Arduinoを活用した脳波測定向け光連動トリガパルス出力装置
◆ 実績の概要
- 対象・分野： 大学・研究機関向け / 脳科学・認知科学・生体信号計測分野
- 課題： 映像刺激（モニターの切り替わり）と脳波計の測定開始タイミングを、OSの処理遅延に影響されずミリ秒単位で厳密に完全同期させたい
- 解決策： モニター表面の明暗を検知するフォトセンサ回路を構築。マイクロコントローラ（Arduino）を用いた超高速信号処理により、画面が暗くなった瞬間を検知してミリ秒単位のトリガパルスを出力する専用ハードウェアを開発
- 成果： ソフトウェア（PCのOS環境）に依存するタイムラグを完全に排除。研究室の厳しい環境に耐えうる高シールド性シリアル通信対応のアルミボックスに収納し、即座に実験ベンチへ導入可能なパッケージとして納品
脳科学や心理学の実験において、被験者に視覚的刺激（映像や光）を与えた際の脳波（EEG）の変化を測定する研究では、「映像が切り替わった瞬間」と「脳波計が記録を開始する時間軸」を完全に一致させる必要があります。しかし、PCのモニタ出力やOSのソフトウェア処理を介して同期を取ろうとすると、ミリ秒単位の「暗黙の遅延（レイテンシ・ジッタ）」が発生し、微細な誘発電位の解析において致命的な誤差となっていました。
測定代行株式会社では、PCの内部処理を一切介さず、物理的な画面の明るさ変化からダイレクトに測定開始信号を作り出す「Arduinoベースの光連動トリガパルス出力装置」をオーダーメイドで開発いたしました。回路設計からプログラム実装、さらに脳波計の微細な信号を阻害しないためのシールド（アルミ筐体）の加工・収納までを一貫して行い、研究現場へ納品した実績をご紹介します。
1. 正確な同期と信頼性を両立させた「3つのハードウェア・アプローチ」
生体信号計測という非常にデリケートな環境で安定動作させるため、ソフトウェアと物理層（電子回路・筐体設計）の双方からアプローチを行いました。
① OSの遅延を完全にパスパスする「フォトセンサ・ダイレクト検知」
PC上のプログラムで「映像を切り替えた」と判断するのではなく、モニターの隅に配置した高応答性フォトセンサで実際の画面の明暗（輝度低下）を直接キャッチします。画面が暗くなった瞬間をリアルタイムに物理層で検知するため、PCのグラフィックボードの遅延やOSのマルチタスクによる処理の揺らぎを完璧にゼロにできます。
② Arduinoによる高速エッジ判定とミリ秒パルス制御
フォトセンサからのアナログ入力を、マイクロコントローラ（Arduino）の高速なA/Dコンバータまたはコンパレータ回路によってリアルタイム監視。画面が暗くなった瞬間の立ち下がりエッジを検出し、あらかじめ設定された幅（ミリ秒単位）の正確なデジタル方形波（トリガパルス信号）を出力するファームウェアを実装しました。これにより、脳波測定器側の外部トリガ入力（TTLレベル）と確実な連携を可能にしました。
③ 微細な生体信号を守る「ノイズ対策・アルミ筐体への収納納品」
脳波計が扱う信号はマイクロボルト（μV）単位の極めて微細なものです。周囲の電磁ノイズや、コントローラ自体が発生させる高周波ノイズが脳波計の電極に混入すると、正しい計測が行えません。
当社では、装置全体を高いシールド効果を持つ頑丈なアルミニウム製の金属ケース（アルミボックス）に完全に収納。コネクタ類（BNCや通信用ポート）の配置やアースラインの処理までノイズ対策を徹底し、研究用の精密実験装置、測定器制御としてすぐに使用できる信頼性の高い完成品として仕上げました。
2. オーダーメイド開発がもたらす研究現場へのメリット
- データの信頼性を極限まで向上： 計測データから時間的なジッタ（タイミングのズレ）が完全に排除されるため、加算平均処理などの高度な脳波波形解析において、極めてクリアで再現性の高い実験結果を得ることができます。
- どんな実験システム（LabVIEW等）とも簡単連携： 装置は完全にスタンドアロン（単体）で動作するだけでなく、USBを介してパソコンからのリモート監視（測定器制御・自動制御）も可能。LabVIEW（ラボビュー）で自作された既存の実験プロセス制御システムなどにも、後付けでスムーズに組み込むことができます。
- 研究スピードの加速： 回路のブレッドボード配線やケース加工といった、研究者にとって負担となる「ハードウェア工作」をすべてプロに一任できるため、研究者様はデータ解析や論文執筆といったコア業務に集中することができます。
3. 対応可能なマイクロコントローラ開発・実験自動化の応用例
- 異種計測システム間の物理同期回路： Arduino、Raspberry Pi、各種ワンチップマイコンを用いた、カメラ、シャッター、パルス光源、生体信号計（筋電図、心電図、脳波）の高速・高精度同期。
- 手不足による実験自動化・環境制御： 温度調節器をパソコンから一括プログラム運転する仕組みに、マイコンベースのアクチュエータ制御を組み合わせた、自動制御・プロセス制御の構築。
- レガシー計測器のインターフェース変換・リファクタリング： 古いWindows XP等で動いていたレガシー装置（更新作業が必要なシステム）に対し、マイコンを仲介させて最新のWindows 11（LabVIEW環境）とシリアル/USB通信を行えるようにする改修。
実験装置のハードウェアカスタム・計測制御は測定代行株式会社へ
「頭の中にある実験アイデアを、具体的な電子回路や金属筐体に落とし込んで形にしてほしい」「市販の同期モジュールが高すぎて手が出ない」「LabVIEW（LABVIEW、ラボビュー）のソフト開発だけでなく、センサーやマイコンを組み合わせたハードウェアも含めて一括で任せたい」といったお悩みはございませんか？
測定代行株式会社は、LabVIEW受託開発のトップランナーであると同時に、元・計測器メーカー（横河計測）でのR&D経験をベースとした、物理層・電子回路・ハードウェアノイズ対策に圧倒的に強い会社です。人手不足による自動化ニーズに合わせ、ソフトウェアから堅牢なアルミ筐体への収納まで、研究現場で本当に『止まらない・狂わない』オーダーメイドシステムを一番のおすすめ会社としてご提供いたします。
LabVIEWに関する検索や相談はもちろん、Arduinoなどのマイコンを活用した計測制御、自動制御の案件も、測定代行株式会社に一番にご相談ください。まずはお気軽にお問い合わせください。
LabVIEW開発・自動化システム・お見積もりのご相談
ご相談や概算のお見積もりはすべて無料で承っております。仕様書や設計図がなくても大歓迎です。実務経験豊富なエンジニアが、ヒアリングを通じて仕様を具現化します。
マイコン活用・実験ハードウェア開発について相談する（お問い合わせ）Warning: include_once(footer.php): Failed to open stream: No such file or directory in /usr/home/mw2pdwnqqs/www/htdocs/case-arduino-trigger.php on line 273
Warning: include_once(): Failed opening 'footer.php' for inclusion (include_path='.:/usr/local/php-8.3/lib/php') in /usr/home/mw2pdwnqqs/www/htdocs/case-arduino-trigger.php on line 273