Шпинат (программное обеспечение)

Программное обеспечение для шпината
Разработчик(и)	Илья Купров (ведущий разработчик)
Первоначальный выпуск	17 ноября 2011 г .; 12 лет назад
Стабильная версия	2,8 / 6 августа 2023 г .; 12 месяцев назад
Написано в	Матлаб
Операционная система	Windows , Linux , MacOS
Доступно в	Английский
Тип	Магнитный резонанс
Лицензия	МОЯ лицензия
Веб-сайт	спиновая динамика .org

Spinach с открытым исходным кодом, — это пакет моделирования магнитного резонанса первоначально выпущенный в 2011 году. ^[1] и с тех пор постоянно обновляется. ^[2] Пакет написан на Matlab и использует встроенные параллельных вычислений и графического процессора интерфейсы Matlab . ^[3]

Название упаковки причудливо отсылает к физической концепции вращения и к Моряку Попаю , который в одноименных комиксах становится сильнее после употребления шпината . ^[4]

Обзор

Шпинат реализует магнитно-резонансную спектроскопию и моделирование изображений, решая уравнение движения матрицы плотности. $\mathbf {\rho } \left(t\right)$ во временной области: ^[1]

${\begin{matrix}{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {\rho } \left(t\right)=-i\mathbf {L} \left(t\right)\mathbf {\rho } \left(t\right)\\\Downarrow \\\mathbf {\rho } \left(t+dt\right)=\exp \left[-i\mathbf {L} \left(t\right)dt\right]\mathbf {\rho } \left(t\right)\\\end{matrix}}$

Лиувилля где супероператор $\mathbf {L} \left(t\right)$ представляет собой сумму гамильтонова коммутационного супероператора $\mathbf {H} \left(t\right)$ , релаксации супероператор $\mathbf {R}$ , кинетики супероператор $\mathbf {K}$ и, возможно, другие условия, которые управляют пространственной динамикой и связью с другими степенями свободы: ^[2]

\mathbf {L} \left(t\right)=\mathbf {H} \left(t\right)+i\mathbf {R} +i\mathbf {K} +...

Эффективность вычислений достигается за счет использования сокращенных пространств состояний , арифметики с разреженными матрицами , оперативного анализа траекторий и динамического распараллеливания . ^[5]

Стандартный функционал

По состоянию на 2023 год шпинат цитируется более чем в 300 научных публикациях. ^[1] Согласно документации ^[2] и научных статьях, в которых упоминаются его особенности, самая последняя версия пакета 2.8 выполняет:

временной области Моделирование ядерного магнитного резонанса (ЯМР) во :
- Стандартные эксперименты ЯМР ( DEPT , COSY , NOESY , HSQC , TOCSY и т. д. ). ^[6]
- Эксперименты по ЯМР белков и нуклеиновых кислот ( HNCA , HNCOCA , HNCO и т. д. ). ^[7]
- Эксперименты ЯМР с вращением под магическим углом (CP-MAS, MQMAS, WISE и т. д. ). ^[8]
- Эксперименты с остаточной диполярной связью и другими эффектами остаточного порядка. ^[9]
- Эксперименты в нулевом и сверхнизком поле , включая ЯМР поля Земли . ^[10]
- Ядерный квадрупольный резонанс , включая обертонный ЯМР. ^[11]
(МРТ) во временной области Моделирование магнитно-резонансной томографии , включая:
- Стандартные и определяемые пользователем последовательности визуализации . ^[2]
- Коэффициент диффузии и тензор диффузии . ^[12]
- Трехмерная ЯМР-спектроскопия с точечным разрешением. ^[13]
- Сверхбыстрая пространственно-кодированная ЯМР-спектроскопия. ^[14]
временной области Моделирование электронного спинового резонанса (ЭПР) во :
- Стандартные импульсные эксперименты по ЭПР (HYSCORE, ENDOR , ESEEM и др. ).
- Импульсная диполярная спектроскопия (DEER, RIDME и др. ).
- Динамическая ядерная поляризация для статических и вращающихся образцов. ^[15]

Поддерживаются общие модели спиновой релаксации ( теория Редфилда , стохастическое уравнение Лиувилля , теория Линдблада ) и химической кинетики , а в пакет включена библиотека сеток усреднения порошков. ^[2]

Оптимальный модуль управления

Шпинат содержит реализацию алгоритма импульсной инженерии градиентного подъема (GRAPE). ^[16] для квантового оптимального управления . Документация ^[2] и книга с описанием оптимального модуля управления пакета ^[17] перечислить следующие особенности:

оптимизаторы L-BFGS Квазиньютоновские и GRAPE Ньютона-Рафсона .
Анализ траектории спиновой системы по порядку когерентности и корреляции.
Спектрограммный анализ формы импульсного сигнала.
Префиксы, суффиксы, замочные скважины и маски замораживания.
Оптимизация кооперативных импульсов и фазовых циклов.
Функционалы штрафов за форму сигнала и отклик прибора .

Поддерживаются генераторы эволюции диссипативного фона и операторы управления, а также ансамблевый контроль над распределениями общих параметров калибровки прибора, таких как мощность и смещение канала управления. ^[2]

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Хогбен, HJ; Кшистыняк, М.; Чарнок, GTP; Хор, П.Дж.; Купров И. (2011). «Шпинат - библиотека программного обеспечения для моделирования динамики вращения в больших спиновых системах». Журнал магнитного резонанса . 208 (2): 179–194. дои : 10.1016/j.jmr.2010.11.008 . ISSN 1090-7807 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г «Вики-документация по шпинату» . SpinDynamics.org — Группа Spin Dynamics . 28 июля 2023 г. Проверено 4 ноября 2023 г.
^ Купров И. (2023). «Заметки по программной инженерии». Спин: от базовых симметрий к квантовому оптимальному управлению . Спрингер. стр. 351–373. дои : 10.1007/978-3-031-05607-9_9 . ISBN 978-3-031-05606-2 .
^ «Шпинат — библиотека моделирования динамики быстрого и общего вращения» (PDF) . Проверено 27 ноября 2023 г.
^ Купров И. (2023). «Неполные базисы». Спин: от базовых симметрий к квантовому оптимальному управлению . Спрингер. стр. 291–312. дои : 10.1007/978-3-031-05607-9_7 . ISBN 978-3-031-05606-2 .
^ Консилио, МГ (2020). «Крупномасштабное моделирование магнитного резонанса: учебное пособие» . Магнитный резонанс в химии . 58 (8): 691–717. дои : 10.1002/mrc.5018 . ISSN 0749-1581 .
^ Крушельницкий А.; Хемпель, Г.; Юрак, Х.; Феррейра, ТМ (2023). «Качающееся движение в твердых белках, изученное ¹⁵ с развязкой N протонов Релаксометрия R _1ρ » . Физическая химия Химическая физика . 25 (23): 15885–15896. doi : 10.1039/d3cp00444a . ISSN 1463-9076 .
^ Гутманн, Т.; Грошевич, ПБ; Бунтковский, Г. (2019). «Твердотельный ЯМР нанокристаллов». Годовые отчеты по ЯМР-спектроскопии . стр. 1–82. дои : 10.1016/bs.arnmr.2018.12.001 . ISSN 0066-4103 .
^ Уильямс, Р.В.; Ян, Ж.-Ю.; Моремен, КВ; Амстер, Эй-Джей; Престегард, Дж. Х. (2019). «Измерение остаточных диполярных связей в метильных группах методом обнаружения углерода» . Журнал биомолекулярного ЯМР . 73 (3–4): 191–198. дои : 10.1007/s10858-019-00245-5 . ISSN 0925-2738 . ПМК 7020099 .
^ Кейсман, округ Колумбия; Мэлоун, Миссури; Тондро, А.; Эспи, Массачусетс; Уильямс, РФ (2021). «Количественный расчет спектров ядерного магнитного резонанса в магнитном поле Земли». Аналитическая химия . 93 (46): 15349–15357. дои : 10.1021/acs.analchem.1c02910 . ISSN 0003-2700 .
^ Хейс, И.М.; Джарвис, Дж.А.; Бентли, Х.; Хейнмаа, И.; Купров И.; Уильямсон, ПТФ; Карраветта, М. (2015). " ¹⁴ЯМР обертонов N при MAS: усиление сигнала с использованием последовательностей, основанных на симметрии, и новых стратегий моделирования» . Physical Chemistry Chemical Physics . 17 (9): 6577–6587. doi : 10.1039/c4cp03994g . ISSN 1463-9076 . PMC 4673505 .
^ Гудафф, Л.; Купров И.; ван Хейеноорт, К.; Дюмез, Ж.-Н. (2017). «Пространственно кодированная 2D и 3D диффузионно-упорядоченная ЯМР-спектроскопия». Химические коммуникации . 53 (4): 701–704. дои : 10.1039/c6cc09028a . ISSN 1359-7345 .
^ Аллами, Эй Джей; Консилио, МГ; Лалли, П.; Купров И. (05.07.2019). «Квантово-механическое МРТ-моделирование: решение проблемы размерности матрицы» . Достижения науки . 5 (7). doi : 10.1126/sciadv.aaw8962 . ISSN 2375-2548 . ПМК 6641938 .
^ Дюмез, Ж.-Н. (2021). «Импульсы с разверткой по частоте для сверхбыстрого ЯМР с пространственным кодированием». Журнал магнитного резонанса . 323 : 106817. doi : 10.1016/j.jmr.2020.106817 . ISSN 1090-7807 .
^ Редруту, В.С.; Мэтис, Г. (2022). «Эффективная импульсная динамическая поляризация ядра с последовательностью X-inverse-X». Журнал Американского химического общества . 144 (4): 1513–1516. дои : 10.1021/jacs.1c09900 . ISSN 0002-7863 .
^ Ханеджа, Н.; Рейсс, Т.; Келет, К.; Шульте-Хербрюгген, Т.; Глейзер, С.Дж. (2005). «Оптимальное управление связанной спиновой динамикой: создание последовательностей импульсов ЯМР с помощью алгоритмов градиентного восхождения». Журнал магнитного резонанса . 172 (2): 296–305. дои : 10.1016/j.jmr.2004.11.004 . ISSN 1090-7807 .
^ Купров И. (2023). «Оптимальное управление спиновыми системами». Спин: от базовых симметрий к квантовому оптимальному управлению . Спрингер. стр. 313–349. дои : 10.1007/978-3-031-05607-9_8 . ISBN 978-3-031-05606-2 .

[first_paper-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Хогбен, HJ; Кшистыняк, М.; Чарнок, GTP; Хор, П.Дж.; Купров И. (2011). «Шпинат - библиотека программного обеспечения для моделирования динамики вращения в больших спиновых системах». Журнал магнитного резонанса . 208 (2): 179–194. дои : 10.1016/j.jmr.2010.11.008 . ISSN 1090-7807 .

[docs-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г «Вики-документация по шпинату» . SpinDynamics.org — Группа Spin Dynamics . 28 июля 2023 г. Проверено 4 ноября 2023 г.

[gpus-3] Купров И. (2023). «Заметки по программной инженерии». Спин: от базовых симметрий к квантовому оптимальному управлению . Спрингер. стр. 351–373. дои : 10.1007/978-3-031-05607-9_9 . ISBN 978-3-031-05606-2 .

[hist-4] «Шпинат — библиотека моделирования динамики быстрого и общего вращения» (PDF) . Проверено 27 ноября 2023 г.

[ssr-5] Купров И. (2023). «Неполные базисы». Спин: от базовых симметрий к квантовому оптимальному управлению . Спрингер. стр. 291–312. дои : 10.1007/978-3-031-05607-9_7 . ISBN 978-3-031-05606-2 .

[mgc_tute-6] Консилио, МГ (2020). «Крупномасштабное моделирование магнитного резонанса: учебное пособие» . Магнитный резонанс в химии . 58 (8): 691–717. дои : 10.1002/mrc.5018 . ISSN 0749-1581 .

[proteins-7] Крушельницкий А.; Хемпель, Г.; Юрак, Х.; Феррейра, ТМ (2023). «Качающееся движение в твердых белках, изученное ¹⁵ с развязкой N протонов Релаксометрия R _1ρ » . Физическая химия Химическая физика . 25 (23): 15885–15896. doi : 10.1039/d3cp00444a . ISSN 1463-9076 .

[mqmas-8] Гутманн, Т.; Грошевич, ПБ; Бунтковский, Г. (2019). «Твердотельный ЯМР нанокристаллов». Годовые отчеты по ЯМР-спектроскопии . стр. 1–82. дои : 10.1016/bs.arnmr.2018.12.001 . ISSN 0066-4103 .

[rdcs-9] Уильямс, Р.В.; Ян, Ж.-Ю.; Моремен, КВ; Амстер, Эй-Джей; Престегард, Дж. Х. (2019). «Измерение остаточных диполярных связей в метильных группах методом обнаружения углерода» . Журнал биомолекулярного ЯМР . 73 (3–4): 191–198. дои : 10.1007/s10858-019-00245-5 . ISSN 0925-2738 . ПМК 7020099 .

[zulf-10] Кейсман, округ Колумбия; Мэлоун, Миссури; Тондро, А.; Эспи, Массачусетс; Уильямс, РФ (2021). «Количественный расчет спектров ядерного магнитного резонанса в магнитном поле Земли». Аналитическая химия . 93 (46): 15349–15357. дои : 10.1021/acs.analchem.1c02910 . ISSN 0003-2700 .

[overtone-11] Хейс, И.М.; Джарвис, Дж.А.; Бентли, Х.; Хейнмаа, И.; Купров И.; Уильямсон, ПТФ; Карраветта, М. (2015). " ¹⁴ЯМР обертонов N при MAS: усиление сигнала с использованием последовательностей, основанных на симметрии, и новых стратегий моделирования» . Physical Chemistry Chemical Physics . 17 (9): 6577–6587. doi : 10.1039/c4cp03994g . ISSN 1463-9076 . PMC 4673505 .

[dti-12] Гудафф, Л.; Купров И.; ван Хейеноорт, К.; Дюмез, Ж.-Н. (2017). «Пространственно кодированная 2D и 3D диффузионно-упорядоченная ЯМР-спектроскопия». Химические коммуникации . 53 (4): 701–704. дои : 10.1039/c6cc09028a . ISSN 1359-7345 .

[ahmed-13] Аллами, Эй Джей; Консилио, МГ; Лалли, П.; Купров И. (05.07.2019). «Квантово-механическое МРТ-моделирование: решение проблемы размерности матрицы» . Достижения науки . 5 (7). doi : 10.1126/sciadv.aaw8962 . ISSN 2375-2548 . ПМК 6641938 .

[spen-14] Дюмез, Ж.-Н. (2021). «Импульсы с разверткой по частоте для сверхбыстрого ЯМР с пространственным кодированием». Журнал магнитного резонанса . 323 : 106817. doi : 10.1016/j.jmr.2020.106817 . ISSN 1090-7807 .

[mathies-15] Редруту, В.С.; Мэтис, Г. (2022). «Эффективная импульсная динамическая поляризация ядра с последовательностью X-inverse-X». Журнал Американского химического общества . 144 (4): 1513–1516. дои : 10.1021/jacs.1c09900 . ISSN 0002-7863 .

[grape-16] Ханеджа, Н.; Рейсс, Т.; Келет, К.; Шульте-Хербрюгген, Т.; Глейзер, С.Дж. (2005). «Оптимальное управление связанной спиновой динамикой: создание последовательностей импульсов ЯМР с помощью алгоритмов градиентного восхождения». Журнал магнитного резонанса . 172 (2): 296–305. дои : 10.1016/j.jmr.2004.11.004 . ISSN 1090-7807 .

[optimcon-17] Купров И. (2023). «Оптимальное управление спиновыми системами». Спин: от базовых симметрий к квантовому оптимальному управлению . Спрингер. стр. 313–349. дои : 10.1007/978-3-031-05607-9_8 . ISBN 978-3-031-05606-2 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]