電源供給に導電性衣服を用いた高精度多チャンネルの無線筋電位測定システム
小松原宏 識†1 秋 田 純 一†2 北 川 章
戸 田 真 志†3 櫻 沢繁†3近 藤 一 晃†4 中 村 祐 一†4夫†2

従来のウェアラブルコンピューティングのシステムでは，有線式では煩雑なケーブルの問題，無線式では各デバイスへの電源供給問題がそれぞれ存在する．著者らはこれまでに導電性の布を用いた衣服により，電源供給を導電性衣服から行って無線通信を行うことで，双方の問題を解決することができる方法を提案してきた．また導電布は、その高い導電率から人体表面を一定電位に保つ効果があり，ハムノイズ等の外来ノイズの除去に有効である．本稿では，この導電性衣服を用いて，ユーザが筋肉を動かす際に発生する表面筋電位信号を高精度かつ多チャンネルで無線測定するシステムの実装について述べる．また実際に前腕の筋電位を 10kHz で 4 点測定した結果についても述べる．

Precise and Multi-channel Wireless Electromyography Measurement System
Using Conductive Fabric for Power Supply
Hiroshi Komatsubara,†1 Junchi Akita,†2 Akio Kitagawa,†2Masashi Toda,†3 Shigeru Sakurazawa,†3 Kazuaki Kondo†4and Yuichi Nakamura†4
Conventional wearable computing systems have the problems of complicated cable for wiredsystems and power supply problems to devices for wireless systems. The authors have beendeveloping the wearable computing system with conductive fabric for clothing to solve these
problems to supply power through the conductive fabric with wireless communication methodology. The conductive cloth also has the electrostatic shield eﬀect for its high conductivity,that reduces the external noise. In this paper, we describe the development of the precise andmulti-channel wireless electromyography (EMG) measurement system using this conductive
clothing, as well as the EMG measurement results in upper arm muscle at four points.

1. は じ め に

生体信号の取得は病院などの限られた場所，条件だけで行われてきたが，端末のウェアラブル化によって，今日の情報機器の小型化・低コスト化・低消費電力化

日常の中でも生体信号を取得できるようになってきた．などにより，情報端末を体に纏う，ウェアラブルコン

日常的に生体信号を取得することで，普段の生活の中ピューティングの応用が行われてきている．具体的にから健康状態を把握し，管理することができる．

は，音楽プレーヤや携帯電話などの情報機器の持ち歩

しかし，今後，使用する情報量の増加によって情報き，コンピュータやゲーム機などへのユーザインター機器が増えることにより，それぞれのバッテリのメン

1)

フェース ，生体信号をモニタリングすることによるテナンス，デバイス間のケーブルが煩雑になるといっ

健康管理2)3) ，などがある．

た問題が浮上すると考えられる．
筆者らは，導電性の布を用いた衣服を用いることに†1 金沢大学 大学院
Kanazawa University†2 金沢大学
Kanazawa University†3 はこだて未来大学
Future University-Hakodate†4 京都大学
Kyoto University

より，ウェアラブルコンピューティングの本質の問題である，有線での煩雑なケーブル，無線での電源供給，の両方の問題を解決することでのきるシステム Tex-tileNet を考案，試作してきた4) ．この TexileNet で用いる導電性布は高い導電率から静電シールドの効果を持つことが期待されるので，ハムノイズなどの外来ノ情報処理学会 インタラクション 2011ੱ૕䊶ዉ㔚ᕈ⴩᦯਄䊥䉶䉾䊃ାภ⊒↢䊙䉟䉮䊮ㅍାᯏ䋺䌣䌨䋱ฃାᯏή✢㔚ᭂ䉝䊮䊒䊶䊐䉞䊦䉺㪘㪛㪚䊙䉟䉮䊮ή✢ᯏή✢ᯏ㪬㪪㪙ᄌ឵㪧㪚ㅍାᯏ䋺䌣䌨䋲
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図 1 有線式での下肢の筋電の測定の様子
Fig. 1 EMG measurement of lower limb using wiredsystem

イズの影響を少なくすることができる5) ．
生体信号の一つである，筋肉を動かす際に発生する㔚ᭂ

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図 2 多チャンネル筋電位測定システムの全体構成図
Fig. 2 Block diagram of multi-channnel EMG
measurement system

筋電位信号は，複数の筋の使われ方の解析など，しばしば多チャンネルで測定される（ 図 1）．そのため有線式ではケーブルがとても煩雑になってしまう．したがって，本稿では，導電性衣服を用いて，電力供給を導電性衣服から行い，通信を無線にすることで双方の問題を解決しつつ，ノイズが少ない中での筋電位信号の高精度多チャンネルの測定システムの実装を行う．
また，そのシステムを用いて実際に前腕の表面筋電位を測定した．

2. 高精度多チャンネルの無線筋電位測定シス
テム

図 3 導電性衣服に使われている生地
Fig. 3 Fabric for conductive clothe（VDD），裏面をマイナス極（GND）として用いるこ

2.1 システムの概要とにより，電源供給を実現している（ 図 3）．送信機実装した表面筋電位測定システムの構成図を 図 2にはここから電源供給を受ける．に示す．被験者は導電性衣服を着用してもらい，その2.3 送 信 機

衣服上に送信機とリセット信号生成機をピンで留める．

試作した送信機の写真を 図 4 に示す．基板は 3 段

受信機側は USB で PC に接続されている．送信機側構造になっている．

で表面筋電位を測定し，無線を用いてデータ転送を行

これを導電性衣服に表面に装着する際，ワッシャをう．今回の測定システムの仕様を 表 1 に示す．測定

服の表面に押し当て，ピンを服の裏側から押し当てる．

点 1 か所あたりに無線機を 1 つ置き，多点での表面筋

これによって，電源を供給すると同時に，服に基板を電位測定を行う．

固定することが可能である（ 図 5）．また，ピンの針

2.2 導電性衣服の中間部分は絶縁になっており，表面とショートせず

TexitileNet で用いられている導電性衣服に使われに基板と電気的にも接続することができる．ている生地は，導電布，絶縁布，導電布の 3 枚の布を重ね合わせて作られている．この生地を用いて服状に縫い上げる．この導電性衣服の，表面をプラス極Table 1

表 1 筋電位測定システムの仕様
Specification of EMG measurement system
測定チャンネル数
サンプリング周波数 [kHz]AD 変換器分解能 [bit]電源電圧 [V]410123.3

この送信機で，電極を用いての表面筋電位の取得から無線データの送信までを行う．
まず，表面電極を用いて皮膚表面から筋電位を測定する．筋内で発生した筋電位は皮下組織を通った後，皮膚表面では ± 数十 µV〜数 mV 程度に減衰されてしまう．このため測定器で測定できるようにアンプで増幅を行う．今回は 5100 倍とした．
一方，電極と皮膚の接触圧が変化する，リード線が動く，といった動作によってモーションアーティファク電源供給に導電性衣服を用いた高精度多チャンネルの無線筋電位測定システム

Fig. 4図 6 受信機の外観
Fig. 6 Over view of receiver

図 4 送信機の外観
Over view of transmitter

定以上になる前にリセット信号を送信し，測定器のクή✢ㅢା㩿㪉㪅㪋䌇䌈㫑㪆㪉㪤㪹㫇㫊㪀ή✢ㅢାᯏ

ロックの同期を行う．
今回試作した回路の水晶振動子の周波数安定度は㪘㪛㪚䊶䊙䉟䉮䊮
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32.768kHz±20 × 10−6 Hz と高精度である．しかし，

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基板レイアウトやパターンなどによって発振周波数の㔚Ḯ
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精度が下がってしまうので，今回は実測により 30 秒ごとにリセット信号を送信した．

2.5 受 信 機╭㔚૏䉝䊮䊒

受信機側は，無線機，FPGA（Xilinx:XC3S200），㔚ᭂੱ૕㩿⣨㪀

Fig. 5図 5 導電性衣服を用いた電源供給
Power supply using the conductive clothing

USB マイコン（FTDI:FT2232H）から構成されている．受信機の写真を 図 6 に示す．送信機から無線で送信された信号は受信機で受信され，そのデータを FPGAを通して読み込み，USB マイコンを通して PC へ転トというノイズが発生してしまう．これらは数 Hz 程送される．PC 上のプログラムを Visual C #を用い度以下に分布しており，これを除去するために，カッて作成した．

トオフ周波数が 5Hz のハイパスフィルタを用いる．さらに，サンプリングの際のエリアシングを低減するために，5kHz のローパスフィルタを用いた．

3. 実 験 結 果
表面筋電位測定の様子を 図 7 に示す．前腕の内側

最後に，AD 変換器を用いて量子化を行い，マイの 4 か所に，電極を 1.5cm 間隔で配置した．この状コンを通して，無線機に転送を行う．今回，サンプ態で，薬指を曲げる・伸ばすという行動を連続して行

リング周波数を 10kHz としているので，マイコンい，その時の表面筋電位の測定結果を 図 8 に示す．

(Cypress:CY8C24223A-24PVXI) が 0.1m 秒ごとに薬指を動かす筋の近い順に，ch4，ch3，ch2，ch1，AD 変換器 (ANALOG DEVICES:AD7466) をスターと電極を配置した．したがって，ch4 の信号が最も大トさせる．

きく，筋から遠ざかるに従って，信号が減衰して値が量子化されたデータは，マイコンを通して無線機 (Sparkfun:Transceiver nRF24L01+ module withchip antenna) に転送され，15 サンプルごとに無線機から無線パケットとして送信される．

小さくなっていることが確認できた．

4. まとめと今後の課題
本稿では，高精度多チャンネル無線式筋電位測定シ2.4 リセット信号発生器

ステムの提案，実装を行った．また，このシステムを測定器が複数ある場合，それぞれのクロックの周波用いて，実際に 4 点の表面筋電位を測定することがで数のばらつきにより測定点ごとに測定タイミングがきた．

ずれてしまい，同時サンプリングを行うことが困難

しかし現状では，導電性衣服でリセット信号の通信になってくる．そのため，今回はリセット信号発生器の部分はまだ行っていないので，これを実装していくというものを用意し，各測定器のクロックのずれが一予定である（ 図 9）．

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図 8 4 点での筋電位測定結果
Fig. 8 Result of EMG measurement at four points

図 7 4 点での筋電位測定の様子
Fig. 7 EMG measurement at four points

これらを用いることにより，簡易装着で長時間安定測定などが可能になり，日常の動作の中での動作の表面筋電位を測定することが可能になると考えられる．
謝辞 本研究は科研費（19200008）の助成を受けたものである．

参 考文献1) T. Scott Saponas at el, ”Enabling AlwaysAvailable Input with Muscle-Computer Interfaces ,” Proceedings of the 22nd annual ACM
Symposium on User Interface Software andTechnology, pp. 167-176 (2009)
2) Young-Dong Leea,Wan-Young Chung, ”Wireless sensor network based wearable smart shirtfor ubiquitous health and activity monitoring,”

図 9 導電性衣服に装着されている送信機の様子
Fig. 9 Transmitter attached to a conductive clothe

Sensors and actuators. B: Chemical, Volume140, Issue 2, pp. 390-395 (2008)3) 杉本 千佳：行動・生活支援のためのウェアラブ
ルセンサシステム, 精密工学会誌, Vol.73, No.11,pp.1182–1185 (2007)4) 秋田純一, 新村 達, 村上知倫, 戸田真志：空間自由度が高いウェアラブルコンピュータ向けネットワークシステム, 情報処理学会論文誌, Vol.47,
No.12, pp.3402–3413 (2006)
5) 新村 達, 秋田純一, 櫻沢 繁, 戸田真志：導電性衣服を用いた高精度・多チャンネルの筋電位測定システム, 情報処理学会論文誌, Vol.48, No.12,
pp.3784–3792 (2007)