Espinaca (software)

Paquete de simulación de resonancia magnética

Spinach es un paquete de simulación de resonancia magnética de código abierto lanzado inicialmente en 2011 ^[1] y actualizado continuamente desde entonces. ^[2] El paquete está escrito en Matlab y hace uso de las interfaces de GPU y computación paralela integradas de Matlab . ^[3]

El nombre del paquete hace referencia caprichosamente al concepto físico del giro y a Popeye el Marino quien, en los cómics homónimos, se vuelve más fuerte después de consumir espinacas . ^[4]

Espectro de RMN ECOSY de 250 MHz del alcaloide estricnina simulado utilizando espinaca .

Descripción general

Spinach implementa simulaciones de imágenes y espectroscopia de resonancia magnética al resolver la ecuación de movimiento para la matriz de densidad en el dominio del tiempo: ^[1] ${\displaystyle \mathbf {\rho } \left(t\right)}$

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

donde el superoperador de Liouvilliano es una suma del superoperador de conmutación hamiltoniano , el superoperador de relajación , el superoperador cinético y potencialmente otros términos que gobiernan la dinámica espacial y el acoplamiento a otros grados de libertad: ^[2] ${\displaystyle \mathbf {L} \left(t\right)}$ ${\displaystyle \mathbf {H} \left(t\right)}$ ${\displaystyle \mathbf {R} }$ ${\displaystyle \mathbf {K} }$

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

La eficiencia computacional se logra mediante el uso de espacios de estados reducidos , aritmética de matrices dispersas , análisis de trayectoria sobre la marcha y paralelización dinámica . ^[5]

Funcionalidad estándar

A partir de 2023, Spinach se cita en más de 300 publicaciones académicas. ^[1] Según la documentación ^[2] y los artículos académicos que citan sus características, la versión más reciente 2.8 del paquete realiza lo siguiente:

• Simulaciones de resonancia magnética nuclear (RMN) en el dominio del tiempo de:
  • Experimentos de RMN estándar ( DEPT , COSY , NOESY , HSQC , TOCSY , etc. ). ^[6]
  • Experimentos de RMN de proteínas y ácidos nucleicos ( HNCA , HNCOCA , HNCO , etc. ). ^[7]
  • Experimentos de RMN con giro de ángulo mágico (CP-MAS, MQMAS, WISE, etc. ). ^[8]
  • Experimentos que involucran acoplamiento dipolar residual y otros efectos de orden residual. ^[9]
  • Experimentos de campo cero y ultrabajo , incluida la resonancia magnética nuclear del campo terrestre . ^[10]
  • Resonancia nuclear cuadrupolo , incluyendo RMN de sobretonos. ^[11]
• Simulaciones de imágenes por resonancia magnética (IRM) en el dominio del tiempo , que incluyen:
  • Secuencias de imágenes estándar y especificadas por el usuario . ^[2]
  • Imágenes del coeficiente de difusión y del tensor de difusión . ^[12]
  • Espectroscopia de RMN con resolución puntual tridimensional. ^[13]
  • Espectroscopia de RMN codificada espacialmente ultrarrápida. ^[14]
• Simulaciones de resonancia de espín electrónico (ESR) en el dominio del tiempo de:
  • Experimentos de ESR pulsado estándar (HYSCORE, ENDOR , ESEEM , etc. ).
  • Espectroscopia dipolar pulsada (DEER, RIDME, etc. ).
  • Polarización nuclear dinámica para muestras estáticas y giratorias. ^[15]

Se admiten modelos comunes de relajación de espín ( teoría de Redfield , ecuación estocástica de Liouville , teoría de Lindblad ) y cinética química , y el paquete incluye una biblioteca de cuadrículas de promedio de polvo. ^[2]

Módulo de control óptimo

Spinach contiene una implementación del algoritmo GRAPE (Gradient Ascent Pulse Engineering) ^[16] para el control óptimo cuántico . La documentación ^[2] y el libro que describe el módulo de control óptimo del paquete ^[17] enumeran las siguientes características:

• Optimizadores GRAPE de Newton -Raphson y cuasi-Newton L-BFGS .
• Análisis de la trayectoria del sistema de espín por orden de coherencia y correlación.
• Análisis del espectrograma de la forma de onda del pulso.
• Prefijos, sufijos, cerraduras y máscaras de congelación.
• Optimización de pulsos cooperativos y ciclos de fase.
• Funciones de penalización de forma de onda y respuesta del instrumento .

Se admiten generadores de evolución de fondo disipativo y operadores de control, así como control de conjunto sobre distribuciones en parámetros de calibración de instrumentos comunes, como potencia y compensación del canal de control. ^[2]

Referencias

1. Hogben, HJ; Krzystyniak, M.; Charnock, GTP; Hore, PJ; Kuprov, I. (2011). "Spinach – una biblioteca de software para la simulación de la dinámica de espín en sistemas de espín grandes". Journal of Magnetic Resonance . 208 (2): 179–194. doi :10.1016/j.jmr.2010.11.008. ISSN  1090-7807.
2. «Wiki de documentación de espinacas». SpinDynamics.org – Spin Dynamics Group . 28 de julio de 2023. Consultado el 4 de noviembre de 2023 .
3. Kuprov, I. (2023). "Notas sobre ingeniería de software". Spin: de las simetrías básicas al control cuántico óptimo . Springer. pp. 351–373. doi :10.1007/978-3-031-05607-9_9. ISBN. 978-3-031-05606-2.
4. "Spinach - una biblioteca de simulación rápida y general de dinámica de espín" (PDF) . Consultado el 27 de noviembre de 2023 .
5. Kuprov, I. (2023). "Conjuntos de base incompletos". Espín: de las simetrías básicas al control óptimo cuántico . Springer. págs. 291–312. doi :10.1007/978-3-031-05607-9_7. ISBN. 978-3-031-05606-2.
6. Concilio, MG (2020). "Simulaciones de resonancia magnética a gran escala: un tutorial". Resonancia magnética en química . 58 (8): 691–717. doi : 10.1002/mrc.5018 . ISSN  0749-1581.
7. Krushelnitsky, A.; Hempel, G.; Jurack, H.; Ferreira, TM (2023). "Movimiento de balanceo en proteínas sólidas estudiado por la relaxometría R1ρ desacoplada del protón 15N". Química física Física química . 25 (23): 15885–15896. doi : 10.1039/d3cp00444a . ISSN  1463-9076.
8. Gutmann, T.; Groszewicz, PB; Buntkowsky, G. (2019). "Resonancia magnética nuclear de estado sólido de nanocristales". Informes anuales sobre espectroscopia de RMN . págs. 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). "Medición de acoplamientos dipolares residuales en grupos metilo mediante detección de carbono". 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). "Cuantificación de espectros de resonancia magnética nuclear en el campo magnético de la Tierra". Química analítica . 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). "14N armónico RMN bajo MAS: mejora de la señal utilizando secuencias basadas en simetría y nuevas estrategias de simulación". Química física Física química . 17 (9): 6577–6587. doi : 10.1039/c4cp03994g . ISSN  1463-9076. PMC 4673505 . 
12. Guduff, L.; Kuprov, I.; van Heijenoort, C.; Dumez, J.-N. (2017). "Espectroscopia de RMN ordenada por difusión 2D y 3D codificada espacialmente". Comunicaciones Químicas . 53 (4): 701–704. doi :10.1039/c6cc09028a. ISSN  1359-7345.
13. Allami, AJ; Concilio, MG; Lally, P.; Kuprov, I. (5 de julio de 2019). "Simulaciones de resonancia magnética mecánica cuántica: solución del problema de la dimensión de la matriz". Science Advances . 5 (7). doi : 10.1126/sciadv.aaw8962 . ISSN  2375-2548. PMC 6641938 . 
14. Dumez, J.-N. (2021). "Pulsos barridos en frecuencia para RMN codificada espacialmente ultrarrápida". Revista de resonancia magnética . 323 : 106817. doi :10.1016/j.jmr.2020.106817. ISSN  1090-7807.
15. Redrouthu, VS; Mathies, G. (2022). "Polarización nuclear dinámica pulsada eficiente con la secuencia X-inversa-X". Revista de la Sociedad Química Americana . 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). "Control óptimo de la dinámica de espín acoplado: diseño de secuencias de pulsos de RMN mediante algoritmos de ascenso de gradiente". Journal of Magnetic Resonance . 172 (2): 296–305. doi :10.1016/j.jmr.2004.11.004. ISSN  1090-7807.
17. Kuprov, I. (2023). "Control óptimo de sistemas de espín". Espín: de simetrías básicas al control óptimo cuántico . Springer. págs. 313–349. doi :10.1007/978-3-031-05607-9_8. ISBN . 978-3-031-05606-2.