磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用指向性麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)信號分離，避免語音失真；具體包括：1）四個(gè)全向性麥克風(fēng)等間距排列；2）雙階段自適應(yīng)濾波處理器；3）均一化的自適應(yīng)濾波算法；4）頻譜相減法的后處理算法。本發(fā)明提供的磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，利用指向性麥克風(fēng)處理技術(shù)能夠有效地抑制語音信號和噪聲通道傳感器之間的互相干擾，確保自適應(yīng)濾波器穩(wěn)健、自動化地進(jìn)行信號處理，消除MRI噪聲對通訊麥克風(fēng)語音信號的干擾，提高醫(yī)患之間的語音通話質(zhì)量。
【專利說明】磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，近年來，磁共振成像(MRI, Magnetic Resonance Imaging)儀越來越多地用于醫(yī)療診斷以及生物醫(yī)學(xué)研究中。MRI的最大優(yōu)點(diǎn)在于它是目前少有的對人體沒有任何傷害的安全、快速、準(zhǔn)確的臨床診斷方法。但是，其日益凸顯的缺點(diǎn)是在MRI運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種高分貝噪聲。據(jù)報(bào)道顯示(More, S.R., et al., Acousticnoise characteristics of a4Telsa MRI scanner.Journal of Magnetic ResonanceImaging, 2006.23(3):p.388-397.)，現(xiàn)代的MRI設(shè)備(磁場強(qiáng)度在3特斯拉以上)輻射出的噪聲聲壓值一般在90-130dBA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人耳所能承受程度，長時(shí)間暴露在這種高噪聲環(huán)境下，不但容易造成某些患者的聽力損傷。因此，一般都要求患者和醫(yī)護(hù)人員配戴耳塞、耳罩等聽力保護(hù)設(shè)備。這些傳統(tǒng)的聽力保護(hù)措施可以在一定程度上降低噪聲對人耳的影響，可一般都是采用隔聲、吸聲等被動的控制方式，往往只在中高頻率有效，而在低頻的控制效果很不理想。因此，一些學(xué)者(Li, M.F., et al., In Situ Active Control of Noise in a4T MRIScanner.Journal of Magnetic Resonance Imaging, 2011.34(3):p.662-669)米用了主動噪聲控制技術(shù)(ANC, Active Noise Control)來抑制MRI掃描過程中福射的噪聲,相關(guān)的研究表明取得了顯著的降噪效果，特別是主動控制和被動控制的相互結(jié)合。然而，高分貝的MRI噪聲不但容易造成患者聽力損傷，而且醫(yī)患之間的語音通訊基本無法保障。本發(fā)明將描述一種自適應(yīng)的語音增強(qiáng)系統(tǒng)來抑制MRI背景噪聲對通訊麥克風(fēng)的干擾提高語音清晰度。
[0003]許多學(xué)者都進(jìn)行了自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)(ASE, Adaptive Speech Enhancement)的研究來用于MRI設(shè)備上。需要指出的是ASE系統(tǒng)與傳統(tǒng)的ANC系統(tǒng)比較相似，都是基于自適應(yīng)濾波器以及相應(yīng)的自適應(yīng)最小均方算法(LMS, Least Mean Square)對信號進(jìn)行處理通過波形的相互干涉抵消實(shí)現(xiàn)降噪。2005年，Jung等人最先開展了 MRI噪聲背景下的自適應(yīng)語音增強(qiáng)石開究(Jung, K.J., et al., Extract1n of overt verbal response from theacoustic noise in a funct1nal magnetic resonance imaging scan by use of segmentedactive noise cancellat1n.Magnetic Resonance in Medicine, 2005.53 (3):p.739-744.),提出了基于ALE (Adaptive Line Enhancer)的單通道控制系統(tǒng)，只需要處理通訊麥克風(fēng)采集的語音以及MRI噪聲信號，通過系統(tǒng)自帶的參考信號通道延遲(延遲)構(gòu)造參考信號。自適應(yīng)濾波器會根據(jù)參考信號的信息(理想狀態(tài)是只有MRI噪聲)更新系統(tǒng)參數(shù)最終去除掉通訊麥克風(fēng)中污染語音信號的背景MRI噪聲只保留清晰的語音信號。但是，這種傳統(tǒng)的單通道系統(tǒng)很難完全把參考信號中的語音信號與所要處理的信號中的語音信號非相關(guān)化，容易造成語音失真。為了解決這一問題，許多學(xué)者提出了多通道的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。Pathak等人開發(fā)了雙通道的ASE系統(tǒng)(Pathak, N.，et al.Real time speechenhancement for the noisy MRI environment.1nEngineering in Medicine and B1logySociety, 2009.EMBC2009.Annual Internat1nal Conference of the IEEE.2009.1EEE),讓一個(gè)麥克風(fēng)靠近嘴部米集混淆信號，另一個(gè)麥克風(fēng)靠近MRI設(shè)備米集MRI噪聲,報(bào)道顯不效果比較明顯。同時(shí)間，為了進(jìn)一步改善系統(tǒng)的性能，Milani等人采用麥克風(fēng)陣列去識別MRI 噪聲構(gòu)造參考信號(Milani, A.A., et al.A multichannel speech enhancement methodfor funct1nal MRI systems using a distributed microphone array.1nEngineering inMedicine and B1logy Society, 2009.EMBC2009.Annual Internat1nal Conference of theIEEE.2009.1EEE)，更大程度上地保障語音非失真性以及自適應(yīng)濾波器的迭代穩(wěn)定性。較為最近的研究來自 Montazeri 等人(Montazeri, V., N.Pathak, and 1.Panahi, Two-channelmult1-stage speech enhancement for noisy fMRI environment.Electrical and ComputerEngineering, Canadian Journal of, 2013.36 (2):p.60-67)，他們采用 了雙通道、兩階段的自適應(yīng)處理系統(tǒng)，在ASE系統(tǒng)后面加了一個(gè)基于log-spectral估計(jì)的濾波器以進(jìn)一步提高語音信號?？傮w分析可發(fā)現(xiàn)，在高磁場、高分貝、小空間的MRI設(shè)備里設(shè)計(jì)自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)面臨很多實(shí)際困難，比如高磁場環(huán)境要求設(shè)計(jì)的麥克風(fēng)要具有抗磁性，封閉的較小空間限制了多麥克風(fēng)陣列的應(yīng)用。而且傳統(tǒng)的雙通道系統(tǒng)不可能從根本上消除參考通道與期望通道之間的串音現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用指向性麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)信號分離，避免語音失真；具體包括:
[0007]I)四個(gè)全向性麥克風(fēng)等間距排列；
[0008]2)雙階段自適應(yīng)濾波處理器；
[0009]3)均一化的自適應(yīng)濾波算法；
[0010]4)頻譜相減法的后處理算法。
[0011]所述的磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，其特征在于:所述指向性麥克風(fēng)由四個(gè)全向性麥克風(fēng)構(gòu)造而成，包括第一麥克風(fēng)、第二麥克風(fēng)、第三麥克風(fēng)、第四麥克風(fēng)；四個(gè)全向性麥克風(fēng)間距相等且可調(diào)整。
[0012]所述的磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，其特征在于:所述第一麥克風(fēng)和第二麥克風(fēng)設(shè)置位于靠近嘴部一側(cè)。
[0013]作為優(yōu)選方案，所述的磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，其特征在于:所述雙階段自適應(yīng)濾波處理器包括兩個(gè)相互串聯(lián)的FIR自適應(yīng)濾波器，用于分階段地降低MRI噪聲。
[0014]作為優(yōu)選方案，所述的磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，其特征在于:自適應(yīng)濾波器采用的算法為均一化的最小均方算法；具體是指:通過延遲通道構(gòu)造期望信號；指向性麥克風(fēng)通過四個(gè)全向性麥克風(fēng)構(gòu)造，用以生成參考信號以及延遲通道前的信號；指向性的信號通過聲壓差實(shí)現(xiàn)如下:
[0015]dir2 (n) =X2 (n)-X3 (n) (I)
[0016]dir3 (η) =X3 (η)-χ4 (η) (2)[0017]其中，dir2表示含有強(qiáng)語音和MRI噪聲比的信號，dir3表示弱語音和MRI噪聲比的信號；因此，Clir3用作參考信號，Clir2用作期望信號通道；
[0018]兩個(gè)方向的聲壓差將人為地構(gòu)造出不同的強(qiáng)度的語音信號和MRI噪聲比；兩個(gè)濾波器的系數(shù)迭代算法如下:
[0019]Yi (n) =Wi (n) tX1 (n) (3a)
[0020]ei (n) =Cli (η) Ii (η) (3b)
[0021]Wi (η+1) =Wi (η) + μ (η) Xi (η) (3c)
[0022]其中，μ i(i=l，2)是算法的收斂系數(shù)，i表示不同的濾波器；根據(jù)參考信號的能量值，對收斂系數(shù)μ i采用均一化處理，如下:
【權(quán)利要求】
1.一種磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用指向性麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)信號分離，避免語音失真；具體包括: 1)四個(gè)全向性麥克風(fēng)等間距排列； 2)雙階段自適應(yīng)濾波處理器； 3)均一化的自適應(yīng)濾波算法； 4)頻譜相減法的后處理算法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，其特征在于:所述指向性麥克風(fēng)由四個(gè)全向性麥克風(fēng)構(gòu)造而成，包括第一麥克風(fēng)、第二麥克風(fēng)、第三麥克風(fēng)、第四麥克風(fēng)；四個(gè)全向性麥克風(fēng)間距相等且可調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，其特征在于:所述第一麥克風(fēng)和第二麥克風(fēng)設(shè)置位于靠近嘴部一側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，其特征在于:所述雙階段自適應(yīng)濾波處理器包括兩個(gè)相互串聯(lián)的FIR自適應(yīng)濾波器，用于分階段地降低MRI噪聲。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，其特征在于:自適應(yīng)濾波器采用的算法為均一化的最小均方算法；具體是指:通過延遲通道構(gòu)造期望信號；指向性麥克風(fēng)通過四個(gè)全向性麥克風(fēng)構(gòu)造，用以生成參考信號以及延遲通道前的信號；指向性的信號通過聲壓差實(shí)現(xiàn)如下:
dir2 (n) =x2 (n)-x3 (n) (I)
dir3 (η) =X3 (η) -χ4 (η) (2) 其中，dir2表示含有強(qiáng)語音和MRI噪聲比的信號，dir3表示弱語音和MRI噪聲比的信號；因此，Clir3用作參考信號，Clir2用作期望信號通道；兩個(gè)方向的聲壓差將人為地構(gòu)造出不同的強(qiáng)度的語音信號和MRI噪聲比；兩個(gè)濾波器的系數(shù)迭代算法如下:
Ii (n) =Wi (n) 1Xi (n) (3a)
θ? (n) =Cli (η) -Yi (η) (3b) Wi (η+1) =Wi (η) + μ (η) Xi (η) (3c)其中，μ i (i=l, 2)是算法的收斂系數(shù)，i表示不同的濾波器；根據(jù)參考信號的能量值，對收斂系數(shù)μ i采用均一化處理，如下:
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)，其特征在于:所述磁共振成像掃描設(shè)備自適應(yīng)語音增強(qiáng)系統(tǒng)采用基于噪聲頻譜相減的后處理語音信號處理方法對自適應(yīng)控制的結(jié)果進(jìn)行后處理。
【文檔編號】H04R1/32GK104036783SQ201410209863
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】孫國華, 胡巧聲, 徐豐 申請人:孫國華, 胡巧聲, 徐豐