基于C开发旨在模拟生物组织中的细胞行为和相互作用。它将单个细胞的生理过程如增殖、代谢、迁移等与宏观组织环境如营养物质扩散、力学作用等结合在一起提供了一个高度可扩展的框架适用于多种生物医学研究领域。PhysiCell的核心是基于多代理系统Multi-Agent System, MAS的思想每个细胞都作为一个独立的代理具有自己的状态和行为通过与环境和其他细胞的相互作用来模拟复杂的生命过程。软件特点高度可扩展性PhysiCell的设计允许用户轻松添加新的细胞类型、行为和环境因素。多尺度建模从细胞层面到组织层面PhysiCell能够模拟多个尺度的生物过程。生物物理建模支持详细的生物物理过程建模如代谢、力学、信号传导等。可视化工具提供强大的可视化工具帮助用户更好地理解仿真结果。高性能计算支持并行计算能够在高性能计算集群上运行大规模仿真。应用领域癌症研究模拟肿瘤生长、浸润和治疗反应。组织工程研究细胞在不同环境中的生长和分化。免疫学模拟免疫细胞与病原体的相互作用。发育生物学研究细胞在组织发育过程中的行为。软件安装系统要求PhysiCell可以在多种操作系统上运行包括Windows、Linux和macOS。以下是安装PhysiCell的基本系统要求操作系统Windows 10/11, Ubuntu 18.04及以上版本, macOS 10.14及以上版本。编译器需要支持C11标准的编译器如GCC 4.8及以上版本、Clang 3.3及以上版本或Visual Studio 2015及以上版本。依赖库PhysiCell依赖于几个开源库如BioFVM用于模拟物质扩散、pugixml用于XML解析、nanoflann用于空间查询等。安装步骤1. 安装依赖库在开始安装PhysiCell之前需要先安装其依赖库。以下是安装这些依赖库的步骤Ubuntu# 更新软件包列表sudoapt-getupdate# 安装必要的依赖库sudoapt-getinstallbuild-essentialsudoapt-getinstallcmakesudoapt-getinstalllibxml2-devsudoapt-getinstalllibxerces-c-devsudoapt-getinstalllibhdf5-devsudoapt-getinstalllibvtk7-devsudoapt-getinstalllibgsl-devsudoapt-getinstalllibboost-all-devsudoapt-getinstalllibEigen3-devWindows在Windows上建议使用vcpkg来管理依赖库。首先安装vcpkggitclone https://github.com/microsoft/vcpkg.gitcdvcpkg.\bootstrap-vcpkg.bat然后安装PhysiCell所需的依赖库vcpkginstalleigen3vcpkginstallboost-allvcpkginstallxerces-cvcpkginstallhdf5vcpkginstallvtkmacOS在macOS上可以使用Homebrew来安装依赖库# 安装Homebrew/bin/bash -c$(curl-fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)# 安装依赖库brewinstallcmake brewinstalleigen brewinstallboost brewinstallxerces-c brewinstallhdf5 brewinstallvtk2. 下载PhysiCellPhysiCell的源代码托管在GitHub上可以通过以下命令克隆仓库gitclone https://github.com/PhysiCell/PhysiCell.gitcdPhysiCell3. 编译PhysiCellUbuntu和macOS在Linux和macOS上编译PhysiCell的步骤如下# 创建构建目录mkdirbuildcdbuild# 生成Makefilecmake..# 编译PhysiCellmake-j4Windows在Windows上可以使用Visual Studio来编译PhysiCell。首先生成Visual Studio项目文件# 创建构建目录mkdirbuildcdbuild# 生成Visual Studio项目文件cmake..-GVisual Studio 16 2019然后打开生成的项目文件通常是PhysiCell.sln选择适当的配置如Release或Debug并编译项目。4. 验证安装安装完成后可以通过运行一个简单的示例来验证PhysiCell是否安装成功。PhysiCell仓库中包含多个示例项目可以使用以下命令编译并运行其中一个示例# 编译示例项目cd../examplesmake-j4# 运行示例项目./PhysiCell_multicell_2D如果一切正常示例项目将运行并生成仿真结果文件。示例项目2D多细胞仿真为了更好地理解PhysiCell的安装和运行我们来看一个具体的示例项目2D多细胞仿真。项目结构示例项目的结构如下PhysiCell/ ├── examples/ │ ├── PhysiCell_multicell_2D/ │ │ ├── PhysiCell_settings.xml │ │ ├── PhysiCell_multicell_2D.cpp │ │ ├── PhysiCell_multicell_2D.h │ │ ├── Makefile │ │ └── README.md配置文件PhysiCell_settings.xml文件用于配置仿真参数。以下是一个简单的配置文件示例?xml version1.0 encodingUTF-8?PhysiCell_settingsmicroenvironment_setupinitial_conditionvariableunitsmmHgID0nameoxygenvaluetypeconstant38.0/value/variable/initial_conditiondiffusionvariableunitsmmHgID0nameoxygendiffusioncoefficienttypeconstant6.72e-7/diffusioncoefficientdecayratetypeconstant0.1/decayrate/variable/diffusion/microenvironment_setupuser_parametersmax_timeunitsminvalue1000.0/output_intervalunitsminvalue100.0//user_parameters/PhysiCell_settings代码示例PhysiCell_multicell_2D.cpp文件包含仿真的主要代码。以下是一个简化的代码示例展示了如何设置和运行一个2D多细胞仿真#includeiostream#includePhysiCell.h#includePhysiCell_PhysiCell.h#includePhysiCell_settings.h// 定义细胞类型voidcreate_custom_cell_types(void){PhysiCell::custom_cell_definitions.push_back(make_custom_cell_definitionPhysiCell::oxygen_based_phenotype_cell());}// 初始化仿真环境voidinitialize_simulation(void){// 设置仿真时间PhysiCell_settings.total_simulation_time1000.0;PhysiCell_settings.output_time_interval100.0;// 初始化微环境PhysiCell::initialize_microenvironment();PhysiCell::setup_physi_cell_microenvironment();}// 设置细胞初始位置voidset_initial_conditions(void){// 添加一个细胞PhysiCell::Cell*pCcreate_cell(custom_cell_definitions[0]);pC-positionPhysiCell::setPhysiCellPhysicellPosition(0.0,0.0,0.0);pC-initialize_cell_state();add_cell(pC);}// 主函数intmain(intargc,char*argv[]){// 设置细胞类型create_custom_cell_types();// 初始化仿真环境initialize_simulation();// 设置初始条件set_initial_conditions();// 运行仿真while(current_simulation_time()total_simulation_time()){update_cell_states();update_microenvironment();output_vtk_and_cells();}return0;}运行仿真编译并运行上述示例项目后PhysiCell将生成一系列的VTK文件和细胞状态文件。这些文件可以使用VTK viewers如ParaView进行可视化帮助用户更好地理解仿真结果。可视化结果安装ParaViewUbuntusudoapt-getinstallparaviewWindows从ParaView官网下载并安装。macOS从ParaView官网下载并安装。打开VTK文件启动ParaView。选择File-Open选择生成的VTK文件通常在output目录下。点击Apply按钮查看仿真结果。代码解析create_custom_cell_types函数该函数用于定义和创建自定义的细胞类型。在示例中我们使用了oxygen_based_phenotype_cell这是一种基于氧气浓度的细胞类型。voidcreate_custom_cell_types(void){PhysiCell::custom_cell_definitions.push_back(make_custom_cell_definitionPhysiCell::oxygen_based_phenotype_cell());}initialize_simulation函数该函数用于初始化仿真环境包括设置仿真时间、初始化微环境等。voidinitialize_simulation(void){// 设置仿真时间PhysiCell_settings.total_simulation_time1000.0;PhysiCell_settings.output_time_interval100.0;// 初始化微环境PhysiCell::initialize_microenvironment();PhysiCell::setup_physi_cell_microenvironment();}set_initial_conditions函数该函数用于设置初始条件例如添加细胞到仿真环境中。voidset_initial_conditions(void){// 添加一个细胞PhysiCell::Cell*pCcreate_cell(custom_cell_definitions[0]);pC-positionPhysiCell::setPhysiCellPhysicellPosition(0.0,0.0,0.0);pC-initialize_cell_state();add_cell(pC);}main函数main函数是程序的入口点负责调用上述函数并运行仿真。intmain(intargc,char*argv[]){// 设置细胞类型create_custom_cell_types();// 初始化仿真环境initialize_simulation();// 设置初始条件set_initial_conditions();// 运行仿真while(current_simulation_time()total_simulation_time()){update_cell_states();update_microenvironment();output_vtk_and_cells();}return0;}常见问题1. 编译错误如果在编译过程中遇到错误可以尝试以下步骤检查依赖库是否安装成功确保所有依赖库都已正确安装。检查CMake版本确保CMake版本不低于3.10。清理构建目录删除build目录并重新生成项目文件。2. 运行错误如果在运行过程中遇到错误可以尝试以下步骤检查配置文件确保PhysiCell_settings.xml文件正确无误。检查环境变量确保所有必要的环境变量已正确设置。查看日志文件PhysiCell在运行时会生成日志文件查看日志文件以获取更多信息。进一步学习PhysiCell的官方文档和示例项目提供了更多的学习资源。建议用户在安装和运行示例项目后进一步阅读官方文档了解如何添加新的细胞类型、行为和环境因素以满足特定的研究需求。官方文档PhysiCell文档示例项目PhysiCell示例项目通过这些资源用户可以深入了解PhysiCell的内部机制并掌握如何进行二次开发以扩展其功能和应用范围。结尾通过上述步骤您应该能够成功安装并运行PhysiCell。接下来我们将深入探讨如何在PhysiCell中添加新的细胞类型和行为以及如何利用其强大的多尺度建模能力进行更复杂的研究。希望您在使用PhysiCell的过程中能够不断探索和发现新的科学问题。