Jak přesně měřit teplotu termokamerou v rámci prevence COVID-19?

Nepřesné měření termokamerou může vést k odchylce měření až 3 stupně Celsia a chybné detekci osoby. V tomto článku si řekneme, co toto měření ovlivňuje a jak tomu předejít

Infračervená termografie může detekovat zvýšenou teplotu kůže, což může naznačovat přítomnost horečky, je však třeba splnit důležité podminky.

Pokud bude následovat screening lékařským zařízením určeným speciálně pro měření tělesné teploty, jako je teploměr, může použití infračervené kamery jako pomocného diagnostického nástroje pomoci omezit šíření virových chorob, jako je ptačí chřipka, prasečí chřipka, nebo COVID-19.

Od vypuknutí vážných kmenů chřipky, jako je H1N1, hledají úřady veřejného zdraví spolehlivou metodu k detekci zvýšené tělesné teploty v rámci prevence šíření nemoci. Důraz je kladen zejména na zvýšenou tělesnou teplotu - nebo horečku, protože je z velké části spolehlivým ukazatelem mnoha závažných infekcí.

Infračervená termografie poskytuje rychlou, snadnou, bezkontaktní (neinvazivní) metodu, která spočívá v prvotním screeningu na známky zvýšené teploty. Pouze ti, u kterých se zdá, že mají zvýšenou teplotu, by pak měli být vyšetřeni lékařským zařízením pro potvrzení.

Cílem tohoto článku není popis kompletního řešení systému pro identifikaci osob se zvýšenou teplotou v období pandemie Covid19, ale upozornění na splnění nutných podmínek pro pořízení systému, který bude skutečně plnit svou funkci a předejít tak finančním ztrátám i zdravotním problémům.

Při správném používání proto mohou být infračervené kamery životně důležitým nástrojem při detekční kontrole cestujících, nemocničních pacientů a návštěvníků, pracovníků skladu, zákazníků a dalších. Při nesprávném použití může však dojít k zásadně chybným rozhodnutím.+

Volba vhodné termokamery

Ne všechny termokamery jsou navrženy stejně

Zeptejte se průměrného člověka: „Co je to tepelné zobrazování?“ Pravděpodobně se dozvíte něco  o filmových hrdinech, kteří používají kamery pro noční vidění k lovu padouchů ve tmě. Mnoho lidí je překvapeno, když zjistí, že termovizní kamery mohou také měřit povrchovou teplotu předmětu.

Přestože na trhu existuje několik značek termokamer s mnoha modely a v řadě cenových hladin, ne všechny jsou navrženy tak, aby splňovaly požadavky na přesné měření zvýšené teploty těla. Mezi klíčové specifikace a funkce kamery nutné pro úspěšný screeningový program patří citlivost, přesnost, stabilita a rozlišení.

Citlivost

Většina společností působících v oblasti infračervených kamer se vypořádala se specifikací nazvanou rozdíl šumové ekvivalence teploty (NETD), aby určila citlivost infračervené kamery. Tato specifikace, také označovaná jako Delta-T, NEdT nebo NEAT, je ekvivalentní šumu. Tento parametr však není to samé jako je přesnost nebo minimální rozlišitelná teplota, jak je někdy milně uváděno.

V praxi to znamená, že hodnota NETD určuje minimální rozlišitelný teplotní rozdíl nebo nejmenší teplotní rozdíl, který může kamera jasně rozlišit od šumu.

NETD pro infračervenou kameru se měří v miliKelvinech (mK). Míra citlivosti stoupá s klesajícím číslem, což znamená, že kamera s 38 mK je téměř 3krát citlivější než kamera se 100 mK. Čím nižší je tedy NETD, tím podrobnější snímky mohou být vytvářeny. Vysoce citlivé termovizní kamery budou vykazovat větší rozdíly v barvách a teplotách. Tato vysoká citlivost má přímou korelaci s přesností měření.

Přesnost

Přesnost infračervené kamery nám říká, jaká je absolutní chyba měření teploty známého tělesa, jako je třeba černé těleso, což je programovatelný zdroj tepelného (elektromagnetického) záření. Pro většinu infračervených kamer lze přesnost vyjádřit ve stupních, v procentech (nebo obojím způsobem) z teplotního rozsahu kamery. Například specifikace průmyslové termokamery může být uvedena jako ± 2 °C nebo ± 2%.

Výrobci obvykle uvádějí, že přesnost je ta větší z obou hodnot, jako například: ± 2 ° C nebo ± 2% z odečtené hodnoty.

Infračervené kamery FLIR, které jsou zkonstruovány pro screening zvýšené teploty těla, dosahují přesnosti ± 0,3 ° C v rozsahu měření teploty 15 ° C až 45 ° C. To je v souladu s evropskými normami a se specifikací EN ISO 80601-2-59. Vysoká přesnost je zajištěna použitím kamery ve stabilním vnitřním prostředí, omezením na ověřování osob a častou aktualizací referenčních vzorků teploty podle sledované populace.

Drift / Stabilita

S přesností termální kamery úzce souvisí schopnost kamery provádět přesná měření opakovaně během měnících se okolních podmínek, ve kterých se kamera nachází. To zahrnuje měnící se podmínky vně i uvnitř kamery, tedy i jak se elektronika kamery zahřívání nebo ochlazuje.

Schopnost termokamery provádět konzistentní, přesné měření během těchto změn se označuje jako drift nebo stabilita.

Termokamery vytvářejí obraz reakcí na celkovou tepelnou energii dopadající na detektor. Pokud je kamera navržena dobře, bude většina této energie pocházet ze zabírané scény místo ze samotné kamery. V praxi je nemožné eliminovat tepelnou energii, kterou přispívají materiály obklopujícími detektor kamery a optickou cestu. Bez kompenzace budou mít změny teploty těla termokamery nebo objektivů vliv na hodnoty teploty kamerou naměřené. Kamery FLIR určené jsou jedinečné v tom, že mají interní senzory, které měří teplotu uvnitř kamery a tento vliv je korigován. Tím je zajištěno, že kamery FLIR zůstanou přesné v celém jejich provozním dosahu (obvykle -15 ° C až 50 ° C ).

Termokamery s touto kompenzací okolního driftu pak nevyžadují mít ve svém zorném poli referenční černé těleso, aby ve stanoveném časovém rámci splňovaly doporučenou specifikaci driftu a stability nižší než 0,2 ° C. Termokamery, které nesplňují specifikaci samy o sobě, musí tak v zorném poli mít referenční černé těleso. Tedy u takových to kamer použití černého tělesa je nutností nikoliv výhodou.

Prostorové rozlišení

Snímky termokamery jsou generovány několika tisíci samostatných měřicích prvků detektoru označovanými jako pixely. Kombinace všech pixelů v detektoru se označuje jako pole s ohniskovou rovinou (FPA), obvykle reprezentovanou hodnotami jako 320× 240 nebo 640 × 480 pixlů a spolu s optikou určuje pole záběru FOV. Prostorové rozlišení termokamery je nejmenší oblast, jejíž teplotu může jeden pixel měřit v určité vzdálenosti a nazývá IFOV. Je to tedy průmět pixlu kamery v dané vzdálenosti (obr. 1). Velikost tohoto bodu pro danou kameru, bude tedy záviset na velikosti pixelu detektoru, objektivu (jeho úhlu záběru) a vzdálenosti k měřenému cíli. Toto je však tak zvaný teoretický poměr velikosti místa. Někteří výrobci kamer uvádějí tento parametr jako rozlišení kamery.

Avšak kvůli jevu zvanému optická disperze, záření dopadající na velmi malou oblast nedává pro jeden detektorový prvek dost energie pro získání správné hodnoty teploty. Doporučuje se proto zajistit, aby oblast pro vyhodnocení, byla alespoň 3 x 3 pixely.

Obecným vodítkem pro přesné měření je tedy promítání oblasti 3 x 3 pixelů na objekt, který je menší než sledovaná oblast měření. Protože cílem screeningu zvýšené teploty těla je změřit oblast poblíž vnitřních koutků oka, je důležité zvolit správnou kameru, objektiv a nastavení tak, aby promítaly oblast 3 x 3 pixelů menší, než je oblast koutku oka, která je cca 5mm².

Například infračervená kamera s rozlišením 640 × 480, roztečí pixelů 25 μm a záběrem čočky 24 °  umístěná ve vzdálenosti 1 metru (1 000mm) od detekovaného subjektu by promítala plochu 3 × 3 pixely na 3,8 mm².

Výpočtem IFOV =  (FOV/počet pixlů) x p/180°  = [(24/640) x (3,14/180] 1 000 = 0,65mRad

IFOV v mm je pak IFOV_(mm) = IFOV_(mRad) / 1000, pro náš příklad  0,65mRad/1000 = 0,65mm

Trojnásobek je pak 1,95mRad, plocha je tedy 3,8mm²

Protože naše oblast vzorku 3 × 3 je menší než 5 mm², tato konfigurace a nastavení kamery splňuje požadavky na prostorové rozlišení pro přesné měření zvýšené teploty těla.

Pokud nastavíte infračervenou kameru s rozlišením 640 × 480 přibližně 1 metr od objektu, výsledná obrazová rovina by byla 418 × 312 mm. Jeden pixel by tedy měl a velikost bodu 0,65 × 0,65 mm

To tedy znamená, že kamera s menším rozlišením, nebo měření z větší vzdálenosti nemusí již vyhovět této podmínce.

Při použití metody měření teploty v koutku oka ověřované osoby, využitím relativního měření a zajištěním dostatečného rozlišení kamery a potřebné vzdálenosti osoby od kamery máme tedy vysokou míru jistoty, že rozhodnutí o teplotě, tedy zda daná osoba má či nemá zvýšenou teploty je správné (obr.2).

Zaostření termokamery

Správné zaostření termosnímku je velmi zásadní. Chyba vznikající u nezaostřeného snímku při měření teploty těla je 1 až 2 ° C.  Při použití kamery s pevnou nebo ručně nastavitelnou ohniskovou vzdáleností  správné zaostření zajistíme pouze

tehdy, kdy měřená osoba stojí v přesně definované vzdálenosti od kamery. U kamer s automatickým ostření proces ostření není okamžitý a trvá nějakou dobu po kterou musí být měřená osoba v klidu. 

Použití černého tělesa

Teoreticky je černé těleso fyzickým objektem, který se vyznačuje emisivitou 1,0, což znamená, že dokonale absorbuje a vyzařuje 100% dopadajícího tepelného záření. Praktické zdroje nebo generátory „černá tělesa jsou zařízení s emisivitou v rozsahu od 0,90 do 0,99 a lze je naprogramovat tak, aby trvale emitovaly záření při konstantní definované teplotě. Jako takové mohou být rozmístěna jako referenční zdroje, jako součást procesu kalibrace termovizní kamery.

Protože černá tělesa udržují konstantní teplotu s minimálním driftem, mohou být použity s méně stabilními kamerami, aby se snížila nejistota měření. Aby černé těleso snížilo drifty nebo detekční chyby během měření, musí být namontováno ve stejné rovině jako sledovaná osoba. Tím je zajištěno, že černé těleso zůstává v záběru a funguje jako přesný referenční zdroj. Pokud je umístěno ve velké vzdálenosti zásadně roste podíl energie generované okolními předměty i lidmi a jeho referenční vliv velmi klesá

Jak je patrné z výše popsaného využití metody ověřování teploty měřením teploty povrchu kůže je velmi problematické.

Přitom v současné době postup, kdy místem měření je povrch obličeje, spánek nebo čelo je široce používán.

První místem tohoto postupu, kde vzniká vysoká míra nejistoty je právě teplota povrchu kůže, jak již bylo výše uvedeno. To zásadním způsobem ovlivní výsledek rozhodnutí o horečce dané osoby a vliv přesnosti kamery je pak druhotný. 

Další zásadní vliv na jistotu rozhodování má pak přímo způsob měření, kdy pro zrychlení a zvýšení  prostupnosti systému, je měření prováděné z velké vzdálenosti.

Pokud rozšíříme výše uvedený příklad výpočtu rozlišení na vzdálenost, například na 5 m a 15 m, kterými se chlubí některé kamerové systémy nakoupené v době vrcholící pandemie v ČR, zjistíme že:

Pro kameru s optikou 24° a rozlišením 640 x 480 bodů je pro 5 m  IFOV_(mm) x 5  = 0,65 x 5 = 3,25mm.

Při respektování trojnásobku bodů rozlišení je rozlišení 9,75 x 9,75mm.

Pro vzdálenost 15 m pak až 29,25 x 29,25mm. Při menším rozlišení termokamery je rozlišení ještě horší a takový systém nemůže teplotu koutku oka ověřit.

Tyto systémy dokonce ani měření teploty v koutku oka nepředpokládají a vycházejí z měření teploty kůže někde v obličeji ani ne na čele – indikují nejvyšší teplotu obličeje.

Jak již bylo řečeno, teplota povrchu kůže je rozdílná od teploty vnitřku těla tento rozdíl se liší osoba od osoby, podle rozpoložení osoby, podle vnější teploty, proudění vzduchu i předmětů v okolí měření osoby, a to včetně vzájemného vlivu osob.

Teplota jednotlivce naměřená ve skupině lidí se tak může lišit od teploty stejné osoby stojící samostatně až několik stupňů. Při hromadném ověřování teploty osob se může stát, že do záběru se dostane jakýkoliv předmět s vyšší teplotou, který způsobí chybné vyhodnocení. Tuto situaci pak řeší  „pokrokoví“ výrobci využitím umělé inteligence, která zajistí rozpoznání obličeje v optickém obrazu (obr.6). To, že termosnímky takovýchto  systému nejsou zaostřené uživatel netuší, neb nejsou zobrazovány. K zobrazení jsou využity optické záběry. Zaustření termosnímku by ani nebylo možné vzhledem k rychlosti pohubu osob.  Vznikne tak sice velmi působivý systém, kde nad rámečky jednotlivých obličejů vyskakují čísla jako informace teploty dané osoby, tak však se skutečnou teplotou osoby nemá pranic společného. 

Důležité je, že se v daném místě kontroluje rychle a snadno teplota osob. Vybavení systému referenčním „černým tělesem“ na zvýšení přesnosti měření a zvýšení stability je pak naprosto iluzorní.

Výsledkem nasazení takovýchto systémů je obrovská vnitřní nejistota vyhodnocení. Nicméně uživatelé, většinou vedení podniků či státu takovému vyhodnocení věří, a na základě něho dělají zásadní rozhodnutí.  Systémy se instalují ve vstupních halách nemocnic a úřadů i recepcích podniků, aniž někdo z managementu tuší, že jim prochází spousta osob se zvýšenou teplotou.

Jedním z důležitých bodů, který je třeba při výběru termovizního systému tedy zvážit, je spolehlivost a pověst poskytovatele termografického systému.

• Má zkušenosti v oblasti screeningu zvýšené teploty  a infračervené technologie obecně?
• Bude v následujících letech poskytovat servis, technickou podporu a záruky?

Společnost FLIR byla založena a v 60. letech 20. století uvedla na trh první komerční termokameru. Dnes je jedinou globální společností, která se plně věnuje hledání a řešení tepelných problémů pomocí infračervených zobrazovacích systémů obsahujících termovizní kamery a software pro termickou analýzu, které jsou inovativní a kompatibilní se systémy a sítěmi, které jsou považovány za průmyslové standardy. Společnost Blue Panther s.r.o. jako její partner s historií 28 let činnosti v oblasti měření přináší tyto systémy pro uživatele v České republice od úvodní konzultace až po instalaci a zaškolení personálu.

Napište si o více informací níže.

Video

Fotografie

Ruční termokamera FLIR E54-EST pro COVID19

Má přesnost 0,3°C v rozsahu 15 až 45 ° C. Teplotu těla měří v koutku oka. Je určena pro veřejnost, průmysl i zdravotnictví jako nástroj pro detekci zvýšené teploty při ověření výskytu COVID19

Ruční termokamera FLIR E86-EST pro COVID19

Infračervená kamera pro měření teploty teploty těla s využitím detekce teploty koutku oka s přesností 0,3°C. Určena pro zdravotnictví, veřejnost i průmysl pro zjištění zvýšené teploty při detekci COVID19