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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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C++11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

sudo apt-get update



# 安装必要的依赖库

sudo apt-get install build-essential

sudo apt-get install cmake

sudo apt-get install libxml2-dev

sudo apt-get install libxerces-c-dev

sudo apt-get install libhdf5-dev

sudo apt-get install libvtk7-dev

sudo apt-get install libgsl-dev

sudo apt-get install libboost-all-dev

sudo apt-get install libEigen3-dev

Windows

在Windows上，建议使用vcpkg来管理依赖库。首先安装vcpkg：

git clone https://github.com/microsoft/vcpkg.git

cd vcpkg

.\bootstrap-vcpkg.bat

然后安装PhysiCell所需的依赖库：

vcpkg install eigen3

vcpkg install boost-all

vcpkg install xerces-c

vcpkg install hdf5

vcpkg install vtk

macOS

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

brew install cmake

brew install eigen

brew install boost

brew install xerces-c

brew install hdf5

brew install vtk

2. 下载PhysiCell

PhysiCell的源代码托管在GitHub上，可以通过以下命令克隆仓库：

git clone https://github.com/PhysiCell/PhysiCell.git

cd PhysiCell

3. 编译PhysiCell

Ubuntu和macOS

在Linux和macOS上，编译PhysiCell的步骤如下：

# 创建构建目录

mkdir build

cd build



# 生成Makefile

cmake ..



# 编译PhysiCell

make -j4

Windows

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

mkdir build

cd build



# 生成Visual Studio项目文件

cmake .. -G "Visual 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 ../examples

make -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 version='1.0' encoding='UTF-8'?>

<PhysiCell_settings>

  <microenvironment_setup>

    <initial_condition>

      <variable units="mmHg" ID="0" name="oxygen">

        <value type="constant">38.0</value>

      </variable>

    </initial_condition>

    <diffusion>

      <variable units="mmHg" ID="0" name="oxygen">

        <diffusion coefficient type="constant">6.72e-7</diffusion coefficient>

        <decay rate type="constant">0.1</decay rate>

      </variable>

    </diffusion>

  </microenvironment_setup>

  <user_parameters>

    <max_time units="min" value="1000.0" />

    <output_interval units="min" value="100.0" />

  </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：

#include <iostream>

#include "PhysiCell.h"

#include "PhysiCell_PhysiCell.h"

#include "PhysiCell_settings.h"



// 定义细胞类型

void create_custom_cell_types( void )

{

  PhysiCell::custom_cell_definitions.push_back( make_custom_cell_definition<PhysiCell::oxygen_based_phenotype_cell>() );

}



// 初始化仿真环境

void initialize_simulation( void )

{

  // 设置仿真时间

  PhysiCell_settings.total_simulation_time = 1000.0;

  PhysiCell_settings.output_time_interval = 100.0;



  // 初始化微环境

  PhysiCell::initialize_microenvironment();

  PhysiCell::setup_physi_cell_microenvironment();

}



// 设置细胞初始位置

void set_initial_conditions( void )

{

  // 添加一个细胞

  PhysiCell::Cell* pC = create_cell( custom_cell_definitions[0] );

  pC->position = PhysiCell::setPhysiCellPhysicellPosition( 0.0, 0.0, 0.0 );

  pC->initialize_cell_state();

  add_cell( pC );

}



// 主函数

int main( int argc, 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();

  }



  return 0;

}

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

1. 安装ParaView：

   • Ubuntu：

     
     sudo apt-get install paraview
     
     

   • Windows：

     从ParaView官网下载并安装。

   • macOS：

     从ParaView官网下载并安装。

2. 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。

void create_custom_cell_types( void )

{

  PhysiCell::custom_cell_definitions.push_back( make_custom_cell_definition<PhysiCell::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。

void initialize_simulation( void )

{

  // 设置仿真时间

  PhysiCell_settings.total_simulation_time = 1000.0;

  PhysiCell_settings.output_time_interval = 100.0;



  // 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。

void set_initial_conditions( void )

{

  // 添加一个细胞

  PhysiCell::Cell* pC = create_cell( custom_cell_definitions[0] );

  pC->position = PhysiCell::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。

int main( int argc, 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();

  }



  return 0;

}

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。