脳波自動読取装置の試作
（昭和49年10年24日 原稿受理）
九州工業大学情報工学科 上 松 弘 明 〃電子工学科 木 村 明 敏 高千穂バロース株式会社 石 田 修 市 九州大学工学部電子工学科 水 戸 三 千 秋 九州歯科大学 永 江 和 久
Trial Production of EEG Automatic Reader
by Hiroaki UEMATSU
Akitoshi KIMURA Syuichi ISHIDA Michiaki MITO Kazu．hisa NAGAE
Recently it becnme necessary to develoP ユn automatic curΨe reader of EEG， ECG and so ol1「or study on the wave analysis． For this purpose， nowadays magnetic recording devices are used， but we can not collect many data about mre di5ease． So， we decided to use the d訓n conserved on the form of recorded charts．
lt goes without saying tllat we need special equipment for use thε oonserΨed data． Several trials were reported until now。 They are almost all composed of im皿ge piロk叩tube． But lξ1tely solid state imaging devices are improved and or］the mnrket． コ、herefore we considered to make the equipment by use of one dimensional self s臼nning solid state array sensor ond produced it on trin1． This poper reports the result of the trial productiol1．
In this equipment pioked up data nre put out by th巴 form o「 punched p皿per tape． Soan rate of it depend on凸e叩eed o臼he paper tape puncher． The puncher requires 40 msec to punch oIle data．
Recorded EEG curve contains freqllenoy components upto 60 Hz． A￠cording to吐lle sampling theDrem， it is neCessary to sample smn11er than at 8 msec i耐erΨal， when the m証ximum freq−
u臼cy in the curΨe is 60 rlz． Therefore we can not obtain su伍cient result by this equipmenL If we臼n put the dllta into n computer b｝・way of n interfa巴e device directly、 it is not necessary to take cnre of the sample speed． For this equipment detect the edge of the curve， we ll口ve possibility of fail read▲ng by stain ancl s皿enr， But if we use a oomputer and store all o臼he imaging information， it is possible to prooess these stains lmd smear b｝・so「tw口re teohnique，
臼nd we will be ［lble to obtain d；lt｛I o「 higher quality．
We are taking a positive apProach lo this subjecし
量のデータを用いた統計処理をすることが必要になる。
tまえがき 最近では，生働、ら槻肌たデータを綜記録装｛置に記
最近，医学の臨床診断の分野において，電子計．算｛幾に 録しておき．これをアナログ・ディジタル変損器を通L・
よる自動診断の研究が各所で行なわれている。 て電子計算機に入力して処理する様になった。しかし・
ところで，心電図や脳波などの生体電気現虫を題測し あらゆる症例，特に，まれにしか発生しない症例に関す て自動診断をするシステムを考・えると，それらの電気現 るデータは，そう簡単には集まらない・これでは，せっ 象（多くの場合，記録紙に記録，保存されている）と臨 かくの統計処理も症例数が少なくてあまり信用できない 床拾断との関係を究明する上で，種々の症例について大 ということになる。この問．題を解決するため｛こは・過去
1、言己録し僻されてきている記2瓢にデータ縫求めれ 電予獺き方式． ．．＿
ばよい．しかし，これらのデータと・・うのは，すぐに電 機蹴￡紡式・フライィンクスポ・晴肱方至はl
必蕊曇る装置として，＿．カメ綱いた心査方竺である三め・位三鷲燃おい漂l
鰹竃il蕪琶嚢翼li羅：欝灘禦ll鼎i
と㌶1た：の装置の実際の回蹴び試r酬・つに区別できオ・ば・それで扮であるこさらに・】卜9
いて報㌫ 顎麗㌘i二㌫；；1㌘蕊㌶
2．装 置概 要 像素子を用いることにした。その際・入手が容易である この装置において徽艇とははず第一に繊こと力卿なので試｛椴階のものは除外し品品化され
兼ねるため信号検出部分の回路が比校的簡単になった。 ．
実用に際しては，データ（つまり，この場合では紙テー u・莞 ．
＿タを直接竃子計銅幾に入力することもできる様に設計 a）外 担 してある。 三 三 … ㌃ 2 あ の の コ
＝鷲灘もいうべき蹴子として，いろい ξii…茎蕎
ろ樹した繍我々は固㈱像契簿用いるの繊も 16151 3121‥°9
良いという結論｛こ達しナこo SMI C・untc・
撒難を走筋式｛・よって頒頭すると次の様にな ゜「ive「，、．，輌，、，，。y
る3〕。
：i；慧㌶綴 邊馴i冨i
ロ む ロく ン フライイング・スポット走在方式 巨 ． o 江吟 u
｛量≧㌔ 島ブ。。ク図
XYマトリ。クス方式 図1 RL−64Pの外観およびブ゜・ク図
ているものから選定した。 5ぷτ眠
r一一一一一一 一一一−一一一一一， 一一一一「
その結果，米国レチコソ社の自己走査型一次元アレイ センサを用いることにした。これは，一次元のフォトダ イオードアレイとMOSトランジスタによる走i査用のシ フトレジスタとが集破回路で構成されており，素子数 が，16，32，64，128，256，512，1024のものがある。
脳波計のペン先の直径は約0・4mmであり，ペンの振
れ幅は最大で3cmであるということから，例えば64 §欝害iとG
素子のフォトダイオードアレイ全体に30mの像を結 F血ザ。151G岨．讐MERA簡v ㎡co㍊こT∵「ER 男 ばせた場合・1素子あたりの分担は約0・5mmとなり 図2 試作装置の概念図
脳波の線幅とほぼ同じ程度の分解能が得られるので，実
用上，問題は残るが試作には十分であろうということで て映像信号パルスを作る。この際，映像信号は光の 64素子のRL−64 P（ドライバ内臓）を用いることにし あたっていない部分にあるので特別な処理（後述）
た。図1にRL−64Pのa）外観およびb）ブロック図 を必要とする。一方バイナリーカウンタの方は，
を示す。 RL−64 Pの走五用シフトレジスタに送り込まれる 2．2．装置の動作 クロックパルスの数をカウントしている。
図2に試作装置の概念図を示す。この図に従って装置 iv）脳波の線を検出したという映像信号パルスによっ の動作の概略を説明しよう。 てパイナリーカウンタの入力ゲートを閉じ．同時に i） TVカメラ用レンズで対娘の脳波をRL−64 Pの モ・の出力ゲートを開く。これで，走i査開始点から脳 フォトダイオードアレイ上に結像する。 波の隷の淵までの距離のデータがカウンタに保持さ
ii） スタートパルスでRL−64 Pの走査を開始すると れ，モのデータを紙テープパンチャーヘパンチ情報 同時に6ピットバィナリーカウンタの入力ゲートを として与え，パンチ朋始指令を出す。
開く。 Ψ） 走査終了信号（End of Scan）とパンチ終了信号 iii）PL−64 Pからの出力信号をOPアンプで増幅し で，それぞれ必要な回路を初期化し，両信号の論理
1巨NDof5こ韻lr−一．一一「卜●−−− ■ FU口5T一一・■一→一■一
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図3装置全体の回路図
2°
21
2竃
29 24
2舷
積（AND）がとれたと欲のスタート・…スを発生 おいて40 dB以上の開ループゲイン舗し・スリュー する。 レート（・・1・・／・・e・）が少くとも走査周波数の30倍以
以下ii）〜v）を繰返し実行する。 上であるものが必要である。
3．1．5．走査終了パルス（EロdofScm）
3・脳波読取装置 映像信号に不必要なグリッチを誘起しない様に走査終 紙テープ．・ンチャー部を除く，装置全齢回路図を図 了パルス剛肘るためには・図4の回路を用いるとよ 3に示す．以下，図3の各部分について洲しよう。 い・この回路を用いるとpi・・1引こおけ調圧麹を 3．1．信号検出回路 最小にすることができる。
2．1で述べた様に信号検出用の撮像素子としてS。1id ・5・
State Line Scanロer RL−64P という自己走査型フオ 5民 5トダイオードアレイセンサ（一次元64素子）を用いた。 只L醐
a1．t素子の特長 ii，、・ 鼎r∫一一1
2mil（約50μ）間霜で64個のフォトダイオードが配
列されており（このアレイ部分の全長は約3・4mm）・ 言
高感度を実現するために・電荷蓄積モードで作動でき 図4 走査終了パルスを得る回路 る。シリアルな出力を得るために自己走査型になってお
二㌶ご耀㌶鷲：；二：i＝−lr示丸一志単
ドライバ回路も同一チ。プ上1・酬されている．RL64一シリ ンチ・プ上に・それぞれM°Sト ﾟスタス
Pの外観およびプ。。ク図は図・｛・示した。 イ・チがつなが批フォトダイオードアレイかr繊さ れている。さらに走査のためのMOSシフトレジスタお
き：∴i。竃）は＋5W。，1ま一、。V−一ユ3よ卿臓含照・る・
γ助とComm。nの間の電位差に依存し，15 Vで約 訂A肝 700KH2，18Vで約1MHzまで動作する。
3．1．3． クロックとスタートパルス
RL−64 Pは， Pin．2に1相TTLクロックをつなぐ
Vで作動させるのが好ましい。最大スキャンレートは， cしo巴K SHIFT REGISTER E聖A；F VIDEO
ことにより駆動できる。クロック周波数は任意のスキャ 1＋i漂隅 ンレート（1KHz〜1MH2）に設定しておく。スタート 図5 RL．64Pの等価回路
パルスは，各走査のはじめに必要であるが，pin．ユ5を
Commonに， pin．14をγDDにつなげば，内部で容 シフトレジスタで順次指定されるフオトダイオー一ドの 易にスタートパルスが得られる。この場合，前の走査の 容量は，ビデオラインの電圧で充電される・そζに端 最後の素子と次の走査の最初の素子との間には，5クロ された電荷は，次の走査によるアクセスまでに・照射光
ックの遅れがある。それ以上の遅れが必要なときには， に応じて放電され，その滅少分を充電により柿う。この pin．14をCommonにつなぎ， Pin，ユ5に外部からス 時流れる電流が信号として現われるわけである。以上が タートパルスを加えればよい。この際，スタートパルス 動作原理の概略である。
はクロックより30〜50nsec以上長くなければならな 3．2，増幅回路
い。 RL−64 Pからの映像信号を増幅するたあに専用の演 3．1．4．信号検出 算増栢器CA一ユ0（米国レチコン社製）を用いた。その Pin．8には偶数番目， Pin．9には奇数番目の映像信 回路図を図6に示す。
号が現われる。ふつうPin．8とPin．9は外部で接続 CA−10は10 MHzまでのスキャンレートの自己走査 して用いる。別々に用いれば，偶数番目あるいは奇数番 型アレイセンサの信号検出に，特に適合するように設計 目の32素子鮒のア囲センサとしても使える。ζの されている．麟としては・開・・一プゲィンが60dB 齢ピ。チは，4mi1働100。）となる．この囎信 で，刈一レートが300 V〃・e・であり・綱醐な 号を艦するための演算増瀦としては，走査周灘に しで鎚剛作すること認度i・よるドリフトが±15°
◆V
675川09
Rし64P 8 5K
二rw闘は約。V（〈。）となる．＿＿缶＿の。V
図6 映像信号増幅回路 の部分と信号としてのOVの部分を区別できない。そ こで図7のP点より右側の様な回路が必要になる。
μV／℃と極めて低いこと等があげられる。 前節で述べた様にRL−64 Pは，クロックパルスBで 3．3．タイミング回路 駆動されており・このクロックパルスより約1μsec遅 装置全体のタイミングをとるために，二穂類のクロッ れて映像信号が現れる。クロックパルスBでRSブリッ
クパルスA，Bを用いた。クロックパルスAは， NPN プフロップをセットしておき・これより遅れて現れる映 トランジスタ（2SC 372×2）による無安定マルチバイ 像出力パルスで・このFFをリセットする。このFF ブレータから供給され，周期は約13μsec， dutyは約 の出力QとクロックパルスAでANDをとると・黒い 50％である。 部分では・Qは論理 ユ のままでANDゲートは開 RL−64 Pのクロックパルスとしては，パルス幅の大 かれている。従って・その時に限りクロックパルスAの きなものは好ましくないので，上述のクロックパルスA 論理 1 の部分が出力に現われる。これで必要な黒の の立下がりで単安定マルチバイブレータをトリガして， 信号パルスが得られた。
パルス幅約80nsec，周期約13μsecのクロックパル しかし・実際にRL−64 Pを動作させると・スタート スBを作り供給している。 パルスのあと4クロックの間・黒い部分と同じ状態が現 二種類のクロックパルスA，Bを用いたのは，次節で れる。最初の4クロック間は空送りをしているようであ 述べる信号抽出回路で必要であるからである。 る。そのため図7に示す様な回路を用いると・最初の4
3．4．信号抽出回路 クロックの間・信号の有無に関わりなく・必ず黒の信号 RL−64Pの映像信号をCA−10を通して増幅したとき が出てしまう。これを取除くために・図8の回路をつけ 得られる波形は，図6に示した様に負電圧の波形となる 加えた。
ので・その映像信号からTTLコンパチブルなパルスを ． 。1 Q2 Q l㍑。
ζ：㌶三漂器｛き：写巖：：㌶ CL°CKB㌔1隅，了繊
カ た。 END。f SCAN I N ボリュームにより設定されたエミッタ電圧を1ノεとす
s醐眠 1「一
る。（ただし「ノ￡＜0）入力電圧が1ノεより低くなると・ CLOαR⊥SE B−「『丁「「「「「「『丁1「「1「
このトランジスタは遮断状態になりコレクタには，十5 」K田P昆opo」−L「1＿「L∫1＿［＿∫「＿「
」K乱1PFLOPQ2＿」一一L＿∫−L＿「一］＿＿
・5V 」K且IPFし。Pδ3一一一L＿＿＿「一一一一L＿
！rcm CUT Puτof lK
5°K 5°K vが現われる。一方，入力電圧がγεより高い場合（黒 ．15， 1K い部分に対応）トランジスタは導匝状態になる。この場
一、8」gi￡1@ 亨嘉：鷲元三㌘鷲叉ご雰㌻：三二：
・㌶6 e°u た．これで映像信号パルス列が得ら批わけであるがこ 25K のパルス列は，白い部分で十5V となり，黒い部分で
』皿琉 cしo。個」1［∫Ll Q＿＿＿＿「一一一一一一一一一一
2K k・ 図8不要信号除去唖
￡P貼IP酬 ㌫抗丞鵠
TV「 @ ⊥ D遭 PUTさら1・赴」さ了・・ルスから次のスタート・・ルスの間でSiG泊L
・・… ％ご帯・W．＿・。も上と同じ咄から・何もないはずのところ1・黒の信号
1 賜 @ が現われて，次節で述べる制御回路におけ獄雛の原
：二1鷹繍干：：漂』：麗1灘1・・クースを図9
ト
旬IN了Q …； 3．5．制御回路
・一一一「L一 脳灘読ユRり紙テープ1、，・ンチする動1酬；‖御するた 図7 信号抽出回路 めに図3の右半分（CONTROL部）の様な制御回路を
s苫粛… 肛oロ《吐A） r− 一 一 一 一 一 〔
町 酬… 団聞瓢N° 8bl，、 SIF丁！DEL鯉。U丁
輌．ぽ， G −i几REG「5丁ER・・。 S3
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図9ク・・クパルス用ゲート回路 ⌒．QI Q2蜥．T。百酪
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蝋H肝一黶Q＿＿＿＿＿一一．一一 ロゆ ゆロ
VIDEO 一一 ノ N小D3 −一一L「L「LJ−1＿「 DELAY 2
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蹴間コ
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FF40 −＿＿ い自何クロックでも遅れていればよい。たまたま8ビッ FF50 ＝ニー一 トのシフトレジスタを用いただけのことである。）
隠二：｝出｝［一：P凹［： FF・、 FF2は6ビ・ト・一一カウン欄七に，
黒の信号を検出した位置の情報をパンチャードライパー 図10制御回路のタイムチャート
に送るためのものである。最初に検出された黒の信号で 作った。この回路のタイムチヤートを図10に示す。 FFユはリセットされる。それと同時にNAND 2のゲ NAND 3 ま，パンチ終了パルスと走査終了パルスと 一トは閉じられ， FF 2はセットされるので，カウンタ が、それぞれFF 5， FF 4をセット完了した時にクロ へのクロック入力は遮断され，カウンタの出力ゲートが ックパルスを通す。JK−FFと単安定マルチバイプレー 開かれ，カウンタ内の情報が，パンチャー駆動回路に伝 タで構成されたdelay 2（図11）はQ4， Q5が共に論 えられる。このパンチ情報は，パンチ動作が完了するま 理 1 になった時点から4クロックパルス後にノ寸ルス で保持されなければならないので，FF 2は，パンチ終 を一発，発生し，これがRL−64 Pのスタートパルスと 了パルスがFF 5をセットした時， Q5でリセットする なると同時に，FF 4， FF 5をリセットする。この 様になっている。この時，同時にカウンタの内容もQ5 delay 2は， FF 4， FF 5のR，§に同時に，論理 1 でクリアされる。
がはいると，誤動作の原因となるので，これを避けるた 以上の動作を繰返し行なう。
めに用いた。
4．試作結果 FF 3は，パンチスタート指令用で， Q3の立ち下が
りでパンチャー駆動回路にパンチ指令を出している。パ 試作装置の全景を写真1に，各部の様子を写真2から ンチャーを駆動するために少くとも20〜30msecの充 写真6に示す。
電期間が必要である。このため走査終了パルスでFF 3 図ユ2には，周波数が極めて低く振幅の大きな波形と をリセットし，パンチ指令を出したあとdelay 1（図 その読取結果（紙テープ）ならびに，その紙テープのデ 11）により，その走査絡了パルスを8クロック遅らせた 一タをプロットさせたものを示す。
パルスでFF 3をセワトし，次のパンチに佛える。（こ 図13には，実際の脳波（α披：周波数10 H冠前後）
こで8クロワク遅らせたということには全く意味はな とその酷取結果を示す。
写真1 装 置 全 景 写真2 カメラ前面（レンズをはずしたところ）
…ソ 挺『 ・．、戚 ・ ・ ・ ．1
μ … ：， 1・ ⇔ ち〆ノ・ ．
ξ、． i 跳i滅㌔ 鴬翼頴・ 腸％，
レ びト ソリコ コ
i じ：二 』、 扇薦三， ヂ， ｛三
L「』．．．＿一 ．＿ 一∴．、 一 國∵． 浩．． ： ＝心。・曳 写真3 カメラ内部（全景） 写真4 カメラ内部（アレイセンサの裏側と増㍍回路）
◆ 1
辱 i：：ドン
ノ ／ 写真5 信号抽出回路 写真6 制御回路
図12，図ユ3とも，紙送り速度は1．5cm／沙である。 って少し余裕を見込んで，脳波には100H 以上の周波 数成分はないと考える。するとサンプリング定理より5 5・ あ と が き msec以下のサンプリング間隔が必要であるということ 読取り結果を1］〔テープに出力する装置を試作したが， になる。（6011zとした場合は約8msec以下というこ 紙テープのパンチ速度が約40msec（つまり25回／沙） とになる。）従って・今回試作した装置では，十分満足 であり，このため読取可能1、IJ波数の限界は，約12・5Hz のゆく読取りはできない。もちろん・この装置でも紙送 におさえられる。読取りの対象である脳波を記録したぺ りの辿度を・記録時の1／10程度にすればうまくゆく。
ン｛il：きガルバノメータの高域周波数特性は約6011zで しかし，実隙に用いる場合には・8チ→・ンネルや13チ あり，脳波の記録には，これでほぼ十分である。したが ヤンネルの脳波を同時に1フじ取り・各チャンネル間で比較
←
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c u「］
． ㌔、
． ・凸 輪n ． ㌔i 論白
1 ：l l呂 ← 一
「 、ご rl1
二 i： i‖ 1．5cm
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． ：： 副 a）原波形
． h 」u ・ 【㌔ ，じ 唱 、 ， 仏 む ・・． 1［II ． ■♪c 川1
ら ・ 1． ，、．
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畢 叫 。 ・輌 o 村 。 ・・
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㌦， ・輌 o 士、
τ． 1ら c・ ， 。．
h与 ［「 ら，
訂 。 1・
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｝・ ∫ 七 旬 − 7F ．1． 山 ・口 れ 唱 。 ・よ ・・I i、 止 唱 ］ 芦・ 」 よ・
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、． 1、 「 ψ 、 τ ・・ ° ∫ 品 b・ 」 ロ・
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占‥c‥ 苗 ㌔ ‥冨 ‥ 碇… 寵 ｝ 冨 …・・ ・ 罷1｝⑰七ξ ヒ∂ ｝ 旋菅 ｝ 泌 『 6［ … ボ I
b） 読取結果とそのプロット b） 読取結集とモのプロフト
図12極めて周波数が低い場合 図12｛1波の場合
する必要が生じるので，サンプリング間隔をもっと小さ 会予稿集，P．431（昭48）．
くする方が望ましい。さらに今回試作した装置では，波 2） 錯木他：脳波記録紐上より迎続云ペクトルを求め 形のエ。ジを検出し読取る様にしてあるので．しみや汚 肪法に関する研鋤拍12回昨ME学会予酬
れなどで誤っ蹴りをする可能性繊．この欠点を 3）P 巖跳デー，処理、肝臨v輌
改善するためには，映像信号パルス64ピットをすべて No．3， PP．37−3B．
電子計算機に入力し，そのデータにソフト的な処理を施 4） 木村．石田：脳波自動読取装置の拭作研究；九州 せば，かすれや迎続性の処理なども可能になり，さらに 工業大学第互部電気工学科辛業拾文（昭秘8年度）・
良質のデータ耀られるものと思われる．これらの点に 5）嚇㌶鱗藤羅鑑鐘認享㌶
閤しては，目下検討中であるので，次の機会に報告した 合全国大会鵠文集，P．2434．
い。 6） 上松，木村他：光学的脳波認口装置の処理回路と 外部機器とのインターフェース；昭和49年度電気四
養考文献 学会九州支部辿合大会論文集，p、128．
7） RL−64P説明書：レチコン社．
1） 渡辺他：心電図自動跣取；第12回日本ME学会大
