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(野村さんへのメモ)
・回路図は適当にトレースして下さい
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■第4部　マイコンでトライ！ 生体情報の信号処理の基礎■

第2章　mbedによる筋電情報システムの例

2-2　Arduinoシールド上に筋電センサ回路を作る　

Appendix3　USBオーディオ治具

筆者は今回の筋電センサシステムに限らず、新たなマイコンシステムを開発する際に、本来の入出力機能では必要ない場合にも、実験/デバッグ用のツールとして「オーディオ信号」「シリアル通信」などの外部インターフェース機能を盛り込むことにしています。最終的に完成してしまえば不要ではあるものの、過去のマイコンシステムのようにICE(In-Circuit Emulator)などが使えず、使いにくいデバッグモニタなどを仕込むよりも、高度で柔軟な開発環境を持つツールと直接にやりとりした方が、最終的な完成に至るプロセスが大幅に短縮できる、と体験的に確信しているからです。

今回の筋電センサシステムでは、まずNucleoF401REに取り付けるArduinoシールド対応のユニバーサル基板上に、2チャンネルの筋電センサ回路を製作し、次に「導電布」タイプの筋電電極を製作して、実際に腕に電極を貼り付けて伸縮ベルトで密着させると、オシロスコーブの信号波形として、馴染み深い信号を確認できました。普通であれば、いよいよこの筋電信号をNucleoF401REのA/Dコンバータ入力端子に接続して、生体情報の信号処理プログラミングに突入する・・・というところです。しかし筆者はそこでちょっと回り道をして、半日仕事で「USBオーディオ治具」を製作しました。

筋電センサというのは、心電図や脳波の計測と違って、30分とか1時間とかの長時間の使用には適していません。その理由は、アーティファクトを防止して安定な筋電信号を得るために、電極を皮膚に密着させるために、伸縮ベルトで相当に圧迫させるためです。実験がほんの10分程度でも、実験後に電極の「跡」が15〜30分程度残るので、長時間の圧迫で鬱血が持続すると、医学的には「局所の実質細胞は低酸素症のため変性、萎縮、壊死を起こす」というような事故になりかねません。

そこで筋電信号をオーディオ信号として「レコーディング」してしまい、後で何度でも「再生」できるような道具を作ることにしました。筆者がここ25年ほど活用している「Max」というツールはUSBオーディオ処理に優れているので、パソコンのオーディオ端子でなく、市販のUSBオーディオ装置を改造して、mbedの+3.3V系の電圧レンジに対応した、専用の「道具」を作ったわけです。
(詳しくは→ 1-1コラムの「参考情報Webページ」を参照して下さい)

使用したのは図Appendix3-1のような、安価に入手した(メーカ名も製品名も回路図も不明)、ステレオミニのオーディオ出力と、スイッチでレベル(ライン/マイク)が切り替えできるステレオミニのオーディオ入力を持ったUSBオーディオ装置です。チップ部品で基板上から信号を引き出すのは困難とみて、図Appendix3-2のようにそのままユニバーサル基板の上に載せて、ジャックに差し込んだステレオミニプラグから直接、信号を引き出しました。

(図Appendix3-1　USBオーディオ装置を分解・改造する)

(図Appendix3-2　ユニバーサル基板に載せて回路を増設する)

USB経由でPCに行くオーディオ入力については、筋電センサ回路の出力には直流成分が載っているので、47μFのBP(バイポーラ)コンデンサを入れて交流結合しました。実際に計測してみると、Macのオーディオ入力端子は内部に取り込むオフセット電圧を印加していましたが、とりあえず「直流結合を分離」する事に意味はあります。

また、USB経由でPCからオーディオ出力されるラインをNucleoF401REと接続するためには、素子破壊を避けるため、信号を「0V〜+3.3V」の範囲にしなければなりません。そこでUSBから取った+5Vラインに3端子レギュレータ+平滑回路を用いて+3.3V電源を作り、動作電圧ギリギリOK(+3.0V以上)のOPアンプLM324の単電源回路として、「電源の中点電圧 − 47μFのBPで交流結合した入力電圧」を等倍出力する反転加算増幅器から、NucleoF401REのA/Dコンバータ信号として与えるようにしました。製作した時には何も描かずに作っていましたが、回路図は図Appendix3-3のようになります。

(図Appendix3-3　「USBオーディオ治具」の回路図)

結局、この「USBオーディオ治具」は図Appendix3-4のように完成しました。図Appendix3-5は、この治具をMacに繋いで、USB経由で「Max」から出力したサイン波がNucleoF401REのA/D端子に行く信号をオシロスコープで見ているところです。また図Appendix3-6は、筋電センサ電極を腕に貼って伸縮ベルトで密着させ、筋電センサ回路の出力信号をこの治具に入力して、第1章の図1-2-1として紹介した筋電信号を記録しているところです。

(図Appendix3-4　「USBオーディオ治具」の外観)

(図Appendix3-5　「USBオーディオ治具」を使った実験の様子)

(図Appendix3-6　「USBオーディオ治具」で筋電信号を記録している様子)
