MITによるESP32駆動の電気インピーダンス・トモグラフィーツールキット
マサチューセッツ工科大学（MIT）のコンピューター科学人工知能研究所（CSAIL）のエンジニアのチームが、先月のユーザーインターフェイスソフトウェアとテクノロジーに関するACMシンポジウム（UIST）で、ヒューマンコンピューターインタラクション（HCI）に関する論文を発表しました。彼らの論文では、Junyi Zhu、Jackson C. Snowden、Joshua Verdejo、Emily Chen、Paul Zhang、Hamid Ghaednia、Joseph H. Schwab、Stefanie Muellerが、ESP32をベースとした健康およびモーションセンシングデバイス用途の、電気インピーダンス・トモグラフィーツールキットであるEITキットの設計と構築について述べています。
電気インピーダンス・トモグラフィー（EIT）は、被写体の導電率、誘電率、インピーダンスを測定する画像技術です。これまで、EITセンシングには、大規模で高価なハードウェアセットアップと、複雑な画像再構成アルゴリズムが必要でした。最近の低コストの電子機器の開発とEIDORSなどのオープンソースのEIT画像再構成ライブラリ(触覚センシング、およびハンドジェスチャ認識など)が容易に利用可能となり、EITセンシングは、タッチセンシングに使用したヒューマンコンピュータインタラクション（HCI）の研究者が利用できるようになりました。このような進歩により、EITセンシングの移植性が向上し、低コストのEITテクノロジーの大きな可能性と、特にスポーツ医学や在宅医療における健康センシング分野でのその利点が実証されました。
しかし、カスタムEITデバイスの設計に必要な専門知識はまだ高いです。EITデバイスを作成するには、ユーザーは最初にデバイスのフォームファクターを設計して、電極と被験者の間の継続的な接触を確保する必要があります。これは、測定場所と電極分布に応じて毎回異なる可能性があります。
上記のMITの論文では、著者はEITキットを紹介しています。これは、EITデバイス開発のさまざまな段階でユーザーをサポートする電気インピーダンス・トモグラフィーツールキットです。EITキットは次のもので構成されています。
- 測定セットアップと電極分布のフォームファクターをカスタマイズするための3Dエディター
- カスタマイズされたESP32ベースのEITセンシングマザーボード
さまざまな測定セットアップ、つまり2端子または4端子セットアップ、最大64個の電極、および1個から4個の電極アレイを同時にサポートします。EIT検知マザーボードは、信号の品質を向上させるために調整可能なAC注入電流も提供します。 - 信号のキャリブレーションを自動化し、データ収集を容易にするマイクロコントローラーライブラリ
- データの補間と視覚化に使用できるモバイルデバイス用の画像再構成API
著者は、形成的ユーザー調査でEITキットの開発について説明しています。次に、健康とモーションセンシングに焦点を当てたさまざまなインタラクティブデバイス（つまり、身体リハビリテーション用のマッスルモニター、ウェアラブルハンドジェスチャレコグナイザー、非侵入型運転検出用のアームバンド）をサポートするEITキットの機能を示します。最後に、EIT測定のデータ忠実度の技術的評価を実施します。
EITキット
EITキットは、さまざまな測定場所（手首、太ももなど）および検出解像度（電極の数、電極分布）のカスタム測定セットアップを作成するための3Dエディターを提供することにより、EITデバイス開発のさまざまな段階のユーザーをサポートします。
EITデータ測定段階では、EITキットにはESP32ベースのEITセンシングマザーボードと、ボードからデータを取得するためのセンシングライブラリ（Arduinoベース）が含まれています。ユーザーがデータを補間して視覚化する必要がある最終段階では、EITキットは、EITデバイス開発に不可欠なこれらのビルディングブロックを提供することにより、画面上と拡張の両方で2Dおよび3D視覚化が可能なモバイルデバイス（つまりiOSデバイス）用の画像再構成APIでユーザーを支援します。
EIT-センシングマザーボード
EIT-kitのセンシングマザーボードはESP32に基づいており、さまざまな電極構成のEIT信号のキャリブレーションと測定を自動化できます。
EIT検知マザーボード：（a）上面図、（b）底面図、（c）2つのスタックされたマルチプレクサボード。
写真提供：https：//hcie.csail.mit.edu/research/eit-kit/eit-kit.html
より具体的には、マザーボードは、AC信号の注入と結果の電圧出力の測定を担当するメインセンシングボードと、信号を個々の電極に送る最大2つのマルチプレクサボードを積み重ねて構成されています。メインセンシングボードには3つのコンポーネントがあります。
- AC信号を注入するための電流駆動回路
- 電流ドライブから出力される電圧を測定するための電圧測定回路
- ESP32マイクロコントローラ搭載の制御回路
（a）EIT検出ボードの上面図と底面図。電流駆動、電圧測定、および制御回路を構成する部品を強調しています。
写真提供：https：//hcie.csail.mit.edu/research/eit-kit/eit-kit.html
現在の駆動回路と電圧測定回路はどちらも、SPIチャネルとGPIOピンを介してESP32マイクロコントローラーによって制御されます。より高速な周波数でより直接制御するために、MITのエンジニアは2つの別々のSPIバス（HSPIとVSPI）を介して制御回路を実装しました。最初のSPIバスは、信号発生器とデジタルレオスタットを制御するために使用されます。2番目のSPIバスは、マルチプレクサのチップセレクトピンやその他のさまざまなデジタル入力を駆動するIOエクスパンダ（MCP23S17）に使用されます。ADCコンバータの出力はESP32GPIOピンに直接ルーティングされ、20MHzでサンプリングされます。
ESP32を利用したEITキットの詳細については、こちらのMITペーパーをご覧ください。現在、EIT-kitは、健康とモーションセンシングに焦点を当てたインタラクティブデバイス設計者の作業を容易にすることが期待されています。インタラクティブデバイスの設計者は3Dモデリングと3D印刷を使用することが多いため、新しいデバイスを構築してプログラムするコードを作成するために、EITキットの3Dエディタープラグイン、マイクロコントローラー、視覚化APIは、科学的背景だけでなくニーズにも適合します。上記のターゲットグループの。プログラミングの経験が少ないユーザーにEITキットの対象者を拡大するために、MITエンジニアは、将来の作業の一環として、事前に構築されたアプリケーションを使用してEITキットを拡張します。
EIT-kitは、ユーザーがさまざまなEITセンシングデバイスを作成し（a）、結果のデータを視覚化する（b）ことをサポートします。EIT-kitは、3Dエディタープラグイン（c）、ESP32に基づくセンシングマザーボード（d）、マイクロコントローラーライブラリ、および画像再構成APIを提供します。
写真提供：https：//hcie.csail.mit.edu/research/eit-kit/eit-kit.html
エスプレッシフ社記事2021年11月22日より抜粋した内容を掲載しています
