波形観測システムを用いた筋電位計測計の開発
３年Ｂ組

武田優生

指導教諭

米田隆恒

１．要約
コンピューターやセンサーの発達により、より高速な処理が行われるようになったため、その信号を LED などにより視覚的に捉えることが難しくなった。そこで、高速な信号をマイコンを用いて観測し、その機能を応用させることで、筋電位計測計を開発した。
キーワード

A/D 変換、オシロスコープ、データロガー、筋電位

２．研究背景と目的

アナログデータを A/D 変換でデジタルさまざまな電子機器が高度化しているに変換し、マイコンに取り込む。そこか

今、センサーなどの値を目でみたり、音ら RS－232C シリアル通信を用いて PCで聞いたりすることができなくなってきにデータを送信し、VisualBasic2008(以ている。そこで今回、dsPIC マイクロコ

下 VB)で自作アプリケーションを作成し、ンピューター(以下、マイコン)を用いて波形を観測した。

波形観測システムを構築し、センサーなこの自作アプリケーションには、DFT

どから出力されるデータを可視化するこ

機能を自分でプログラミングし入力デーとにした。

タのスペクトルを表示することができるようにした。この DFT 機能によって筋電位を観測することができた。また、データロガー機能もつけたので長期間データをとり続けることもできる。
また、筋電位計測計の作成において、物理班西田による「筋電位計測システムの作成とその応用」(2008 年度 SSH サ
イエンス研究会研究論文集 p.23～35)を

図１

今回使用した Microchip 社製
dsPIC30F3012

参考にして、私は独自に筋電位計測計を作成した。

最高処理速度 120MHz

３．研究内容具体的には、センサーから出力された<目標>センサーからどのようなデータが出て上げることが可能であった。また、これいるのかを可視化する。さらに、筋電位以上の通信速度(230.4kbps)を超えるあを用いてアプリケーションを操作する。

たりではエラーが目立った。

(１)研究事項<研究２>

センサーから出力されたアナシリアル通信をマイコンに実ログデータを dsPIC マイコンの A/D 変装し、データが確実に送信されるかどう換機能を使用し、デジタルデータに変換かを確認する。

して PC に送信する。図３のようにアナ<研究１>

ログデータを 10 進数に変換して PC に
<研究２>

A/D 変換機能を用いてセンサ送れていることが確認できた。

ーなどの値を数値としてみる。
<研究３>

VB でアプリケーションを作成し、送られてきたデータでグラフを作り、どう変化するかを確認する。
<研究４>

この波形観測システムを用いて表面筋電位計測計を作成する。
(２)研究方法<研究１>

dsPIC マイコンから出力される 0－5V の信号ではシリアル通信で通信できないので、PC と通信するために、±13V の電圧に変換する IC を用いてPC と接続した。そのときの様子が図２

図３

シリアル通信でアナログ変換されたデータを受信できた。0 から 255 の範囲が 0Vである。

から 5V に対応している<研究３> PC 側アプリケーションには、
Microsoft Visual Basic 2008 Express
Edition を用いて作成した。このアプリ
ケーションには、オシロスコープ機能、スペクトル解析、データロガー機能、スクリーンショット撮影機能などをプログラミングした。
図２

シリアル通信のテスト■オシロスコープ機能

このとき、通信速度は 115.2kbps まで

１kHz のパルスを入力した様子。図４

が自作ハードウェア+自作アプリケーシ
ョンで表示した画面、図５が Agilent
Technologies InfiniVision DSO5014Aで表示させた画面である。
このように、自作ハードウェア+自作アプリケーションでも低周波では、オシ100kHz の Sin 波をロスコープ並みの性能もたせることがで図６きる。だが、100kHz を超える高周波に自作ハードウェア+アプリケーションになると、A/D 変換の速度が追いつかない入力した様子

ため、図６のように波形がいびつになってしまう。
今回の目標である筋電位の取得の場合、■データロガー機能
5V1F の電気二重層コンデンサを満充

筋電位の周波数は数 Hz からせいぜい数電し、青色 3φ の LED(30mA)で放電さ

kHz なので、この速度で問題ないことがせたとき、そのデータを１秒ごとに取得わかった。

し、その後グラフにすることができた。

図４ 自作ハードウェア+アプリケーションで1Hz パルスを入力した様子

図７

電気二重層コンデンサを LED で放電させたときのグラフ充電後５秒後に LED に接続したため、このグラフ図７から、５秒あたりで１V程度の大幅な電圧降下が発生していることがわかる。
■Google フライトのコントロール
Google Earth のフライトシュミュレ
図５Agilent Technologies

ータはもともとマウスやキーボードで操InfiniVision DSO5014A で表示さ作するものだが、この方法だと操作し辛せた画面い。そこで、SHARP 製

距離センサーGP2D12 を用いて手を移動させるだけ筋電位を取得するために必要な電極をでフライトシュミュレータを操作するこ開発した。銀のパッドが一番いいが、入とができた。このセンサーは 10cm～手が困難である。そのため、まずは生基90cm ぐらいの距離なら、かなり高精度板とよばれる銅の板を薄くはった基板に測ることができる。そこでこれをセン40mm×30mm に切り出してみた。しかサー部が横になるように設置すると、機し翌日にはさびて使い物にならなくなっ体の向きの制御、センサー部を上になるてしまった。

ように設置すると、機体の高度を制御することができる。

そこで次に、生基板を切り出した後、ヤスリで表面を磨き、半田こてで表面をSnPb からなる半田でコーティングした。
だが、生基板が熱に弱いため、途中で曲がってしまうか、銅板が熱にやられて穴が開いてしまった。
その後試行錯誤した結果、サンハヤト社が製造している、磁気ガード用銅箔テープ T－30C（図 10）に半田メッキし、裏の粘着テープでマジックテープに直接

図８

SHARP 製

距離センサー

GP2D12固定した。最終的には、銅箔テープの半田メッキを、１%銀入り半田を用いることにより、皮膚表面との表面電位差を小現在はまだ多チャンネルシリアル通信さくすることができた。に成功していないため、機体の向きを制御するか、高度の上下を選択するかのどちらかしかできない。

図 10

サンハヤトの銅箔テープ
T－30C

図９

Google フライトシュミュレータを制御している様子(２)増幅回路の作成
今回私は、作動増幅という回路を利用した。この作動増幅は、２極間の差をと■筋電位計測計の開発って増幅するので、外から入るノイズに<ハードウェア>強い。蛍光灯や家庭のコンセントは(１)電極の作成

60Hz のノイズを発生してしまうが、そのノイズをある程度は、打ち消すことができた。

<ソフトウェア>ソフトウェアは波形観測システムに離

また、今回は簡易的に筋電位を取得す

散フーリエ変換機能をプログラミングし、ることを目標としているため、LM324Nスペクトルを求めることで、筋電位を見という４回路入り汎用オペアンプを使用ることができた。

した。図 11 は作動増幅の回路図である。

また、筋電位を用いたインターフェイスを作成できるよう、閾値でアプリケーションをコントロールできる機能を組み込こんでいるが、誤反応が多く改善の余地がある。
<フーリエ変換>
フーリエ変換には、簡単だが動作速度が遅い離散フーリエ変換(DFT)を用いて

図 11作動増幅回路の回路図スペクトルを表示している(図 14)。
この離散フーリエ変換は、複雑な波形このようにオペアンプを使用して簡単でも単純な Sin 波を掛け合わしたものがな作動増幅回路を組んだ。増幅率は 10

その波形のスペクトルになるというもの万倍に設定してある。

である。
今回は VisulaBasic2008 でプログラムを組んでいるのでそのソースコードの一部を紹介する。
Private Sub
DiscreteFourierTransform(ByVal input() As
Integer, ByRef output() As Double)

図 12

今回作成した筋電位計測計

For i = 1 To 200

図 13 の本体の上に接続してFor j = 0 To 399

PC と通信することができる

output(i) += input(j) *Math.Sin(j / (n / i) * 2 * π)
Next
Next
End Sub

図 13

波形観測システム本体

もきれいに筋電位を観測することができなかった。さらに今回は、鉛フリー半田を用いて皮膚との表面電位差を小さくはしているが、AC 結合で接続していないため、皮膚との接触状態が悪いと正確なデータがとれずグラフが大きくずれてしまうこともあった。
図 14

離散フーリエ変換のアルゴリズム

図 16

図 15

実際に動作させている様子

今回作成した筋電位計測用ソフトウェア<実際に出力される筋電位>
図 16 のように接続し、通常時と腕に力を入れたときに分けて測定した。
図 17 の上のグラフが実際の筋電位で、下のグラフが DFT に通した結果であり、DFT 処理したグラフの大きさが全体的に大きくなっている。それに対して、図18 の方が下の DFT 処理した筋電位の大きさが全体的に小さくなっているので、通常時と異なった周波数の筋電位が出ていると思われる。
しかし、家庭用電源などからでてしまう 60Hz のノイズをピンポイントで除くフィルタ回路を搭載していないため、60Hz のノイズが混入し、DFT 処理後に図 17通常時の筋電位図 19

現在開発を進めている
筋電位計測専用ハードウェア

図 18

力を入れたとき

５．参考文献４．今後の課題[1]「電子制御、信号処理のためのdsPIC 活用ガイドブック」，後関哲

多チャンネルの A/D 変換はすること

也著，技術評論社ができるが、シリアル通信で多チャンネ
ル A/D 変換のデータを送信することが[2]Microsoft 社，Visual Basic デベロッできないので今後改善する必要がある。

パーセンター

http://msdn.microsoft.com/jajp/vbasic/default.aspx

また、今回フーリエ変換には、離散フーリエ変換(DFT)を用いた。だが、離散フーリエ変換はデータ数を N とすると、[3]Microchip 社，dsPIC30F3012 データ

N^2 ほど計算を繰り返す必要がある。

シート

そこで、高速フーリエ変換(FFT)を用いさらに、追実験をしていくとともに、

http://www.microchip.com/www
products/Devices.aspx?dDocNa
me=en010342

現在開発中の筋電位観測用ハードウェア[4]EXAR 社，SP3232ECP データシー

を用いて一つの電極で複数の動きを認識

トると、 N log N ほどの回数ですむ。

できるようにする。

http://www.exar.com/[5]SHARP 社，GP2D12

http://www.mech.tohokugakuin.ac.jp/rde/contents/tech/h
8train/gp2d12_.pdf[6]ナショナルセミコンダクター社，
TA7805F

http://www.semicon.toshiba.co.j
p/openb2b/websearch/productDe
tails.jsp?partKey=TA7805F

[7]秋月電子通商，dsPIC30F3012

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01945/
６．謝辞
今回の研究にあたり技術指導してくださった顧問の米田先生、アドバイスをくださったサイエンス研究会物理班の先輩方にこの場を借りて深くお礼申し上げます。