ビルドアップ構成による小型脳波計の開発
大神光明1，関達也1，比留間良太1，土屋秀和2，浅川毅3
1
株式会社テクニカ，2東海大学 情報教育センター，3東海大学 情報理工学部
Development of Small electroencephalograph by the build-up configuration
Mitsuaki OHGA1，Tatsuya SEKI1，Ryota HIRUMA1，Hidekazu TSUCHIYA2，Takeshi ASAKAWA3
1

Technica Corporation，2ICT Education Center,Tokai University
Department of Information Science and Technology,Tokai University

3Abstract: The advance in semiconductor manufacturing technology has been promoting lower prices and higher
performance for microprocessors and sensors. Herewith, it is possible to develop low cost bio-measurement
equipment and these applications are expanding. Thus, we started to develop the compact electroencephalographthat is easier to use. The downsizing of the electroencephalograph was possible at a low cost by build-up typehardware structure consists of main module, amplifier module and filter function using software. The brain wave
signal that is measured at the amplifier board is converted to data at main module. The processed data is sent to
the PC or tablet via Wi-Fi. In this paper, we discuss the technology of the developed electroencephalograph andits applications.
Keywords: Electroencephalograph, Biological signal, Signal processing

1. Introduction
近年の半導体製造技術の発展に伴い，マイクロプロセッサやセンサーの高性能化，低価格化が進み，これまで高額であった生体計測機器が低コストで開発でき，医療機関だけでなく一般の人にも身近なものになりつつある1)．これに伴い，先行研究としてAtmel製ATMega8マイコンを使用した低価格な電気眼球図 2)や，National Instruments
製統合開発環境LabVIEWを使用した低価格な心電図3)や，Intel製8051マイコンを使用した低価格な心電図4)や，センサネットワークを主目的とした安価で低消費電力の特徴を持つ通信規格であるZigBeeを用いた低価格な心拍計等の機能を持つ生体計測器 5)や，FPGAを使用した低価格な脳波によるマルチメディア制御システム 6) 等が報告されている．また，現在市販されている低コストな生体計測機器には，脳波計として，NeuroSky製 MindWave Mobile7) や 東 芝 製 MindTune8) や
Emotiv製EPOC9) ，心電図として，オムロンヘル
スケア製HCG-80110)やトライテック製リード・マイハート11)等と，既に様々な機器が挙げられる．
しかしながら，これらのシステムは機能が限定されており，低価格であるが汎用性や拡張性に欠ける．そこで我々は取扱いが容易な小型脳波計の開発に着手した．メインモジュールとアンプモジュールによるビルドアップ型ハードウェア構成とソフトウェアによるフィルタ機能により低コストで小型化を実現した．試作した脳波計では，4チャンネル単位のアンプモジュールを5枚ビルドアップし，最大20チャンネルの脳波を計測する．
アンプモジュールで計測した脳波信号はメインモジュールでデータ化しWi-Fi経由またはUSBでノートPCやタブレット端末に送信して表示や解析を行う．本論では，開発した脳波計について示し，その応用分野について考察する．

2. Supported Features
Fig．1に開発した脳波計の構成を示す．左から①脳波キャップ，②脳波計本体，③モバイルバッ
テリー，④解析ソフトウェアである．脳波キャップ に 於 い て は ， 国 際 10-20 法 に 準 拠 し た
ELECTRO-CAP INTERNATIONAL製12)を適用し，世界標準の電極配置により被験者頭部から脳波を測定する．また，測定した脳波データは解析ソフトウェアにより得られた結果を用いることで，脳活動の分析や確認が可能となっている．
①

④②
Fig．1

③

Equipment for EEG recording3. Hardware Features
3.1 Configuration
脳波計本体に搭載されたモジュールの外観を
Fig．2に示す．上から順に，アンプモジュール（5枚），電源ボード，メインモジュールである．メインモジュールには，Wi-Fiモジュールが接続されている．また背面には，脳波キャップのインタフェースに合わせてカスタマイズしたコネクタ変換ボードを設置し，容易に脳波キャップの脱着が可能となるようにしている．

Cortex-M3プロセッサを搭載したマイコンを採用した．アンプモジュールの増設が可能な為，4ch～20chの範囲で電極入力数の変更が可能である．
Table1

Specification of EEG

ItemSpecification

CPU Core

ARM 32-bit Cortex-M3 72MHz

POWER Voltage+5.0V

EEG Input Ch

4～20chGain

MAX 12100

S/N

81dB

Frequency Prop.

0.71～37.86Hz
・EEG Signal Input

External I/O

・GND-DRIVE Output
・Triger Signal Input
・Extension I/O Connector

4. Gain and Frequency response

Fig．2

EEG moduleConnector Convert Board（20Ch）

Fig．3に脳波計本体のモジュール構成を示す．本
脳波計は，アンプモジュール，メインモジュール，電源ボード，コネクタ変換ボードに機能分割し，ビルドアップによる容易で効率的な接続方法を採用している．ビルドアップ構成により，電極数や計測内容に応じたアンプモジュール構成が可能となり，用途に対して柔軟に対応できる．例えば，脳波計用，心電計用，筋電計用のアンプモジ
ュールを組合わせて，1つの測定器に集約することもできる．

EEG Signal

Triger Signal

Fig．4にアンプモジュールの増幅及びノイズ除去のメカニズムを示し，Fig．5に周波数特性を示す．電極から取得した脳波信号は，EMI(Electro-MagneticInterference)/ESD(ElectroStaticDischarge)フィルタにより，静電気保護及び電磁ノイズの除去が行なわれ，同相ノイズの除去能力を有する計装アンプに入力される．計装アンプで100倍に増幅された脳波信号は，直流成分の回路オフセットを除去するためHPF(High Pass Filter)に入力される．更に後段アンプで121倍に増幅された脳波信号は，フィルタで不要周波数成分が除去されてA/Dコンバータ（ADC:Analog to Digital converter）へ入力される．これらの一連の処理結果として脳波信号は12100倍に増幅されノイズと不要な周波数成分が除去されて，脳波測定に十分な周波数特性値を持つ．
GND-DRIVE

AMP Module (4Ch)
AMP Module (4Ch)+AMP Module (4Ch)

EMI/ESDFilter

Fig．4AMP Module (4Ch)

USB

Fig．3

AMP

4 OrderSallen-Key

Anti-aliasing
Filter

The stuructureof EEG module
R

3.2 Specifications
Table1に開発した脳波計の仕様を示す．CPUには，処理能力と開発効率の面よりARM製32-bit-10Gain(dB)

POWER

A/D
Converter

Amplification and noise removing-5

POWER Board

Δ∑
16bit

HPF

0

MAIN Module

Wi-Fi

Signal

HPF－AMP Module (4Ch)

GND-DRIVE
POWER＋5.0V

INS.
AMP

EEG
Cap-15-20-25-30-35-40-450.1

110Furequency(Hz)

100

Fig．5

Frequency characteristic

きな差はなく、測定箇所全体に脳波が見られる。

5. Software Features
脳波計としての基本的なデータ記録波形表示の他に脳波解析で必要とされるスペクトル解析，トポグラフ表示，ERP解析の機能をソフトウェアで実現している．また，取込んだ脳波データに対して任意の周波数帯域でフィルタリングして表示や保存する機能も備える。

6. Expremental study
6.1 Method
開発した脳波計を評価するために，安静閉眼時にα波が後頭部優位になることを利用し，安静閉眼，開眼を3回繰返し，脳波の変化を観測した．
Table2に測定条件を示す．また，Fig．6に被験者に脳波キャップを装着し測定している様子を示す．
Measurement conditions of brain waves

Item
Task
Sampling Rate

Specification(eye-open：5s，eye-closed：10s)
×3 times
250sps
20 Point（10-20 system）

eye-closed（10s）Mesurement Position

Table2eye-open（5s）Measurement
Position

Times (s)Fig．7The traces of EEG

6.3 α-waves analysis
測定した脳波データを解析ソフトウェアを用いてフィルタをかけα波を抽出した．Table3に解析条件をFig．8に解析結果のグラフを示す．また，Fig．9に開眼，安静閉眼におけるα波の変化をトポグラフで示す．尚、Fig．10には、トポグラフの見方を示す．これら結果より，安静閉眼時に国際10-20法の後頭部箇所であるPZ，P3，P4，O1，O2（Fig．8の○印の測定箇所）の箇所で振幅が大きいことや，脳波強度が後頭部付近で高いことよりα波が確認された．
Table3

Analysis condition of α waves

Item

Fig．6

Installing

6.2 Result
Fig．7に測定結果のグラフを示す．帯域フィル
タなしでの脳波データは、開眼、安静閉眼での大Specification

Band Pass Filter

8Hz～13Hz

Sampling Rate

250spsMeasurement
Position

20 Point（10-20 system）

FrontEEG StrengsMax

eye-open（5s）eye-closed（10s）

BackFig．10

Min

Scalp power map

7. Application example
Mesurement position

開発した脳波計は，低電力，小型，低コスト及び汎用性，拡張性の面より，様々な応用が考えられる．
・ 携帯型脳波計によるアプリケーションとして，自動車ドライバ補助，感情や感覚モニタ装置，BMI(Brain-Machine Interface)等
・ 心電計測によるスポーツトレーニング補助や健康管理等
・ 心拍計測による自動車ドライバ補助，スポーツトレーニング補助や健康管理等
・ 筋電信号による義手，義足，ロボットハンド等の制御等
・ 眼電位を用いた眠気検出による自動車ドライ
バ補助，情報機器操作，各種制御等
Times (s)

Fig．8

Open

Analysis result : α waves

Close

Open

Close

Open

Close

Openr

Fig．9

Topographic analysis of α waves

8. Conclusion本研究では，汎用性と拡張性のある小型で低コストな脳波計を開発した．本脳波計は，メインモジュール，電源ボード，アンプモジュールをビルドアップ構成にしたことを特徴としている．そのため，ユーザの要求や予算に応じて組合せを変更することが可能で，様々な機能構成を実現できる．
例えば，脳波計用のモジュールに心電図用のアンプモジュール加えることで，脳波と心電の同側が可能となる．今後の展望としては，本脳波計を利用した低コストの生体計測機器を開発し評価を行なっていく．また，アンプモジュール上の増幅度や測定帯域幅等をソフトウェア的に容易に可変できる機構の追加や，計測する生体信号ごとのアンプモジュールの開発を行ない，自由度及び汎用性の向上を図っていく．

References
1)

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Shivannavar: A Real time access & control of
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11) 株式会社トライテック，リード・マイハー
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rt/index．html，2016年1月11日
12) ELECTRO-CAP INTERNATIONAL Inc． 脳波キャップ，http://www.electro-cap.com/index.cfm/caps/，2016年2月17日