[發明專利]一種空間生物學中細胞生長的數值模擬方法

無效

• 申請號: 201010157488.0
• 申請日: 2010-04-28
• 公開（公告）號: CN101853328A
• 公開（公告）日: 2010-10-06
• 發明（設計）人: 李勤;高海濤;辛怡;胡曉明;李曉瓊;鄧玉林
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種空間生物學中細胞生長的數值模擬方法，特別涉及一種基于灰色系統和支持向量回歸的空間環境中細胞生長的建模方法，屬于空間生物學領域。

背景技術

近年來，隨著科技發展和社會需求的增加，空間資源正在逐漸被開發利用。由于細胞、生物分子水平的研究對組織工程學和臨床應用等領域都有重要的意義，空間生物學逐漸成為生物等相關領域許多國家研究的熱點問題之一。空間生物學的研究成果可以促進載人航天，推動空間資源開發，實現作物育種，從而解決人類的生產、生活等相關問題。

在空間生物學領域中，采用數學模型的方法是十分必要的。首先，在真實的航天環境中進行相關研究的代價很高，而且受實驗條件的限制，很多實驗不能在航天環境中進行。同時，被試者的數目很少，如何從有限的實驗數據中得到更多的信息，就需要數學模型來解決此問題；其次，除了空間搭載，在地基模擬的實驗中，盡管試驗機會大大增多，但是相對于正常的地面上的生物學實驗，空間生物學實驗中微重力等空間因素產生環境和實驗操作等方面沒有建立起一定的標準性、規范性的內容，而且空間環境中的因素影響細胞等的作用機理尚不清楚，這給相關的實驗人員帶來了很大的困惑。其中比較典型的是他們無法檢驗特定時間點上或時間段內實驗結論的正確性，從而阻礙了實驗的進展。第三，數學建模等建模方法可以促進傳統實驗難以實現的細胞等生物結構的網絡組成、復雜動力學行為的研究，并獲得對它們與環境間相互作用和未來發展的有根據預測。

基于以上存在的問題以及數學模型在空間生物學研究領域中的重要性，有必要建立空間生物學相關數學模型。數學建模將會為空間生物學領域相關研究提供一種新的方法。它通過根據已獲得的知識和實驗數據構造相應的數學模型，從而能夠實現模擬和預測相關的信息，并力求用數學模型的方法分析空間生物學相關現象的作用機理，對真實的實驗進行指導或驗證，推進研究進展，從而確保為這一領域的相關研究人員提供一定的幫助。

灰色系統理論的研究對象是“部分信息已知、部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統，它通過對“部分”已知信息的生成，開發實現對研究對象較為確切的描述和認識。Verhulst模型是灰色系統模型的主要內容之一，主要用于描述具有飽和狀態的過程，即“S”形過程，常用于人口預測、生物生長、繁殖預測和產品經濟壽命預測等。利用該模型進行灰色系統預測的實質是一次累加生成，其基本原理是將原始數列一次累加后，形成明顯的指數規律，然后用一條曲線去擬和累加生成，再累減還原即可得到預測值。

支持向量回歸基于結構風險最小化的原理，將實際問題通過非線性映射，將數據集映射到高維特征空間，在高維空間中進行線性回歸，實現原低維空間中的非線性回歸，得到已有信息下的全局最優解。這種方法的優點是保證了支持向量回歸算法有限樣本情況下模型的較好的泛化能力，最佳推廣能力，輸出函數的平滑性和更為可靠的結果。這將保證采用支持向量機建立預測模型能夠實現對小樣本信息高精度的模擬和預測。

發明內容

本發明的目的是為空間生物學中相關研究提供了一種新的途徑，即提供一種基于灰色系統和支持向量回歸的空間生物學中細胞生長的數值模擬方法。本發明依據灰色系統和支持向量回歸理論，根據獲得的有限的實驗數據，建立一種高精度、適合于空間生物學相關實驗的數學模型，可以較高精度的實現相關實驗數據的模擬和預測，從而對真實的實驗進行指導和驗證，推進研究進展。

本技術方案是通過以下途徑來實現的：

步驟一、對當前重力參數條件下待研究細胞生長的原始樣本序列X⁽⁰⁾＝{x⁽⁰⁾(1)，x⁽⁰⁾(2)，......，x⁽⁰⁾(n)}進行一次累加生成，其中x⁽⁰⁾(1)，x⁽⁰⁾(2)，......，x⁽⁰⁾(n)分別代表第1，2，......，n天細胞的增殖數據，增殖數據通過亞甲藍方法獲得，并通過酶標儀用所吸收的光度值表示，對應細胞個數；并且x⁽⁰⁾(i)＞0，i＝1，2，......，n；累加生成后得到的生成序列為X⁽¹⁾＝{x⁽¹⁾(1)，x⁽¹⁾(2)，......，x⁽¹⁾(n)}，其中