ほうれん草（ソフトウェア）

ほうれん草ソフトウェア
開発者	Ilya Kuprov（リード開発者）
初回リリース	2011年11月17日 （2011年11月17日）
安定版リリース	2.8 / 2023年8月6日 ( 2023-08-06 )
書かれた	Matlab
オペレーティング·システム	Windows、Linux、macOS
入手可能な	英語
タイプ	磁気共鳴
ライセンス	MITライセンス
Webサイト	スピンダイナミクス.org

Spinachはオープンソースの磁気共鳴シミュレーションパッケージであり、2011年に最初にリリースされ^{[ 1 ]}、その後継続的に更新されています。^{[ 2 ]}このパッケージはMatlabで書かれており、 Matlabに組み込まれている並列コンピューティングとGPUインターフェースを利用しています。^{[ 3 ]}

パッケージの名前は、スピンという物理的な概念と、同名の漫画本でほうれん草を食べると強くなるポパイにちなんで付けられています。^{[ 4 ]}

ほうれん草を使用してシミュレートされたストリキニーネアルカロイドの250 MHz ECOSY NMR スペクトル。

概要

Spinachは、時間領域における密度行列 の運動方程式を解くことによって、磁気共鳴分光法とイメージングシミュレーションを実装します。 ^{[ 1 ]}${\displaystyle \mathbf {\rho } \left(t\right)}$

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

ここで、リウヴィリアン超演算子は、ハミルトン交換超演算子、緩和超演算子、運動学超演算子、および空間ダイナミクスと他の自由度との結合を支配する他の項の合計である： ^{[ 2 ]}${\displaystyle \mathbf {L} \left(t\right)}$ ${\displaystyle \mathbf {H} \left(t\right)}$ ${\displaystyle \mathbf {R} }$ ${\displaystyle \mathbf {K} }$

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

計算効率は、縮小された状態空間、疎行列演算、オンザフライ軌道解析、動的並列化の使用によって達成される。^{[ 5 ]}

標準機能

2023年現在、Spinachは300以上の学術出版物で引用されています。^{[ 1 ]}その機能を引用しているドキュメント^{[ 2 ]}と学術論文によると、パッケージの最新バージョン2.8は以下を実行します。

• 時間領域核磁気共鳴(NMR) シミュレーション:
  • 標準的なNMR実験（DEPT、COSY、NOESY、HSQC、TOCSYなど）。^{[ 6 ]}
  • タンパク質および核酸NMR実験（HNCA、HNCOCA、HNCOなど）。^{[ 7 ]}
  • マジック角回転NMR実験（CP-MAS、MQMAS、WISEなど）^{[ 8 ]}
  • 残留双極子結合とその他の残留秩序効果を含む実験。^{[ 9 ]}
  • 地球磁場NMRを含むゼロ磁場および超低磁場実験。^{[ 10 ]}
  • 核四重極共鳴（倍音NMRを含む）。^{[ 11 ]}
• 時間領域磁気共鳴画像(MRI) シミュレーションには以下が含まれます。
  • 標準およびユーザー指定の画像シーケンス。^{[ 2 ]}
  • 拡散係数と拡散テンソルイメージング^{[ 12 ]}
  • 3次元点分解NMR分光法^{[ 13 ]}
  • 超高速空間符号化NMR分光法^{[ 14 ]}
• 時間領域電子スピン共鳴(ESR) シミュレーション:
  • 標準パルス ESR 実験 (HYSCORE、ENDOR、ESEEMなど)。
  • パルス双極子分光法（DEER、RIDMEなど）。
  • 静的および回転する試料の動的核分極^{[ 15 ]}

スピン緩和（レッドフィールド理論、確率論的リウヴィル方程式、リンドブラッド理論）と化学反応速度論の一般的なモデルがサポートされており、粉末平均グリッドのライブラリがパッケージに含まれています。^{[ 2 ]}

最適制御モジュール

Spinachには、量子最適制御のための勾配上昇パルス工学（GRAPE）アルゴリズム^{[ 16 ]}の実装が含まれています。ドキュメント^{[ 2 ]}とパッケージの最適制御モジュールを解説した書籍^{[ 17 ]}には、以下の機能が記載されています。

• L-BFGS準ニュートン法およびニュートン・ラプソン法GRAPE 最適化装置。
• コヒーレンスと相関秩序によるスピンシステムの軌跡解析。
• 脈波波形のスペクトログラム分析。
• プレフィックス、サフィックス、キーホール、フリーズマスク。
• 協調パルスと位相サイクルの最適化。
• 波形ペナルティ関数と機器応答。

散逸的背景進化生成器と制御演算子がサポートされているほか、制御チャネル電力やオフセットなどの一般的な機器校正パラメータの分布に対するアンサンブル制御もサポートされている。^{[ 2 ]}

参考文献

1. Hogben, HJ; Krzystyniak, M.; Charnock, GTP; Hore, PJ; Kuprov, I. (2011). 「Spinach – 大規模スピン系におけるスピンダイナミクスのシミュレーション用ソフトウェアライブラリ」. Journal of Magnetic Resonance . 208 (2): 179– 194. doi : 10.1016/j.jmr.2010.11.008 . ISSN  1090-7807 .
2. 「Spinach Documentation Wiki」 . SpinDynamics.org – Spin Dynamics Group . 2023年7月28日. 2023年11月4日閲覧。
3. Kuprov, I. (2023). 「ソフトウェア工学に関するノート」.スピン：基本対称性から量子最適制御へ. Springer. pp.  351– 373. doi : 10.1007/978-3-031-05607-9_9 . ISBN 978-3-031-05606-2。
4. 「Spinach - 高速かつ汎用的なスピンダイナミクスシミュレーションライブラリ」（PDF） . 2023年11月27日閲覧。
5. Kuprov, I. (2023). 「不完全基底関数系」.スピン：基本対称性から量子最適制御へ. Springer. pp.  291– 312. doi : 10.1007/978-3-031-05607-9_7 . ISBN 978-3-031-05606-2。
6. Concilio, MG (2020). 「大規模磁気共鳴シミュレーション：チュートリアル」 .磁気共鳴化学. 58 (8): 691– 717. doi : 10.1002/mrc.5018 . ISSN 0749-1581 . 
7. Krushelnitsky, A.; Hempel, G.; Jurack, H.; Ferreira, TM (2023). 「¹⁵ Nプロトン分離R _1ρ緩和測定法による固体タンパク質のロッキング運動の研究」 . Physical Chemistry Chemical Physics . 25 (23): 15885– 15896. doi : 10.1039/d3cp00444a . ISSN 1463-9076 . 
8. Gutmann, T.; Groszewicz, PB; Buntkowsky, G. (2019). 「ナノ結晶の固体NMR」. NMR分光法に関する年次報告. pp.  1– 82. doi : 10.1016/bs.arnmr.2018.12.001 . ISSN 0066-4103 . 
9. Williams, RV; Yang, J.-Y.; Moremen, KW; Amster, IJ; Prestegard, JH (2019). 「炭素検出によるメチル基の残留双極子結合の測定」 . Journal of Biomolecular NMR . 73 ( 3–4 ): 191– 198. doi : 10.1007/s10858-019-00245-5 . ISSN 0925-2738 . PMC 7020099 .  
10. Kaseman, DC; Malone, MW; Tondreau, A.; Espy, MA; Williams, RF (2021). 「地球磁場における核磁気共鳴スペクトルの定量」.分析化学. 93 (46): 15349– 15357. doi : 10.1021/acs.analchem.1c02910 . ISSN 0003-2700 . 
11. Haies, IM; Jarvis, JA; Bentley, H.; Heinmaa, I.; Kuprov, I.; Williamson, PTF; Carravetta, M. (2015). 「 MAS下における¹⁴ N倍音NMR：対称性に基づくシーケンスと新規シミュレーション戦略を用いた信号増強」 . Physical Chemistry Chemical Physics . 17 (9): 6577– 6587. doi : 10.1039/c4cp03994g . ISSN 1463-9076 . PMC 4673505 .  
12. グダフ、L.;クプロフ、I。ファン・ヘイエノールト、C.デュメス、J.-N. （2017年）。 「空間的にエンコードされた 2D および 3D 拡散秩序 NMR 分光法」。化学コミュニケーション。53 (4): 701–704 .土井: 10.1039/c6cc09028a。ISSN 1359-7345。 
13. Allami, AJ; Concilio, MG; Lally, P.; Kuprov, I. (2019-07-05). 「量子力学的MRIシミュレーション：行列次元問題の解決」 . Science Advances . 5 (7). doi : 10.1126/sciadv.aaw8962 . ISSN 2375-2548 . PMC 6641938 .  
14. Dumez, J.-N. (2021). 「超高速空間符号化NMRのための周波数掃引パルス」. Journal of Magnetic Resonance . 323 106817. doi : 10.1016/j.jmr.2020.106817 . ISSN 1090-7807 . 
15. Redrouthu, VS; Mathies, G. (2022). 「X-inverse-Xシーケンスによる効率的なパルス動的核分極」. Journal of the American Chemical Society . 144 (4): 1513– 1516. doi : 10.1021/jacs.1c09900 . ISSN 0002-7863 . 
16. Khaneja, N.; Reiss, T.; Kehlet, C.; Schulte-Herbrüggen, T.; Glaser, SJ (2005). 「結合スピンダイナミクスの最適制御：勾配上昇アルゴリズムによるNMRパルスシーケンスの設計」. Journal of Magnetic Resonance . 172 (2): 296– 305. doi : 10.1016/j.jmr.2004.11.004 . ISSN 1090-7807 . 
17. Kuprov, I. (2023). 「スピン系の最適制御」.スピン：基本対称性から量子最適制御へ. Springer. pp.  313– 349. doi : 10.1007/978-3-031-05607-9_8 . ISBN 978-3-031-05606-2。