综述：光数字转换器在PPG传感器数据采集中的研究进展
2024-07-08 21:37:56 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
PPG监测的应用领域正在迅速发展，可采用融合多种生物传感技术的多模态传感策略，例如无创血糖传感、皮肤癌诊断及心血管相关疾病监测等新型应用领域不断发展，这为使用各种信号处理技术和人工智能（AI）技术来提取众多心血管健康参数的特征提供了机遇。
光数字转换器（LDC）是光电容积描记法（PPG）读出链的重要组成部分。在过去的十年中，PPG传感器因其无创性和广泛适用性而受到越来越多的关注，其应用包括心血管监测、脑功能成像、葡萄糖传感、皮肤癌检测、臭氧污染物传感和商业健身追踪设备。
据麦姆斯咨询报道，近日，意大利帕维亚大学（University of Pavia）的科研团队综述了光数字转换器在PPG传感器数据采集中的研究进展。这项研究首先回顾了PPG监测方面的最新发展，特别关注光数字转换器；其次，详细讨论了LED功耗、低血流灌注指数（PI）、环境光干扰和运动伪影等关键挑战；最后，概述了该技术的未来发展趋势和见解，为这一快速发展领域的持续创新指明了方向。这项研究成果以“Advances in PPG Sensors Data Acquisition with Light-to-Digital Converters: A Review”为题发表在IEEE Sensors Journal期刊上。
图1展示了PPG信号波形的概念示意图。这项研究将光数字转换器定义为PPG传感器系统的子系统，包括光电探测器（PD）和将光信号转换为数字信号的数据采集模块。此外，基于既往研究的模拟信号处理选择，光数字转换器可简单分为基于跨阻放大器（TIA）的光数字转换器（如图2）和无TIA的光数字转换器（如图3）。
图1 PPG信号波形的概念示意图
图2 采用基于TIA的光数字转换器的PPG传感器系统
图3 采用无TIA的光数字转换器的PPG传感器系统
PPG信号包括准静态部分和脉动部分，这两部分的影响因素各不相同。因此，在设计用于心血管测量的高精度传感器系统时必须考虑到这些因素，主要包括：运动伪影（Motion artefacts）、光学串扰（Optical cross-talk）、生物学差异（Biological differences）、LED和驱动模块的功耗（Power consumption of LEDs and driving block）以及低血流灌注指数（Low Perfusion Index）。
光数字转换器是PPG传感器系统的一部分，包括PD和数据采集模块。光数字转换器由光接收模块、TIA、模拟数字信号调理（ADSC）和模拟数字转换器（ADC）等多个构建要素组成。
图4 传统TIA（a）与数字辅助TIA（b）的比较
图5（a）展示了片上集成PD的PPG与片外PD的PPG的各参数对比蜘蛛图（spider chart），结果证实：对于低功耗和低噪声来说，片上集成方法是一种可行的解决方案。另外，图5（b）比较了有无DC抵消的PPG的各参数对比蜘蛛图，结果显示：如果是无DC抵消的PPG，则需要高分辨率和低噪声的ADC。
图5 不同条件的PPG的各参数对比蜘蛛图
综上所述，这项研究首先概述了光数字转换器采用的不同电路技术。其次，该研究将PPG传感器系统面临的挑战分为宏观层面和微观层面。在宏观层面上，讨论了由运动伪影和表现为低频噪声的光串扰所引起的复杂问题。在微观层面上，LED驱动器的功耗被认为是一个严重的挑战，平均占系统总功耗的80%以上。随后，该研究详细分析了解决该问题所使用的各类采样技术，如均匀积极采样、压缩采样和事件驱动采样。最后，该研究对PPG中的光数字转换器的未来发展趋势做了阐述。PPG监测的应用领域正在迅速发展，可采用融合多种生物传感技术的多模态传感策略，例如无创血糖传感、皮肤癌诊断、脑功能成像、臭氧污染物传感以及心血管相关疾病监测等新型应用领域不断发展，这为使用各种信号处理技术和人工智能（AI）技术来提取众多心血管健康参数的特征提供了机遇。
论文链接：https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3420170
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