CN109658914A - 一种适用于经颅磁刺激仪的有源降噪方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于经颅磁刺激仪的有源降噪方法，具体为：将经颅磁刺激仪的线圈作为初级声源，在初级声源的周围布放多个与初级声源等幅、反相的次级声源，使得初级声源周围任意点的叠加声场音量大幅降低，甚至完全抵消。本发明还公开了实现上述方法的系统，包括：初级拾音器，用于采集初级声源产生的初级噪声信号；次级声源，其为多个，布置在初级声源的周围，用于产生次级声场；次级拾音器，用于采集初级噪声信号和次级声源信号；滤波控制器，用于自适应滤波产生与初级声源等幅、反相的次级声源信号。应用本发明，能够使得患者在使用经颅磁刺激仪进行治疗时，减少听觉噪音，稳定情绪，大大提高治疗效果。

Description

一种适用于经颅磁刺激仪的有源降噪方法及系统
技术领域
本发明涉及经颅磁刺激仪器领域，更具体地，涉及一种适用于经颅磁刺激仪的有源降噪方法及系统,用于减少经颅磁刺激仪器工作时存在的巨大噪音。
背景技术
经颅磁刺激仪利用线圈中通入高频时变电流产生的时变磁场，在人或动物脑部的目标区域中感应出感应电场，引起组织细胞兴奋或抑制，从而治疗抑郁症、帕金森综合征等精神疾病。然而，高频脉冲电流与磁场相互作用产生的电磁力导致线圈振动产生的较大脉冲噪声将可能使得患者产生焦躁不安、心烦的情绪以大大影响治疗效果。现有经颅磁刺激仪在降低线圈噪音方面所做工作较少，仅部分文献说明了建议在治疗过程中佩戴耳塞以防止噪音，而现有的经颅磁刺激仪通常并没有安装相应的降噪设施。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于经颅磁刺激仪的有源降噪系统，消除由于脉冲刺激电流产生的电磁力导致线圈振动产生的脉冲噪声，提高患者的治疗舒适感。
一种适用于经颅磁刺激仪的有源降噪方法，具体为：将经颅磁刺激仪的线圈作为初级声源，在初级声源的周围布放多个与初级声源等幅、反相的次级声源，使得初级声源周围任意点的叠加声场音量降低。
进一步地，采集初级声源产生的初级噪声信号和次级声源产生的次级声场信号，将初级噪声信号和次级声场信号的叠加值与期望信号值自适应比较滤波，得到次级声源需要产生的次级声场；如此反复，直到初级噪声信号和次级声场信号的叠加值达到期望信号值。
进一步地，所述次级声源为多个扬声器，扬声器包括为电磁式扬声器、电感式扬声器、平面式扬声器中的任意一种或组合。
进一步地，所述自适应比较滤波算法采用最小均方算法或滤波-x最小均方算法。
一种适用于经颅磁刺激仪的有源降噪系统，包括：
初级拾音器，用于采集初级声源产生的初级噪声信号，所述初级声源是指颅磁刺激仪中的线圈；
次级声源，其为多个，布置在初级声源的周围，用于产生次级声场；
次级拾音器，用于采集初级噪声信号和次级声场信号；
滤波控制器，用于将初级噪声信号作为输入值，初级噪声信号和次级声场信号的叠加值作为反馈值，期望信号值作为目标值，自适应滤波得到次级声源需要产生的次级声场信号；如此反复滤波，直到初级噪声信号和次级声场信号的叠加值达到期望信号值。
应用本发明，能够使得患者在使用经颅磁刺激仪进行治疗时，减少听觉噪音，稳定情绪，大大提高治疗效果。
附图说明
图1是声源布放对消原理图；
图2是滤波控制示意图；
图3是有源降噪系统结构框图；
图4是次级声源(方格)及线圈(以8字形为例)的xy平面图；
图5是次级声源(方格)及线圈(以8字形为例)的yz平面图；
图6是次级声源(方格)及线圈(以8字形为例)的xz平面图；
图7是次级声源(方格)及线圈(以8字形为例)的三维分布图；
图8是含有源降噪系统的经颅磁刺激仪结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
有源降噪主要基于声源布放对消原理(图1)和声波对消干涉原理来实施。声源布放对消原理是指球形波面上的每一点(面源)都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络就是该时刻总的波动的波面。
基于上述原理，若在线圈的周围(图1中S1)上布放足够多与初级声源等幅、反相的次级声源(图1中S2)，能够使得线圈周围任意点的叠加声场音量大幅降低，甚至完全抵消，即为声波对消干涉原理。
具体实施中，采集初级声源产生的初级噪声信号和次级声源产生的次级声场信号，将初级噪声信号和次级声场信号的叠加值与期望信号值自适应比较滤波，得到次级声源需要产生的次级声场信号；如此反复，直到初级噪声信号和次级声场信号的叠加值达到期望信号值。
在图2的滤波控制算法模块中，本发明以最小均方算法为例来说明优化步骤，然而，本发明中的优化算法包括但不限于最小均方算法。
设定初级噪声信号为a(n)，次级声场信号为b(n)，期望信号为c(n)，人耳听觉为d(n)。则次级声场信号b(n)可表示为：
其中N定义为滤波的阶数，ωN(n)为权系数。
定义初级噪声信号矩阵X和权系数矩阵W：
W＝[ω1(n),ω2(n),...,ωN(n)](2)
X(n+1)＝[x(n),x(n-1),...,x(n-N+1)](3)
同样的，次级声场信号b(n)可表示为：
b(n)＝XT(n)W(4)
权系数矩阵W的迭代式为：
W(n+1)＝W(n)+2μd(n)X(n)(5)
其中，d(n)为期望信号，μ为收敛系数，其取值与算法收敛精度有关。
图3为本发明针对颅磁刺激仪的有源降噪系统结构框图。具体包括：初级拾音器、次级拾音器、次级声源以及滤波控制器。初级拾音器采集线圈所产生的各使用频率内的噪声信号，在滤波控制器内部进行分析，产生与初级声源等幅、反相的次级声源。次级拾音器位于人耳附近，用于采集次级声源和初级声源在人耳附近实际产生的信号叠加并反馈至滤波控制器，从而调整相关系数，以稳定系统并不断优化输出的次级声源。
图3为针对颅磁刺激仪的有源降噪系统结构框图。初级信号(初级声源)和次级信号(次级声源)叠加在人耳附近产生的听觉(通过次级拾音器收集)为反馈，输入至优化算法模块，与期望信号进行自适应比较滤波，并反馈至滤波器，从而调节整体的输出，使得人耳所听到的噪音达到最小。
图4至图7为次级声源与线圈(以最常用的8字形线圈为例)在各平面的分布图。在封闭曲面上布放足够多的次级声源，多个离散的次级声源在各个平面均构成了包络面，基于声源布放对消原理，实施以上布放能够在一定空间范围内达到降噪效果。
图8为含有源降噪系统的经颅磁刺激仪结构图。线圈所产生的噪音即为初级声源，初级拾音器采集线圈产生的噪音信号。在线圈周围，多个扬声器组合形成包络面，即为次级声源。在人耳附近放置次级拾音器。整体有源降噪系统迭代步骤：初级拾音器采集所得声音信号输入至滤波控制器，经滤波反馈至次级声源，产生次级信号。次级拾音器接收初级声源和次级声源共同叠加的信号，输入滤波控制器，从而调整相关系数，以稳定系统并不断优化输出的次级声源。
需要强调的是，经颅磁刺激仪有源降噪系统中的具体线圈结构、声源及拾音器的布放和优化算法包括但不限于本专利中的结构。次级声源的布放、头部的头戴装置可以是任意形态，例如，将次级拾音器设置为耳机或耳罩型。同样地，也可以将头戴装置和控制装置耦合在一套硬件中。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于经颅磁刺激仪的有源降噪方法，其特征在于，具体为：将经颅磁刺激仪的线圈作为初级声源，在初级声源的周围布放多个与初级声源等幅、反相的次级声源，使得初级声源周围任意点的叠加声场降低。
2.根据权利要求1所述的有源降噪方法，其特征在于，采集初级声源产生的初级噪声信号和次级声源产生的次级声源信号，将初级噪声信号和次级声源信号的叠加值与期望信号值自适应比较滤波，得到次级声源需要产生的次级声场；如此反复，直到初级噪声信号和次级声场信号的叠加值达到期望信号值。
3.根据权利要求1或2所述的有源降噪方法，其特征在于，所述次级声源为多个扬声器，扬声器包括为电磁式扬声器、电感式扬声器、平面式扬声器中的任意一种或组合。
4.根据权利要求1或2所述的有源降噪方法，其特征在于，所述自适应比较滤波算法采用最小均方算法或滤波-x最小均方算法。
5.一种适用于经颅磁刺激仪的有源降噪系统，其特征在于，包括：
初级拾音器，用于采集初级声源产生的初级噪声信号，所述初级声源是指颅磁刺激仪中的线圈；
次级声源，其为多个，布置在初级声源的周围，用于产生次级声场；
次级拾音器，用于采集初级噪声信号和次级声场信号；
滤波控制器，用于将初级噪声信号作为输入值，初级噪声信号和次级声场信号的叠加值作为反馈值，期望信号值作为目标值，自适应滤波得到次级声源需要产生的次级声场信号；如此反复滤波，直到初级噪声信号和次级声场信号的叠加值达到期望信号值。
6.根据权利要求5所述的一种适用于经颅磁刺激仪的有源降噪系统，其特征在于，所述次级声源为多个扬声器，扬声器包括为电磁式扬声器、电感式扬声器、平面式扬声器中的任意一种或组合。
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