PPG Measurements vs Monte Carlo modeling 03_09_2026

1. Анализ оптических сигналов ФПГ-сенсора

2. Геометрические параметры

Тестовый образец: Sber Ring, размер 12
Для размера 12: расстояние LED-PD – около 7.7 мм
Размер
Диаметр
6
16.5
7
17.4
8
18.2
9
19
10
19.9
11
20.7
12
21.5
13
22.3

3. Учет реалистичной геометрии и размеров LED и PD чипов

Схема расположения LEDs
PD
G: a = - 0.35 мм, H = 0 мм
Red: a = 0.3 мм, H = - 0.3 мм
IR: a = 0.3 мм, H = 0.3 мм
Левый PD (ближе к Green): SDD = - 8 мм, b = - 0.5 мм
Правый PD (ближе к Red, IR): SDD = 8 мм, b = 0.5 мм
Второй предельный вариант SDD = 6 мм
Особенности индивидуального изделия:
смещение линз относительно PDs,
наблюдаемое на микрофотографиях
двух фотодиодов
PD0
PD1

4. Экспериментальные данные в покое в различных условиях освещения (типичные сигналы с фотодиодов PD0,PD1 для трех LED: Green,

dark
Экспериментальные данные в покое в различных условиях освещения
(типичные сигналы с фотодиодов PD0,PD1 для трех LED: Green, Red, IR)
lamp
Green0
Red0
IR0
Green0
Green1
Red1
Green1
IR1
IR0
Red0
Red1
IR1
roomlight
daylight room
Green0
Red0
IR0
Green1
Red1
IR1
Green0
Green1
IR1
Red1
Outside cloudy
Outside sunny
Green0
IR0
Red0
Red0
IR0
Green0
Red0
IR0
Green1
Red1
IR1
Green1
Red1
Dark: полная темнота; Lamp: свет настольной лампы; Roomlight: комнатное освещение; Daylight room: солнечное освещение в помещении;
Outside sunny: солнечно, на улице; Outside cloudy: пасмурно, на улице
IR1

5. Экспериментальные данные в покое в различных условиях освещения (типичные PI = AC/DC)

dark
daylight room
roomlight
Outside sunny
lamp
Outside Cloudy

6. Экспериментальные данные в покое в различных условиях освещения (усреднения)

Средние значения сигналов
MeanDC_Green0
MeanDC_Green1
MeanDC_Red0
MeanDC_Red1
4.8E+06
9.0E+05
MeanDC_IR0
MeanDC_IR1
4.0E+06
4.4E+06
8.5E+05
3.6E+06
4.0E+06
8.0E+05
3.2E+06
7.5E+05
3.6E+06
2.8E+06
7.0E+05
3.2E+06
2.4E+06
6.5E+05
2.8E+06
6.0E+05
5.5E+05
2.0E+06
2.4E+06
5.0E+05
1.6E+06
2.0E+06
dark
room light
lamp
dark
DL room out cloudy out sunny
room light
lamp
DL room out cloudy out sunny
1.2E+06
dark
room light
lamp
DL room out cloudy out sunny
Индексы перфузии PI = AC/DC
AC/DC_Green0
AC/DC_Green1
0.018
AC/DC_Red0
AC/DC_Red1
0.008
0.016
AC/DC_IR0
AC/DC_IR1
0.009
0.008
0.007
0.014
0.007
0.006
0.012
0.006
0.005
0.010
0.005
0.004
0.008
0.004
0.006
0.003
0.004
0.002
0.002
0.001
0.003
0.002
0.001
dark
room light
lamp
DL room out cloudy out sunny
dark
room light
lamp
DL room out cloudy out sunny
dark
room light
lamp
DL room out cloudy out sunny

7. Экспериментальные данные в покое в различных условиях освещения (размер 12)

Средние значения сигналов
MeanDC_Green0
MeanDC_Green1
MeanDC_Red0
MeanDC_Red1
4.8E+06
9.0E+05
MeanDC_IR0
MeanDC_IR1
4.0E+06
4.4E+06
8.5E+05
3.6E+06
4.0E+06
8.0E+05
3.2E+06
7.5E+05
3.6E+06
2.8E+06
7.0E+05
3.2E+06
2.4E+06
6.5E+05
2.8E+06
6.0E+05
5.5E+05
2.0E+06
2.4E+06
5.0E+05
1.6E+06
2.0E+06
dark
room light
lamp
dark
DL room out cloudy out sunny
room light
lamp
DL room out cloudy out sunny
1.2E+06
dark
room light
lamp
DL room out cloudy out sunny
Индексы перфузии PI = AC/DC
AC/DC_Green0
AC/DC_Green1
0.018
AC/DC_Red0
AC/DC_Red1
0.008
0.016
AC/DC_IR0
AC/DC_IR1
0.009
0.008
0.007
0.014
0.007
0.006
0.012
0.006
0.005
0.010
0.005
0.004
0.008
0.004
0.006
0.003
0.004
0.002
0.002
0.001
0.003
0.002
0.001
dark
room light
lamp
DL room out cloudy out sunny
dark
room light
lamp
DL room out cloudy out sunny
dark
room light
lamp
DL room out cloudy out sunny

8.

Характерные относительные сигналы (в покое, в темноте)
AC/DC: Green 0.007, Red 0.001, IR 0.003

9.

Сравнение эксперимента и моделирования 2025 года на основе оптических
параметров кожи, адаптированных из профильной научной литературы
Эксперимент (в покое, в темноте)
Моделирование: зависимость PI = AC/DC от LED-PD (mm)
Green
Red
IR
AC/DC (r=7.7 mm):
Green 0.26,
Red 0.004,
IR 0.011
AC/DC: Green 0.007, Red 0.001, IR 0.003
Отличие от эксперимента
более чем в 3 раза!

10. Оценка оптических параметров кожи с использованием метода оптической диффузионной спектроскопии

Широкополосный
источник
Спепктрометр
Восстановление
оптических параметров
Волоконный
зонд
Регистрируемый спектр
биоткань
Торец зонда: линейка источников
и детекторов, разнесенных на
разные расстояния
Рабочие расстояния ОДС-системы в ИПФ РАН: 1-4 мм,
глубины проникновения – до 2 мм
Для восстановления оптических параметров
используется мультиканальное детектирование

11.

Распределение регистрируемой интенсивности по поверхности детектора
(доля мощности/мм2)
SDD = 8 mm
667 nm
518 nm
Фракция зондирующей мощности на детекторе
518
667
941
2.094e-06
0.000172
0.000979
1.363e-06
0.000129
0.000788
941 nm

12.

Распределение регистрируемой интенсивности по поверхности детектора
(доля мощности/мм2)
SDD = 6 mm
667 nm
518 nm
Фракция зондирующей мощности на детекторе
518
667
941
1.265e-05
0.000603
0.002485
7.948e-06
0.000433
0.001945
941 nm

13.

Сравнение эксперимента и моделирования 2026 года
с адаптированными оптическими параметрами
Эксперимент (в покое, в темноте)
Моделирование: зависимость PI = AC/DC от LED-PD (mm)
Без технологического слоя
Green
Red
IR
AC/DC (r = 7.7 mm):
Green 0.055,
Red 0.001,
IR 0.0022
AC/DC: Green 0.007, Red 0.001, IR 0.003
Хорошее согласие Red, IR
Отличие Green от
эксперимента почти в 10 раз!

14. Сопоставление PI = AC/DC в эксперименте и моделировании

• Количественное соответствие индексов перфузии для Red и IR позволяет рассчитывать, что
адаптированные оптические параметры релевантны для моделирования ФПГ-сигналов
• Значение индекса перфузии для Green не является значимой метрикой, т.е. его несоответствие в
эксперименте и моделировании не должно быть критично
• Причины сниженного (AC/DC) для Green почти на порядок:
- недостаточный уровень AC - ? (скорее нет при релевантных оптических свойствах)
- завышенный уровень DC (из-за неучета паразитного постоянного сигнала)
• Влияние завышенного DC на Green: высокий уровень шумов, снижение SNR, ухудшение
определения зубцов сигнала ФПГ

15. Предполагаемая причина – «утечка» зеленой подсветки через технологический слой

Технологический слой
оценка толщины по схеме –
1.5-1.7 мм
!
При утечке паразитный постоянный сигнал не вычитается с помощью
темнового кадра, т.к. возникает только в момент включения LED.
То есть, он искусственно завышает DC без возможности компенсации

16.

Влияние технологического слоя на сигналы сенсора (моделирование AC/DC от LED-PD)
Green
Red
IR
Без ТС
Без ТС
Без ТС
ТС = 0.5 мм
ТС = 0.5 мм
ТС = 0.5 мм
AC/DC (r = 7.7 mm):
Green 0.055,
Red 0.001,
IR 0.0022
AC/DC (r = 7.7 mm):
Значимых изменений нет
ТС = 1.5 мм
ТС = 1.5 мм
ТС = 1.5 мм
AC/DC (r=8 mm):
Green 0.03,
Red 0.0008,
IR 0.0021

17.

518 nm
Моделирование AC и DC vs r(mm)
Без технологического слоя
667 nm
941 nm

18.

518 nm
Моделирование AC и DC vs r(mm)
с технологическим слоем 0.5 мм
667 nm
941 nm

19.

518 nm
Моделирование AC и DC vs r(mm)
с технологическим слоем 1.5 мм
667 nm
941 nm

20.

Реализации размещения LED, PD у конкурентов
RingConn Gen 2
Oura Ring 5
distance from the center of the LED
cluster to the center of the
photodiode is roughly 3 mm to 5 mm
Ultrahuman Ring AIR
4 distinct PPG nodes distributed
symmetrically across its bottom-most
curvature (spanning roughly a 60degree arc around the 6 o'clock position
two tri-LED emitters and two photodetectors
(photodiode/PD components). This advanced, hardwareredesigned sensor array creates 12 dynamic light/signal
pathways
The Smallest Lateral Pitch (Adjacent Co-Location) ~1.2 mm to
1.5 mm
The Largest Lateral Pitch (Cross-Chamber Tracking) ~4.5 mm
to 5.2 mm (depending strictly on the selected ring size)
LED-to-PD Lateral Pitch (Spacing): ~1.5 mm to 3.0 mm
(Estimated range based on physical limits)
Vertical Sensor Dome Height: 0.7 mm. To minimize the skinto-sensor gap, the Oura Ring 5 re-engineered the interior
with raised sensor domes. These domes push the LEDs and
PDs through the internal titanium layer, mechanically
compressing local skin capillaries to reduce signal
degradation and eliminate ambient light
The optical engine relies on a single multi-wavelength sensor cluster
layout:
Green LEDs: 2.Red LEDs: 1.Infrared (IR) LEDs: 1.
Photodetectors (Photodiodes): 1 central high-sensitivity photodiode.
All four emitter channels are time-multiplexed to shoot into this
single photodetector to minimize space and power consumption
The center-to-center distance between the LED dies and the active
area of the central photodiode between 2.0 mm and 3.5 mm.
Intra-Node Pitch (LED to PD Center):
Within each of the 4 individual modules,
the center-to-center distance between
the LED emitter and the photodiode is
strictly engineered between 1.5 mm to
2.5 mm
Inter-Node Spacing: The distance
between the 4 independent sensor
modules scales dynamically from 4.0
mm to 6.5 mm depending on the
specific ring size

21.

Вопросы
1. Чем обусловлен выбор расстояния LED-PD в реализованной конфигурации
кольца?
2. Насколько типичны полученные результаты для других экземпляров колец?
3. Как реализовано вычитание фонового сигнала на детекторе? Можно ли узнать
его величину в тех же у.е., что и измеряемый сигнал?
4. Насколько случайно положение детекторов относительно центра «линзы»
технологического слоя?
5. Предусмотрены ли ограничители, препятствующие прямому попаданию
зондирующего излучения на детектор через технологический слой?