CN101427154A - 使用远程位置麦克风进行语音激活控制的超声成像系统 - Google Patents

使用远程位置麦克风进行语音激活控制的超声成像系统 Download PDF

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Abstract

超声成像系统(20)，包括能确定语音命令方向并且使麦克风有选择地从所确定方向接收声学输入的方向跟踪麦克风(14)。然后，语音识别(18)解释语音命令，相应地控制超声成像系统的操作。例如，方向跟踪麦克风可以从多个全向麦克风当中选择用以接收最响亮信号的一个或者选择由多个单向麦克风组成的相控阵。

Description

使用远程位置麦克风进行语音激活控制的超声成像系统
发明领域
[001]本发明涉及超声成像系统的操作员控制，更具体地说，涉及使用远离系统的操作员的麦克风对超声成像系统进行语音控制。
背景技术
[002]最近几年来，语音识别技术的开发已经发展到了当用户以音频方式控制它们的超声系统时超声系统的免提控制将变得很有效的地步。包括本申请的受让人在内的多家超声系统制造商已经开发并展示了样机语音控制超声系统。在美国专利No.5,544,654中描述了一个这样的系统，在此通过引用方式将其并入。在美国专利No.5,544,654描述的系统中，麦克风连接到个人计算机，个人计算机解释语音命令并且向超声系统发出相对应的命令信号。虽然此申请中示出的麦克风是耳机麦克风，但是此专利预料到，可以使用由声谱仪工作者或者其它操作员佩戴的其它麦克风甚至安装在个人计算机或者超声机上的“远谈(far-talk)”麦克风。
[003]在美国专利No.6,743,175和美国专利申请公开No.2003/0068011和2005/0054922中描述了其它的语音控制超声成像系统，其全部在此通过引用方式并入。
[004]对于美国专利No.5,544,654中描述的方法，主要存在两点局限性。使用由声谱仪工作者佩戴的麦克风的第一方法限制声谱仪工作者到超声成像系统，因为电缆把麦克风连接到成像系统。电缆的长度限制了声谱仪工作者能够离开成像系统的距离。当然，电缆长度可以增加，但是这样做的结果会恶化电缆抓牢或者卷绕对象或者缠结的问题。
[005]美国专利No.5,544,654提出的使用“远谈”麦克风的其它方法具有使声谱仪工作者不必物理连接到超声成像系统的优点。然而，对于今天的语音识别技术来说，这完全是不实际的。如在本领域中能够容易地理解，任意语音识别系统的准确度在很大程度上取决于输入到语音识别系统的音频信号的质量。即使中等差的信噪比通常也会使语音识别成为不可用的。“远谈”麦克风的使用可能在诸如无回声房间等非常安静的受控环境中能提供具有合适信噪比的音频信号。但是在存在多个噪声源的医院实验室或者手术间或者其它医学环境中，这肯定无法提供足够质量的音频信号。可以试图开发过滤软件来筛除噪声源。在医院环境中可以预期到一些噪声源，譬如设备噪声、空调和加热噪声、背景谈话和街道噪声。因此可能的噪声源在数量上是非常多的，它们在本质上是千变万化的，故而使得过滤非常实际。还有，一些噪声源是诸如通过发声系统的呼叫的语音，在没有使语音识别系统不可用的情况下，不能对其进行过滤。
[006]因此需要一种不要求声谱仪工作者佩戴麦克风就能提供足够质量的音频输入信号以确保目前存在的语音识别能力所具有的准确度的语音控制超声成像系统。
发明内容
[007]提供超声图像的系统和方法包括确定语音命令方向的方向跟踪麦克风。然后，方向跟踪麦克风提供与有选择地从确定方向接收的声音相对应的音频信号。音频信号被提供给语音识别系统，其解释音频信号以检测语音命令。然后，语音识别系统生成与检测语音命令相对应的命令信号，并且向超声成像系统提供命令信号。根据命令信号对超声成像系统的操作进行控制。优选地，超声成像系统包括具有显示屏的显示器。在此情况下，优选地，方向跟踪麦克风安装在显示器上，以及，在显示屏所面向的同一方向上，方向跟踪麦克风是有选择地敏感的。语音识别系统可以基于硬件或者软件，可以是独立单元或者是超声成像系统的组成部分。
附图说明
[008]图1是根据本发明的一个示例的语音控制超声成像系统的系统方框图。
[009]图2是说明为什么使用远场麦克风的传统的语音控制成像系统不能够提供足够质量的音频信号以确保语音识别的准确度的示意图。
[010]图3是说明为什么根据本发明的一个示例使用方向跟踪麦克风的语音控制成像系统能够提供足够质量的音频信号以确保语音识别的准确度的示意图。
[011]图4是根据本发明的一个示例能够用于图1的语音控制超声成像系统的方向跟踪麦克风的方框图。
[012]图5是根据本发明的另一示例能够用于图1的语音控制超声成像系统的方向跟踪麦克风的方框图。
[013]图6是根据本发明的一个示例的超声成像系统的轴测图。
[014]图7是根据本发明的一个示例能够在图6的超声成像系统中使用的电部件的方框图。
[015]图8是根据本发明的另一示例能够在图6的超声成像系统中使用的电部件的方框图。
具体实施方式
[016]在图1中示出了根据本发明的一个示例的语音控制超声成像系统10的基本组件。方向跟踪麦克风14用于提供来自一个或多个声谱仪S1、S2、S3的音频信号。来自麦克风14的音频信号被施加给语音识别系统18。语音识别系统18基于音频信号而解释语音命令，然后向超声成像系统20发出相对应的命令信号。然后，超声成像系统20执行语音命令所要求的操作。
[017]虽然它们可能不一定位于相对于系统20的同一方向，但是这里假定声谱仪S1、S2、S3位于超声成像系统20听得见的附近。定向麦克风14使用下述多种技术之一，迅速地跟踪来自任意声谱仪S1、S2、S3的语音命令。一旦麦克风14确定了音频源的方向，它就马上有选择地仅仅来自该方向的声学输入做出响应。麦克风14还能通过改变其有选择地对声学输入做出响应的方向，来跟踪音频源的任意移动。麦克风能快速地(优选在几毫秒内)执行这些功能，因此语音识别系统18能够解释包括命令的初始部分在内的全部语音命令。
[018]语音识别系统18可以是独立的电子单元、运行传统的或者专门开发的语音识别应用的个人计算机、嵌入超声成像系统20中的电子线路、运行传统或者专门开发的语音识别应用的成像系统20中的处理器、或者一些其它类型的语音识别系统。具有这样的语音识别能力的系统是传统的，可以从各种商业渠道获得，其在一些之前引用的专利和专利申请中进行了描述。
[019]与图2所示的传统方法相比，图3说明方向跟踪麦克风14能够提供足够质量的音频信号以确保目前存在的语音识别能力所具有的准确度的方式。首先，参考图2，美国专利No.5,544,654中描述的传统的“远谈”麦克风30连接到具有语音命令识别能力的超声成像系统(未显示出)。声谱仪S和三个噪声源N1、N2、N3位于麦克风30可听得到的范围内。麦克风30可能具有各向同性，或者，可能稍微具有方向性。在这两种情况下，麦克风30都能够从声谱仪S中收集语音命令，但是它还收集来自噪声源N1、N2、N3的声音。结果，麦克风30施加给语音识别系统的音频信号的信噪比所具有的质量不足以确保语音命令的准确识别。
[020]与图2中示出的使用远谈麦克风30形成对比，因为图3所示的原因，方向跟踪麦克风14能够提供足够质量的音频信号以确保语音命令的准确识别。如图3所示，用于系统10(图1)的方向跟踪麦克风14具有非常好的定向灵敏度。结果，一旦确定来自声谱仪S的语音命令的方向，麦克风14就马上仅仅接收来自声谱仪S的声音。值得注意的是，麦克风14对来自噪声源N1、N2、N3的声音基本上不敏感。结果，来自麦克风14的音频信号基本上与来自声谱仪工作者S佩戴的麦克风的音频信号具有相同的质量。
[021]图4中示出能够用作系统10中的方向跟踪麦克风14的方向跟踪麦克风40的一个示例。单向麦克风42A、42B、42C...42N排成一列，因此它们对多个相应方向内的声学输入敏感。每个麦克风42A、42B、42C...42N产生相应的音频信号A、B、C...N。将所有音频信号A、B、C...N施加到比较器44上，同时将每个音频信号A、B、C...N施加到相应的开关46A、46B、46C...46N上。开关46A、46B、46C...46N的输出端相互连接在一起，然后连接到方向跟踪麦克风40的输出端48。开关46A、46B、46C...46N的操作由比较器44相应的输出进行控制。
[022]在操作过程中，比较器44比较来自单向麦克风42A、42B、42C...42N的所有信号A、B、C...N的幅度，然后确定这些信号A、B、C...N中哪一个的幅度最大。然后，比较器44向相对应的开关46A、46B、46C...46N输出控制信号，从而将具有最大幅度的音频信号连接到输出端48。
[023]方向跟踪麦克风40的操作基于如下假设：声谱仪的语音命令将比单向麦克风42A、42B、42C...42N附近的任何噪声源都响亮。该假设一般是正确的。然而，当超声成像系统将用于噪声严重的环境时，比较器44可以采用诸如过滤等处理技术，以便使所述比较对语音命令更敏感，而对噪声源的敏感度较低。
[024]图5示出能够用作系统10中的方向跟踪麦克风14的方向跟踪麦克风50的另一示例。使用全向的或者稍微定向的麦克风54A、54B、54C...54N的线性阵列52。所有麦克风54A、54B、54C...54N接收语音命令和麦克风附近的任意噪声。每个麦克风54A、54B、54C...54N的音频信号输出都被施加到各自的延迟单元56A、56B、56C...56N，延迟单元使各个麦克风54A、54B、54C...54N的音频信号延迟，相应的延迟值是从延迟控制单元58那里接收的。延迟控制单元58接收来自麦克风54A、54B、54C...54N的所有音频信号。将延迟单元56A、56B、56C...56N的各个输出施加到累加电路60上，从而生成输出端62处的合成音频信号。
[025]在操作过程中，延迟控制单元58使用来自麦克风54A、54B、54C...54N的信号来确定语音命令的方向。然后，延迟控制单元58使用传统的相控阵(phased-array)技术来设置每个延迟单元56A、56B、56C...56N的延迟，以便有选择地从确定方向接收声音。当然，语音命令源可以移动，于是，可以从不同方向接收语音命令。在此情况下，延迟控制单元58迅速确定语音命令源的移动方向或者新语音命令的方向，然后生成适当的延迟控制信号，以将阵列52的声学方位响应引导到语音命令的方向上。
[026]在方向跟踪麦克风50的其它示例中，延迟控制单元58不仅确定语音命令的方向，而且还使用常规处理技术来确定源自阵列52的语音命令的距离。然后，延迟控制单元58使用传统的相控阵技术设置每个延迟单元56A、56B、56C...56N的延迟，以便有选择地从所确定距离以及方向接收声音。
[027]图6示出根据本发明的一个示例的超声成像系统70。系统70包括机箱72，后者包含系统70的大部分电子线路。机箱72安装在大车74上，而具有显示屏78的显示器76安装在机箱72上。显示器76通过关节臂80支撑在机箱72上，从而允许显示器76实际上处于任意位置以及允许屏幕78实际上面向任意方向。因此，在检查期间，声谱仪工作者或者其它医务人员不需要位于机箱72的前方。然而，声谱仪工作者和可能的其它医务人员实际上处于任意位置的可能性，对包括在机箱72内的语音命令识别系统84提出了挑战。系统70通过将方向跟踪麦克风90放置在面向显示屏78所面向的同一方向的显示器76上，来解决该挑战。方向跟踪麦克风90安装在这个位置上基于以下假设：检查中涉及的声谱仪工作者和任意其它医务人员将始终位于屏幕78的观察位置。因此，方向跟踪麦克风90通常将始终面向声谱仪工作者和任意其它医务人员的观看和使用系统的方向。然后，麦克风90每次从屏幕78的前方区域，有选择地从单个方向接收语音命令，如上所述。方向跟踪麦克风90可以是图4中示出的方向跟踪麦克风40、图5中示出的方向跟踪麦克风50、或者根据本发明的一些其它示例的方向跟踪麦克风。
[028]另外参考图6，超声成像探头(未显示出)一般插入机箱72上的三个连接器92之一。虽然系统70能够由语音命令进行控制，但是，机箱72还包括包含键盘的控制面板94，以允许声谱仪工作者手动操作超声成像系统70以及输入所管理的有关病人或者正在进行的检查的类型的信息。在控制面板94的后部是触摸屏显示器96，其显示的可编程软键盘用于在控制系统10的操作时补充语音命令识别系统84。
[029]图7中说明用于图6的超声成像系统70的电部件的一个示例。包括阵列传感器112的超声探头110在波束形成器114的控制之下进行操作，其使阵列传感器将超声波束传入病人体中并且接收返回的回声信号。接收回声信号通过连接到信号处理器116的波束形成器114形成相干的回声信号的接收波束。信号处理器使用相干的回声信号执行诸如过滤、解调、检测、或者多普勒估计等功能。处理过的回声信号耦合到图像处理器118，其中它们被处理以形成二维或者三维图像格式的诸如B型或者M型图像信号或者颜色或者光谱多普勒图像信号等图像信息。然后，图像信息耦合到显示器76(图6)，从而在屏幕78上显示图像。波束形成器114和超声系统的处理器116、118的功能由系统控制器122控制，所述系统控制器122控制以及调整这些元件的功能，包括初始化以及改变它们的操作状态，因此显示装置将按照超声系统操作员的意愿，显示信息类型。
[030]在传统的超声成像系统中，系统控制器112仅仅从控制面板94(图6)和触摸屏显示器96中接收操作员发出的控制命令。根据本发明的一个示例，控制面板94和触摸屏显示器96由命令多路复用器(mux)126耦合到系统控制器122。命令复用器126使能系统控制器122从任意的控制面板94、触摸屏显示器96、或者语音控制器130中接收输入信号。命令复用器126还可以复用来自诸如脚踏开关(未显示出)等其它控制设备的输入信号。语音控制器130包括语音识别处理器134，其通过产生表示听得见的信息的数字输出信号，从而响应来自方向跟踪麦克风90的语音输入。方向跟踪麦克风90可以是图4中示出的方向跟踪麦克风40、图5中示出的方向跟踪麦克风50、或者根据本发明的一些其它示例的方向跟踪麦克风。
[031]命令编码器138把语音识别处理器134的数字输出信号转换为由系统控制器122可用的数字命令信号。语音识别处理器134和命令编码器138可以合并成单个单元，以用于接收音频输入信号以及产生作为输出信号的超声系统控制信号。命令复用器126有选择地响应来自控制面板94、触摸屏显示器96、语音控制器130或者两者的信号，并且将信号耦合到系统控制器122。系统控制器122通过实现改变到超声系统的当前状态，诸如改变方式或者在显示器上显示新的或者不同的消息，来响应这些输入。
[032]图8说明根据本发明的另一示例的超声成像系统70的电部件。超声成像系统70包括用电缆154连接到传统设计的超声信号通道160的超声成像探头150。如在本领所熟知的那样，超声信号通道160包括把电信号耦合到探头150上的发送器(未显示出)、从探头150接收与超声回波相对应的电信号的获取单元(未显示出)、处理来自获取单元的信号以执行各种功能(诸如隔离来自具体深度的返回信号或者隔离来自流过脉管的血的返回信号)的信号处理单元(未显示出)、以及转换来自信号处理单元的信号以便它们适合于由显示器76使用的扫描转换器(未显示出)。在该示例中超声信号通道160能够处理B型(结构上)和多普勒信号两者，以产生各种B型和多普勒容积图像，包括光谱多普勒容积图像。超声信号通道160还包括与处理单元170交互的控制模块164，其控制上述单元的操作。当然，超声信号通道160可以包括除如上所述那些之外的组件，以及，在适当的情况下，可以省略如上所述的一些组件。
[033]处理单元170包括多个组件，譬如包括中央处理单元(“CPU”)174、随机存取存储器(“RAM”)176、以及只读存储器(“ROM”)178。如本领域所熟知的那样，ROM 178存储由CPU 174执行的指令程序、以及由CPU174使用的初始化数据。RAM 176提供由CPU 174使用的数据与指令的暂存器。处理单元170与用于永久存储数据(诸如与系统70获取的超声图像相对应的数据)的诸如磁盘驱动180的大容量存储装置交互。然而，这样的图像数据首先存储到与在超声信号通道160和处理单元170之间延伸的信号通道186相耦合的图像存储装置184中。优选地，磁盘驱动180还存储协议，可以调用并且初始化协议，以指导声谱仪工作者进行各种超声检查。
[034]处理单元170还与控制面板94和触摸屏显示器96交互。根据本发明的一个示例，系统70还包括从方向跟踪麦克风90接收模拟音频信号的模/数(“A/D”)转换器190。A/D转换器190数字化音频信号，以提供数字形式的经过总线194传递到处理单元170的周期性样本。处理单元从ROM178或者磁盘存储器180接收指令，用于传统的或者以后开发的由CPU 174执行的语音识别应用。语音识别应用解释语音命令以及使处理单元170把相对应的命令信号施加到超声信号通道160的控制模块164中。

Claims (19)

1、一种用于提供超声图像的系统，包括：
方向跟踪麦克风，用于确定语音命令的方向，以及，提供与有选择地从所确定的方向接收的声音相对应的音频信号；
耦合到所述方向跟踪麦克风的语音识别系统，所述语音识别系统从所述方向跟踪麦克风中接收所述音频信号，解释所述音频信号以检测语音命令，以及，提供与所述检测语音命令相对应的命令信号；
耦合到所述语音识别系统的超声成像系统，所述超声成像系统从所述语音识别系统中接收所述命令信号，以及，根据所述命令信号控制所述超声成像系统。
2、权利要求1的系统，其中，所述语音识别系统包括：
处理器；
由所述处理器执行的语音识别程序。
3、权利要求2的系统，其中，所述处理器是所述超声成像系统的组成部分，用于控制所述超声成像系统的操作。
4、权利要求1的系统，其中，所述超声成像系统包括具有显示屏的显示器，
其中，所述方向跟踪麦克风安装在所述显示器上，并且，有选择地在所述显示屏所面向的同一方向上敏感。
5、权利要求1的系统，其中，所述方向跟踪麦克风还用于确定来自所述方向跟踪麦克风的语音命令的距离，以及，有选择地从所确定的距离接收声音。
6、权利要求1的系统，其中，所述方向跟踪麦克风包括相控阵方向跟踪麦克风。
7、权利要求6的系统，其中，所述方向跟踪麦克风包括：
多个麦克风，其中的每个麦克风都具有包括多个方向的声学敏感度图案，从所述多个方向能够预期语音命令，其中的每个麦克风都各自提供与由所述麦克风接收的声音相对应的音频信号；
多个延迟单元，其中的每个延迟单元都具有耦合到一个相应麦克风以便从所述麦克风接收所述音频信号的输入端，其中的每个延迟单元都用于通过延迟所述音频信号来产生延迟音频信号，其延迟量与施加到所述延迟单元的控制端上的延迟值相对应；
一个延迟控制单元，耦合到所述麦克风以便从所述麦克风接收所述音频信号，所述延迟控制单元基于所述接收音频信号确定语音命令的方向，以及，施加所述延迟值到所述延迟单元的所述控制端上，以使所述麦克风整体上在所确定的方向有选择地敏感；
一个加法器，被连接以从所述延迟单元接收所述延迟音频信号，以及，将所述延迟音频信号合并成合成音频信号。
8、权利要求1的系统，其中，所述方向跟踪麦克风基于由所述方向跟踪麦克风接收的声音的幅度而执行它的方向跟踪功能。
9、权利要求8的系统，其中，所述方向跟踪麦克风包括：
多个单向麦克风，具有在不同方向延伸的声学敏感度图案，其中的每个单向麦克风都用于提供与由所述单向麦克风接收的声音相对应的音频信号；
多个开关，其中的每个开关都具有输入端、输出端和控制端，其中每个开关的输入端耦合到来自相应单向麦克风的音频信号，它的输出端耦合到公共输出端，其中的每个开关一旦在它的控制端接收到控制信号就把它的输入端连接到它的输出端；
一个比较器，从所述单向放大器接收所述音频信号，所述比较器比较从所述多个单向麦克风接收的所述音频信号的幅度，以及，识别具有最大幅度的音频信号是从哪一个单向麦克风提供的，所述比较器还施加所述控制信号到一个开关的控制端上，所述开关的输入端耦合到所识别的单向麦克风。
10、权利要求1的系统，其中，所述方向跟踪麦克风用于确定语音命令的方向，以及，用于在所述语音命令开始的几毫秒内提供与有选择地从所确定的方向接收的声音相对应的音频信号。
11、权利要求1的系统，其中，所述方向跟踪麦克风还包括使所述麦克风的方向跟踪功能有选择地响应语音声音的处理器。
12、权利要求1的系统，其中，所述语音识别系统是所述超声成像系统的一个组成部分。
13、一种用于对超声成像系统的操作进行控制的方法，包括：
确定语音命令的方向；
有选择地从所确定的方向接收含有所述语音命令的声音；
基于所述接收语音命令，识别超声成像系统命令；
在所述超声成像系统中执行与所识别的超声成像系统命令相对应的操作。
14、权利要求13的方法，其中，基于所述接收语音命令识别超声成像系统命令的动作是由所述超声成像系统执行的。
15、权利要求13的方法，其中，所述超声成像系统包括具有显示屏的显示器，其中所述方法还包括：
确定所述显示屏所面向的方向；
有选择地从所确定的方向接收含有所述语音命令的声音；
16、权利要求13的方法，还包括：
确定语音命令的距离；
有选择地从所确定的距离接收含有所述语音命令的声音。
17、权利要求13的方法，其中，确定语音命令的方向以及有选择地从所确定的方向接收声音的动作包括：
在多个位置接收声音，所述声音是在所述各位置从相对宽的角度接收的，所述相对宽的角度包括能够预期到语音命令的多个方向；
基于在所述各位置接收的语音命令的声音，确定所述语音命令的方向；
通过将在所述各位置接收的所述语音命令的所述声音延迟相应的延迟量，从而提供延迟声音，所述延迟量使从所确定的方向接收的所述延迟声音具有相干性；
对所述延迟声音求和，以提供用于识别超声成像系统命令的合成声音。
18、权利要求13的方法，其中，确定语音命令的方向以及有选择地从所确定的方向接收声音的动作包括：
在多个位置接收声音，所述声音是在所述位置从向不同方向延伸的相对窄的角度接收的；
确定在哪个位置所述接收声音最响亮；
使用在所确定的位置接收的所述语音命令来识别超声成像系统命令。
19、权利要求13的方法，其中，确定语音命令的方向以及有选择地从所确定的方向接收所述语音命令的动作包括：
确定所述语音命令的方向；
在所述语音命令开始的几毫秒内有选择地从所确定的方向接收所述语音命令。
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