какую температуру показывает тепловизор на человеке

Основы измерения повышенной температуры человека с помощью тепловизионной технологии

Привет, Хабр! Представляю вашему вниманию перевод и адаптацию оригинальных технических статей по тематике применение телевизоров для температурного скрининга человека: «ELEVATED BODY TEMPERATURE (EBT) FUNDAMENTALS» и «BEST PRACTICES FOR EBT».

Цель этой статьи — помочь читателю избежать простых ошибок, которые совершают многие организации, спеша внедрить технологию тепловидения для скрининга повышенной температуры. Это далеко не всеобъемлющий документ, но его цель — дать общее представление о том, насколько эффективно использовать тепловизионную технологию для данной цели.
Статья предназначена в первую очередь для технических специалистов, которые заинтересованы глубже разобраться в теории данного вопроса.

Глобальное распространение нового коронавируса (COVID-19) меняет нашу жизнь и попадает в заголовки новостей по всему миру. Спрос на тепловизионные камеры для выявления повышенной температуры тела (Elevated Body Temperatures, EBT) существенно вырос в последние месяцы. Технология внедряется в аэропортах, на предприятиях и в других общественных местах в поисках признаков лихорадки в качестве показателя заболевания.

Многие тепловизионные камеры, которые в настоящее время широко используются для скрининга на лихорадку, не подходят для этого применения. В этой статье мы попытаемся охватить факты и некоторые важные моменты, которые необходимо учитывать, если вы или ваша организация хотите инвестировать в эту технологию.

Тепловидение дополнительно может обеспечить измерение температуры поверхности тела человека. Оно было эффективно применено для задач температурного скрининга и, вероятно, гораздо более эффективно, чем многие другие бесконтактные устройства измерения температуры. Однако у этой технологии есть свои ограничения. Это ограничения, которые действуют для всех устройств с тепловым приемником излучения (болометры) и применительны ко всем маркам / моделям / брендам также как к большинству ручных «термопушек» и бесконтактных термометров.

В открытом доступе присутствует очень много дезинформации. В Интернете и в новостях появляется множество видеороликов, посвященных скринингу лихорадки с использованием тепловизионных камер. Они часто показывают камеру, смотрящую на большое количество людей, проходящих через поле зрения камеры. Эти системы не обеспечивают эффективное сканирование и дают ложное представление о том, как может использоваться тепловизор. В лучшем случае этот подход может выделить людей с повышенной температурой поверхности кожи, что не обязательно является хорошим показателем повышенной температуры тела. Такие факторы, как, если человек потеет, носит косметику или двигается, может полностью нарушить измерения температуры поверхности кожи.

После вспышек атипичной пневмонии и других инфекционных заболеваний были разработаны международные стандарты скрининга на лихорадку с использованием термографии. Если вы планируете использовать эту технологию для данного применения в своем бизнесе, данные стандарты должны приниматься во внимание при разработке методологии тестирования — даже если вы не можете следовать этим стандартам. На сегодняшний день уже установлено много скрининговых систем, которые совершенно неэффективны и приведут к ложному ощущению безопасности внутри организации.

Изделия медицинские электрические. Часть 2-59. Частные требования безопасности с учетом основных функциональных характеристик к скрининговым термографам для скрининга повышенной температуры у человека.
(оригинал: Medical electrical equipment — Part 2-59: Particular requirements for the basic safety and essential performance of screening thermographs for human febrile temperature screening).

Электрооборудование медицинское. Установка, применение и руководство по эксплуатации скрининговых термографов для определения фебрильной температуры человека.

(оригинал: Medical electrical equipment — Deployment, implementation and operational guidelines for identifying febrile humans using a screening thermograph).

Некоторые из основных моментов:

Этими факторами можно управлять на стойках проверки паспортов или турникетах. Однако, их гораздо сложнее контролировать в открытом пространстве.

Примечания по выбору камеры

Сейчас на рынке присутствует много оппортунистического маркетинга. Многие продавцы продвигают камеры для температурного скрининга, которые принципиально не подходят для данной цели. Помните, что с любой камерой любого производителя маркетинг не изменит физику! Как и программное обеспечение или «ИИ» (прим. «Искусственный Интеллект»). Любой, кто утверждает обратное, должен быть тщательно проанализирован и проверен фактами авторитетными организациями, такими как профессиональные ассоциации термографии. Камеры, используемые для «тепловидения», построены с иным набором проектных целей в отличии от камер, созданных для «термографии», то есть радиометрически откалиброванных тепловизионных камер, которые предназначены для измерения температуры, а не просто для получения теплового изображения.

Давайте пройдемся по основам термографии!

Мгновенное поле обзора (instantaneous field of view, iFoV) камеры — это размер одного пикселя на заданном расстоянии от камеры. Значение поля обзора (measurement field of view, mFoV) камеры обычно составляет около 4 × iFoV, то есть 4 × 4 пикселя. Это самый маленький объект, температуру которого может точно измерить камера. Горячий объект меньшего размера будет определяться более холодным, чем его фактическая температура.

Обратите внимание, что mFoV = 4 x iFov требование для тепловой камеры, которая имеет отличную оптику. Но большинство тепловизоров не имеют отличной оптики.

Теперь давайте обсудим применение

Разрешение камеры

Во-первых, давайте предположим, что глазная щель (или кантус) — это «целевая зона» (“hot spot”), которую мы должны измерить. Размер кантуса не более 3 мм в поперечнике. Тогда давайте предположим, что наша камера имеет абсолютно идеальную оптику, и нам нужно mFoV 3×3 пикселей для точного измерения температуры. Это дает нам iFoV 1 х 1 мм, то есть каждый пиксель — это квадрат 1 мм в высоту и 1 мм в ширину на расстоянии от измеряемого лица.

Поскольку mFoV не подлежит обсуждению, это означает, что поле обзора камеры будет меняться в зависимости от ее разрешения, например:

Имейте в виду, что вышеизложенное является наилучшим сценарием, предполагающим абсолютно совершенную оптику, чего не будет в реальном мире. Это причина того, что точный скрининг нескольких людей по всей комнате просто невозможен, независимо от от того, что обещают продавцы-шарлатаны. Как минимум, следует использовать камеру с разрешением 320х240 и фокусируемой оптикой. Лицо тестируемого должно заполнять большую часть поля зрения камеры.

Это согласуется с утверждениями, скрытыми глубоко в руководстве пользователя для таких камер как FLIR A320 Tempscreen (FLIR – один из наиболее авторитетных производителей тепловизионных камер в мире – примеч. переводчика), в котором говорится, что «расстояние до лица должно быть подобрано таким образом, чтобы лицо занимало более 75% ширины изображения», даже если это не отображено во многих видео и фотографиях этих камер при использовании.

Точность измерения камеры

Те же самые правила, которые применяются к традиционному применению термографии, применяются к скринингу лихорадки. Очень просто ввести в камеру неправильные значения коэффициента излучения или другие настраиваемые параметры. Это заставит камеру возвращать абсолютные бессмысленные результаты измерения температуры. Существует много информации, которая объясняет основы термографии.

Если сфокусироваться на скрининге лихорадки, то используются два подхода к измерению температуры, каждый из которых по-разному учитывает погрешность в точности измерения камеры:

Оба подхода имеют разные требования к камере и конфигурации, которые обсуждаются отдельно ниже.

Метод абсолютного температурного порога

У большинства тепловизионных камер абсолютная точность измерения определяется как что-то вроде «более ± 2°C / ± 2% от показаний». Когда мы говорим о допустимой погрешности около 1°C для задач выявления повышенной температуры, то такой точности уже недостаточно. Чтобы все же использовать эти камеры, мы можем разместить эталонную панель черного тела в поле зрения камеры. Это черное тело — почти идеальный источник тепловой энергии, температуру которого камера может очень точно измерять.

Фокус камеры важен для точности измерения температуры. Важно убедиться, что черное тело находится на том же расстоянии от камеры, что и лицо обследуемого индивидуума. Это гарантирует, что и лицо, и черное тело могут быть в резком фокусе одновременно. Также важно, чтобы эталонная панель черного тела была достаточно большой, чтобы камера могла очень точно измерить, в качестве минимального ориентира следует использовать размер панели, превышающий 10×10 пикселей. Измеренная температура черного тела может затем использоваться для обеспечения коррекции температуры на камере. Если этот подход будет принят, то точность измерения камеры будет порядка 5x-10x спецификации NETD.

Тепловая чувствительность или шумовая эквивалентная разность температур (NETD — Noise Equivalent Temperature Difference) описывает наименьшую разницу температур, которую вы можете видеть с помощью камеры. Чем меньше число, тем лучше тепловая чувствительность инфракрасной системы.

Тепловые камеры, разработанные для систем безопасности, часто имеют NETD до 150 мК. Для задач температурного скрининга значение NETD камеры должно быть не более 50 мК. Даже если камера с 100 мК NETD используется с эталонной панелью черного тела, погрешность измерения будет около 10×100 мК = 1°C, и это, не считая любых возможных изменений в самом черном теле. Это не подходит для применений в скрининге. Стоит также отметить, что производители оборудования делают эти расчеты по-разному. Камеры от дешевых производителей могут скрывать плохую чувствительность, делая замеры NETD при 50°C вместо отраслевого стандарта 30°C.

Есть и другие моменты, которые должны быть учтены.

Камеры, разработанные для приложений безопасности, сводят к минимуму количество циклов NUC, поскольку это заставляет изображение зависать на несколько секунд каждый раз, когда это происходит, что не идеально, если в этот момент какие-то плохие парни пробираются мимо охраны. Однако для приложений измерения температуры важно, чтобы циклы NUC выполнялись регулярно для оптимизации линейности изображения и минимизации дрейфа измерения во времени.

Если температура черного тела отслеживается между циклами NUC, то во время измерения будет наблюдаться некоторый дрейф, что приведет к «пилообразной» схеме измерения температуры. При использовании высококачественной термографической камеры пиковое изменение этого пилообразного сигнала будет 1°C. Это не подходит для задач скрининга, где стабильность показаний имеет решающее значение.

Пока термографическая камера какое-то время нагревается до устойчивой рабочей температуры, она будет проводить коррекцию неоднородности чаще, поэтому рекомендуется, чтобы для задач температурного скрининга камера в течение примерно 30 минут нагрелась (поработала вхолостую — прим. переводчика), прежде чем начнется сам скрининг.

В последние недели на рынке появилось множество тепловизионных систем, ориентированных на скрининг COVID-19. Многие из этих камер имеют чрезвычайно высокую точность, указанную в их технических характеристиках, например, ±0,1°C. Эти типы утверждений вызывают тревогу у большинства профессиональных термографистов.

Некоторые производители аргументируют такую точность заявлениями, что они используют NETD камеры в качестве точности в тех случаях, когда в кадре присутствует контрольная панель черного тела. Это неправильно по нескольким причинам. Например, NETD рассчитывается с использованием среднего значения всех пикселей и может не быть репрезентативным для какого-либо отдельно взятого пикселя, включая пиксели, которые расположены в кадре вне измеряемой зоны. Это также предполагает, что черное тело обладает идеальной стабильностью и не имеет температурной неопределенности, что является невозможным в реальном мире.

Это подчеркивает, что существуют существенные различия в способах, которыми производители рассчитывают технические характеристики, представленные в их даташитах. Калибровка тепловизионной камеры — сложный процесс. Эта статья объясняет некоторые тонкости более подробно.

Стоит подчеркнуть, что калибровка камеры зависит и от температуры окружающей среды, и от температуры датчика, и оптики. Высококачественные термографические камеры калибруются во всем диапазоне рабочих температур, чтобы гарантировать, что калибровка действительна при любых условиях эксплуатации. Многие камеры не калибруются и будут калиброваться только при одной рабочей температуре. В сертификате калибровки, прилагаемом к вашей камере, должны быть указаны условия тестирования и известные ограничения для калибровки. Он должен ссылаться на существующие стандарты (NIST и т. д.) для любых источников излучения, используемых при калибровке.

IEC 80601-2-59 содержит очень четкие указания относительно того, как должна оцениваться и проверяться точность. Поставщик системы должен иметь возможность предоставить руководство по этому вопросу.

Технические характеристики камеры:

Это вызовет тревогу, если показатель температуры любого человека будет выше 37,4°C. Температура 37,5°C в зоне кантуса обычно рекомендуется как хорошая отправная точка для начала скрининга на возможное наличие лихорадки. Погрешность измерения составляет

Источник

Тепловизор против COVID-19. Практика применения и реальные возможности

ЖД-вокзалы и аэропорты, проходные предприятий и офисные центры, больницы и поликлиники, школы и детсады — всё это объекты с большой проходимостью, которые сейчас оснащаются тепловизорами. Из статьи вы узнаете об устройстве этих приборов, в чём отличия эпидемиологических тепловизоров от обычных, их практической эффективности и целесообразности применения.

Тепловизор измеряет температуру тела пассажиров в аэропорту

Градусник или тепловизор?

При нынешнем уровне развития науки и техники существует весьма ограниченный перечень точных средств для измерения поверхностной температуры тела человека. Они делятся на две большие группы по методу применения: контактные и бесконтактные. Первая группа — привычные нам градусники и термометры: ртутные, спиртовые или электронные, вторая — дистанционный термометр (пирометр) и эпидемиологические тепловизоры, которые, в свою очередь подразделяются на ручные и стационарные.

Устройства для бесконтактного измерения температуры тела человека

Обычный ртутный градусник, который изобрёл Фаренгейт 300 лет назад, остаётся самым простым, точным и дешёвым средством измерения температуры тела человека. Браво, Габриель!

Но ставить градусник каждому на проходной предприятия, офисного здания или на пропускном терминале аэропорта просто невозможно. Это заканчивается огромными очередями и массой недовольных. Скорость — вот главная задача!

Учитывая данные из приведённой выше таблицы, стационарный эпидемиологический тепловизор примерно в 30 000 раз (!) быстрее обычного градусника. Но как же быть с точностью? У тепловизора она в 3 раза ниже, чем у термометра. А вот нужна ли безупречная точность измерения для определения факта лихорадки у человека — об этом далее в статье.

Так что же такое эпидемиологический тепловизор

Прежде чем начать рассказ о тепловизорах, обратим внимание на один очень важный факт: не существует измерительного прибора, в том числе и тепловизора, для того чтобы обнаружить какое-то конкретное заболевание: вирус или инфекцию.

Основная задача эпидемиологического тепловизора — быстро и точно выявить человека с температурой на максимально возможной дистанции. На первый взгляд может показаться, что с этой задачей справится любой измерительный тепловизор. Но это далеко не так. У традиционных измерительных тепловизоров, которые используются в строительстве, энергетике или в быту очень большая погрешность — в среднем ±2 °C. Ввиду особенностей человеческого организма, одной из которых является температурное постоянство, такая погрешность для диагностических целей неприменима.

Для того, чтобы добиться максимальной точности измерения температуры тела человека (особенно если он не один и находится в движении) нужны:

Кроме этого, оптические блоки эпидемиологических тепловизоров комплектуются видеокамерами высокого разрешения с функцией определения лиц для создания автоматических отчетов или интеграции в систему контроля и управления доступом (СКУД). В основном, это относится к стационарным системам.

Классификация эпидемиологических тепловизоров

Тепловизоры для эпидемиологического контроля подразделяются на ручные и стационарные. Последние, в свою очередь, можно разделить на те, которые используют эталонный излучатель (АЧТ) и тепловизоры без него.

Ручные тепловизоры для измерения температуры тела

Представляют из себя портативные устройства, внешне напоминающие пирометры или ручные видеокамеры. Устанавливаются на треногу или используются операторами на проходной для индивидуального измерения температуры у человека.

Стационарные эпидемиологические тепловизоры для бесконтактного измерения температуры тела людей

Стационарные тепловизоры эпидемиологического контроля представляют из себя аппаратно-программные комплексы, состоящие, как правило, из двух отдельных блоков:

Это более точные и быстрые приборы для определения температуры человека. Основное отличие от ручных — возможность одновременного измерения температуры большого потока людей в полностью автоматическом режиме. Это свойство незаменимо в тех случаях, где индивидуальный замер температуры невозможен, например, контрольно-пропускной пункт терминала аэропорта.

Применение эпидемиологических тепловизоров

Применение стационарных эпидемиологических тепловизоров довольно обширно: терминалы аэропортов, ж/д вокзалов, морских портов; КПП; проходные предприятий, офисов; входные группы стадионов, фитнес-центров, концертных залов, гостиниц, крупных ТЦ; метро — там, где возможно большое скопление людей.

Сравнительная таблица ручных и стационарных тепловизоров эпидемиологического контроля

Основные производители тепловизоров на российском рынке

АЧТ — зачем оно нужно и можно ли обойтись без него

АЧТ — это абсолютно черное тело — эталонный излучатель, который на своей поверхности формирует очень точное значение температуры, до сотых долей градуса. Устанавливается в поле зрения объектива тепловизора, используется в качестве эталона температуры для калибровки прибора. Таким образом увеличивается точность измерения температуры до 0,3 °C.

Цель использования АЧТ — увеличить точность измерения температуры, т. е. повысить вероятность обнаружения человека с температурными отклонениями.

Но давайте разберёмся, работает ли это так, как должно. Поверхностная температура тела здорового человека находится в диапазоне от 26 до 37 °C — этот диапазон зависит от окружающей среды и физиологических особенностей конкретного организма. Возникает вопрос: зачем нам такая точность? Ведь получается, что идеально откалиброванный с помощью АЧТ тепловизор с точностью в 0,3 °C измерит температуру человека, вошедшего в помещение с морозного воздуха, но «не увидит» лихорадку, т. к. поверхностная температура тела была понижена условиями окружающей среды. Получается, что формальный подход сравнивания температур работает только в условиях постоянной окружающей температуры.

Наиболее универсальный и действенный способом безошибочного обнаружения человека с повышенной температурой в плотном потоке людей — использование математической модели, которая вычисляет среднюю температуру у людей в потоке и корректирует порог срабатывания системы.

Уникальный режим работы: В тепловизоре «Пергамед-Барьер» применяется именно такое решение для автоматического измерения температуры людей в потоке. Используется математическая модель нейросети, которая вычисляет среднюю температуру потока и корректирует порог срабатывания системы.

Автоматическая компенсация температуры

Эта технология называется автоматическая компенсация температуры или Absolute temperature compensator (ATC). Автоматически подсчитываются средние значения температуры последних 10 объектов, причем, не принимая во внимание 2 наибольших и 2 наименьших значения. Это позволяет использовать прибор в полностью автоматическом режиме, без использования эталонного «абсолютно чёрного тела», а также исключает ложные срабатывания.

Перспективы

Возможно ли 100 % обнаружение человека, инфицированного COVID-19, при использовании тепловизионной аппаратуры? Нет! Задача тепловизора не поставить диагноз (пока это невозможно сделать на расстоянии, к сожалению), а выявить людей с повышенной температурой тела, предупреждая обслуживающий персонал здания о вероятной угрозе. И с этой задачей эпидемиологические тепловизоры справляются достаточно неплохо. Естественно, чем технологичней тепловизор, тем меньше погрешность и точнее результат.

Достоверно известно, что любая нестандартная или серьёзная проблема даёт мощный импульс для развития технологий. И нынешняя эпидемия не исключение. Уже сейчас видно, как сильно оживился рынок тепловизоров во всём мире. Кто знает, может быть после эпидемии коронавируса будут разработаны принципиально новые средства обнаружения людей с неудовлетворительными параметрами общего состояния, которые будут давать 100% результат. Однако пока что этого не произошло.

Что касаемо теплоизмерительной аппаратуры, то в этом случае эпидемиологический тепловизор должен выступить в роли первого эшелона обороны — защитить границы и обнаружить невидимое простым взглядом. Само собой разумеется, что всех подозрительных людей с помощью тепловизора выявить нельзя (в основном за счет бессимптомного течения болезни и с учетом инкубационного периода). Однако снизить риск массового заражения вследствие своевременно поданного сигнала об изменениях температуры выше или ниже нормы они вполне способны.

Альтернатива тепловизорам

На данный момент альтернативы эпидемиологическому тепловизору, как эффективному средству выявления патологических колебаний температуры на пропускных пунктах (входах) не существует! Но увеличить его эффективность можно с помощью дополнительного оборудования, установленного параллельно. Более того, комплекс диагностической аппаратуры сможет с высокой долей вероятности выявить отклонения от нормы даже при наличии средств индивидуальной защиты на человеке, а именно: маски и перчаток.

Что нас ждёт?

Человечество постоянно живёт бок о бок с опасными, потенциально-опасными, незначительно-опасными и условно безвредными микроорганизмами, бактериями и вирусами. Но дело в том, что с развитием цивилизации увеличивается и плотность населения, создавая тем самым благоприятную почву для быстрого распространения любой эпидемии: междугородние поездки, перелёты, путешествия, туризм. Это не значит, что нужно безвылазно сидеть дома и никуда не ходить, в том числе и на работу. Нет. Человек за долгую историю своей эволюции приобрёл устойчивость ко многим видам болезней и способен переносить их без особого вреда для здоровья. Но вот грипп, к которому также относится и коронавирусная инфекция, по-прежнему остаётся тем заболеванием, которое сможет оставить о себе память на много лет в виде осложнений различной степени тяжести.

Чтобы этого не произошло, следует внимательней относится к своему здоровью, беречь и укреплять иммунитет заранее, а не тогда, когда «прозвенела сирена», следить за своим состоянием и стараться вести правильный образ жизни. И тогда, может быть, через пару сотен лет люди окончательно перестанут болеть. Ну а пока этого не произошло, высокотехнологичные тепловизоры, современная медицина, соблюдение предписаний организаций здравоохранения и здравый смысл помогут справиться с любой опасностью!

Автор: Александр Кудрявцев, руководитель отдела «Системы безопасности» компании «Пергам».

Источник