磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，该系统利用指向性麦克风实现信号分离，避免语音失真；具体包括：1）四个全向性麦克风等间距排列；2）双阶段自适应滤波处理器；3）均一化的自适应滤波算法；4）频谱相减法的后处理算法。本发明提供的磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，利用指向性麦克风处理技术能够有效地抑制语音信号和噪声通道传感器之间的互相干扰，确保自适应滤波器稳健、自动化地进行信号处理，消除MRI噪声对通讯麦克风语音信号的干扰，提高医患之间的语音通话质量。
【专利说明】磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统。
【背景技术】
[0002]目前，近年来，磁共振成像(MRI, Magnetic Resonance Imaging)仪越来越多地用于医疗诊断以及生物医学研究中。MRI的最大优点在于它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法。但是，其日益凸显的缺点是在MRI运行过程中产生的各种高分贝噪声。据报道显示(More, S.R., et al., Acousticnoise characteristics of a4Telsa MRI scanner.Journal of Magnetic ResonanceImaging, 2006.23(3):p.388-397.)，现代的MRI设备(磁场强度在3特斯拉以上)辐射出的噪声声压值一般在90-130dBA，远远超出了人耳所能承受程度，长时间暴露在这种高噪声环境下，不但容易造成某些患者的听力损伤。因此，一般都要求患者和医护人员配戴耳塞、耳罩等听力保护设备。这些传统的听力保护措施可以在一定程度上降低噪声对人耳的影响，可一般都是采用隔声、吸声等被动的控制方式，往往只在中高频率有效，而在低频的控制效果很不理想。因此，一些学者(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)米用了主动噪声控制技术(ANC, Active Noise Control)来抑制MRI扫描过程中福射的噪声,相关的研究表明取得了显著的降噪效果，特别是主动控制和被动控制的相互结合。然而，高分贝的MRI噪声不但容易造成患者听力损伤，而且医患之间的语音通讯基本无法保障。本发明将描述一种自适应的语音增强系统来抑制MRI背景噪声对通讯麦克风的干扰提高语音清晰度。
[0003]许多学者都进行了自适应语音增强系统(ASE, Adaptive Speech Enhancement)的研究来用于MRI设备上。需要指出的是ASE系统与传统的ANC系统比较相似，都是基于自适应滤波器以及相应的自适应最小均方算法(LMS, Least Mean Square)对信号进行处理通过波形的相互干涉抵消实现降噪。2005年，Jung等人最先开展了 MRI噪声背景下的自适应语音增强石开究(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)的单通道控制系统，只需要处理通讯麦克风采集的语音以及MRI噪声信号，通过系统自带的参考信号通道延迟(延迟)构造参考信号。自适应滤波器会根据参考信号的信息(理想状态是只有MRI噪声)更新系统参数最终去除掉通讯麦克风中污染语音信号的背景MRI噪声只保留清晰的语音信号。但是，这种传统的单通道系统很难完全把参考信号中的语音信号与所要处理的信号中的语音信号非相关化，容易造成语音失真。为了解决这一问题，许多学者提出了多通道的自适应控制系统。Pathak等人开发了双通道的ASE系统(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),让一个麦克风靠近嘴部米集混淆信号，另一个麦克风靠近MRI设备米集MRI噪声,报道显不效果比较明显。同时间，为了进一步改善系统的性能，Milani等人采用麦克风阵列去识别MRI 噪声构造参考信号(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)，更大程度上地保障语音非失真性以及自适应滤波器的迭代稳定性。较为最近的研究来自 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)，他们采用 了双通道、两阶段的自适应处理系统，在ASE系统后面加了一个基于log-spectral估计的滤波器以进一步提高语音信号。总体分析可发现，在高磁场、高分贝、小空间的MRI设备里设计自适应语音增强系统面临很多实际困难，比如高磁场环境要求设计的麦克风要具有抗磁性，封闭的较小空间限制了多麦克风阵列的应用。而且传统的双通道系统不可能从根本上消除参考通道与期望通道之间的串音现象。
【发明内容】
[0004]目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统。
[0005]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，该系统利用指向性麦克风实现信号分离，避免语音失真；具体包括:
[0007]I)四个全向性麦克风等间距排列；
[0008]2)双阶段自适应滤波处理器；
[0009]3)均一化的自适应滤波算法；
[0010]4)频谱相减法的后处理算法。
[0011]所述的磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，其特征在于:所述指向性麦克风由四个全向性麦克风构造而成，包括第一麦克风、第二麦克风、第三麦克风、第四麦克风；四个全向性麦克风间距相等且可调整。
[0012]所述的磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，其特征在于:所述第一麦克风和第二麦克风设置位于靠近嘴部一侧。
[0013]作为优选方案，所述的磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，其特征在于:所述双阶段自适应滤波处理器包括两个相互串联的FIR自适应滤波器，用于分阶段地降低MRI噪声。
[0014]作为优选方案，所述的磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，其特征在于:自适应滤波器采用的算法为均一化的最小均方算法；具体是指:通过延迟通道构造期望信号；指向性麦克风通过四个全向性麦克风构造，用以生成参考信号以及延迟通道前的信号；指向性的信号通过声压差实现如下:
[0015]dir2 (n) =X2 (n)-X3 (n) (I)
[0016]dir3 (η) =X3 (η)-χ4 (η) (2)[0017]其中，dir2表示含有强语音和MRI噪声比的信号，dir3表示弱语音和MRI噪声比的信号；因此，Clir3用作参考信号，Clir2用作期望信号通道；
[0018]两个方向的声压差将人为地构造出不同的强度的语音信号和MRI噪声比；两个滤波器的系数迭代算法如下:
[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)是算法的收敛系数，i表示不同的滤波器；根据参考信号的能量值，对收敛系数μ i采用均一化处理，如下:
【权利要求】
1.一种磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，该系统利用指向性麦克风实现信号分离，避免语音失真；具体包括: 1)四个全向性麦克风等间距排列； 2)双阶段自适应滤波处理器； 3)均一化的自适应滤波算法； 4)频谱相减法的后处理算法。
2.根据权利要求1所述的磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，其特征在于:所述指向性麦克风由四个全向性麦克风构造而成，包括第一麦克风、第二麦克风、第三麦克风、第四麦克风；四个全向性麦克风间距相等且可调整。
3.根据权利要求2所述的磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，其特征在于:所述第一麦克风和第二麦克风设置位于靠近嘴部一侧。
4.根据权利要求1所述的磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，其特征在于:所述双阶段自适应滤波处理器包括两个相互串联的FIR自适应滤波器，用于分阶段地降低MRI噪声。
5.根据权利要求4所述的磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，其特征在于:自适应滤波器采用的算法为均一化的最小均方算法；具体是指:通过延迟通道构造期望信号；指向性麦克风通过四个全向性麦克风构造，用以生成参考信号以及延迟通道前的信号；指向性的信号通过声压差实现如下:
dir2 (n) =x2 (n)-x3 (n) (I)
dir3 (η) =X3 (η) -χ4 (η) (2) 其中，dir2表示含有强语音和MRI噪声比的信号，dir3表示弱语音和MRI噪声比的信号；因此，Clir3用作参考信号，Clir2用作期望信号通道；两个方向的声压差将人为地构造出不同的强度的语音信号和MRI噪声比；两个滤波器的系数迭代算法如下:
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)是算法的收敛系数，i表示不同的滤波器；根据参考信号的能量值，对收敛系数μ i采用均一化处理，如下:
6.根据权利要求1至5任一项所述的磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统，其特征在于:所述磁共振成像扫描设备自适应语音增强系统采用基于噪声频谱相减的后处理语音信号处理方法对自适应控制的结果进行后处理。
【文档编号】H04R1/32GK104036783SQ201410209863
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】孙国华, 胡巧声, 徐丰 申请人:孙国华, 胡巧声, 徐丰