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新・筋電センサ長嶋 洋一
1. はじめにコンピュータ音楽を中心としたメディア・アート、システムと人間とのインターフェース等に関するテーマの研究活動とともに、その具体的な応用を実験的に検証する意味で、実際にいろいろなインタラクティブ・マルチメディア作品を創作して公演・発表する活動を行っている(1-9)。オリジナルセンサを用いた実験的なシステムをリアルタイムパフォーマンスに応用することで、開発の過程や作品・公演の中から新たな研究テーマや課題が出てくることも多い。本稿ではその一つのサブテーマであるオリジナルセンサの研究開発に関して、新しく開発した筋電センサ "MiniBioMuse-III" について報告する。
図1 上半身の筋肉のいろいろ
2. 腕の筋電情報のセンシング人間の随意運動のセンシング対象としては、歴史的に「手」「腕」(図1、図2)が重視されており、文献においても「腕の筋電情報」を取り上げたものは多い(10-23)。
図2 前腕遠位の横断面 筋電センサを活用したコンピュータ音楽やインターフェースに関するテーマでは、IRCAM / CCRMAのAtau TanakaによるBioMuseを利用したヒューマンインターフェースの研究と音楽パフォーマンス活動(sensorband)が国際的によく知られている(24-26)。ここでは、両腕の異なる2個所ずつに筋電センサを取り付け、伝統的な楽器と変わらない修練と習熟により、身体表現としての演奏情報をリアルタイム音響合成パラメータに適用した演奏などを行っている(図3)。 
図3 BioMuseを用いた演奏風景(Atau Tanaka) (c) Peter Kers, the photographer このBioMuseは市販の製品であるが、センサの銀-塩化銀電極を導電ジェルによって取り付ける手間、その電極の寿命と交換の手間、システムとしての大きさと重さ、そして何より高価である(約3万ドル)ことなど、活用しているAtau Tanaka氏自身がいくつもの課題を指摘するものだった(図4)。もともと音楽用途というよりも、身体障害者のための意志伝達手段や、脳波・眼球筋肉運動などの検出にも利用できる汎用生体センサであるため、医用機器としての信頼性やコスト要求からして当然であるとも言える。 
図4 BioMuse
3. "MiniBioMuse-I"と"MiniBioMuse-II"筆者は研究協力者としてアナログ電子計測の専門家の照岡正樹氏らと交流し(27)、各種の高精度センサ、生体センサ等を研究開発してきた(28-29)。そこでテーマとして「小型軽量(可搬)」「バッテリ駆動」「リアルタイムに筋電情報をMIDI化」する「シンプルで安価」な筋電センサを目標として掲げ、敢えて"MiniBioMuse"と名付けて実験・開発を進めてきた。以下、その概要と検討事項について簡単に紹介する。3-1. 筋電センサ開発の課題通常の物理量センサに比べて、生体センサには「個人差」「高感度」「ノイズ抑止」「使用感」などの課題が加わる。「個人差」とは、同じ生理指標でも個人ごとのばらつきが大きく、筋電で言えば、非力な(体育会系でない)人の中にはまったく筋電パルスが検出できない人もいる、という状況のことである。「高感度」については当然のことで、人間は電気鰻ではないので、電気信号として得られる情報は全て微弱なものなので、高倍率増幅は必至である。「ノイズ抑止」は技術的にはもっとも重要なもので、生体から発生する他の信号、周囲環境から混入するノイズ信号とともに、ハム(商用交流電源の高調波ノイズ成分)の除去が切実な課題となる。「使用感」とは、ベッドに固定されているわけではなく音楽演奏という身体表現に利用することを目的としているので、自然な動作を制限するような形態でセンサを取り付けることができない、という実装上の課題である。3-2. " MiniBioMuse-I "
図5 MiniBioMuse-I 図5は、筆者が初めて開発した初代の筋電センサ"MiniBioMuse-I"である。回路としてはOPアンプによる差動増幅回路を採用し、両腕のセンサ電極(パソコンのメモリ増設時に静電気破壊を避けるために利用するリストバンドを改造)だけでなく足首にハムをキャンセルするための第3の電極を取り付けた。OPアンプのために006P電池を2つ使用するなど課題も多かったが、VHS 
図6 MiniBioMuse-Iの平静時出力の例
図7 MiniBioMuse-Iの緊張時出力の例 ビデオテープ程のサイズながら筋電ノイズそのものをアナログ出力しつつ同時にA/D変換してMIDI出力する、という機能には、Atau Tanaka氏も良好な評価を与えた(後継機に期待表明)。図6は筋肉を弛緩させた時の、図7は筋肉を緊張させた時の"MiniBioMuse-I"のアナログ出力信号(左側がオシロ、右側がスペアナ)である。ハムを中心とした残留ノイズが見て取れる。 3-3. " MiniBioMuse-II "
図8 MiniBioMuse-II 図8は、"MiniBioMuse-I"から新たな改良により開発した"MiniBioMuse-II"である。電子回路的には、ノイズの点で限界のあるOPアンプによるフロントエンド回路から、図9のような、高感度デュアルFETを用いたディスクリート・トランジスタ回路へと発展した。これは、特性の揃った2つのFETを金属ケースで熱結合した特殊なFETである2SK146により、単一電源で良好な高倍率差動増幅回路を実現したものであり、小型ケースに2チャンネル*2電極とコモン電極の全ての回路を格納した。アナログ電圧出力はケーブルで延長したサブボックスでMIDI化するように分離した結果、照明などノイズ環境の劣悪なステージでのライブパフォーマンス(京都と神戸で公演)にも使用できる、という実績を得た。 
図9 MiniBioMuse-IIのフロントエンド回路(一部)
図10 MiniBioMuse-IIの出力の一例 図10は、"MiniBioMuse-II"からのMIDI情報を実際の音楽において利用するためのMaxパッチによる処理の一例である。上段のグラフはセンサからの直接の情報をそのままプロットしたものであり、下段ではこれを移動平均する処理により、右側で筋肉が緊張状態になった波動が明確に得られているのが分かる。 
図図11 MiniBioMuse-IIを用いた演奏風景 図11は、筆者の作品"Bio-Cosmic Storm"の京都での公演(1998年)の風景である。ステージ上のピアニストは両腕に"MiniBioMuse-II"のセンサを取り付け、そこから直接出力される筋電ノイズを音源としてSuperColliderでリアルタイム音響信号処理するシステムをコントロールするMaxのためのMIDI情報も同時に演奏出力した。ピアニストはステージ上のピアノの鍵盤に触れてはいけない、という指示のもと、鍵盤上空5cmでピアノ曲をシャドー演奏したりピアノそのものを押したりして、その筋電情報によりリアルタイムCGとともに楽音を生成した。 参考文献[1] Y.Nagashima : Multimedia Interactive Art : System Design and Artistic Concept of Real-Time Performance with Computer Graphics and Computer Music、Proceedings of Sixth International Conference on Human-Computer Interaction（ELSEVIER）、1995年 [2] Y.Nagashima et al. : A Compositional Environment with Interaction and Intersection between Musical Model and Graphical Model --- "Listen to the Graphics, Watch the Music" ---、Proceedings of 1995 International Computer Music Conference、1995年 [3] 長嶋洋一 : マルチメディア・インタラクティブ・アート開発支援環境と作品制作・ パフォーマンスの実例紹介、情報処理学会研究報告 Vol.96,No.75 (95-MUS-16)』 （情報処理学会）、1995年 [4] 長嶋洋一 : センサを利用したメディア・アートとインスタレーションの創作、京都 芸術短期大学紀要［瓜生］第20号1997年、1998年 [5] 長嶋洋一 : 生体センサによる音楽表現の拡大と演奏表現の支援について、情報処理 学会研究報告 Vol.98,No.74 (98-MUS-26)、1998年 [6] Y.Nagashima : Real-Time Interactive Performance with Computer Graphics and Computer Music、Proceedings of the 7th IFAC/IFIP/IFORS/IEA Symposium on Analysis, Design, and Evaluation of Man-Machine Systems、1998年 [7] Y.Nagashima : BioSensorFusion:New Interfaces for Interactive Multimedia Art、Proceedings of 1998 International Computer Music Conference、1998年 [8] Y.Nagashima et al. : "It's SHO time" -- An Interactive Environment for SHO(Sheng) Performance、Proceedings of 1999 International Computer Music Conference、1999年 [9] 長嶋洋一 :マルチメディアComputer Music作品の実例報告、情報処理学会研究報告 Vol.97,No.71 (94-MUS-7)、1994年 [10] i.Steve Ditlea、"The PC goes ready-to-wear"、IEEE SPECTRUM October 2000、pp.35-39 [11] 斎藤正男、「生体工学」、電子情報通信学会、1985年、pp.33-57 [12] 星宮望、「生体情報計測」、森北出版、1997年、pp.40-66 [13] 細田嵯一監修、「生体時系列データ解析の新展開」、北海道大学図書刊行会、 1996年、pp.273-297 [14] 上羽康夫、「手 その機能と解剖」、金芳堂、1970年、pp.169-190 [15] シュフラー・S.シュミット、「からだの構造と機能」、西村書店、1998年、 pp.113-117 [16] 岩瀬善彦・森本武利、「やさしい生理学」、南江堂、1969年、pp.244-259 [17] 生体情報の可視化技術編集委員会、「生体情報の可視化技術」、コロナ社、 1997年、pp.185-210 [18] 日本生理人類学会計測研究部会、「人間科学計測ハンドブック」、技報堂出版、 1996年、pp.252-262 [19] 池田謙一他訳、「生体工学」、コロナ社、1974年、pp.46-62 [20] 戸川達男、「生体計測とセンサ」、コロナ社、1986年、pp.260-269 [21] 松村道一、「ニューロサイエンス入門」、サイエンス社、1995年、pp.126-130 [22] 木村雄治、「体を測る」、コロナ社、1995年、pp.61-63 [23] 川上雅之・岩崎英人編著、「ヒューマンサイエンス」、不昧堂出版、1998年、 pp.35-49 [24] Atau Tanaka : Musical Technical Issues in Using Interactive Instrument Technology with Application to the BioMuse、Proceedings of 1993 International Computer Music Conference、1993年 [25] William Putnam : The Use of The Electromyogram for the Control of Musical Performance、Doctoral Thesis of Stanford University、1993 [26] http://www.sensorband.com/index.html [27] http://nagasm.org/vpp/index.html [28] 長嶋洋一 : 「身体情報と生理情報」、長嶋・橋本・平賀・平田編「コンピュータ と音楽の世界」、共立出版、1997年、pp.342-356 [29] 長嶋洋一 : 「コンピュータサウンドの世界」、CQ出版、1999年、pp.148-166 [30] 藤原義久・前川聡、「独立成分分析による筋電データからの各指運動の分離」、 信学技報MBE99-7、電子情報通信学会、1999年、pp.41-46 [31] 中村尚五、「ビギナーズディジタルフィルタ」、東京電機大出版局、1989年、 pp.154-173 [32] http://nagasm.org/index.html [33] http://nagasm.org/1106/index.html
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