KR20150041565A - 소음 제거 방법 및 장치와 무자석 스피커를 사용하는 음향 재생 장치 - Google Patents

Abstract

소음을 포함하는 음성 신호를 입력받는 입력부, 상기 음성 신호 중의 소음 패턴의 주기를 추정하는 주기 추정부, 상기 추정된 소음 패턴의 주기를 이용하여 주파수 영역에서 상기 음성 신호로부터 상기 소음 패턴을 감산하여 제거하는 소음 제거부, 상기 소음의 크기 변화에 따라 상기 소음 패턴을 업데이트하는 소음 업데이트부, 및 상기 소음 패턴이 제거된 상기 음성 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 음향 장치가 개시된다.

Description

소음 제거 방법 및 장치와 무자석 스피커를 사용하는 음향 재생 장치{Method and apparatus of noise reduction and audio playing apparatus with non-magnetic speaker}

본 개시는 일정한 주기를 가지는 패턴이 반복되어 발생하는 소음에 영향을 받지 않고 원활한 의사전달이 가능하게 하는 음성 커뮤니케이션(communication) 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 개시는 자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI) 촬영 시에 디스플레이(display) 장치와 헤드셋(headset) 또는 스피커(speaker) 장치를 이용하여 엔터테인먼트(entertainment), 커뮤니케이션(communication), 환자진단 서비스를 제공하기 위해, 의료진과 환자가 MRI에서 발생하는 소음에 영향을 받지 않고 원활한 의사전달이 가능하게 하는 음성 커뮤니케이션 방법과 촬영 중 환자에게 멀티미디어를 재생하는 음향 재생 장치에 관한 것이다.

본 개시는 MRI 소음환경에서 환자에게 소리를 전달하기 위한 음향 재생 장치에 관한 것으로서, MRI 보어 내부 또는 외부의 모든 위치에서 잘 작동하는 무자석 스피커(non-magnet speaker)의 구조와 그것을 작동시키기 위한 알고리즘을 사용하여 음성 및 오디오 등의 음향 신호를 재생하고 능동적으로 MRI의 소음을 감쇄시킬 수 있는 시스템에 관한 것이다.

음성 커뮤니케이션을 위한 잡음제거 방법 중 하나로 빔포밍(beamforming) 방식을 이용한 잡음제거 방법으로서, 다수의 마이크에 의해 소음과 음성신호가 섞인 입력을 받아 MKDR(Maximum-Kurtosis Distortionless Response) 알고리즘과 MVDR(Minimum Variance Distortionless Response) 알고리즘 기법으로 음성신호를 복원하는 방법이 있다.

MRI 환경은 강력한 자기장이 존재하는 환경으로서, 일반적인 자성체 성분이 포함된 물질은 사용할 수가 없다. 따라서, MRI의 강자기장 환경에서는 일반적인 다이나믹 스피커(dynamic speaker)를 사용하지 못한다. 이러한 강자기장 환경에서 환자에게 음향 신호를 전달하기 위해 기존에는 공기압(pneumatic) 방식의 스피커나 압전(piezo-electro) 방식의 스피커를 사용하였다. 이러한 방식의 스피커들은 자성물질이 사용되지 않아서 MRI의 이미지에 영향을 미치지 않으면서 강자기장 환경에서도 작동이 가능하다. 하지만 이러한 스피커들은 저역의 재생 능력이 제한되고 출력의 한계가 있어서 전체적으로 안 좋은 특성을 갖는다.

일부 실시예를 통하여 주기적인 패턴을 갖는 높은 소음 레벨의 환경에서 화자와 상대방의 음성 커뮤니케이션에 필요한 전체적인 시스템과 방법을 제시한다. 또한, 일부 실시예를 통하여 주기적인 패턴을 갖는 높은 소음 레벨의 MRI 환경에서 환자와 의료진의 음성 커뮤니케이션에 필요한 잡음 제거 방법과 촬영 중 환자에게 추가 서비스를 제공하도록 MRI 보어 내/외부에 분포하는 다양한 세기의 자기장 환경에서 모두 작동 가능한 구조를 갖는 음향 재생 장치를 제시한다. 이를 위하여 MRI 자기장을 이용하여 동작하는 무자석 다이나믹 스피커를 사용하는 음향 재생 장치와 자기장 세기의 변화에 적응하여 일정한 음향 성능을 유지하도록 하는 제어 방법 및 제어 장치를 포함하는 음향재생 시스템을 제안한다. 그리고 이를 통하여 헤드셋의 위치에 따른 정자기장의 변화에 영향을 받지 않고 어디서든 작동하는 MRI향 음향 재생 시스템을 구성한다.

일부 실시예에 따른 음향 장치는, 소음을 포함하는 음성 신호를 입력받는 입력부, 상기 음성 신호 중의 소음 패턴의 주기를 추정하는 주기 추정부, 상기 추정된 소음 패턴의 주기를 이용하여 주파수 영역에서 상기 음성 신호로부터 상기 소음 패턴을 감산하여 제거하는 소음 제거부, 상기 소음의 크기 변화에 따라 상기 소음 패턴을 업데이트하는 소음 업데이트부, 및 상기 소음 패턴이 제거된 상기 음성 신호를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.

상기 주기 추정부는, 상기 소음을 발생시키는 기기로부터 상기 소음의 주기 정보를 획득하거나, 소정 시간 동안 획득한 상기 음성 신호의 데이터를 통해 주기 정보를 계산할 수 있다.

상기 소음 제거부는, 상기 소음 패턴과 상기 음성 신호의 현재 프레임의 타이밍 인덱스를 일치시키는 정렬부, 상기 음성 신호의 현재 프레임으로부터 타이밍이 맞춰진 소음 프레임의 스펙트럼을 제거시키고, 잔류 잡음을 후처리를 통해 제거시키는 계산부를 포함할 수 있다.

상기 소음 업데이트부는, 상기 음성 신호의 현재 프레임에서 음성의 존재 유무를 판단하고, 상기 음성 신호의 현재 프레임에 음성이 존재하지 않는 경우, 상기 소음 패턴을 업데이트하고, 상기 소음 제거부에 상기 음성 신호로부터 상기 소음 패턴을 제거하도록 요청하고, 상기 소음 패턴이 제거된 출력이 상기 입력된 소음보다 크게 증폭되어 발산하는지 여부를 판단하고, 상기 출력이 발산하는 경우, 상기 주기 추정부에 소음 패턴 정보를 초기화시키도록 요청할 수 있다.

일부 실시예에 따른 소음 제거 방법은, 소음을 포함하는 음성 신호를 입력받는 단계, 상기 음성 신호 중의 소음 패턴의 주기를 추정하는 단계, 상기 추정된 소음 패턴의 주기를 이용하여 주파수 영역에서 상기 음성 신호로부터 상기 소음 패턴을 감산하여 제거하는 단계, 상기 소음의 크기 변화에 따라 상기 소음 패턴을 업데이트하는 단계, 및 상기 소음 패턴이 제거된 상기 음성 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 소음 패턴의 주기를 추정하는 단계는, 상기 소음을 발생시키는 기기로부터 상기 소음의 주기 정보를 획득하거나, 소정 시간 동안 획득한 상기 음성 신호의 데이터를 통해 주기 정보를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 소음 패턴을 감산하여 제거하는 단계는, 상기 소음 패턴과 상기 음성 신호의 현재 프레임의 타이밍 인덱스를 일치시키는 단계, 상기 음성 신호의 현재 프레임으로부터 타이밍이 맞춰진 소음 프레임의 스펙트럼을 제거시키는 단계, 및 잔류 잡음을 후처리를 통해 제거시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 소음 패턴을 업데이트하는 단계는, 상기 음성 신호의 현재 프레임에서 음성의 존재 유무를 판단하는 단계, 상기 음성 신호의 현재 프레임에 음성이 존재하지 않는 경우, 상기 소음 패턴을 업데이트하고 상기 음성 신호로부터 상기 소음 패턴을 제거하는 단계, 상기 소음 패턴이 제거된 출력의 발산 여부를 판단하는 단계, 및 상기 출력이 발산하는 경우, 소음 패턴 정보를 초기화시키는 단계를 포함할 수 있다.

일부 실시예에 따른 음향 재생 장치는, 무자석 스피커가 장착되어 음향 신호를 출력하는 음향 출력부, 정자기장의 세기 변화에 의한 상기 무자석 스피커의 출력 변화에 따라 코일의 길이 또는 전류의 세기를 선택하는 선택부, 및 상기 선택된 코일의 길이 또는 상기 선택된 전류의 세기를 이용하여 상기 음향 신호를 재생하는 재생부를 포함할 수 있다.

상기 음향 출력부는, 복수의 길이를 갖는 멀티 코일을 포함하는 무자석 다이나믹 트랜스듀서와, 상기 무자석 스피커의 출력 변화를 측정하기 위한 분석 센서를 포함하고, 상기 선택부는, 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 상기 멀티 코일 중 하나 이상의 코일을 선택하고, 상기 재생부는, 상기 선택된 코일을 사용하는 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 특성에 따라 상기 음향 신호를 재생할 수 있다.

상기 음향 출력부는, 음성 코일에 흐르는 전류의 세기를 조정하는 전류 세기 조정부를 포함하는 무자석 다이나믹 트랜스듀서와, 상기 무자석 스피커의 출력 변화를 측정하기 위한 분석 센서를 포함하고, 상기 선택부는, 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 상기 전류 세기 조정부의 전류의 세기를 선택하고, 상기 재생부는, 상기 선택된 전류의 세기를 사용하는 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 특성에 따라 상기 음향 신호를 재생할 수 있다.

상기 음향 출력부의 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 상기 멀티 코일은, 서로 다른 지름을 갖는 복수의 환형 코일을 포함하고, 상기 복수의 환형 코일이 하나의 진동판에 연결될 수 있다.

상기 음향 출력부의 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 상기 멀티 코일은, 진동판에 연결된 코일을 복수 묶음으로 나누고, 상기 선택부의 선택에 따라 작동되는 상기 코일의 묶음의 개수가 달라질 수 있다.

상기 음향 출력부의 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 상기 전류 세기 조정부는, 가변 저항 또는 저항 크기 셀렉터와, 이득(gain) 컨트롤러를 포함하고, 저항 크기의 선택을 통해 상기 선택부에서 선택한 전류의 세기를 조정할 수 있다.

일부 실시예에 따른 능동 소음 제어 방법은, 출력 장치의 위치에 따른 정자기장의 세기에 따라 출력 장치를 선택하는 단계, 상기 선택된 출력 장치에 사용되는 이득을 조정하는 단계, 상기 선택된 출력 장치와 상기 이득을 반영하여 능동 소음 제어 신호를 산출하는 단계, 및 상기 산출된 능동 소음 제어 신호를 상기 선택된 출력 장치에 출력하여 소음 제어를 행하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 출력 장치를 선택하는 단계는, 상기 출력 장치에 포함되는 멀티 코일에서 가장 짧은 길이의 코일부터 순서대로 작동시키는 단계, 상기 출력 장치의 응답을 측정하기 위한 분석 센서를 통해 획득한 출력 신호를 분석하는 단계, 상기 출력 신호의 파형이 상기 출력 장치에 입력되는 입력 신호의 파형으로부터 변형된 것인 왜곡의 발생 여부와, 소음보다 출력을 크게 재생 가능한지 여부를 판단하는 단계, 및 왜곡이 발생하지 않고 출력이 재생 가능한 코일 중 가장 짧은 코일을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 출력 장치를 선택하는 단계는, 상기 출력 장치에 포함되는 전류 세기 조정부에서 가장 큰 크기의 저항부터 순서대로 작동시키는 단계, 상기 출력 장치의 응답을 측정하기 위한 분석 센서를 통해 획득한 출력 신호를 분석하는 단계, 상기 출력 신호의 파형이 상기 출력 장치에 입력되는 입력 신호의 파형으로부터 변형된 것인 왜곡의 발생 여부와, 소음보다 출력을 크게 재생 가능한지 여부를 판단하는 단계, 및 왜곡이 발생하지 않고 출력이 재생 가능한 저항값 중 중 가장 큰 저항값을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 이득을 조정하는 단계는, 상기 출력 장치에 포함되는 멀티 코일 중 선택된 코일을 사용하는 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 출력과 입력된 소음의 레벨 정보에 기초하여 이득값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 이득을 조정하는 단계는, 상기 출력 장치에 포함되는 전류 세기 조정부의 저항값 중 선택된 저항값에 의한 출력과 입력된 소음의 레벨 정보에 기초하여 이득값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 능동 소음 제어 신호를 산출하는 단계는, 상기 출력 장치의 응답을 측정하기 위한 분석 센서와 상기 선택된 출력 장치 사이의 출력 특성 정보, 및 상기 분석 센서를 통해 입력되는 소음 정보에 기초하여, 상기 분석 센서를 통해 입력되는 소음의 크기가 줄어들도록 상기 능동 소음 제어 신호를 생성하는 필터를 구성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 능동 소음 제어 신호를 산출하는 단계는, 상기 출력 장치의 응답을 측정하기 위한 분석 센서와 상기 선택된 출력 장치 사이의 출력 특성 정보, 및 상기 분석 센서를 통해 입력되는 소음 정보에 기초하여, 상기 선택된 음향 출력 장치에 대해 미리 입력된 고정 필터를 사용하여 상기 능동 소음 제어 신호를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

일부 실시예에 따른 무자석 스피커는, 음성 코일, 상기 음성 코일과 연결된 진동판, 상기 진동판의 중심과 상기 진동판의 가장자리 사이에 상기 진동판의 한쪽 편에 부착되고, 상기 진동판의 진동을 흡수하기 위한 진동 흡수부, 및 스피커의 전면 또는 후면에 위치하고, 상기 진동판에 부착된 상기 진동 흡수부가 지지할 수 있는 이격으로 설치된 스토퍼를 포함할 수 있다.

상기 진동 흡수부는 압축성 재질의 댐퍼일 수 있다.

일부 실시예에 따른 자기 공명 영상(MRI) 시스템은, 자기장을 발생하는 보어, 상기 보어(bore) 측의 제1 사용자의 음성을 포함하는 음향 신호를 입력받는 제1 음성 입력 장치, 상기 MRI를 제어하는 제2 사용자의 음성을 포함하는 음향 신호를 입력받는 제2 음성 입력 장치, 무자석 스피커를 사용하여 상기 제2 사용자의 음성을 포함하는 음향 신호를 상기 제1 사용자에게 출력하는 제1 출력 장치, 상기 제1 사용자의 음성을 포함하는 음향 신호를 상기 제2 사용자에게 출력하는 제2 출력 장치, 상기 제1 출력 장치의 위치에 따른 MRI 정자기장의 세기에 따라, 상기 제2 음성 입력 장치의 음향 신호에 능동 소음 제어를 행하여 상기 제1 출력 장치에 전달하는 능동 소음 제어 장치, 및 상기 제1 음성 입력 장치의 음향 신호로부터 소음 패턴을 추정하여 주파수 영역에서 소음 패턴을 제거하여 상기 제2 출력 장치에 전달하는 소음 제거 신호 처리 장치를 포함할 수 있다.

상기 제1 음성 입력 장치는, 지향성 마이크를 포함할 수 있다.

도 1a는 일부 실시예에 따른 시간영역에서 샘플단위로 소음을 처리하는 방식을 나타낸 도면이다.
도 1b는 시간영역에서 샘플단위로 소음을 처리하는 방식을 사용한 잡음제거 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 2a는 일부 실시예에 따른 주파수영역에서 버퍼(또는 프레임) 단위로 소음을 처리하는 방식을 나타낸 도면이다.
도 2b는 일부 실시예에 따른 주파수영역에서 버퍼(또는 프레임) 단위로 소음을 처리하는 방식을 통한 잡음제거 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 위치에 따른 MRI 정자기장 세기의 변화를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4h은 무자석 스피커에 대한 능동 소음 저감 성능 테스트 결과를 위치별로 나타낸 도면이다.
도 5는 일부 실시예에 따른 음향 장치의 개략적인 블록도이다.
도 6은 일부 실시예에 따른 주기성을 갖는 소음을 제거하는 신호처리 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 일부 실시예에 따른 음향 재생 장치의 개략적인 블록도이다.
도 8은 일부 실시예에 따른 음향 재생 장치의 구체적인 블록도이다.
도 9는 MRI 자기장의 방향 및 무자석 다이나믹 스피커의 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 무자석 다이나믹 스피커의 멀티 코일 방식의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 11은 무자석 다이나믹 스피커의 멀티 코일 방식의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 12는 도 8에 도시된 무자석 다이나믹 스피커의 전류세기 조정부의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 13은 도 8에 도시된 정자기장 세기 분석부의 일 실시예에 따른 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 14는 일부 실시예에 따른 무자석 스피커의 댐퍼 및 스토퍼 구조를 나타낸 도면이다.
도 15는 일부 실시예에 따른 소음 제거 방법의 흐름도이다.
도 16은 일부 실시예에 따른 음성 커뮤니케이션 잡음제거 알고리즘을 나타내는 개략적인 흐름도이다.
도 17은 일부 실시예에 따른 음성 커뮤니케이션 잡음제거 알고리즘을 나타내는 구체적인 흐름도이다.
도 18은 일부 실시예에 따른 능동 소음 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 19은 일부 실시예에 따른 능동 소음 저감 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 20은 일부 실시예에 따른 자기 공명 영상(MRI) 시스템을 나타낸다.
도 21은 MRI 소음에 알고리즘을 적용하여 소음을 차단한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.

의학 관련 분야에서 사용되는 영상 장비들 중 MRI는 인체에 끼치는 영향이 거의 없어 많이 사용되지만, 큰 소음과 긴 스캔 시간 때문에 의료진과 환자가 불편함을 겪고 있다. MRI 동작 중 환자는 좁은 보어(bore) 안에서 큰 소음과 함께 공포감을 겪게 되며, 의료진은 환자의 상태를 모니터링 하기 위해 음성을 MRI 소음과 함께 듣게 되므로 스트레스를 받게 되는 문제가 발생한다.

스캔 룸(scan room) 안의 환자에게 들리는 소음을 차단하기 위해 귀마개(earplug or earmuff)를 착용하는데, 이 방식에서는 컨트롤 룸(control room)에서 의료진이 말하는 음성을 들을 수 없고 의료진이 듣게 되는 소음을 저감하지 못한다. 이 밖에도 헬기 또는 제트기 소음이나 공장의 소음같은 큰 레벨의 소음 환경에서도 의사소통에 큰 불편함을 겪고 있다.

일부 실시예는 잡음제거 기술과 능동소음제어 장치를 이용하여 주기성을 갖는 소음을 감쇄시켜 주면서 양방향 음성 커뮤니케이션을 가능하게 하는 방법을 제시한다. 잡음제거 기술을 적용하여 잡음을 차단한 음성신호를 전달하고, 능동소음 제어 장치를 이용해 화자에게 들리는 소음 또한 저감되면서 상대방의 음성을 듣게 된다. 이를 통해 상대방의 상황을 계속 모니터링 할 수 있으며 화자 또한 현재 진행 상황을 묻는 등의 의사전달이 가능하다.

또한, CT, MRI, 초음파 등과 같은 첨단화된 영상장비들이 발전하면서 영상 의학의 필요성 및 중요성이 날로 커지고 있다. 이러한 첨단 영상 장비 중에서도 MRI는 세부적인 인체 구조를 다른 장비들보다 더 명확하게 보여줌으로써 의사나 환자에게 더 많은 정보를 제공하고 있으며, 인체에 무해하여 활용도가 점점 더 높아지고 있다. 또한, 기술 발전과 더불어 MRI는 더 강력한 자기장을 사용함으로써 더 짧은 시간 동안에 더 정밀한 영상을 얻을 수 있게 발전되고 있다. 하지만 사용되는 자기장의 세기가 더 세질수록 MRI의 소음은 더 커지고 있으며, 100dB를 상회하는 소음의 크기는 환자에게 큰 불편함을 안겨주고 나아가서 긴 촬영시간 동안 이어지는 소음으로 인하여 청각 기관의 손상이 우려되고 있는 현실이다. 따라서 이렇게 소음이 큰 MRI촬영 환경에서 청각 기관을 보호하거나 외부의 음성 정보 또는 음악 등을 피촬영자에게 들려줄 수 있는 장치 또는 방법들이 필요하게 된다.

일부 실시예는 잡음 차단 기술과 능동 소음 제어 헤드셋 또는 스피커 장치, 및 디스플레이 장치를 이용하여 환자와 의료진이 긴 시간 동안 듣게 되는 MRI 소음을 감쇄시켜 주면서 양방향 음성 커뮤니케이션 및 기타 서비스 등을 가능하게 해주는 방법 및 MRI 보어 내부 및 외부의 모든 위치에서 잘 작동하는 무자석 스피커(Non-magnet speaker)의 구조와 그것을 작동시키기 위한 알고리즘을 사용하여 음성 및 오디오 등의 음향 신호를 재생하고 능동적으로 MRI의 소음을 감쇄시킬 수 있는 장치를 제시한다. 잡음 차단 기술을 적용하여 컨트롤 룸의 의료진에게 MRI 잡음을 차단한 환자의 음성신호를 전달하고, 능동 소음 제어 헤드셋을 착용한 환자는 헤드셋을 통해 의료진의 음성을 듣게 된다. 이를 통해 의료진은 환자의 상태를 계속 모니터링할 수 있으며 환자 또한 의료진을 통해 현재 진행 상황을 물어보거나 하는 등의 의사전달이 가능하다. 또한 이 방법과 장치를 이용하여 촬영 중 환자에게 멀티미디어 컨텐츠(multimedia contents)를 제공하거나 의사가 환자를 원격으로 진단하거나 환자 맞춤형 다양한 보조 정보를 제공하는 서비스가 가능하다.

MRI 환경에서의 소음저감 및 커뮤니케이션 방법으로는 스캔 룸 안의 마이크로 MRI 소음이 섞인 환자의 음성 신호가 입력되고, 입력 신호에서 소음 성분을 샘플단위로 빼주어 컨트롤 룸으로 음성신호를 출력하는 방법이 있다. 또한 귀마개(earplug) 형태로 구성된 입출력 장치를 이용하여 환자의 음성을 의료진에게 전달하고, 외부 오디오 신호를 환자에게 들려주는 방법과 장치에 관한 기술이 있으며, 오디오 신호를 전달할 때 귀마개의 외부 마이크에서 입력된 신호를 이용하여 능동 소음 제어(Active Noise Control:ANC) 방식으로 소음을 제거한다.

일부 실시예는 MRI 환경에서 음향 재생을 위한 스피커로서, MRI에서 발생하는 강자기장을 이용하는 무자석 다이나믹 스피커(non-magnet dynamic speaker)를 이용한다. 무자석 다이나믹 스피커는 자석을 사용하지 않는 구조의 스피커로서, MRI 환경에 존재하는 정자기장과 음성 코일(voice coil)에 흐르는 전류사이에 발생하는 로렌쯔힘으로 진동판을 움직여서 소리를 발생시킨다. 이러한 구조의 스피커는 일반적인 스피커에 존재하는 영구자석이 없어도 MRI에 존재하는 강력한 정자기장을 사용함으로써 넓은 대역의 소리를 효과적으로 재생할 수 있다.

MRI 촬영 중 제공할 수 있는 기타 서비스와 관련하여, 디스플레이 장치/머리 장착(head-mounted) 오디오(audio) 재생 장치를 이용하여 촬영 중 환자의 안정을 위한 엔터테인먼트 서비스를 제공하거나 환자와 의사가 커뮤니케이션하면서 환자의 움직임 정보 등을 피드백으로 제공해주는 방법이 있다.

MRI 환경과 같이, 소음의 레벨이 크고 화자의 위치와 음성취득 마이크의 거리가 멀어져 마이너스(minus) SNR(Signal to Noise Ratio)의 상황일 경우 음성 대비 소음의 크기가 커서 음성 전달이 어려운 단점이 있으며 잡음제거의 효과가 크지 않다. 또한 이러한 환경에서 음성 신호의 유무를 판단하는 기술은 부정확하기 때문에 제거할 소음 성분을 업데이트 하는 방식을 사용하는 데에는 한계점이 있다.

도 1a는 일부 실시예에 따른 시간영역에서 샘플단위로 소음을 처리하는 방식을 나타낸 도면이다. 도 1b는 시간영역에서 샘플단위로 소음을 처리하는 방식을 사용한 잡음제거 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 1b에서 위쪽의 파형은 입력을 나타내고, 아래쪽의 파형은 출력을 나타낸다.

도 1a의 단계 110에서는, 입력 신호의 주기정보를 입력한다.

단계 120에서는, 입력 신호로부터 소음을 주기적인 소음 패턴으로 저장한다.

단계 130에서는, 시간 영역에서 샘플 단위로 소음 패턴의 샘플을 제거한다.

단계 140에서는, 음성의 존재 유무를 판단한다. 음성이 존재하는 것으로 판단될 경우, 다음 샘플의 처리를 위하여 단계 130으로 되돌아간다.

단계 140에서 음성이 존재하지 않는 것으로 판단될 경우, 단계 150에서는, 소음만이 존재하는 것으로 추정할 수 있으므로, 소음 패턴을 업데이트한다. 다음 샘플의 처리를 위하여 단계 130으로 되돌아간다.

도 1a와 같이 입력 신호로부터 주기적인 소음 패턴을 저장하고 시간영역에서 샘플 단위로 처리하면 소음의 패턴이 완벽히 동일하지 않은 부분에 대해서는 도 1b의 결과처럼 잡음제거 효과가 크지 않거나 오히려 소음이 증폭될 수 있으며, 이와 같은 상황에 대해서 출력 신호가 발산하는지 여부에 대한 판단이 없다. 출력 신호가 '발산'한다는 것은 도 1b와 같이 입력에 비하여 출력이 크게 증폭되는 경우를 나타낸다.

도 2a는 일부 실시예에 따른 주파수영역에서 버퍼(또는 프레임) 단위로 소음을 처리하는 방식을 나타낸 도면이다. 도 2b는 일부 실시예에 따른 주파수영역에서 버퍼(또는 프레임) 단위로 소음을 처리하는 방식을 통한 잡음제거 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 2b에서 위쪽의 파형은 입력을 나타내고, 아래쪽의 파형은 출력을 나타낸다.

도 2a의 단계 210에서는, 소음 패턴을 버퍼에 저장한다.

단계 220에서는, 소음 패턴으로부터 소음의 주기를 추정한다. 또는, 외부로부터 소음의 주기를 입력받을 수 있다.

단계 230에서는, 소음 패턴과 입력 버퍼에 FFT(Fast Fourier Transform)를 행하여 주파수 영역으로 전환한다.

단계 240에서는, 버퍼 단위로 입력 버퍼로부터 소음 패턴의 크기를 감산한다. 또한, 감산한 결과로부터 잔류 잡음 제거를 더 행할 수 있다.

단계 250에서는, 잡음 제거된 결과에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)을 행하여 시간 영역으로 전환한다.

단계 260에서는, 음성의 존재 유무를 판단한다. 음성이 존재하는 것으로 판단될 경우, 다음 버퍼의 처리를 위하여 단계 230으로 되돌아간다.

단계 260에서 음성이 존재하지 않는 것으로 판단될 경우, 단계 270에서는, 소음만이 존재하는 것으로 추정할 수 있으므로, 소음 패턴을 업데이트한다.

단계 280에서는, 업데이트한 소음 패턴의 발산 여부를 판단한다. 업데이트한 소음 패턴이 발산할 경우, 이러한 소음 패턴을 사용하여 소음 제거를 할 경우, 입력에 비하여 출력이 크게 증폭, 즉, 발산할 수 있다. 따라서, 소음 패턴의 주기를 다시 추정하기 위하여, 단계 210으로 되돌아간다.

업데이트한 소음 패턴이 발산하지 않을 경우, 업데이트한 소음 패턴을 사용하여 다음 버퍼의 처리를 할 수 있도록 단계 230으로 되돌아간다.

도 2a와 같이, 주파수 영역에서 버퍼(또는 프레임) 단위로 소음을 처리하는 방식에 의하면, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 입력에서 소음이 제거되고 발산하지 않는 출력을 얻을 수 있다.

도 3은 위치에 따른 MRI 정자기장 세기의 변화를 나타낸 도면이다. 도 3에서 가로축(Z)은 보어의 중심으로부터 보어의 입구쪽으로의 방향, 예컨대, MRI의 보어에 환자가 누워있고, 환자의 머리가 보어 중심에 있다고 가정할 경우, 환자의 다리쪽 방향이 될 수 있다. 도 3에서 세로축(R, Y)은 보어의 중심으로부터 반지름 방향이며 지표면에 수직한 방향이 될 수 있다. 도 3에서 지면(紙面)을 관통하는 방향(X축 방향)은 보어의 중심으로부터 반지름 방향이며 지표면에 수평인 방향이 될 수 있다. 도 3에서 각각의 자기력선의 수치는 가우스(Gauss)를 나타낸다. 누설 자기력선(stray field line)은 바깥쪽으로부터 0.05→0.1→0.2→0.5→1→2→5→10→20→50→100→200(mT)를 나타낸다.

무자석 다이나믹 스피커의 경우는 MRI의 보어 내부에 형성되어 있는 정자기장을 사용하기 때문에, 정자기장의 세기가 스피커의 출력에 중요한 영향을 미친다. 하지만 도 3에 나타나 있듯이, MRI의 보어 외부에서는 MRI의 중심으로부터 멀어질수록 정자기장의 세기가 급격하게 약해져서, 3T(테슬라) MRI의 경우에 중앙으로부터 약 1.8m 떨어진 거리에서 자기장의 세기가 MRI 중심에 비하여 1/60인 50mT 정도로 줄어들게 된다.

도 4a 내지 도 4h은 무자석 스피커에 대한 능동 소음 저감 성능 테스트 결과를 위치별로 나타낸 도면이다. 도 4a는 보어 중심(보어 중심으로부터 0cm)의 위치를 나타낸다. 도 4b는 보어 단부로부터 보어 내측으로 10cm(보어 중심으로부터 60cm)의 위치를 나타낸다. 도 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 및 4h는 각각 순서대로 보어 단부로부터 보어 외측으로 20cm, 50cm, 60cm, 70cm, 80cm, 및 90cm(보어 중심으로부터 90cm, 120cm, 130cm, 140cm, 150cm, 및 160cm)의 위치를 나타낸다. 도 4a 내지 도 4h에서 'ANC off'(a)는 능동 소음 저감을 행하지 않은 경우의 MRI 소음을 나타내고, 'ANC on'(b)은 능동 소음 저감을 행한 경우의 저감된 소음을 나타낸다.

도 4a 내지 도 4h에서는 'ANC off'(a) 보다 'ANC on'(b)이 보다 더 소음이 저감된 결과를 나타내고 있다. 그러나, 보어 중심으로부터 거리가 점차 멀어짐에 따라, 'ANC off'(a)와 'ANC on'(b)의 출력의 차이가 점점 줄어들고, 도 4e 내지 도 4h에서는 고주파수 영역에서 'ANC on'(b)의 소음이 'ANC off'(a)보다 점차로 더 커지는 결과를 나타내고 있다.

MRI의 보어 외부에서는 약한 자기장의 세기로 인하여 스피커가 충분한 출력을 내지 못하게 된다. 이러한 문제로 인하여 도 4e 내지 도 4h에 나타나 있듯이, 무릎이나 발의 촬영 시와 같이 머리가 보어 외부로 나와 있는 경우에는 MRI 소음(noise)의 크기에 상응하는 만큼의 출력을 스피커가 내지 못함으로써 왜곡(distortion) 등이 발생하게 되고, 결국 스피커의 왜곡으로 인하여 정상적인 음향을 재생하지 못하거나 능동 소음 제어 성능이 감소하게 된다. 도 4e 내지 도 4h를 참조하면, MRI의 보어로부터 멀어질수록 MRI 소음을 포함하는 신호(a)보다 MRI 소음이 저감된 신호(b)의 소음이 더 큰 경우가 발생하는 것을 알 수 있다.

촬영 중 환자가 제공받는 멀티미디어 등은 환자가 선택할 수 없는 수동적인 방법으로 제공받는 서비스이며 컨텐츠 또한 미리 엔터테인먼트 시스템에 입력시킨 범위에 한정적이다.

도 5는 일부 실시예에 따른 음향 장치(500)의 개략적인 블록도이다.

도 5를 참조하면, 음향 장치(500)는 입력부(510), 주기 추정부(520), 소음 제거부(530), 소음 업데이트부(540), 및 출력부(550)를 포함할 수 있다.

입력부(510)는 소음을 포함하는 음성 신호를 입력받을 수 있다. 입력부(510)는 마이크를 포함할 수도 있고, 저장 매체에 녹음된 음성 신호나 네트워크를 통하여 전송된 음성 신호를 입력받을 수도 있다.

주기 추정부(520)는 음성 신호 중의 소음 패턴의 주기를 추정한다. 주기 추정부(520)는, 소음을 발생시키는 기기로부터 소음의 주기 정보를 획득하거나, 소정 시간 동안 획득한 음성 신호의 데이터를 통해 주기 정보를 계산할 수 있다.

소음 제거부(530)는 추정된 소음 패턴의 주기를 이용하여 주파수 영역에서 음성 신호로부터 소음 패턴을 감산하여 제거한다. 소음 제거부(530)는, 소음 패턴과 음성 신호의 현재 프레임의 타이밍 인덱스를 일치시키는 정렬부, 음성 신호의 현재 프레임으로부터 타이밍이 맞춰진 소음 프레임의 스펙트럼을 제거시키고, 잔류 잡음을 후처리를 통해 제거시키는 계산부를 포함할 수 있다.

소음 업데이트부(540)는 소음의 크기 변화에 따라 소음 패턴을 업데이트한다. 소음 업데이트부(540)는, 음성 신호의 현재 프레임에서 음성의 존재 유무를 판단한다. 소음 업데이트부(540)는, 음성 신호의 현재 프레임에 음성이 존재하지 않는 경우, 소음 패턴을 업데이트한다. 소음 업데이트부(540)는, 소음 제거부(530)에 음성 신호로부터 소음 패턴을 제거하도록 요청한다.

소음 업데이트부(540)는, 소음 패턴이 제거된 출력이 입력된 소음보다 크게 증폭되어 발산하는지 여부를 판단하고, 출력이 발산되는 경우, 주기 추정부(520)에 소음 패턴 정보를 초기화시키도록 요청할 수 있다. 출력 신호가 '발산'한다는 것은 도 1b와 같이 입력에 비하여 출력이 크게 증폭되는 경우를 나타낸다.

출력부(550)는 소음 패턴이 제거된 음성 신호를 출력할 수 있다. 출력부(550)는 음성 신호를 소리로 출력하는 스피커를 포함할 수도 있고, 음성 신호를 저장 매체에 녹음하거나, 네트워크를 통하여 음성 신호를 전송할 수도 있다.

일부 실시예는 화자(예컨대, 환자)가 상대방과 커뮤니케이션하기 위해서 화자(예컨대, 환자)의 음성을 취득하는 하나 이상의 마이크로 구성된 음성입력장치, 화자(예컨대, 환자)에게 음원 신호를 재생하면서 외부 소음을 상쇄하는 ANC 기능을 포함한 음향 재생 장치, 그리고 입력된 음성신호에서 잡음을 제거하는 잡음제거 시스템으로 구성된다. 또한 상대방이 화자(예컨대, 환자)와 커뮤니케이션하기 위해 상대방의 음성을 취득하기 위한 하나 이상의 마이크로 구성된 음성 입력장치와 상대방에게 전달되는 소리를 재생하는 스피커 또는 헤드폰 장치로 구성될 수 있다.

- 음성 커뮤니케이션을 위한 잡음제거

화자로부터 입력장치로 입력된 신호는 잡음제거 시스템을 거쳐 잡음이 제거된 음성 신호가 전달되고 전달된 신호는 스피커 또는 헤드셋 장치로 상대방에게 재생된다. 또한 상대방으로부터 입력장치로 입력된 신호 역시 전달되어 화자가 착용하거나 장착하고 있는 ANC 장치 또는 스피커로 출력된다.

도 6은 일부 실시예에 따른 주기성을 갖는 소음을 제거하는 신호처리 방법을 나타낸 도면이다. 입력장치로 입력된 음성신호에서 잡음신호를 제거하기 위한 잡음제거 시스템은 도 6과 같이 주기적인 소음을 발생하는 기기로부터 입력된 소음주기정보와 마이크로 입력된 잡음신호를 실시간 분석하여 잡음신호의 주기적인 특성을 추출하고, 이 추출된 특성 정보를 이용하여 입력된 신호에서 잡음 신호만을 제거하여 음성신호만 전달하는 신호처리장치이다.

도 1a와 같이 시간영역에서 앞서 저장한 소음을 현재 입력 신호에서 감산하는(subtract) 방식을 사용할 경우, 시간영역에서 현재 샘플(sample) 값에 해당하는 소음 패턴이 일치하지 않는 경우에는 소음 신호가 저감되지 않거나 오히려 증폭할 수 있는 문제점이 있다.

일부 실시예는 도 2a와 같이 사전 또는 실시간 분석된 잡음신호의 주기 특성 정보를 획득한다. 또한, 음성신호처리에 적합한 형태의 프레임을 구분하여 입력된 잡음신호의 각 주기에 맞는 프레임의 주파수 처리된 잡음신호 데이터를 획득한다. 그리고, 주기 특성 정보와 잡음신호 데이터를 이용하여 현재 프레임에 해당하는 신호의 스펙트럼(spectrum)을 빼 주는 방식을 사용한다. 따라서, 패턴이 정확히 일치하지 않는 상황에서도 증폭하지 않고 알고리즘이 강건하게 작동한다. 저장된 잡음신호 데이터는 현재 프레임의 시간 정보를 일치시켜 처리하기 위해, 소음 패턴을 이용하여 주기적인 소음의 주기 정보를 찾아내거나 기기에서 입력된 소음주기정보들을 시간영역 또는 주파수 영역에서 처리하여 주기 특성을 파악한다.

도 7은 일부 실시예에 따른 음향 재생 장치(700)의 개략적인 블록도이다.

도 7을 참조하면, 음향 재생 장치(700)는 음향 출력부(710), 선택부(720), 및 재생부(730)를 포함한다.

음향 출력부(710)는 무자석 스피커가 장착되고, 음향 신호를 출력한다. 음향 출력부(710)는, 복수의 길이를 갖는 멀티 코일, 예컨대, 멀티 음성 코일을 포함하는 무자석 다이나믹 트랜스듀서와, 무자석 스피커의 출력 변화, 스피커 응답 및 소음 수준을 측정하기 위한 분석 센서, 예컨대, 마이크를 포함할 수 있다. 음향 출력부(710)의 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 멀티 코일은, 서로 다른 지름을 갖는 복수의 환형 코일을 포함하고, 복수의 환형 코일이 하나의 진동판에 연결될 수 있다. 음향 출력부(710)의 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 멀티 코일은, 진동판에 연결된 코일을 복수의 묶음으로 나누어 작동시킨다. 여기에서 작동되는 코일의 묶음의 개수는 선택부(720)의 선택에 따라 달리할 수 있다.

또한, 음향 출력부(710)는, 음성 코일에 흐르는 전류의 세기를 조정하는 전류 세기 조정부를 포함하는 무자석 다이나믹 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 음향 출력부(710)의 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 전류 세기 조정부는, 가변 저항 또는 저항 크기 셀렉터와, 이득(gain) 컨트롤러를 포함하고, 저항 크기의 선택을 통해 선택부(720)에서 선택한 전류의 세기를 조정할 수 있다.

선택부(720)는 정자기장의 세기 변화에 의한 무자석 스피커의 출력 변화에 따라 코일의 길이 또는 전류의 세기를 선택한다. 선택부(720)는, 코일 길이 조정부에 의해 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 멀티 코일 중 하나 이상의 코일을 선택할 수 있다. 또한, 선택부(720)는 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 전류 세기 조정부의 전류의 세기를 선택할 수 있다.

재생부(730)는 선택된 코일의 길이 또는 선택된 전류의 세기를 이용하여 음향 신호를 재생한다. 재생부(730)는, 선택된 코일을 사용하는 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 특성에 따라 음향 신호를 재생할 수 있다. 또한, 재생부(730)는, 선택된 전류의 세기를 사용하는 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 특성에 따라 음향 신호를 재생할 수 있다.

도 8은 일부 실시예에 따른 음향 재생 장치의 구체적인 블록도이다.

일부 실시예에 따른 MRI환경에서 스피커를 사용한 음향 재생 장치(800)는 1)멀티 음성 코일(Multi voice coil, 810)을 포함하는 무자석 스피커, 2)코일 길이 조정부(830), 3)전류세기 조정부(840), 4)정자기장 세기 분석부(850)로 구성되어 있다.

무자석 스피커는 멀티 음성 코일(810)을 포함한다. 또한, 스피커 응답 및 소음 수준을 측정하기 위한 분석 센서(820), 예컨대, 마이크를 포함할 수 있다. 멀티 음성 코일(810)은, 복수의 환형 코일을 포함하고, 복수의 환형 코일이 하나의 진동판(860)에 연결될 수 있다.

코일 길이 조정부(830)는 멀티-레이어 음성 코일을 구성하는 각각의 코일 중 선택된 코일에 출력하고자 하는 음향 신호를 입력해 줌으로써, 사용되는 코일의 전체 길이를 조정할 수 있다.

전류 세기 조정부(840)는, 저항 크기의 선택을 통해 전류의 세기를 조정할 수 있다.

정자기장 세기 분석부(850)는 자기장의 세기에 따라 전류의 세기 또는 코일의 길이를 결정하는 부분이다.

이하, 도 8의 각각의 구성에 대하여 도 9 내지 도 14를 참조하여 설명한다.

1) 멀티 음성 코일(810)을 포함하는 무자석 스피커

도 9는 MRI 자기장의 방향 및 무자석 다이나믹 스피커의 구조를 나타낸 도면이다. 도 9를 참조하면, 무자석 스피커는 소리를 발생시키기 위한 진동판(920)과, 진동판을 움직이게 하는 음성 코일(voice coil, 910)을 포함한다. 특히 음성 코일(910)은 다양한 코일의 길이가 구현 가능하도록 멀티-레이어 코일(multi-layered coil) 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 무자석 스피커는 스피커의 동작 부분의 지지, 보호, 스피커의 사용, 스피커의 외관 등을 위한 스피커 프레임(930)과 헤드셋 케이스(940)를 포함할 수 있다.

도 10은 무자석 다이나믹 스피커의 멀티 코일 방식의 일 실시예를 나타낸 도면이다.

도 9의 음성 코일(910)을 멀티-레이어 코일의 형태로 구현할 경우, 도 10에 나타낸 바와 같이, 서로 다른 지름 및 감긴 횟수를 갖는 환형 형태의 음성 코일을 사용할 수 있다.

도 11은 무자석 다이나믹 스피커의 멀티 코일 방식의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도 9의 음성 코일(910)은 도 11에 나타낸 바와 같이, 동일한 지름 및 감긴 횟수를 갖는 환형 형태의 여러 음성 코일의 겹침 형태로 사용할 수 있다.

각각의 코일에 들어가는 입력 신호는 도 8의 코일 길이 조정부(830)로부터 입력받는다. 멀티-레이어 음성 코일(multi-layered voice coil)을 구성하는 각각의 코일들은 모두 하나의 진동판에 연결이 되어 있으며, 모든 코일의 중심축 방향은 MRI의 정자기장 B0의 방향과 평행하지 않은 방향을 이루도록 배치된다.

도 9 내지 도 11의 멀티-레이어 음성 코일(multi-layered voice coil) 등을 이용한 무자석 다이나믹 스피커들은 헤드셋이나 논-헤드셋(non-headset) 방식의 출력 장치 등에 설치될 수 있다. 헤드셋 방식의 경우, 스피커의 진동판은 사람의 귀 방향을 향하여 배치된다. 논-헤드셋 방식의 경우, 헤드레스트(headrest) 등과 같은 형태로 사람 머리 부근에 위치하는 구조물의 형태에 무자석 다이나믹 스피커가 귀 방향을 향하여 설치될 수 있다.

2)코일 길이 조정부(830)

도 8에 도시된 코일 길이 조정부(830)는 음향 신호(signal)를 멀티-레이어 음성 코일의 입력부분에 입력해 주는 역할을 한다. 무자석 다이나믹 스피커의 멀티-레이어 음성 코일을 구성하는 각각의 코일 중 선택된 코일에 출력하고자 하는 음향 신호를 입력해준다. 따라서, 코일을 선택함으로써 사용되는 전체 코일의 길이를 조정할 수 있다.

3)전류 세기 조정부(840)

도 12는 도 8에 도시된 무자석 다이나믹 스피커의 전류세기 조정부(840)의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 전류 세기 조정부(840)는, 가변 저항 또는 저항 크기를 선택하는 저항 셀렉터(1210)와, 이득(gain) 컨트롤러(1220)를 포함하고, 저항 크기의 선택을 통해 전류의 세기를 조정할 수 있다. 전류세기 조정부(840)는 도 12와 같이 다양한 세기의 MRI 자기장 환경에서 진동판에 부착된 음성 코일의 전류의 세기를 변화시켜 무자석 스피커의 출력을 유지해주는 역할을 한다. 이를 위하여 가변 저항 등을 사용할 수 있고, 정자기장의 세기에 따른 저항값의 변화로 음성 코일에 흐르는 전류의 세기를 변화시킬 수 있다.

4)정자기장 세기 분석부(850)

도 13은 도 8에 도시된 정자기장 세기 분석부(850)의 일 실시예에 따른 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 정자기장 세기 분석부(850)는 자기장의 세기에 따라 전류의 세기 또는 코일의 길이를 결정하는 부분이다. 이를 위하여 위치에 따라 미리 분석된 자기장의 세기 정보를 이용하여 코일 또는 전류의 세기를 선택할 수 있다.

단계 1310에서는, 도 8의 코일 길이 조정부(830)에서 코일 길이(즉, 코일의 선택)를 초기화하거나, 또는 전류 세기 조정부(840)에서 코일에 흐르는 전류의 세기를 초기화한다.

단계 1320에서는, 도 8의 정자기장 세기 분석부에 의해, 테스트 신호를 스피커에 출력한다.

단계 1330에서는, 스피커의 진동판 부근의 센서, 예컨대, 마이크 등을 통하여 입력되는 입력 신호를 분석한다. 따라서, 스피커의 출력을 센서를 통하여 분석할 수 있다.

단계 1340에서는, 단계 1330의 분석 결과로부터 왜곡의 발생 여부와 출력의 부족 여부를 판단한다. 왜곡은 스피커의 입력 신호, 예컨대, 테스트 신호의 파형과 스피커의 출력 신호의 파형이 같지 않고 변형이 일어난 것을 나타낸다.

왜곡이 발생하거나 출력이 부족할 경우, 단계 1350에서 코일의 길이, 코일에 흐르는 전류의 세기를 조정한 후, 정자기장 세기 분석을 다시 행한다.

왜곡이 발생하지 않고, 출력이 부족하지 않은 경우, 정자기장 세기 분석 결과에 기초하여 코일의 길이, 전류의 세기를 결정할 수 있다.

도 13의 방법을 통하여 마이크 등의 센서를 스피커 진동판 부근에 장착하여 상황에 따른 코일 및 전류의 세기를 선택할 수 있다.

5)무자석 스피커 진동판 댐퍼부

도 14는 일부 실시예에 따른 무자석 스피커의 댐퍼 및 스토퍼 구조를 나타낸 도면이다. 진동판(1430)과 음성 코일(1410, 1420)의 중심축이 귀를 향하도록, 예컨대, 정자기장과 직교하게 배치된, 무자석 스피커는 음성 코일의 반원부(예컨대, 음성 코일 제1 반원부, 1410)가 중심축 방향으로 하강하는 동작 모드와, 또 다른 반원부(예컨대, 음성 코일 제2 반원부, 1420)가 중심축 반대 방향으로 상승하는 동작 모드를 동시에 발생시켜 코일을 이동시키는 힘의 합력을 소멸시킨다. 이에 따라, 음성 코일 전체는 직선적인 이동이 없이 스스로 회전만 하는 운동 모드를 가진다. 코일의 둘레와 진동판(1430)이 상호 고정되어 있고, 코일의 둘레를 따라 진동판(1430)의 지지력이 불균일하므로(진동판 형상에 따른 소재 탄성 반발력이 다름), 진동판(1430)은 어느 정도의 국부적인 직선 운동을 하게 되나, 그 진동의 크기가 작고 국부적인 진동들이 서로 상쇄되는 효과로 인해 소리를 원활하게 재생할 수 없다. +/- 전류 신호에 따라 코일이 소리를 낼 수 있게 하려면 코일이 중심축과 나란히 큰 변위의 상승, 하강 운동을 하게 하는 것이 필요하다. 어느 하나의 코일 반원부(1420)의 운동을 구속시키고, 다른 반원부(1410)를 움직이게 하면 전류 신호에 따른 코일의 변위 이동 움직임으로 소리가 재생된다.

도 14에서 코일 반원부(1420)를 구속시키는 방법으로 진동판(1430)의 한쪽 편에 진동판(1430)의 진동을 흡수하기 위한 진동 흡수부, 예컨대, 스폰지 등의 일정한 탄성과 자체 변형이 이루어지는 댐퍼(1440)를 부착하고, 그 위에 플라스틱 등의 강체 경계벽으로서, 스토퍼(1450)를 설치한다. 진동판(1430) 상승 방향으로 일종의 댐퍼(1440)-스토퍼(1450) 구조를 구성하여 진동판(1430)의 비틀림 진동을 억제하고 상하 직선운동을 크게 할 수 있다. 스폰지 댐퍼(1440)와 플라스틱 스토퍼(1450) 사이의 간격과 스폰지 댐퍼(1440)의 두께, 밀도가 중요한 인자가 될 수 있다. 진동판(1430)의 상승이 댐퍼(1440)-스토퍼(1450)에 의해 저지될 때, 과도한 힘을 받게 되면 진동판(1430)의 찌그러짐 또는 비정상 변형으로 일부 주파수를 재생하지 못하는 문제가 발생하고, 반대로 댐퍼(1440)와 스토퍼(1450) 간에 간격이 커서 저지되는 힘이 매우 작거나 없으면 소리 출력이 약해지는 문제가 발생한다. 또한 진동판(1430)에 부착된 댐퍼(1440)의 중량은 진동판 고유 진동수에 영향을 주고, 주파수 응답 특성의 변화에 영향을 주므로, 진동판(1430)의 기계적인 형상과 구조에 따라 적절한 크기 및 중량을 부착하여야 한다.

이하, 도 15 및 도 16을 통해 일부 실시예에 따른 소음 제거 방법을 설명한다.

도 15는 일부 실시예에 따른 소음 제거 방법의 흐름도이다.

단계 1510에서, 소음을 포함하는 음성 신호를 입력받는다.

단계 1520에서, 음성 신호 중의 소음 패턴의 주기를 추정한다. 이 때, 소음을 발생시키는 기기로부터 소음의 주기 정보를 획득하거나, 소정 시간 동안 획득한 음성 신호의 데이터를 통해 주기 정보를 계산할 수 있다.

단계 1530에서, 추정된 소음 패턴의 주기를 이용하여 주파수 영역에서 음성 신호로부터 소음 패턴을 감산하여 제거한다. 단계 1530에서는, 소음 패턴과 음성 신호의 현재 프레임의 타이밍 인덱스를 일치시키는 단계, 음성 신호의 현재 프레임으로부터 타이밍이 맞춰진 소음 프레임의 스펙트럼을 제거시키는 단계, 및 잔류 잡음을 후처리를 통해 제거시키는 단계를 포함할 수 있다.

단계 1540에서, 소음의 크기 변화에 따라 소음 패턴을 업데이트한다. 단계 1540에서는, 음성 신호의 현재 프레임에서 음성의 존재 유무를 판단하는 단계, 음성 신호의 현재 프레임에 음성이 존재하지 않는 경우, 소음 패턴을 업데이트하고 음성 신호로부터 소음 패턴을 제거하는 단계, 소음 패턴이 제거된 출력이 입력된 소음보다 크게 증폭되어 발산하는지 여부를 판단하는 단계, 및 출력이 발산하는 경우, 소음 패턴 정보를 초기화시키는 단계를 포함할 수 있다.

단계 1550에서, 소음 패턴이 제거된 음성 신호를 출력한다.

도 16은 일부 실시예에 따른 음성 커뮤니케이션 잡음제거 알고리즘을 나타내는 개략적인 흐름도이다.

도 17은 일부 실시예에 따른 음성 커뮤니케이션 잡음제거 알고리즘을 나타내는 구체적인 흐름도이다. 도 17에서는 도 16의 주기 추정 단계(1640), 잡음 제거 단계(1650), 소음 업데이트 단계(1660)를 보다 상세히 나타내고 있다.

- 화자(예컨대, 환자) 음성 획득 단계

마이크로 화자의 음성과 소음 신호를 동시에 획득하여 잡음제거 처리 단계로 입력한다. 예컨대, MRI 스캔 룸에서 마이크로 환자의 음성과 소음 신호를 동시에 획득하여 잡음 차단 처리 단계로 입력한다. 이 때, 높은 소음 레벨의 환경(예컨대, MRI 환경)이므로 소음 대비 화자(예컨대, 환자) 음성이 작은 레벨로 입력된다. 따라서, 일부 실시예에서는 지향성 마이크를 사용하여 SNR을 높여준다.

- 음성 커뮤니케이션 잡음 차단 단계

이하에서는 도 16 및 17의 흐름도를 참조하여 일부 실시예에 따른 음성 커뮤니케이션 잡음제거 알고리즘을 설명한다.

단계 1610에서 프로그램 루프, 예컨대, 음성 커뮤니케이션 잡음제거 알고리즘을 시작한다. 프로그램 루프는, 단계 1690에서 종료된 후, 단계 1610으로 되돌아올 수 있는 것으로 나타낸 것처럼 반복하여 계속하여 수행될 수 있다.

단계 1620에서, 앞서 설명한 화자의 음성 획득 단계에서 얻어진 입력 신호에 대해 일부 실시예에 따른 잡음제거 알고리즘이 실행된다.

단계 1630에서, 주기 추정이 완료되었는지 판단하여, 주기 추정이 완료되지 않은 경우, 단계 1640에서 주기 추정 단계를 수행한다. 주기추정이 완료된 경우, 단계 1650에서 잡음 제거 단계를 수행한다.

단계 1640에서, 주기 추정 단계의 알고리즘이 동작하게 되면 단계 1642에서, 입력 신호를 소음 버퍼(buffer)에 저장하면서 샘플 카운트(sample count)를 시작한다.

단계 1644에서, 소음 버퍼를 충분한 크기만큼 저장하여 주기를 추정하기 위해 샘플 카운트가 소정의 임계값(threshold)에 도달할 때까지, 예를 들어 샘플 카운트가 소정의 임계값보다 큰 값을 가질 때까지 저장을 반복한다.

단계 1646에서, 소음 버퍼를 이용하여 입력되는 소음의 주기 값을 계산함으로써 주기를 추정하거나 소음을 발생시키는 기기의 시스템으로부터 주기 정보를 입력받아 저장한다.

다음으로 단계 1650에서, 잡음 제거 단계를 수행한다.

단계 1646에서 주기 정보 값의 저장이 완료되면 단계 1652에서는 프레임(frame) 단위로 입력을 저장한다. 이 때, 프레임 크기가 작을수록 잡음 제거에 있어서 왜곡을 줄일 수 있다.

단계 1654에서 작은 프레임 크기에서 신호를 처리하기 위해 현재 프레임이 소음 패턴이 저장된 버퍼의 어느 타이밍에 일치하는지의 정보, 즉, 인덱스(index) 정보를 다음 수학식 1과 같이 계산한다.

여기에서, Index는 현재 프레임이 소음 패턴이 저장된 버퍼의 어느 타이밍에 일치하는지를 나타내는 정보이다.

단계 1656에서는 인덱스 정보 값을 이용해 입력 프레임과 타이밍이 맞춰진 프레임 크기만큼의 소음 버퍼 신호를 각각 주파수 영역으로 전환(예를 들어, FFT(Fast Fourier Transform) 수행)하고, 각각의 크기(magnitude)를 계산한다.

단계 1658에서는 계산된 크기 정보를 아래의 수학식 2와 같이 감산(subtract)하여 음성신호를 분리한다. 이 때

는 추정된 음성,

는 잡음이 섞인 음성, 그리고

는 소음 패턴 신호를 의미한다.

분리된 음성 신호에서 잔류 잡음을 제거한 후 단계 1659에서는 시간 영역으로 전환(예를 들어, IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)한다.

다음으로 단계 1660에서, 소음 업데이트 단계를 수행한다.

단계 1662에서 음성의 존재 유무를 판단한다. 현재 프레임에서 음성이 존재하지 않을 경우 단계 1664에서 소음 패턴 버퍼의 현재 프레임을 입력 프레임으로 대체하여 소음 정보를 갱신(update)한다.

단계 1670에서 이 출력이 발산하는지 여부를 판단한다.

단계 1670에서 출력이 발산할 경우, 단계 1640으로 되돌아가 주기 추정 단계를 다시 행한다.

단계 1670에서 출력이 발산하지 않을 경우 단계 1680에서 오디오 출력으로 내보내고 프로그램 루프(loop)를 종료시킨다. 단계 1690의 프로그램 루프 종료 단계에서는 단계 1610으로 되돌아가 프로그램 루프를 반복시킬 수도 있다.

- 상대방의 음성 및 컨텐츠 재생 단계

또 다른 음성입력장치로 상대방의 음성을 취득하고, 화자가 착용한 ANC 기능을 포함한 출력 장치에 있는 스피커로 능동소음제어를 하는 동시에 음성을 출력한다.

본 발명의 일 실시예는 위치마다 다른 MRI의 B0 정자기장의 세기에 따라 전류의 세기 또는 도선의 총 길이를 변화시켜서 MRI 환경 어디서나 작동 가능한 음향 시스템을 제안하는 것이다. 음향 시스템을 구성하는 스피커는 아래의 수학식 3과 같이 흐르는 전류가 주변 자기장에 의해 힘을 받아서 움직이는 현상을 이용하여 음향을 발생시키게 된다.

여기에서, F는 도선이 받는 힘, L은 도선의 길이, I는 도선에 흐르는 전류를 의미한다.

또한, 위 수학식 3의 요소 중에 자기장(B)은 MRI 환경에서 기본적으로 강하게 존재하는 요소로서, 무자석 다이나믹 스피커는 일반 자석 대신에 MRI의 정자기장을 사용하게 된다. 그러나 이러한 MRI의 정자기장은 위치마다 세기가 달라지므로, 음성 코일이 받는 힘 F는 위치마다 달라지게 된다. 이와 같이 자기장의 세기 B가 변하는 환경에서 음성 코일이 받는 힘 F를 일정하게 유지시켜주기 위해 일부 실시예에서는 도선의 길이 L 또는 도선에 흐르는 전류 I를 변화시켜 준다.

이를 위한 일부 실시예의 동작을 도 18을 참조하여 설명한다.

도 18은 일부 실시예에 따른 능동 소음 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.

단계 1810에서는, 출력 장치의 위치에 따른 정자기장의 세기에 따라 출력 장치를 선택한다.

단계 1810에서는, 출력 장치에 포함되는 멀티 코일에서 가장 짧은 길이의 코일부터 순서대로 작동시키는 단계, 출력 장치의 응답을 측정하기 위한 분석 센서, 예를 들어, 마이크를 통해 획득한 출력 신호를 분석하는 단계, 출력 신호의 파형이 출력 장치에 입력되는 입력 신호의 파형으로부터 변형된 것인 왜곡의 발생 여부와 소음보다 출력을 크게 재생 가능한지 여부를 판단하는 단계, 및 왜곡이 발생하지 않고 출력이 재생 가능한 코일 중 가장 짧은 코일을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.

또한 단계 1810에서는, 출력 장치에 포함되는 전류 세기 조정부에서 가장 큰 크기의 저항부터 순서대로 작동시키는 단계, 출력 장치의 응답을 측정하기 위한 분석 센서, 예를 들어, 마이크를 통해 획득한 출력 신호를 분석하는 단계, 출력 신호의 파형이 출력 장치에 입력되는 입력 신호의 파형으로부터 변형된 것인 왜곡의 발생 여부와 소음보다 출력을 크게 재생 가능한지 여부를 판단하는 단계, 및 왜곡이 발생하지 않고 출력이 재생 가능한 저항값 중 중 가장 큰 저항값을 선택하는 단계를 포함할 수도 있다.

단계 1820에서는, 선택된 출력 장치에 사용되는 이득을 조정한다. 단계 1820에서는, 출력 장치에 포함되는 멀티 코일 중 선택된 코일을 사용하는 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 출력과 입력된 소음의 레벨 정보에 기초하여 이득값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 단계 1820에서는, 출력 장치에 포함되는 전류 세기 조정부의 저항값 중 선택된 저항값에 의한 출력과 입력된 소음의 레벨 정보에 기초하여 이득값을 산출하는 단계를 포함할 수도 있다.

단계 1830에서는, 선택된 출력 장치와 이득을 반영하여 능동 소음 제어 신호를 산출한다. 단계 1830에서는, 출력 장치의 응답을 측정하기 위한 분석 센서, 예를 들어, 마이크와 선택된 출력 장치 사이의 출력 특성 정보, 및 분석 센서를 통해 입력되는 소음 정보에 기초하여, 분석 센서를 통해 입력되는 소음의 크기가 줄어들도록 능동 소음 제어 신호를 생성하는 필터를 구성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 단계 1830에서는, 출력 장치의 응답을 측정하기 위한 분석 센서, 예를 들어, 마이크와 선택된 출력 장치 사이의 출력 특성 정보, 및 분석 센서를 통해 입력되는 소음 정보에 기초하여, 선택된 음향 출력 장치에 대해 미리 입력된 고정 필터를 사용하여 능동 소음 제어 신호를 산출하는 단계를 포함할 수도 있다.

단계 1840에서는, 산출된 능동 소음 제어 신호를 선택된 출력 장치에 출력하여 소음 제어를 행한다.

이하, 능동 소음 제어 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

먼저 정자기장의 세기에 따른 적절한 코일의 길이 및 전류의 세기를 선택하는 과정을 거친다. 다음으로 선택된 코일 및 전류의 세기를 사용하여 해당 위치의 정자기장 세기에 적당한 출력의 음향을 출력하게 된다.

정자기장의 세기에 따른 적절한 코일의 길이 및 전류의 세기를 선택하는 과정은 위치에 따라 미리 분석된 자기장의 세기 정보를 사용할 수 있다. 미리 분석된 정보를 사용하는 과정은 도 3과 같이 미리 측정된 위치별 정자기장 세기 정보에 대한 적절한 코일의 길이 또는 전류의 세기를 정해 놓고, 스피커가 놓인 위치에 따라 코일의 길이 및 전류의 세기를 변화시켜서 사용하게 된다.

또한 마이크 등의 센서를 사용하여 자동으로 코일의 길이 또는 전류의 세기를 정할 수 있다. MRI의 정자기장 내부에 스피커가 위치하고 작동을 시작하면 정자기장 세기에 따른 전류 세기 및 코일의 자동 선택 과정이 시작된다. 도 10과 같이, 예컨대, 서로 다른 길이의 코일 1, 코일 2, 코일 3을 포함하는 멀티 코일에서, 우선 가장 짧은 코일의 길이를 선택한다. 그 다음으로 미리 입력된 테스트 신호를 시스템에 입력하여 스피커의 출력으로 나오는 신호를 마이크 등의 센서를 통해 입력받게 된다. 입력받은 신호를 분석을 해서 스피커의 왜곡(distortion)의 발생 여부 및 출력의 크기를 측정한다. 만약 왜곡이 발생하거나 출력이 부족하면 MRI 정자기장의 세기가 약한 상태이므로 그 다음 길이의 코일 길이를 선택한다. 해당 코일의 길이에 대해 테스트 신호의 재생을 통한 마이크 입력신호 분석 과정을 거치게 되고, 적절한 출력이 가능할 때까지 코일의 길이를 증가시키면서 반복 수행한다. 정자기장의 세기에 따른 전류의 세기를 정하는 과정도 이와 동일하며, 전류의 세기를 최소 수준부터 적절한 수준까지 왜곡이 발생하지 않거나 충분한 출력이 나올 때까지 반복적으로 측정을 하는 과정을 거쳐 결정을 한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 소음 제어(Active Noise Control:ANC) 시스템의 동작을 설명한다.

능동 소음 제어 시스템은 MRI 이미지 촬영을 시작하기 전에 먼저 작동된다. MRI 이미지 촬영을 하기 전에 무자석 다이나믹 스피커의 배치된 위치에 따른 적당한 코일 또는 트랜스듀서(transducer)를 선택하게 된다. 멀티-레이어 코일 방식의 무자석 다이나믹 스피커의 경우는 제일 짧은 코일부터 순서대로 작동을 시킨다. 작동은 랜덤 노이즈 또는 스위프 사인(sweep sine) 신호 등의 테스트 신호를 사용한다. 최대 출력의 테스트 신호를 출력시킨 후, 마이크를 통해서 들어오는 입력 신호를 분석한다.

만약 마이크로의 입력 신호 분석 결과, 왜곡이 발생하거나 출력이 부족하면 그 다음으로 짧은 코일을 순차 작동시킨다. 순차로 작동시킨 코일에 대해서도 최대 출력의 테스트 신호에 대해 왜곡의 발생 여부와 출력의 크기를 분석하는 방식으로 코일 길이의 순서대로 특성을 테스트한다. 테스트를 하는 과정에서 코일에 대해 왜곡이 발생하지 않고 하기 수학식 4와 같이 출력(Level_speaker)이 MRI 소음(noise)의 크기(Level_{MRI _ noise}) 대비 충분함이 확인되면, 현재 테스트 중인 코일을 사용하는 것으로 결정하고 다음 단계로 넘어간다.

멀티 트랜스듀서(Multi transducer) 방식의 무자석 다이나믹 스피커의 경우는 우선 코일에 테스트 신호를 입력하여 마이크로 들어오는 스피커의 출력 신호를 분석한다. 스피커의 배치된 위치 및 MRI의 B0 정자기장과의 각도에 따라 달라지는 출력신호를 분석하여 왜곡이 발생하거나 MRI 소음(noise)의 레벨 대비 출력의 크기가 부족하면 압전 소자를 선택할 수도 있다. 코일 작동 시, 왜곡이 발생하지 않고 MRI 소음 대비 출력의 크기가 충분하면 코일을 선택하고 다음 단계로 넘어간다.

코일 또는 트랜스듀서가 선택되면 해당 코일 또는 트랜스듀서에 대한 이득(gain)을 산출하여 반영한다. 이득은 스피커의 위치 및 MRI 정자기장 B0에 대해 무자석 다이나믹 스피커의 틀어진 각도로 인해 결정된 스피커의 출력과 MRI 소음의 레벨을 비교하여 결정한다. 또는 이득은 압전 스피커의 출력의 크기와 MRI 소음의 레벨을 비교하여 결정한다. 이때 MRI 소음의 레벨 정보는 미리 측정되어 가지고 있는 통계적인 정보를 사용하고, 스피커의 출력 크기는 코일 또는 트랜스듀서 선택을 위한 테스트 신호 분석 시 마이크로 입력된 데이터 정보를 사용한다. 이렇게 마이크 기준의 음압 레벨의 비율 정보를 바탕으로 0~1사이의 값으로 이득을 산출한다.

도 19는 일부 실시예에 따른 능동 소음 저감 알고리즘을 나타내는 도면이다.

코일 또는 트랜스듀서가 결정되고, 이득이 결정되면 MRI 이미지 촬영을 시작하고, 발생하는 소음에 대해서 도 19와 같이 능동 소음 제어 필터(W, 1960)를 계산한다.

단계 1910에서는 무자석 다이나믹 스피커로부터 출력을 행한다.

단계 1920에서는, 무자석 다이나믹 스피커(1910)의 출력 특성 정보와 귀 근처 마이크(에러 마이크)의 입력 정보를 획득한다.

단계 1930에서는 소음 제어 필터의 업데이트를 행하여, 귀 근처의 마이크(에러 마이크, 1920)로 들어오는 MRI 소음을 줄이도록 단계 1920에서 획득한 귀 근처 마이크(1920)의 입력 정보와 무자석 다이나믹 스피커(1910)의 출력 특성 정보를 사용한다.

단계 1940에서는 MRI 소음(noise)의 특성을 분석하기 위한 두 번째 마이크(레퍼런스 마이크, 1940)의 입력 신호 정보도 획득한다.

단계 1950에서는 다이나믹 스피커(1910)와 에러 마이크(1920) 사이의 전달함수를 이용하여 레퍼런스 마이크(1940)로부터의 입력을 보정한다. sh' 는 이러한 보정을 나타내는 블록이다.

단계 1960에서는 단계 1930에서 상술한 과정으로 계산, 업데이트된 제어 필터(W)와 두 번째 마이크(1940) 또는 귀 근처 마이크(1920)의 입력 신호를 합성 곱하여 최종 MRI 소음 제어 신호를 산출해낸다.

단계 1970에서는 계산된 MRI 소음(noise) 제어 신호에 이득을 반영한다.

단계 1980에서는, 코일 셀렉터(coil selector) 또는 트랜스듀서 셀렉터(transducer selector)에 의해 이미 선택된 코일 또는 트랜스듀서의 입력 라인으로 제어신호를 보낸다.

단계 1910에서는 제어신호를 무자석 다이나믹 스피커를 통하여 출력한다. 무자석 다이나믹 스피커를 통해 출력된 제어 신호는 귀 근처에서 MRI 소음과 서로 상쇄되어 귀에 도달하는 MRI 소음의 크기를 줄여주게 된다. 줄어든 MRI 소음의 크기는 단계 1920에서 귀 근처 마이크를 통하여 다시 분석되어 단계 1930에서 제어 필터를 갱신하는 데에 다시 사용되고 이러한 반복적인 과정을 통하여 MRI 소음에 대한 능동 소음 제어를 수행하게 된다.

일부 실시예는 주기적인 소음을 발생하는 기기의 동작 중 화자와 상대방이 커뮤니케이션할 수 있는 시스템과 방법을 제시하여 원활한 의사소통을 가능케 할 수 있다. 또한, 일부 실시예는 MRI 동작 중 환자와 의료진이 커뮤니케이션할 수 있는 시스템과 방법을 제시하여, 긴 MRI 촬영시간 동안 의료진이 환자의 상황을 모니터링할 수 있다. 또한 높은 소음의 환경에서 소음신호를 차단하고 음성신호를 전달하여 커뮤니케이션하는 양방향(예컨대, 환자와 의사)의 피로와 스트레스를 줄이는 장점이 있다. 일부 실시예에서 제시한 잡음을 차단하는 방법은 잡음 차단 단계에서 잡음신호의 패턴을 이용하여 주파수 영역에서 입력 신호로부터 잡음신호만의 스펙트럼을 제거하는 방식을 적용하여 정확히 소음 패턴이 일치하지 않는 경우에도 소음이 증폭되지 않고 안정적인 성능을 보인다. 추가적으로 잔류잡음제거 동작과 모니터링으로 소음 패턴을 업데이트 해주는 동작을 통해 빠르게 변화하는 소음 패턴에 적응한다는 장점이 있다.

또한, 일부 실시예는 무자석 다이나믹 스피커를 사용하여 MRI 환경에서도 저역 소음(noise)에 대해 효과적인 능동 소음 제어를 하는 방법에 관한 것이다. 정자기장의 세기가 약한 보어 외부에서는 제대로 작동하지 않는 방식의 무자석 다이나믹 스피커를 사용하는 기존의 방법과는 다르게 일부 실시예에서는 정자기장의 세기에 구애받지 않고 작동하는 구조의 무자석 다이나믹 스피커를 사용함으로써 어디서나 능동 소음 제어를 통해 소음을 저감시킬 수 있다. 이를 위하여 음성 코일에 흐르는 총 전류의 양을 제어할 수 있는 구조를 제시하였고, 그를 위해 음성 코일의 길이 조정 또는 전류 세기의 조정을 통한 방법을 제안하였다. 이러한 방법과 소음 제어 알고리즘을 결합하여 MRI의 보어 내/외부에서 모두 작동 가능한 무자석 다이나믹 스피커를 이용한 능동 소음 제어 시스템을 사용할 수 있고, 이를 통하여 MRI의 보어 내/외부 위치에 따른 정자기장 세기의 변화 또는 스피커의 배치에 의해 형성되는 B0정자기장과의 각도에 따른 스피커의 출력 변화에 구애받지 않고 MRI 소음을 저감시킬 수 있다.

도 20은 일부 실시예에 따른 자기 공명 영상(MRI) 시스템을 나타낸다. 도 21은 MRI 소음에 알고리즘을 적용하여 소음을 차단한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 자기 공명 영상(MRI) 시스템은 보어(2010), 제1 음성 입력 장치(2020), 제2 음성 입력 장치(2030), 제1 출력 장치(2040), 제2 출력 장치(2050), 능동 소음 제어 장치(2060), 및 소음 제거 신호 처리 장치(2070)를 포함한다.

보어(2010)는 자기장을 발생한다. 자기장은 자석 또는 전자석에 의해 발생되고, 자기장이 발생할 때, 전자기파를 사용하여 보어 내의 환자의 인체 내부의 정보를 얻을 수 있다.

제1 음성 입력 장치(2020)는 보어(2010) 측의 제1 사용자, 예컨대, 스캔 룸의 환자의 음성을 포함하는 음향 신호를 입력받는다. 제1 음성 입력 장치(2020)는, 지향성 마이크를 사용하여 높은 소음 레벨의 환경에서도 높은 SNR로 음성을 취득할 수 있다.

제2 음성 입력 장치(2030)는 MRI를 제어하는 제2 사용자, 예컨대, 컨트롤 룸의 의료진의 음성을 포함하는 음향 신호를 입력받는다.

제1 출력 장치(2040)는 무자석 스피커를 사용하여 제2 사용자(의료진)의 음성을 포함하는 음향 신호를 제1 사용자(환자)에게 출력한다.

제2 출력 장치(2050)는 제1 사용자(환자)의 음성을 포함하는 음향 신호를 제2 사용자(의료진)에게 출력한다.

능동 소음 제어 장치(2060)는 제1 출력 장치(2040)의 위치에 따른 MRI 정자기장의 세기에 따라, 제2 음성 입력 장치(2030)의 음향 신호에 능동 소음 제어를 행하여 제1 출력 장치(2040)에 전달한다.

소음 제거 신호 처리 장치(2070)는 제1 음성 입력 장치(2020)의 음향 신호로부터 소음 패턴을 추정하여 주파수 영역에서 소음 패턴을 제거하여 제2 출력 장치(2050)에 전달한다.

일부 실시예에 의하면 도 20과 같이 MRI 기기에서의 양방향 커뮤니케이션 동작이 가능하다. MRI 보어(2010) 내부의 환자가 말하는 음성이 제1 음성 입력 장치(2020)를 통해 MRI 소음과 함께 입력되고 소음 제거 신호 처리(2070)를 거쳐 소음이 제거된 음성 신호가 의료진에게 전달되고, 의료진의 음성 또한 ANC 기능을 포함한 헤드셋(2040)을 통해 환자에게 출력이 가능하다. 이 때, MRI 스캔 룸 내부에서 사용되는 음성 취득용 마이크(2020)와 헤드셋(2040) 장치는 MRI 촬영시 영향을 주지 않는 장치로 구성되어야 한다. MRI 스캔 룸 내부에서 사용되는 헤드셋(2040) 장치는 MRI 스캔 룸 또는 본체에 탑재되는 스피커(2040)로 대체되어 이용할 수도 있다.

도 21은 실제 MRI 장비에서 소음제거 알고리즘을 적용하여 MRI 소음을 차단하고 음성 신호를 얻어낸 결과이다.

또한, 촬영 중 환자의 특징을 기반으로 한 엔터테인먼트 서비스가 가능하다. 디스플레이와 음향재생장치를 이용하여 외부와 연동된 전자기기의 컨텐츠를 환자가 선택할 수 있으며 환자의 안정을 유도하는 음악 및 영상을 제공하는 것이 가능하다. 그리고 긴 촬영시간 동안 환자의 추가 진단 및 의사와의 원격 상담을 통해 전체 병원 진료 시간을 단축하며 환자 맞춤형 의료 정보 및 광고 등을 제공할 수 있다.

또한, 주기적이고 큰 레벨의 소음을 발생시키는 헬기나 공장 안에서 외부의 사람과 커뮤니케이션을 할 경우에 일부 실시예의 방법을 이용하여 잡음을 차단하면서 음성 신호를 상대방에게 전달하는 것이 가능하다. 또한, 자동차, 오토바이, 기차 등의 교통 수단, 청소기, 세탁기 등의 가전 제품 등 주기적 소음을 발생시키는 상황에서 커뮤니케이션을 할 경우에 일부 실시예를 이용하여 소음을 제거하여 음성 신호를 전달할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.

Claims (25)

1. 소음을 포함하는 음성 신호를 입력받는 입력부,
   상기 음성 신호 중의 소음 패턴의 주기를 추정하는 주기 추정부,
   상기 추정된 소음 패턴의 주기를 이용하여 주파수 영역에서 상기 음성 신호로부터 상기 소음 패턴을 감산하여 제거하는 소음 제거부,
   상기 소음의 크기 변화에 따라 상기 소음 패턴을 업데이트하는 소음 업데이트부, 및
   상기 소음 패턴이 제거된 상기 음성 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 음향 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 주기 추정부는, 상기 소음을 발생시키는 기기로부터 상기 소음의 주기 정보를 획득하거나, 소정 시간 동안 획득한 상기 음성 신호의 데이터를 통해 주기 정보를 계산하는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 소음 제거부는,
   상기 소음 패턴과 상기 음성 신호의 현재 프레임의 타이밍 인덱스를 일치시키는 정렬부,
   상기 음성 신호의 현재 프레임으로부터 타이밍이 맞춰진 소음 프레임의 스펙트럼을 제거시키고, 잔류 잡음을 후처리를 통해 제거시키는 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 소음 업데이트부는,
   상기 음성 신호의 현재 프레임에서 음성의 존재 유무를 판단하고,
   상기 음성 신호의 현재 프레임에 음성이 존재하지 않는 경우, 상기 소음 패턴을 업데이트하고, 상기 소음 제거부에 상기 음성 신호로부터 상기 소음 패턴을 제거하도록 요청하고,
   상기 소음 패턴이 제거된 출력이 상기 입력된 소음보다 크게 증폭되어 발산하는지 여부를 판단하고,
   상기 출력이 발산하는 경우, 상기 주기 추정부에 소음 패턴 정보를 초기화시키도록 요청하는 것을 특징으로 하는 음향 장치.
5. 소음을 포함하는 음성 신호를 입력받는 단계,
   상기 음성 신호 중의 소음 패턴의 주기를 추정하는 단계,
   상기 추정된 소음 패턴의 주기를 이용하여 주파수 영역에서 상기 음성 신호로부터 상기 소음 패턴을 감산하여 제거하는 단계,
   상기 소음의 크기 변화에 따라 상기 소음 패턴을 업데이트하는 단계, 및
   상기 소음 패턴이 제거된 상기 음성 신호를 출력하는 단계를 포함하는 소음 제거 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 소음 패턴의 주기를 추정하는 단계는,
   상기 소음을 발생시키는 기기로부터 상기 소음의 주기 정보를 획득하거나, 소정 시간 동안 획득한 상기 음성 신호의 데이터를 통해 주기 정보를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음 제거 방법.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 소음 패턴을 감산하여 제거하는 단계는,
   상기 소음 패턴과 상기 음성 신호의 현재 프레임의 타이밍 인덱스를 일치시키는 단계,
   상기 음성 신호의 현재 프레임으로부터 타이밍이 맞춰진 소음 프레임의 스펙트럼을 제거시키는 단계, 및
   잔류 잡음을 후처리를 통해 제거시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음 제거 방법.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 소음 패턴을 업데이트하는 단계는,
   상기 음성 신호의 현재 프레임에서 음성의 존재 유무를 판단하는 단계,
   상기 음성 신호의 현재 프레임에 음성이 존재하지 않는 경우, 상기 소음 패턴을 업데이트하고 상기 음성 신호로부터 상기 소음 패턴을 제거하는 단계,
   상기 소음 패턴이 제거된 출력이 상기 입력된 소음보다 크게 증폭되어 발산하는지 여부를 판단하는 단계, 및
   상기 출력이 발산하는 경우, 소음 패턴 정보를 초기화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음 제거 방법.
9. 무자석 스피커가 장착되어 음향 신호를 출력하는 음향 출력부,
   정자기장의 세기 변화에 의한 상기 무자석 스피커의 출력 변화에 따라 코일의 길이 또는 전류의 세기를 선택하는 선택부, 및
   상기 선택된 코일의 길이 또는 상기 선택된 전류의 세기를 이용하여 상기 음향 신호를 재생하는 재생부를 포함하는 음향 재생 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 음향 출력부는, 복수의 길이를 갖는 멀티 코일을 포함하는 무자석 다이나믹 트랜스듀서와, 상기 무자석 스피커의 출력 변화를 측정하기 위한 분석 센서를 포함하고,
    상기 선택부는, 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 상기 멀티 코일 중 하나 이상의 코일을 선택하고,
    상기 재생부는, 상기 선택된 코일을 사용하는 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 특성에 따라 상기 음향 신호를 재생하는 것을 특징으로 하는 음향 재생 장치.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 음향 출력부는, 음성 코일에 흐르는 전류의 세기를 조정하는 전류 세기 조정부를 포함하는 무자석 다이나믹 트랜스듀서와, 상기 무자석 스피커의 출력 변화를 측정하기 위한 분석 센서를 포함하고,
    상기 선택부는, 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 상기 전류 세기 조정부의 전류의 세기를 선택하고,
    상기 재생부는, 상기 선택된 전류의 세기를 사용하는 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 특성에 따라 상기 음향 신호를 재생하는 것을 특징으로 하는 음향 재생 장치.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 음향 출력부의 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 상기 멀티 코일은, 서로 다른 지름을 갖는 복수의 환형 코일을 포함하고, 상기 복수의 환형 코일이 하나의 진동판에 연결되는 것을 특징으로 하는 음향 재생 장치.
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 음향 출력부의 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 상기 멀티 코일은, 진동판에 연결된 코일을 복수의 묶음으로 나누고, 상기 선택부의 선택에 따라 작동되는 상기 코일의 묶음의 개수가 달라지는 것을 특징으로 하는 음향 재생 장치.
14. 제 11 항에 있어서,
    상기 음향 출력부의 상기 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 상기 전류 세기 조정부는, 가변 저항 또는 저항 크기 셀렉터와, 이득(gain) 컨트롤러를 포함하고, 저항 크기의 선택을 통해 상기 선택부에서 선택한 전류의 세기를 조정하는 것을 특징으로 하는 음향 재생 장치.
15. 출력 장치의 위치에 따른 정자기장의 세기에 따라 출력 장치를 선택하는 단계,
    상기 선택된 출력 장치에 사용되는 이득을 조정하는 단계,
    상기 선택된 출력 장치와 상기 이득을 반영하여 능동 소음 제어 신호를 산출하는 단계, 및
    상기 산출된 능동 소음 제어 신호를 상기 선택된 출력 장치에 출력하여 소음 제어를 행하는 단계를 포함하는 능동 소음 제어 방법.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 출력 장치를 선택하는 단계는,
    상기 출력 장치에 포함되는 멀티 코일에서 가장 짧은 길이의 코일부터 순서대로 작동시키는 단계,
    상기 출력 장치의 응답을 측정하기 위한 분석 센서를 통해 획득한 출력 신호를 분석하는 단계,
    상기 출력 신호의 파형이 상기 출력 장치에 입력되는 입력 신호의 파형으로부터 변형된 것인 왜곡의 발생 여부와, 소음보다 출력을 크게 재생 가능한지 여부를 판단하는 단계, 및
    왜곡이 발생하지 않고 출력이 재생 가능한 코일 중 가장 짧은 코일을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어 방법.
17. 제 15 항에 있어서,
    상기 출력 장치를 선택하는 단계는,
    상기 출력 장치에 포함되는 전류 세기 조정부에서 가장 큰 크기의 저항부터 순서대로 작동시키는 단계,
    상기 출력 장치의 응답을 측정하기 위한 분석 센서를 통해 획득한 출력 신호를 분석하는 단계,
    상기 출력 신호의 파형이 상기 출력 장치에 입력되는 입력 신호의 파형으로부터 변형된 것인 왜곡의 발생 여부와, 소음보다 출력을 크게 재생 가능한지 여부를 판단하는 단계, 및
    왜곡이 발생하지 않고 출력이 재생 가능한 저항값 중 중 가장 큰 저항값을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어 방법.
18. 제 15 항에 있어서,
    상기 이득을 조정하는 단계는,
    상기 출력 장치에 포함되는 멀티 코일 중 선택된 코일을 사용하는 무자석 다이나믹 트랜스듀서의 출력과 입력된 소음의 레벨 정보에 기초하여 이득값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어 방법.
19. 제 15 항에 있어서,
    상기 이득을 조정하는 단계는,
    상기 출력 장치에 포함되는 전류 세기 조정부의 저항값 중 선택된 저항값에 의한 출력과 입력된 소음의 레벨 정보에 기초하여 이득값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어 방법.
20. 제 15 항에 있어서,
    상기 능동 소음 제어 신호를 산출하는 단계는,
    상기 출력 장치의 응답을 측정하기 위한 분석 센서와 상기 선택된 출력 장치 사이의 출력 특성 정보, 및 상기 분석 센서를 통해 입력되는 소음 정보에 기초하여, 상기 분석 센서를 통해 입력되는 소음의 크기가 줄어들도록 상기 능동 소음 제어 신호를 생성하는 필터를 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어 방법.
21. 제 15 항에 있어서,
    상기 능동 소음 제어 신호를 산출하는 단계는,
    상기 출력 장치의 응답을 측정하기 위한 분석 센서와 상기 선택된 출력 장치 사이의 출력 특성 정보, 및 상기 분석 센서를 통해 입력되는 소음 정보에 기초하여, 상기 선택된 음향 출력 장치에 대해 미리 입력된 고정 필터를 사용하여 상기 능동 소음 제어 신호를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 소음 제어 방법.
22. 음성 코일,
    상기 음성 코일과 연결된 진동판,
    상기 진동판의 중심과 상기 진동판의 가장자리 사이에 상기 진동판의 한쪽 편에 부착되고, 상기 진동판의 진동을 흡수하기 위한 진동 흡수부, 및
    스피커의 전면 또는 후면에 위치하고, 상기 진동판에 부착된 상기 진동 흡수부가 지지할 수 있는 이격으로 설치된 스토퍼를 포함하는 무자석 스피커.
23. 제 22 항에 있어서,
    상기 진동 흡수부는 압축성 재질의 댐퍼인 것을 특징으로 하는 무자석 스피커.
24. 자기 공명 영상(MRI) 시스템에 있어서,
    자기장을 발생하는 보어,
    상기 보어(bore) 측의 제1 사용자의 음성을 포함하는 음향 신호를 입력받는 제1 음성 입력 장치,
    상기 MRI를 제어하는 제2 사용자의 음성을 포함하는 음향 신호를 입력받는 제2 음성 입력 장치,
    무자석 스피커를 사용하여 상기 제2 사용자의 음성을 포함하는 음향 신호를 상기 제1 사용자에게 출력하는 제1 출력 장치,
    상기 제1 사용자의 음성을 포함하는 음향 신호를 상기 제2 사용자에게 출력하는 제2 출력 장치,
    상기 제1 출력 장치의 위치에 따른 MRI 정자기장의 세기에 따라, 상기 제2 음성 입력 장치의 음향 신호에 능동 소음 제어를 행하여 상기 제1 출력 장치에 전달하는 능동 소음 제어 장치, 및
    상기 제1 음성 입력 장치의 음향 신호로부터 소음 패턴을 추정하여 주파수 영역에서 소음 패턴을 제거하여 상기 제2 출력 장치에 전달하는 소음 제거 신호 처리 장치를 포함하는 자기 공명 영상 시스템.
25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제1 음성 입력 장치는, 지향성 마이크를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 시스템.

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