CN104519447B - 降噪设备和方法以及具有无磁性扬声器的音频播放设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种降噪设备和方法以及具有无磁性扬声器的音频播放设备。所述音频设备包括：输入装置，被配置为接收包含噪声的音频信号；周期估计单元，被配置为估计音频信号中的噪声样式的周期；降噪器，被配置为通过使用估计的噪声样式的周期在频域中从音频信号减去和移除噪声样式；噪声更新器，被配置为根据噪声的幅度变化来更新噪声样式；输出装置，被配置为输出通过移除噪声样式而获得的音频信号。

Description

降噪设备和方法以及具有无磁性扬声器的音频播放设备
本申请要求于2013年10月8日提交到美国专利局的第61/888,137号美国临时申请的权益以及2014年7月8日提交到韩国知识产权局的第10-2014-0085353号韩国专利申请的优先权，它们的公开通过引用全部合并于此。
技术领域
示例性实施例涉及一种能够在不受噪声的不利影响的情况下进行流畅通信的音频通信方法和设备，其中，所述噪声具有在预定时间段重复的样式。具体地，一种音频通信方法方便了医疗人员和病人之间的通信而不会受到核磁共振成像(MRI)过程产生的噪声的不利影响，以便在MRI过程期间通过使用显示器、耳机或扬声器来提供娱乐、通信和病人诊断服务，并且提供了一种在MRI过程期间为病人回放多媒体内容的音频播放设备。
背景技术
一种针对音频通信降低噪声的方法在于使用波束成形技术。该方法包括经由多个麦克风接收包含噪声信号和音频信号的混合的输入，并通过使用最大峰值无失真响应(MKDR)算法和最小方差无失真响应(MVDR)算法来恢复音频信号。
在存在强磁场的MRI环境中，不应使用包括一般磁性部件的材料。因此，在应用强磁场的MRI环境中，一般动态扬声器(dynamic speaker)不能正常工作。已经使用了风动扬声器(pneumatic speaker)或压电扬声器(piezo-electro speaker)以便将音频信号发送到被置于强磁场中的病人。由于这些扬声器不使用磁性材料，因此它们可以在强场MRI环境中工作而不会损害MRI图像质量。然而，这些扬声器由于它们在低频再现能力和输出电平方面的限制而展示的整体特性不佳。
发明内容
一个或更多个示例性实施例包括一种用于在具有周期性样式的高等级的噪声的环境中的说话者和另一方之间的音频通信的系统和方法。
一个或更多个示例性实施例涉及一种在MRI噪声环境中将语音发送到病人的音频播放设备，更具体地，涉及一种设计用于通过使用无磁性扬声器(例如，无磁铁扬声器、不具有磁铁的扬声器等)和用于操作无磁性扬声器的算法来再现诸如语音和音频的音频信号并有效地削弱MRI噪声的系统，其中，所述无磁性扬声器在MRI孔洞内外均正常工作。
一个或更多个示例性实施例包括一种用于在具有周期性样式的高等级噪声的核磁共振成像(MRI)环境中的病人和医务人员之间的音频通信的降噪方法，以及一种被构造为在具有分布在MRI孔洞内外的各种强度的磁场的全部环境中工作的音频播放设备以便在MRI扫描期间为病人提供额外的服务。为了实现这些，提供了一种具有无磁性动态扬声器的音频播放设备和一种包括控制方法和设备的音频播放系统，其中，所述无磁性动态扬声器在MRI磁场中工作，所述控制方法和设备通过适应于磁场强度的改变来保持预定等级的音频性能。音频播放系统是面向MRI的系统，其适应于不管根据头戴式耳机的位置的静态磁场的改变而进行操作。
将在以下描述中部分地阐述其它方面，部分地，通过描述将是清楚的，或者可通过本实施例的实践而得知。
根据示例性实施例的一方面，一种音频设备包括：输入单元，接收包含噪声的音频信号；周期估计器，估计音频信号中的噪声样式的周期；降噪单元，通过使用估计的噪声样式的周期在频域中从音频信号减去和移除噪声样式；噪声更新单元，根据噪声的幅度变化来更新噪声样式；输出单元，输出通过移除噪声样式而获得的音频信号。
周期估计单元可从产生噪声的装置获得噪声的周期信息，或者通过使用在预定时间内获得的音频信号中的数据来计算周期信息。
降噪器单元可包括：匹配单元(例如，匹配装置等)，将噪声样式与音频信号中的当前帧的时间索引匹配；计算器，移除与当前帧的时间索引匹配的噪声帧的频谱，并经由后处理移除残余噪声。
噪声更新单元可确定在音频信号的当前帧中是否存在语音，如果在当前帧中不存在语音则更新噪声样式并请求降噪单元移除噪声样式，确定通过移除噪声样式而获得的输出信号是否被放大到比输入噪声更大的程度以及是否发散，如果输出信号发散，则请求周期估计单元对噪声样式的信息进行初始化。
根据另一示例性实施例的一方面，提供了一种降低噪声的方法，包括：接收包含噪声的音频信号；估计音频信号中的噪声样式的周期；通过使用估计的噪声样式的周期在频域中从音频信号减去和移除噪声样式；根据噪声的幅度变化来更新噪声样式；输出通过移除噪声样式而获得的音频信号。
估计噪声样式的周期的步骤可包括：从产生噪声的装置获得噪声的周期信息，或者通过使用在预定时间内获得的音频信号中的数据来计算周期信息。
减去和移除噪声样式的步骤可包括：将噪声样式与音频信号中的当前帧的时间索引匹配；移除与当前帧的时间索引匹配的噪声帧的频谱；经由后处理移除残余噪声。
更新噪声样式的步骤可包括：确定在音频信号的当前帧中是否存在语音；如果在当前帧中不存在语音则更新噪声样式并从音频信号移除噪声样式，确定通过移除噪声样式而获得的输出信号是否被放大到比输入噪声更大的程度以及是否发散，如果输出信号发散，则对噪声样式的信息进行初始化。
根据另一示例性实施例的一方面，一种音频播放设备包括：音频输出单元，配备有无磁性扬声器并输出音频信号；选择单元，根据由于静态磁场的强度变化而导致的无磁性扬声器的输出变化来选择线圈的长度或电流的强度；再现单元，通过选择的线圈的长度或选择的电流的强度来再现音频信号。
音频输出单元可包括无磁性动态传感器，所述无磁性动态传感器包括：多个线圈，所述多个线圈具有多个长度；分析传感器，测量无磁性扬声器的输出变化。选择单元可从无磁性动态传感器的所述多个线圈中选择至少一个线圈。再现单元可使用选择的线圈根据无磁性动态传感器的特性再现音频信号。
无磁性动态传感器的多个线圈可包括多个环形线圈，所述多个环形线圈具有不同的直径并且连接到一个振动盘。
无磁性动态传感器的与振动盘连接的多个线圈中的线圈可被划分为多个线圈组，操作线圈组的次数可根据选择单元的选择而改变。
电流强度调节器可包括可变电阻或电阻大小选择器和增益控制器，并通过选择电阻的大小来调节选择单元选择的电流的强度。
根据示例性实施例的一方面，一种主动噪声控制方法包括：根据静态磁场的强度选择输出装置，其中，静态磁场根据输出装置的位置而变化；控制在选择的输出装置中使用的增益；通过反映选择的输出装置和增益来计算主动噪声控制信号；通过将主动噪声控制信号输出到选择的输出装置来执行噪声控制。
选择输出装置的步骤可包括：按照从最短到最长的顺序操作多个线圈；分析经由分析传感器获得的输出信号，其中，所述分析传感器用于测量输出装置的响应；确定是否由于输出信号的波形从输入到输出装置的输入信号的波形变形而发生失真以及是否能够再现比噪声更响的输出；从能够在不引起失真的情况下再现输出的线圈中选择最短的线圈。
选择输出装置的步骤可包括：按照电阻大小从最大到最小的顺序对输出装置中的电流强度调整器的电阻进行操作；分析经由分析传感器获得的输出信号，其中，所述分析传感器被配置为测量输出装置的响应；确定是否由于输出信号的波形从输入到输出装置的输入信号的波形偏离而发生失真以及是否能够再现比噪声更响的输出；从能够在不引起失真的情况下再现输出的电阻中选择最大的电阻。
控制增益的步骤可包括：基于与输入噪声等级和使用从输出装置的多个线圈中选择的线圈的无磁性动态传感器的输出有关的信息计算增益。
控制增益的步骤可包括：基于与输入噪声等级和使用从输出装置的电流强度调节器的电阻中选择的电阻的输出有关的信息来计算增益。
计算主动噪声控制信号的步骤可包括：基于与噪声有关的信息以及与用于测量选择的输出装置的响应的分析传感器和选择的输出装置之间的输出特性有关的信息，构造用于产生主动噪声控制信号的滤波器，以减少经由分析传感器输入的噪声的幅度。
计算主动噪声控制信号的步骤可包括：基于与用于测量选择的输出装置的响应的分析传感器和选择的输出装置之间的输出特性有关的信息以及与经由分析传感器输入的噪声的信息，通过使用先前输入的针对选择的输出装置的固定滤波器计算主动噪声控制信号。
根据另一示例性实施例的一方面，一种无磁性扬声器包括：音圈；振动盘，与音圈连接；振动吸收部，在振动盘的中心和边缘之间附接到振动盘的一侧，吸收振动盘产生的振动；挡块，布置在无磁性扬声器的前表面或后表面上，从而使无磁性扬声器的前表面和后表面彼此分离并支撑附接到振动盘的振动吸收部。
振动吸收部可以是由可压缩材料制成的阻尼器。
根据另一示例性实施例的一方面，一种核磁共振成像(MRI)系统包括：孔洞，产生磁场；第一音频输入装置，接收包含位于孔洞附近的第一用户的语音的音频信号；第二音频输入装置，接收包含控制MRI系统的第二用户的语音的音频信号；第一输出装置，经由无磁性扬声器将包含第二用户的语音的音频信号输出到第一用户；第二输出装置，将包含第一用户的语音的音频信号输出到第二用户；主动噪声控制装置，根据在MRI系统中使用的静态磁场的强度对第二音频输入装置接收的音频信号执行主动噪声控制，并将结果发送到第一输出装置；降噪信号处理器，从第一音频输入装置接收的音频信号估计噪声样式，在频域中移除噪声样式，并将结果发送到第二输出装置。
第一音频输入装置可包括指向性麦克风。
根据另一示例性实施例的一方面，一种降低噪声的方法包括：接收包含核磁共振成像(MRI)装置产生的噪声的音频信号；估计噪声的噪声样式的周期；通过使用估计的噪声的样式的周期从音频信号移除噪声样式；输出通过移除噪声样式而获得的音频信号。
估计噪声样式的周期的步骤可包括：从产生噪声的MRI装置获得噪声的周期信息，或者通过使用在预定时间内获得的音频信号中的数据来计算周期信息。
移除噪声样式的步骤可包括：将噪声样式与音频信号中的当前帧的时间索引匹配；移除与当前帧的时间索引相匹配的噪声帧的频谱，并经由后处理移除残余噪声。
附图说明
通过下面结合附图对示例性实施例进行的描述，这些和/或其它方面将会变得清楚和更容易理解，其中：
图1A是根据示例性实施例的在时域中针对每个采样处理噪声的方法的流程图；
图1B示出使用在时域中针对每个采样处理噪声的方法的降噪模拟结果；
图2A是根据示例性实施例的在频域中针对每个缓存(或帧)处理噪声的方法的流程图；
图2B示出使用根据示例性实施例的在频域中针对每个缓存(或帧)处理噪声的方法的降噪模拟结果；
图3示出核磁共振成像(MRI)静磁场的强度根据位置的变化；
图4A到图4H示出根据位置对无磁性扬声器的主动降噪性能测试的结果；
图5是根据示例性实施例的音频设备的框图；
图6是用于解释根据示例性实施例的降低具有周期性的噪声的信号处理方法的示图；
图7是根据示例性实施例的音频播放设备的框图；
图8是根据示例性实施例的音频播放设备的详细框图；
图9示出MRI磁场的方向和无磁性动态扬声器的结构；
图10示出根据示例性实施例的无磁性动态扬声器的多层线圈；
图11示出根据另一示例性实施例的无磁性动态扬声器的多层线圈；
图12是根据示例性实施例的在图8中示出的无磁性动态扬声器的电流强度调整器的框图；
图13是用于解释根据示例性实施例的在图8中示出的静态磁场强度分析器的操作的流程图；
图14示出根据示例性实施例的用于无磁性扬声器的阻尼器(damper)和挡块(stopper)的结构；
图15是根据示例性实施例的降低噪声的方法的流程图；
图16是根据示例性实施例的在音频通信中使用的降噪算法的流程图；
图17是根据示例性实施例的在音频通信中使用的降噪算法的详细流程图；
图18是根据示例性实施例的主动噪声控制(ANC)方法的流程图；
图19示出根据示例性实施例的主动降噪算法；
图20示出根据示例性实施例的核磁共振成像(MRI)系统；
图21示出显示通过将算法应用于MRI噪声而消除了噪声的模拟结果。
具体实施方式
现在将详细参照示例性实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的元件。在这方面，示例性实施例可具有不同形式并且不应被理解为限制于在此阐述的描述；相反，这些示例性实施例被提供以使得此公开将是充分和完整的，并会将本发明构思完整地传达给本领域的技术人员，本发明的范围由权利要求限定。
因此，以下通过参照附图描述示例性实施例以解释具体实施方式的各个方面。
现在将简要地描述在此使用的术语，然后将详细描述一个或更多个示例性实施例。
关于在此使用的术语，在考虑一个或更多个示例性实施例中的功能的同时选择了广泛使用的一般术语，但是在此使用的术语可根据本领域的普通技术人员的意图、先例或新技术的出现而改变。在某些情况下，申请人任意地选择术语，并且在这种情况下，将在具体实施方式中详细描述术语的含义。因此，术语应基于整个说明书的含义和细节被限定，而不是仅被术语的名称限定。
当一部分“包括”或“包含”一元素时，除非另有说明，否则该部分还可包括其它元素。在本说明书中使用的术语“单元”指的是软件部件或硬件部件(诸如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC))，并且执行特定功能。然而，“单元”不限于软件或硬件。“单元”还可被配置为可寻址存储介质并且可被配置为操作一个或更多个处理器。因此，“单元”包括诸如软件元素、面向对象软件元素、类元素和任务元素的元素、处理、功能、属性、程序、子程序、程序代码段、驱动、固件、微代码、电路、数据、数据库、数据结构、表、阵列和变量。在元素和单元中提供的功能可被组合为更少数量的元素和单元或可被划分为更多数量的元素和单元。当诸如“…中的至少一个”的表达出现在一列元素之后，其修饰全部列出的元素而不是修饰列出的单个元素。
现在将参照附图更完整地描述示例性实施例，从而使得本领域的普通技术人员可容易地实现示例性实施例。另外，省略了某些描述以使得示例性实施例的描述是清楚的。
在医学领域使用的医学成像技术中，核磁共振成像(MRI)被最广泛地应用，这是因为其对于人体具有较小的不利影响。然而，由于响亮的噪声和长时间的扫描，MRI对于医务人员和病人造成了不便。在MRI过程期间，病人会体验到响亮的噪声以及由于被局限于狭窄的孔洞中而引起的恐惧和焦躁。因为医务人员在监视病人的情况时听到MRI噪声和语音，所以医务人员也会经受压力。
为了在扫描室内阻断病人听到的噪声，病人被要求佩戴耳塞或耳罩。然而，使用耳塞或耳罩会阻止病人与医务人员进行口头通信，并且不会降低医务人员听到的噪声。另外，该方法会在承受高等级的噪声(诸如直升机或喷气式引擎噪声或工厂中的噪声)的环境中造成通信的严重不便。
一个或更多个示例性实施例包括一种能够通过使用降噪技术和主动噪声控制(ANC)装置来在削弱具有周期性的噪声的同时实现双向音频通信的方法。该方法允许通过应用降噪技术消除了噪声的音频信号的传输，并通过ANC装置在削弱说话者听到的噪声的同时使得说话者能够听到另一方的语音。通过使用该方法，说话者可持续监控另一方的情况，并且例如通过询问当前状态来与另一方通信。
随着诸如计算机断层扫描(CT)、MRI和超声装置的尖端成像设备的发展，医学成像的需求和重要性正在增加。与其它类型的装置相比，由于MRI装置通过显示更清晰的细节人体结构的图像来为医生或病人提供更多条信息并且对于人体无害，因此MRI装置正被更广泛地使用。随着MRI技术的发展，MRI装置可通过使用更强力的磁场在更短时间内提供更精确的图像。然而，随着磁场强度增强，MRI噪声变得更加响亮。MRI扫描产生的100dB以上的高等级噪声会对病人造成很强的不适并且由于长时间的扫描会对听觉器官造成损伤。因此，需要能够在具有高等级噪声的MRI扫描环境中保护听觉器官或允许被检查者听到外部音频或音乐的设备或方法。
一个或更多个示例性实施例包括一种方法，该方法通过使用噪声消除技术和ANC耳机、扬声器系统或显示器，在削弱医务人员和病人在长时间内听到的MRI噪声的同时，能够进行双向音频通信并提供额外的服务，一个或更多个示例性实施例还提供一种设备，该设备通过使用在MRI孔洞内外均可正常工作的无磁性扬声器(例如，无磁铁扬声器、不具有磁铁的扬声器等)以及操作该无磁性扬声器的算法，回放诸如语音和音频的音频信号并主动削弱MRI噪声。通过使用噪声消除技术消除了MRI噪声的病人的音频信号被发送到控制室中的医务人员，戴有ANC耳机的病人经由ANC耳机听到医务人员的语音。通过使用示例性方法和设备，医务人员可持续监控病人的情况，病人可例如通过询问关于MRI扫描的当前状态来与医务人员通信。此外，通过使用该方法和设备，在MRI扫描期间，可为病人提供多媒体内容，医生可对病人执行远程诊断，或者提供针对病人定制的各种补充信息的服务可被提供。
根据在MRI环境中使用的降噪方法和通信方法，包含MRI噪声的病人的音频信号经由扫描室内的麦克风被输入，针对每个采样从输入信号移除噪声分量，得到的信号被输出到控制室。另一方式可包括通过使用耳塞类型输入/输出装置将病人的语音发送到医务人员并使病人能够听到来自扫描室外的音频信号。在这种情况下，通过ANC技术实现降噪，其中，ANC技术使用经由位于耳塞的外部的麦克风输入的信号。
在一个或更多个示例性实施例中，使用MRI过程产生的强磁场的无磁性动态扬声器被用作在MRI环境中再现音频的扬声器。无磁性动态扬声器不使用磁铁，在振动片由于静态磁场和流过音圈的电流之间产生的洛伦兹力而运动时产生声音。在不具有在一般扬声器中使用的永久磁铁的情况下，无磁性动态扬声器可通过使用在MRI环境中存在的强静态磁场来有效地再现宽频谱的声音。
在MRI扫描期间可提供的其它服务可包括娱乐服务以及通过病人和医生之间的通信提供反馈(诸如关于病人的运动的信息)，其中，娱乐服务通过使用显示装置/头部固定的音频播放设备来使病人放松。
在MRI环境中，由于说话者和用于获取音频的麦克风之间的长距离而导致高等级的噪声和负信号噪声比(SNR)，因此难以发送音频并且有效地降低噪声，这是因为噪声比音频更响。此外，因为用于确定音频信号的存在的技术在MRI环境中不精确，所以在其使用方面更新将被移除的噪声分量受限。
图1A是根据示例性实施例的在时域中针对每个采样处理噪声的方法的流程图，图1B示出使用在时域中针对每个采样处理噪声的方法的降噪模拟结果。在图1B中，上面和下面的波形图分别示出了输入信号和输出信号的波形。
参照图1A，输入信号的周期信息被输入(操作110)。
来自输入信号的噪声被存储为周期性噪声样式(操作120)。
基于每个采样，在时域中从输入信号移除噪声样式的采样(操作130)。
确定输入信号中除了噪声之外的语音或音频的存在(操作140)。如果确定音频存在，则处理返回到操作130以处理下一个采样。
如果在操作140音频不存在，则可确定仅存在噪声，并更新噪声样式(操作150)。然后，处理返回到操作130以处理下一个采样。
然而，当如图1A所示来自输入信号的噪声被存储为周期性噪声样式并在时域中对每个采样执行降噪时，输入信号与噪声样式不匹配的部分中的噪声不会被有效地降低，反而被放大，如图1B所示。此外，根据图1A的方法，没有关于输出信号是否发散做出确定。输出信号的发散的意思是输出信号被放大到比输入信号更大的程度，如图1B所示。
图2A示出了根据示例性实施例的在频域中针对每个缓存(或帧)处理噪声的方法，图2B示出使用根据示例性实施例的图2A的方法的降噪模拟结果。在图2B中，上面和下面的波形图分别示出输入信号和输出信号的波形。
参照图2A，噪声样式被存储在缓存中(操作210)。
从噪声样式估计噪声的周期，或者可从外部源输入噪声的周期(操作220)。
对噪声样式和输入缓存执行快速傅里叶变换(FFT)以将噪声样式和输入缓存转换到频域(操作230)。
基于每个缓存从输入缓存减去噪声样式的大小，并可从减法的结果进一步移除残余噪声(操作240)。
对降噪的结果执行逆FFT(IFFT)以将降噪的结果转换到时域(操作250)。
确定输入信号中除了噪声之外的语音或音频的存在(操作260)。如果音频存在，则处理返回到操作230以处理下一缓存。
如果在操作260不存在音频，则可确定仅存在噪声，并更新噪声样式(操作270)。
确定更新的噪声样式是否发散(操作280)。如果更新的样式被用于降噪，则与输入信号相比，输出信号被显著地放大或者发散。因此，为了估计噪声样式的周期，处理返回到操作210。
如果更新的噪声样式不发散，则处理返回到操作230以通过使用更新的噪声样式处理下一个缓存。
当如图2A所示在频域中针对每个缓存(或帧)处理了噪声时，则可如图2B所示通过从输入信号降噪而获得不发散的输出信号。
图3示出MRI静态磁场的强度根据位置的变化。在图3中，如果病人躺在MRI孔洞中并且病人的头部在MRI孔洞的中心，则横坐标轴(Z)可对应于从MRI孔洞的中心朝向其入口(即，病人的腿)的方向。坐标轴(R,Y)可以是从MRI孔洞的中心开始的放射方向，或者是垂直于地面的方向。穿过纸面的方向(X轴方向)可以是从MRI孔洞的中心开始的放射方向，并且是与地面水平的方向。每个杂散场线(stray field line)的值表示高斯值。杂散场线从外向内按照0.05→0.1→0.2→0.5→1→2→5→10→20→50→100→200mT的顺序被表示。
由于无磁性动态扬声器使用在MRI孔洞内创建的静态磁场，因此静态磁场的强度显著地影响无磁性动态扬声器的输出。然而，图3显示出静态磁场的强度从MRI孔洞的中心向MRI孔洞外部迅速地减小。例如，在3特斯拉(T)MRI扫描器中，在距离MRI孔洞的中心大约1.8m处的静态磁场的强度减小到50mT，这等于MRI孔洞的中心处的静态磁场的强度的六十分之一。
图4A到图4H示出根据位置对无磁性扬声器执行的主动降噪性能测试的结果。
图4A和图4B分别示出在孔洞的中心的位置处(与孔洞的中心相距0cm)的主动降噪性能测试的结果以及在与孔洞朝向其内部的一端相距10cm处(与孔洞的中心相距60cm)的主动降噪性能测试的结果。图4C到图4H分别示出在与与孔洞朝向其外部的一端相距20cm、50cm、60cm、70cm、80cm和90cm(与孔洞的中心相距90cm、120cm、130cm、140cm、150cm和160cm)的位置处的主动降噪性能测试的结果。在图4A到图4H中，“ANC关闭”a和“ANC打开”b分别表示在不执行噪声主动降低和在执行噪声主动降低时产生的MRI噪声。
图4A到图4H示出在与没有执行噪声主动降低(“ANC关闭”a)时相比，在执行了噪声主动降低(“ANC打开”b)时噪声被降低了相当大的程度。然而，随着与孔洞的中心的距离增加，输出(即，“ANC关闭”a和“ANC打开”b所指示的噪声等级)之间的差减小。此外，图4E到图4H显示在高频区域中“ANC打开”b所指示的噪声等级变得比“ANC关闭”a所指示的噪声等级更高。
由于在MRI孔洞外部磁场强度低，扬声器无法产生足够的功率输出。因此，如图4E到图4H所示，当病人的头部在MRI孔洞之外而对病人的膝盖或脚执行MRI时，因为扬声器无法产生与MRI噪声的幅度相应的功率输出，所以会发生失真。来自扬声器的失真最终导致再现正常音频信号的失败或使ANC性能降级。从图4E到4H很明显，随着远离MRI孔洞而与MRI孔洞的距离增加，由a指示的包含MRI噪声的信号中的噪声具有比由b指示的MRI噪声被降低的信号中的噪声更高的等级。
在被动模式(病人不能自由的选择内容)的MRI扫描期间，诸如多媒体内容的服务可被提供给病人，并且服务限制于在提供内容之前输入到娱乐系统中的内容的范围。
图5是根据示例性实施例的音频设备500的框图。
参照图5，根据本示例性实施例的音频设备500包括输入单元510(例如，输入装置、输入等)、周期估计单元520(例如，周期估计器、周期估计装置等)、降噪单元530(诸如，降噪器、降噪装置等)、噪声更新单元540(例如，噪声更新器、噪声更新装置等)和输出单元550(例如，输出、输出装置等)。
输入单元510接收包含噪声的音频信号。输入单元510可包括麦克风并接收记录在存储介质上的音频信号或经由网络发送的音频信号。
周期估计单元520估计音频信号中的噪声样式的周期。周期估计单元520可从噪声产生装置获得噪声的周期信息或者通过使用在预定时间内获得的音频信号中的数据来计算周期信息。
降噪单元530通过使用估计的噪声样式的周期在频域中从音频信号减去和移除噪声样式。为了完成此操作，降噪单元530可包括：匹配单元(例如，匹配装置)，用于将噪声样式与音频信号中的当前帧的时间索引相匹配；计算器，用于移除与当前帧的时间索引相匹配的噪声帧的频谱并经由后处理移除残余噪声。
噪声更新单元540根据噪声幅度的改变更新噪声样式。噪声更新单元540还确定在音频信号的当前帧中是否存在语音。如果在当前帧中不存在语音，则噪声更新单元540更新噪声样式。噪声更新单元540请求降噪单元530从音频信号移除噪声样式。
噪声更新单元540还确定通过移除噪声样式而获得的输出信号是否被放大到比输入噪声更大的程度并且发散。如果输出信号发散，则噪声更新单元540请求周期估计单元520将噪声样式的信息初始化。输出信号的“发散”的意思是输出信号被放大到比输入信号更大的程度，如图1B所示。
输出单元550可输出通过移除噪声样式而获得的音频信号。输出单元550可包括用于将音频信号输出为声音的扬声器，并将音频信号记录在存储介质上或经由网络发送音频信号。
在一个或更多个示例性实施例中，一种使得说话者(例如，病人)能够与另一方通信的设备包括：音频输入装置，由至少一个用于获得说话者的语音的麦克风构成；音频播放设备，引入用于在播放音频信号时消除外部噪声的ANC功能；降噪系统，用于对输入的音频信号进行降噪。此外，一种使得另一方能够与说话者(例如，病人)通信的设备可包括：音频输入装置，由至少一个用于获取另一方的语音的麦克风构成；扬声器或头戴式耳机，用于再现传送到另一方的声音。
用于音频通信的降噪
通过经由降噪系统对从自说话者输入到输入装置的信号进行降噪而获得音频信号，将音频信号发送到另一方，并经由扬声器或头戴式耳机装置为另一方播放音频信号。从另一方输入到输入装置的信号也被发送和输出到病人佩戴的或安装在病人身体的一部分上的ANC装置或扬声器。
图6是用于解释根据示例性实施例的降低具有周期性的噪声的信号处理方法的示图。如图6所示，用于从输入到输入装置的音频信号去除噪声信号的降噪系统是这样的信号处理器，所述信号处理器被设计为：通过实时分析经由麦克风输入的噪声信号和从产生周期性噪声的装置输入的噪声的周期信息来提取噪声信号的周期性属性，并且通过基于关于提取的周期性属性的信息从输入信号仅去除噪声信号从而仅传输音频信号。
根据图1A的方法，从时域的当前输入信号减去先前存储的噪声。图1A的方法存在这种问题：如果与当前采样值相应的噪声样式与时域的存储的噪声样式不一致，则不能降低噪声信号，而会放大噪声信号。
如图2A所示，在一个或更多个示例性实施例中，关于噪声信号的周期属性的信息被预先分析或实时获取。此外，获取与噪声信号的每个周期相应的帧中的噪声信号数据。针对具有适合于音频信号处理的形式的每帧输入噪声信号。通过执行频率处理来获得噪声信号数据。然后，通过使用关于周期性属性的信息和噪声信号数据来去除与当前帧相应的信号的频谱。因此，即使当与当前帧相应的样式与存储的噪声样式不是精确地一致，也不会放大噪声，并且算法鲁棒性地运行。为了通过将存储的噪声信号数据与当前帧的时序信息匹配来处理存储的噪声信号数据，可通过使用周期性样式识别周期性噪声的周期信息或者在时域或频域处理经由装置输入的噪声的周期信息来确定周期性属性。
图7是根据示例性实施例的音频播放设备700的框图。
参照图7，音频播放设备700包括音频输出单元710(例如，音频输出、音频输出装置、扬声器等)、选择单元720(例如，选择器、选择装置等)和再现单元730(例如，再现器、再现装置等)。
音频输出单元710配备有无磁性扬声器并且输出音频信号。音频输出单元710可包括无磁性动态传感器和分析传感器(例如，麦克风)，无磁性动态传感器包括具有多个长度的多线圈单元，例如，多个音圈，分析传感器用于测量无磁性扬声器的输出功率的变化、扬声器的响应和噪声等级。多线圈单元包括多个具有不同直径且连接到一个振动盘的多个环形线圈。多线圈单元可通过将环形线圈划分为多个线圈组来操作。操作线圈组的次数根据选择单元720的选择而变化。
音频输出单元710可包括具有用于调节流过音圈的电流的强度的电流强度调节器的无磁性动态传感器。电流强度调节器可包括可变电阻或电阻大小选择器和增益控制器，并且通过选择电阻的大小来调节由选择单元720选择的电流的强度。
选择单元720根据由于静磁场的强度的变化导致的无磁性扬声器的输出功率的变化来选择线圈的长度或电流的强度。选择单元720可从通过线圈长度调节器进行调节的多线圈单元中选择至少一个线圈单元。选择单元720还可选择将通过电流强度调节器进行调节的电流的强度。
再现单元730通过使用选择的线圈长度或选择的电流强度来重放音频信号。再现单元730可使用选择的线圈或选择的电流强度根据无磁性动态传感器的特性来再现语言信号。
图8是根据示例性实施例的音频播放设备800的详细框图。
参照图8，在MRI环境下使用无磁性动态扬声器的根据本示例性实施例的音频播放设备800包括具有多音圈810的无磁性动态扬声器、线圈长度调节器830、电流强度调节器840和静磁场强度分析器850。
无磁性动态扬声器包括多音圈810。无磁性动态扬声器还可包括用于测量扬声器响应和噪声等级的分析传感器820，例如，麦克风。多音圈810包括可连接到一个振动盘860的多个环形线圈。
线圈长度调节器830可通过把将被输出的音频信号输入到选择的线圈来调节从多音圈810中选择的线圈的全长。
电流强度调节器840可通过选择电阻的大小来调节电流的强度。
静磁场强度分析器850可根据磁场的强度来确定电流的强度或线圈的长度。
现在将参照图9至图14更详细地描述音频播放设备800的组件。
1)包括多音圈810的无磁性动态扬声器
图9示出MRI磁场的方向和无磁性动态扬声器的结构。参照图9，无磁性动态扬声器包括用于产生声音的振动盘920和用于移动振动盘920的音圈910。具体地讲，音圈910可以以多层线圈来实现，以具有各种线圈长度。无磁性动态扬声器还可包括支持并保护无磁性动态扬声器的操作部件并且对于无磁性动态扬声器的使用和外观所必要的扬声器支架930和耳机盒940。
图10示出根据示例性实施例的无磁性动态扬声器的多层线圈。
参照图10，当图9中所示的音圈910以多层线圈实现时，音圈910可具有不同的直径和不同的匝数。
图11示出根据另一示例性实施例的无磁性动态扬声器的多层线圈。参照图11，音圈910可通过将具有相同直径和相同匝数的多个环形音圈重叠来实现。
输入信号从图8中所示的线圈长度调节器830输入，并且随后被施加到多层音圈中的每个线圈。每个线圈连接到单个振动盘，并且所有线圈沿不平行于MRI中使用的静磁场BO的方向的它们的中心轴排列。
使用图9至图11中所示的多层音圈的无磁性动态扬声器可安装在耳机型或非耳机型输出装置上。在耳机型输出装置中，无磁性动态扬声器的振动盘朝向人的耳朵设置。在非耳机型输出装置中，无磁性动态扬声器可朝向人的耳朵安装并且可安装在诸如设置在人的头部附近的头枕的结构上。
2)线圈长度调节器830
图8中所示的线圈长度调节器830用于将音频信号输入到多层音圈的输入部分。随后，音频信号将被输出到从多层音圈中选择的线圈。通过选择线圈，线圈的全长可被调节。
3)电流强度调节器840
图12是根据示例性实施例的图8中示出的用于无磁性动态扬声器的电流强度调节器840的框图。参照图12，电流强度调节器840包括用于选择可变电阻或电阻的大小的电阻选择器1210和增益控制器1220，并且可通过选择电阻的大小来调节电流的强度。电流强度调节器840在包括具有各种强度的磁场的MRI环境下通过改变流过连接到振动盘的音圈的电流的强度来保持无磁性动态扬声器的输出。为此，电流强度调节器840可使用可变电阻，并且可根据静磁场的强度因电阻的变化而改变流过音圈的电流的强度。
4)静磁场强度分析器850
图13是用于解释根据示例性实施例的图8中所示的静磁场强度分析器850的操作的流程图。静磁场强度分析器850可根据磁场强度确定电流强度或线圈长度。为此，静磁场强度分析器850可通过使用关于磁场强度的信息来选择线圈或电流强度。
参照图8和图13，线圈长度调节器830初始化线圈长度(即，线圈的选择)，或者电流强度调节器840初始化流过线圈的电流的强度(操作1310)。
静磁场强度分析器850将测试信号输出到扬声器(操作1320)。
静磁场强度分析器850分析经由传感器(例如，扬声器的振动盘附近的麦克风)馈送的输入信号。因此，可通过传感器分析扬声器的输出(操作1330)。
静磁场强度分析器850可基于操作1330中的分析结果确定失真是否发生或者扬声器的输出是否不足(操作1340)。
如果失真发生或者输出不足，则线圈长度调节器830调节线圈长度，或者电流强度调节器840调节流过线圈的电流的强度，以继续静磁场强度的分析(操作1350)。
另一方面，如果失真没有发生或者输出足够，则静磁场强度分析器850可基于静磁场强度的分析结果确定电流密度或线圈长度。
通过使用图13的方法，可经由传感器(例如，安装在扬声器的振动盘附近的麦克风)根据静磁场强度选择线圈或电流强度。
5)用于无磁性扬声器的振动盘的阻尼器
图14示出根据示例性实施例的用于无磁性扬声器的阻尼器和挡块的结构。以振动盘1430和音圈的中心轴朝向人的耳朵(例如，垂直于磁场)的方式来设置无磁性扬声器。无磁性扬声器同时产生第一半环形音圈部分1410朝向中心轴下降的操作方式和第二半环形音圈部分1420沿着与中心轴相反的方向上升的操作方式，从而消除移动音圈的合力。因此，整个音圈具有仅旋转而不线性移动的运动方式。
音圈的外周固定地附着到振动盘1430，并且振动盘1430的支撑力根据由于振动盘1430的形状导致的材料弹性回弹力的差异而沿着音圈的外周是非均匀的。因此，虽然振动盘1430局部执行线性移动，但是由振动盘1430产生的振动大小很小，并且局部振动彼此抵消。因而不可流畅地再现声音。为了允许音圈根据正/负电流信号再现声音，音圈需要平行于它的中心轴以大位移的方式向上或向下移动。通过移动一个半环形音圈部分(例如，第一半环形音圈部分1410)的同时反弹另一个半环形音圈部分(例如，第二半环形音圈部分1420)的运动，可基于音圈的位移的运动来再现声音。
参照图14，为了反弹第二半环形音圈部分的运动，振动吸收部分(即，诸如具有预定弹性的高度可变形的海绵的阻尼器1440)附着到振动盘1430的一侧。为了相同的目的，还将挡块1450安装到阻尼器1440之上，并且用作由诸如塑料的刚性体制成的刚性隔墙。通过沿着振动盘1430向上移动的方向形成阻尼器(1440)-挡块(1450)结构，可抑制振动盘1430的扭转振动并且在更大的程度上执行上下线性运动。在这种情况下，阻尼器1440和挡块1450之间的距离以及阻尼器1440的厚度和密度可能是重要因素。当振动盘1430的向上移动由具有过大的力的阻尼器(1440)-挡块(1450)结构阻碍时，由于振动盘1430的畸变或者非正常变形而难以再现特定的频率范围。相反，当阻尼器1440和挡块1450之间的距离过大从而振动盘1430的向上移动由非常小的力阻碍时，音频输出非常低。此外，因为附着到振动盘1430的阻尼器1440的重量影响振动盘1430的固有频率以及频率响应特性的变化，所以阻尼器1440可根据振动盘1430的机械形状和结构具有适当的尺寸和重量。
现在将参照图15和图16描述根据示例性实施例的降低噪声的方法。
图15是根据示例性实施例的降低噪声的方法的流程图。
参照图15，包含噪声的音频信号被接收(操作1510)。
音频信号的噪声样式的周期被估计(操作1520)。在这种情况下，可从噪声产生装置获取噪声的周期信息，或者可使用在预定时间内获取的音频信号中的数据来计算周期信息。
可通过使用估计的噪声样式的周期从频域的音频信号减去噪声样式来降低噪声(操作1530)。操作1530可包括：将噪声样式与音频信号中的当前帧的时间索引匹配，去除与当前帧的时间索引匹配的噪声帧的频谱，经由后处理去除残余噪声。
噪声样式根据噪声的幅度的变化被更新(操作1540)。操作1540可包括：确定音频信号的当前帧中是否存在语音；如果当前帧中不存在语音，则更新噪声样式，或者从音频信号去除噪声样式；确定通过去除噪声样式获得的输出信号是否以比输入噪声更大的程度放大并且发散；如果输出信号发散，则初始化噪声样式的信息。
通过去除噪声样式获得的音频信号被输出(操作1550)。
图16是根据示例性实施例的用于音频通信的降噪算法的流程图。
图17是根据示例性实施例的用于音频通信的降噪算法的详细流程图。图17更详细地示出操作1640(周期的估计)、操作1650(降噪)和操作1660(更新噪声)。
-谈话者(例如，病人)语音的获取
通过麦克风和用于降噪的输入同时获取谈话者的语音和噪声信号。例如，病人的语音和噪声信号可在MRI扫描室中经由麦克风和用于抵消噪声的输入被同时获取。在这种情况下，因为MRI环境具有高噪声等级，所以谈话者的语音(例如，病人的语音)以比噪声低的等级被输入。因此，在一个或更多个示例性实施例中，使用指向性麦克风来增大SNR。
-音频通信的噪声消除
现在将参照图16和图17详细描述根据示例性实施例的用于音频通信的降噪算法。
参照图16和图17，程序循环(即，用于音频通信的降噪算法)开始(操作1610)。程序循环可以以迭代方式(例如，如图16和图17所示通过在操作1690结束并返回到操作1610)来执行。
对在上述谈话者语音的获取的期间获得的输入信号执行根据本示例性实施例的降噪算法(操作1620)。
确定周期的估计是否完成(操作1630)。如果周期的估计没有完成，则执行周期的估计(操作1640)。如果周期的估计完成，则执行降噪(操作1650)。
当降噪算法运行以在操作1640中估计周期时，输入信号被存储在噪声缓冲器中，并且采样计数开始(操作1642)。
为了将输入信号以足够的大小存储在噪声缓冲器中并且估计周期，输入信号被重复地存储在噪声缓冲器中，直到采样计数到达预定阈值，例如，大于预定阈值(操作1644)。
可通过计算经由噪声缓冲器输入的噪声的周期来估计周期，或者可从噪声产生装置的系统接收周期信息，以用于存储(操作1646)。
然后，执行降噪(操作1650)。
当周期信息的存储在操作1646中完成时，输入信号按帧被存储(操作1652)。在这种情况下，当帧的大小很小时，可抑制降噪的失真。
为了对小的帧执行信号处理，使用以下等式(1)来计算关于在当前帧与存储在噪声缓冲器中的噪声样式匹配时的噪声缓冲器的时序的信息(即，索引信息)(操作1654)：
索引＝mod(计数，周期值) (1)
其中，“索引”表示关于在当前帧与存储在噪声缓冲器中的噪声样式匹配时的噪声缓冲器的时序的信息。
输入帧和与帧大小相应的噪声缓冲器信号(其时序通过使用索引信息与输入帧匹配)被转换到频域，并且输入帧和噪声缓冲器信号的大小被计算(操作1656)。这种转换可通过对输入帧和噪声缓冲器信号执行FFT来完成。
通过使用如以下等式(2)给出的计算的大小从输入信号减去噪声样式信号来分离音频信号(操作1658)。
其中，是估计的语音，X(ejw)是包含噪声的音频，N(ejw)是噪声样式信号。
在从分离的音频信号去除残余的噪声之后，例如通过执行IFFT将降噪的结果转换到时域(操作1659)。
接下来，噪声信息被更新(操作1660)。
当前帧中的语音的存在被确定(操作1662)。如果当前帧中不存在语音，则通过使用输入帧替换噪声缓冲器中的当前帧来更新噪声信息(操作1664)。
确定输出是否发散(操作1670)。
如果在操作1670中输出分散，则方法返回到操作1640以执行周期的估计。
另一方面，如果在操作1670中输出不分散，则当前帧作为音频被输出(操作1680)，并且程序循环结束(操作1690)。当程序循环在操作1690中结束时，方法返回到操作1610，以用于程序循环的迭代。
-另一方的语音和内容的再现
另一方的语音经由另一语音输入装置来获取，并且在ANC正经由安装在包含ANC功能并被谈话者佩戴的输出装置中的扬声器被执行的同时输出所述语音。
示例性实施例包括通过根据按照位置变化的MRI中的静磁场(BO)的强度改变电流强度或导线的全长而适合于在MRI环境下的任何位置操作的音频系统。所述音频系统中的扬声器通过在经受由周围磁场产生的力(如等式(3)所示)时使用流过导线的电流运动的现象来产生音频：
F＝I∫dl×B (3)
其中，F是作用于线圈的力，L是导线的长度，I是流过导线的电流。
此外，以上等式(3)中的磁场B是MRI环境下的基础有力因素。无磁性动态扬声器使用MRI中的静磁场来代替一般磁体。然而，因为静磁场按照位置变化，所以施加于音圈的力F根据位置变化。在磁场B的强度以这种方式变化的环境下，根据一个或更多个示例性实施例，导线的长度L或流过导线的电流I改变，以便恒定地保持施加于音圈的力F。
现在将参照图18描述与此相关的操作。图18是根据示例性实施例的ANC方法的流程图。
参照图18，根据基于输出装置的位置变化的静磁场的强度选择输出装置(操作1810)。
操作1810可包括：以从最短到最长的顺序操作输出装置中的多线圈；分析经由分析传感器(例如，用于测量输出装置的响应的麦克风)获取的输出信号；确定是否由于输出信号的波形从输入到输出装置的输入信号的波形变形而发生失真，以及输出信号是否可比噪声更大声地再现；从可再现输出而不引起失真的线圈中选择最短的线圈。
可选择地，操作1810可包括：以从最大大小至最小大小的顺序操作输出装置中的电流强度调节器的电阻；分析经由分析传感器(例如，用于测量输出装置的响应的麦克风)获取的输出信号；确定是否由于输出信号的波形从输入到输出装置的输入信号的波形变形而发生失真，以及输出信号是否可比噪声更大声地再现；从可再现输出而不引起失真的电阻中选择最大的电阻。
控制在选择的输出装置中使用的增益(操作1820)。操作1820可包括：使用从输出装置的多线圈中选择的线圈以及关于输入的噪声等级的信息基于无磁性动态传感器的输出计算增益。可选择地，操作1820可包括：使用从输出装置中的电流强度调节器的电阻中选择的电阻以及关于输入的噪声等级的信息基于输出计算增益。
使用选择的输出装置和控制的增益来获得ANC信号(操作1830)。操作1830可包括：基于关于分析传感器(例如，用于测量输出装置的响应的麦克风)和选择的输出装置之间的输出特性的信息以及关于噪声的信息，构造用于产生ANC信号的滤波器，以降低经由分析传感器输入的噪声的幅度。可选择地，操作1830可包括：基于关于分析传感器(例如，用于测量选择的输出装置的响应的麦克风)和选择的输出装置之间的输出特性的信息以及关于经由分析传感器输入的噪声的信息，通过使用预先输入的用于选择的输出装置的固定滤波器来计算ANC信号。
通过将计算的ANC信号输出到选择的输出装置来执行噪声控制(操作1840)。
现在将更详细地描述ANC方法。
首先，选择适合于静磁场强度的线圈长度和电流强度。然后，使用选择的线圈长度和电流强度输出具有适合于静磁场强度的功率的音频。可使用根据位置预先分析的关于静磁场强度的信息来选择适合于静磁场强度的线圈长度和电流强度。通过如图3所示确定适合于针对每个位置预先测量的静磁场强度的线圈长度或电流强度，然后根据扬声器的位置改变线圈长度和电流强度，来使用预先分析的信息。
可选择地，可使用诸如麦克风的传感器自动确定线圈长度或电流强度。当扬声器位于MRI中使用的静磁场内并且开始操作时，根据静磁场强度自动选择线圈和电流强度的处理开始。首先，从多线圈(例如，包括如图10所示的具有不同长度的线圈1至线圈3)中选择具有最短长度的线圈。然后将预先输入的测试信号输入到系统，并且经由诸如麦克风的传感器接收作为扬声器的输出而产生的信号。分析接收的信号以确定扬声器的失真是否发生，并且测量扬声器的输出的幅度。如果失真发生或者扬声器的输出不足，则因为MRI中使用的静磁场具有低强度，所以选择具有下一最短长度的线圈。通过针对选择的线圈的长度再现测试信号来分析经由麦克风馈送的输入信号，并且通过增大线圈的长度迭代地执行分析，直到获得适合的输出。可以以与如上所述的方式相同的方式根据静磁场强度来确定电流强度。通过从最低水平到适合的水平迭代地测量电流强度直到不产生失真或者产生足够的输出，来确定电流强度。
现在将详细地描述根据示例性实施例的ANC系统。
通过选择适合于无磁性动态扬声器的位置的线圈或传感器，在MRI开始之前ANC系统进行操作。在多线圈型无磁性动态扬声器中，以从最短到最长的顺序操作线圈。使用诸如随机噪声或扫描正弦信号的测试信号来操作最短线圈。在输出具有最大输出的测试信号之后，分析经由麦克风馈送的输入信号。
如果分析结果显示发生失真或者扬声器的输出不足，则顺序操作下一最短的线圈。在顺序地操作线圈时，通过分析是否发生失真或者用于具有最大输出的测试信号的输出的幅度，来按线圈的长度的顺序测试扬声器的特性。如果测试结果显示在线圈中没有发生失真，并且如以下等式(4)所示扬声器的输出Levelspeaker与MRI噪声的幅度LevelMRI_noise相比足够，则确定使用当前测试的线圈，并且处理进入后续操作。
Levelspeaker＞LevelMRI_noise (4)
在配备有多传感器的无磁性动态扬声器(以下称为“扬声器”)中，通过将测试信号输入到线圈来分析经由麦克风馈送的扬声器的输出信号。输出信号根据扬声器的位置以及扬声器相对于静磁场BO的角度变化。如果作为分析的结果，发生失真或者输出的等级与MRI噪声的等级相比不足，则可选择压电器件。如果在线圈操作时没有发生失真或者输出的等级与MRI噪声的等级相比足够高，则选择线圈，并且处理进入后续操作。
当选择线圈或传感器时，计算并反映线圈或传感器的增益。通过比较MRI噪声等级和根据扬声器的位置以及扬声器相对于静磁场BO的角度确定的扬声器的输出的等级来确定增益。可选择地，通过比较MRI噪声等级和压电扬声器的输出的等级来确定增益。在这种情况下，预先测量的统计信息被用作关于MRI噪声等级的信息，并且在分析用于选择线圈或传感器的测试信号期间经由麦克风输入的数据被用作扬声器的输出的等级。以这种方式，基于关于麦克风的声压的比率的信息将增益计算为0与1之间的值。
图19示出根据示例性实施例的主动降噪算法。
参照图19，当确定线圈或传感器并且随后计算增益时，MRI过程开始，并且针对由MRI过程产生的噪声计算ANC滤波器W的系数。
通过无磁性动态扬声器(以下称为“扬声器”)产生输出(操作1910)。
获取扬声器的输出特性信息和位于人的耳朵附近的误差麦克风的输入信息(操作1920)。
通过使用误差麦克风的输入信息和扬声器的输出特性信息来更新ANC滤波器W，以降低经由误差麦克风输入的MRI噪声(操作1930)。
获取经由用于分析MRI噪声的特性的参考麦克风馈送的输入信号的信息(操作1940)。
使用扬声器和误差麦克风之间的传递函数来修正来自参考麦克风的输入(操作1950)。sh’表示用于修正输入的方框。
在操作1930中计算和更新的ANC滤波器W与参考麦克风或误差麦克风的输入信号进行卷积，从而产生最终的MRI噪声控制信号(操作1960)。
在MRI噪声控制信号中反映增益(操作1970)。
线圈选择器或传感器选择器将控制信号发送到先前选择的线圈或传感器的输入线(操作1980)。
经由扬声器输出控制信号(操作1910)。经由扬声器输出的控制信号在耳朵附近破坏性地干扰MRI噪声，以降低到达耳朵的MRI噪声的幅度。再次经由误差麦克风分析降低的MRI噪声的幅度，以再次用于在操作1930中更新ANC滤波器W。通过迭代处理，对MRI噪声执行ANC。
示例性实施例包括这样的系统和方法：通过便于谈话者与另一方之间的流畅通信，能够在产生周期性噪声的装置的操作期间在双方之间进行通信。此外，一个或更多个示例性实施例包括这样的系统和方法：能够在MRI过程中在病人和医务人员之间进行通信，从而允许医务人员监控病人的情况。所述系统和方法被设计为在具有高噪声等级的环境下抵消噪声信号并发送音频信号，从而在双向通信期间降低双方(例如，病人和医生)的疲劳或压力。在一个或更多个示例性实施例中使用的噪声消除方法使用这样的技术：通过在噪声消除操作中使用噪声信号的样式仅从频域的输入信号去除噪声信号的频谱。所述噪声消除方法即使在噪声信号与噪声样式不是精确匹配时也抑制噪声的放大并且展现稳定的性能。通过进一步去除残余的噪声来更新噪声样式并进行监控，所述噪声消除方法可适用于快速改变噪声样式。
此外，一个或更多个示例性实施例涉及一种通过使用无磁性动态扬声器在MRI环境下有效地对低频噪声执行ANC的方法。与使用在具有低静磁场强度的孔洞外部的空间正常操作的无磁性动态扬声器的方法不同，通过使用不管静磁场强度来操作的无磁性动态扬声器，可在任何位置经由ANC降低噪声。为了实现这个目的，提出用于控制流过音圈的电流的总量的结构和调节音圈的长度和电流强度的方法。通过将所述方法与噪声控制算法结合，提供一种使用可在MRI孔洞内部和外部操作的无磁性动态扬声器的ANC系统。ANC系统可根据MRI孔洞的外部或内部的位置以及由于扬声器的位置相对于静磁场的角度导致的扬声器的输出的变化，来降低MRI噪声，而不管静磁场强度的变化。
图20示出根据示例性实施例的MRI系统。参照图20，MRI系统包括孔洞2010、第一音频输入装置2020、第二音频输入装置2030、第一输出装置2040、第二输出装置2050、ANC装置2060和降噪信号处理器2070。
孔洞2010产生磁场。通过磁体或电磁体产生磁场，并且磁场可创建电磁波以获得关于人体内部的信息。第一音频输入装置2020接收包含位于孔洞2010附近的第一用户(例如，MRI扫描室中的病人)的语音的音频信号。通过使用指向性麦克风，即使在具有高噪声等级的环境下，第一音频输入装置2020也可获取具有高SNR的语音。
第二音频输入装置2030接收包含控制MRI的第二用户(例如，MRI控制室中的医务人员)的语音的音频信号。通过使用指向性麦克风，即使在具有高噪声水平的环境下，第一音频输入装置2020也可获取具有高SNR的语音。
第一输出装置2040经由无磁性扬声器将包含第二用户(例如，医务人员)的语音的音频信号输出到第一用户(例如，病人)。
第二输出装置2050将包含第一用户(病人)的语音的音频信号输出到第二用户(例如，医务人员)。
ANC装置2060根据在MRI中使用的静磁场的强度对来自第二音频输入装置2030的音频信号执行ANC，并将结果发送到第一输出装置2040。
降噪信号处理器2070从来自第一音频输入装置2020的音频信号估计噪声样式，去除频域的噪声样式，并将结果发送到第二输出装置2050。
在一个或更多个示例性实施例中，如图20所示，在MRI系统中允许双向通信。位于孔洞2010中的病人的具有MRI噪声的语音经由第一音频输入装置2020被输入，并且经过降噪信号处理器2070。通过降低MRI噪声获得音频信号随后传送到第二用户(医务人员)，并且第二用户的语音还可经由第一输出装置2040(即包含ANC功能的耳机)输出给第一用户(病人)。在这种情况下，在MRI扫描室中使用的第一音频输入装置2020(即，用于获取语音的麦克风)和第一输出装置2040(即，耳机)应该被形成为不会不利地影响MRI过程的装置。第一输出装置2040可由安装在MRI扫描室或控制台中的扬声器替换。
图21示出显示通过在真实MRI设备中应用算法消除MRI噪声并获得音频信号的结果。
此外，在一个或更多个示例性实施例中，可在MRI过程中基于病人的特性提供娱乐服务。病人可通过使用显示器和音频播放设备选择联网的电子装置中的内容。例如，可提供给予病人情绪稳定性的音乐或视频。此外，经由病人的附加诊断和与医生的远程咨询可缩短整个治疗时间，并且可在长持续时间的MRI扫描期间提供为病人定制的医疗信息和广告。
在与产生高等级的周期性噪声的直升飞机或工厂外部的某些人通信期间，根据一个或更多个示例性实施例的降噪方法可允许音频信号在消除噪声的同时被发送到另一方。此外，当在具有来自诸如汽车、摩托车和火车的运输工具和诸如吸尘器和洗衣机的家用电器的周期性的噪声的环境下执行通信时，所述降噪方法允许通过降噪来传输音频信号。
示例性实施例可实施为计算机可读存储介质上的计算机可读代码。计算机可读存储介质是可存储其后可由计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。
计算机可读存储介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储装置和载波(例如，通过互联网的传输)。计算机可读存储介质还可分布在网络连接的计算机系统上，从而计算机可读代码以分布方式被存储和执行。此外，用于实现示例性实施例的功能程序、代码和代码段可由本领域编程技术人员来编程。
尽管已经参照附图描述了一个或更多个示例性实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的本发明构思的精神和范围的情况下，可在形式和细节上做出各种变化。因此，应该理解，这里描述的示例性实施例应该仅被理解为描述性，而非限制的目的。示例性实施例的范围不是由详细描述限定，而使由权利要求限定，并且权利要求及其等同物的范围内的所有不同将被解释为包括在示例性实施例中。

Claims (6)

1.一种音频设备，包括：
输入单元，被配置为接收包含噪声的音频信号；
周期估计器，被配置为估计音频信号中的噪声样式的周期；
降噪器，被配置为通过使用估计的噪声样式的周期在频域中从音频信号减去和移除噪声样式；
噪声更新器，被配置为根据噪声的幅度变化来更新噪声样式；
输出单元，被配置为通过使用包括多个线圈的无磁性扬声器输出通过移除噪声样式而获得的音频信号，
其中，所述输出单元被配置为通过根据无磁性扬声器的输出的改变选择所述多个线圈中的至少一个线圈来确定线圈的长度。
2.如权利要求1所述的设备，其中，周期估计器被配置为从产生噪声的装置获得噪声的周期信息，或者通过使用在预定时间内获得的音频信号中的数据来计算周期信息。
3.如权利要求1所述的设备，其中，降噪器包括：
匹配装置，被配置为将噪声样式与音频信号中的当前帧的时间索引匹配；
计算器，被配置为移除与当前帧的时间索引匹配的噪声帧的频谱，并经由后处理移除残余噪声。
4.一种降低噪声的方法，所述方法包括：
接收包含噪声的音频信号；
估计音频信号中的噪声样式的周期；
通过使用估计的噪声样式的周期在频域中从音频信号减去和移除噪声样式；
根据噪声的幅度变化来更新噪声样式；
根据包括多个线圈的无磁性扬声器的输出的改变，通过选择所述多个线圈中的至少一个线圈来选择线圈的长度；
通过使用无磁性扬声器输出通过移除噪声样式而获得的音频信号。
5.如权利要求4所述的方法，其中，估计噪声样式的周期的步骤包括：从产生噪声的装置获得噪声的周期信息，或者通过使用在预定时间内获得的音频信号中的数据来计算周期信息。
6.如权利要求4所述的方法，其中，减去和移除噪声样式的步骤包括：
将噪声样式与音频信号中的当前帧的时间索引匹配；
移除与当前帧的时间索引匹配的噪声帧的频谱；
经由后处理移除残余噪声。
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