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.

IEC 80601-2-59:2017

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).

ISO/TR 13154:2017

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:

• Чтобы получить наиболее близкое представление о внутренней температуре тела, проводится измерение в области внутреннего угла глаза (глазная щель или кантус, англ. «canthus»). Кантус, как известно, обеспечивает приемлемое показание температуры тела.
• С точки зрения термографии, для получения точных измерений вам потребуется около 4х4 пикселей, покрывающих кантус. Как правило, для камеры с разрешением 320×240 лицо человека должно занимать >75% ширины изображения, чтобы обеспечить достаточную плотность пикселей для точного измерения.
• Камера должна смотреть прямо в лицо.
• Головные уборы, очки, солнцезащитные очки и т. д. должны быть удалены, чтобы глаза были хорошо видны.
• Контрольное черное тело должно находиться рамках обзора камеры на том же расстоянии от камеры, что и лицо, так чтобы и лицо/глаза и контрольная панель черного тела находились в фокусе одновременно.

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.

• Точная фокусировка объектива на объекте важна для получения точных показаний температуры. Многие камеры, предназначенные для приложений безопасности, или недорогие камеры, предназначенные для термографии, имеют конструкцию «без фокусировки». Это фантастика для простоты использования камеры. Тем не менее, для возможности работы без фокусировки, должны быть достигнуты компромиссы в оптической конструкции. Например, объективы без фокусировки обеспечивают большую глубину резкости, так что объекты, находящиеся близко к камере и на большом расстоянии, могут одновременно находиться в «приемлемом» (но не отличном – примеч. переводчика) фокусе. Это может потребовать увеличения f-числа или аналогичных технологических изменений, ухудшающих качество изображения, которое может быть получено. Короче говоря, тепловизионная камера, в которой нет объектива с регулируемой фокусировкой, вероятно, не подходит для задач термографического скрининга.
• Производственные допуски не контролируются жестко на многих устройствах. Это приводит к изменению оптических свойств, которые инженер-оптик намеревался использовать в процессе проектирования, а также к дополнительным различиям между каждой производимой линзой. Это часто сочетается со слабыми стандартами обеспечения качества и калибровки. Линза, которая создает приемлемое для глаза изображение, может быть идеально подходящей для приложений безопасности, но если она не соответствует строгим проектным параметрам, то она, вероятно, не подходит для приложений измерения температуры.
• Длинноволновые инфракрасные (Longwave Infrared, LWIR) тепловизионные линзы традиционно изготавливались из германия с высококачественными антиотражающими покрытиями. Германий является дорогим сырьем, а затраты на обработку высоки. Применение тепловидения в индустрии безопасности привело к резкому падению цен на тепловизоры. В основном это произошло в результате перехода от германиевых линз к линзам, изготовленным из халькогенида или других подобных материалов, которые могут быть произведены серийно при гораздо меньших затратах. Эти материалы часто не преломляют длинноволновое инфракрасное излучение также, как германий, а это означает, что может быть больше дисперсии между длинами волн 7 мкм и 14 мкм, к которым чувствителен микроболометр. Это может привести к «размытой» (“soft” – примеч. переводчика) фокусировке изображения. Влияние с точки зрения термографии состоит в том, что требование к mFoV может стать 5 x iFoV или больше (что приведет к тому, что лицо человека должно уже занимать не 75%, а 90% ширины изображения, чтобы обеспечить достаточную плотность пикселей для точного измерения температуры — примеч. переводчика).

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:

• Камера с разрешением 640×480 может иметь поле обзора не более 640 мм (по горизонтали) и 480 мм (по вертикали).
• Камера с разрешением 320×240 может иметь поле обзора не более 320 мм (по горизонтали) на 240 мм (по вертикали).
• Камера с разрешением 256×192 может иметь поле обзора не более 256 мм (по горизонтали) на 192 мм (по вертикали).
• И т.д.

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:

• Абсолютный температурный порог. Например, обнаружено значение >37,4°C
• Метод скользящего среднего. Например, температура индивидуума на 1°C выше, чем в среднем за последние 10 человек, прошедших скрининг

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.

• Линейность по детектору важна. Термографические камеры делают самокоррекцию с помощью затвора с коррекцией неоднородности (NUC — non-uniformity correction).

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 <0,1°C. С камерой, которая предназначена для задач безопасности с добавленной функцией «радиометрии», дрейф датчика от пика к пику с течением времени может составлять >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.

• Оптические артефакты, такие как виньетирование, могут привести к тому, что температура на краю рамки будет отличаться от температурных измерений в центре рамки. Оптика тепловизионных камер хорошего качества должна минимизировать это, но камеры, предназначенные для задач, где некоторое виньетирование не имеет значения (например, камеры безопасности), часто имеют очень плохие оптические артефакты и могут иметь погрешности в измерениях >2°C между центром изображения и углами изображения. Это может быть проблемой, если черное тело расположено на краю кадра, а лицо — в центре.

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:

• IR resolution: 640 × 480 pixels
• Thermal sensitivity/NETD: < 0.03°C @ +30°C / 30 mK
• Field of view (FOV): 25° × 19° (31° diagonal)
• Spatial resolution (IFOV): 0.68 mrad
• Object temperature range: –40°C to +150°C
• Accuracy: ±2°C or ±2% of reading

Технические характеристики черного тела:

• Target Temperature: 35 °C
• Emissivity (ε): 0.98 ± 0.004 (for wavelength of 8µ to 14 μm)
• Aperture diameter: 80 mm
• Temperature uncertainty: 0.4 °C for T(ambient) = 10 to 30 °C
• Repeatability: 0.2 °C
• Stability: 0.1 °C
• Temperature uniformity: 0.2 °C

Как настраивается система скрининга для данной спецификации:

• Мы устанавливаем камеру на уровне головы и отмечаем пол, где люди могут стоять на расстоянии 1,4 м от камеры. Это дает нам mFoV 2,9 мм и горизонтальное поле зрения шириной 61 см с заявленной линзой.
• Мы устанавливаем черное тело на подставку рядом с тем местом, где лицо человека будет на расстоянии 1,4 м от камеры. Черное тело направлено прямо на камеру.
• Место измерения в настройках камеры устанавливается в центре эталонной панели черного тела и настраиваются соответствующие локальные параметры (излучательная способность, расстояние и т. д.).
• Настраивается область измерения, охватывающая требуемую зону лица.
• Людей просят подойти к месту проверки один за другим, снять головные уборы, очки и т. п., а затем стоять на месте во время захвата изображения. Это происходит быстро, потребуется меньше секунды.
• Человек должен смотреть прямо в камеру, а не смотреть вверх, вниз или в сторону.
• Коэффициент излучения установлен на 0,98, расстояние до цели и параметры окружающей среды установлены правильно.
• Как в целевой области лица, так и в целевой области черного тела должны быть заданы правильные параметры индивидуально.
• Логика камеры затем настраивается примерно так:
  • ∆T = T (Площадь Макс.) — T (Точечный)
  • Тревога, если ∆T > 2,4 °C

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 <0,7°C (10x30 мК NETD + неопределенность 0,4°C черного тела), при использовании камеры хорошего качества, объектива и черного тела погрешность должна быть значительно меньше этой.

Важно понимать, что все, что покажет камера, — это наличие повышенной температуры тела. Камера не диагностирует у человека лихорадку, COVID-19 или любое другое заболевание. Как только система указывает на наличие повышенной температуры, необходимо провести процедуры, позволяющие врачу с соответствующей квалификацией и лицензией обследовать человека.

Рабочая среда

• Станция скрининга должна быть расположена около входа на объект, чтобы минимизировать потенциальные взаимодействия любого зараженного человека.
• В помещении или в хорошо укрытой/защищенной зоне для соответствия нижеуказанным требованиям:
  • Минимальный поток воздуха, то есть не под каналом кондиционера или при боковом ветре
  • Наличие функции климат-контроля, в идеале от 20°C до 24°C и относительная влажность <50%
  • Неотражающий фон, светлый цвет матовой отделки стен отлично подойдет
  • Отсутствие источников теплового излучения, т.е. никаких отражений от солнца, фасадных горячих/холодных окон, потолочных галогенных ламп и т. д.
• Не устанавливайте систему скрининга возле ванных комнат, влажное лицо изменит измерения

Вторичный скрининг

• Камера не диагностирует какое-либо заболевание, она только определяет потенциальную повышенную температуру тела (EBT).
• Если определено, что у кого-то есть EBT, квалифицированный медицинский персонал должен оценить человека с помощью клинического термометра во вторичной области скрининга.
• Это должно быть расположено так, чтобы позволить удаление человека с EBT из учреждения с разумной конфиденциальностью и с минимальным потенциалом для перекрестного заражения других

Как использовать метод среднего скользящего среднего

Все те же требования в отношении iFoV, mFoV и рабочего расстояния, которые обсуждались выше, действительны для метода скользящего среднего. Наиболее важным фактором, особенно при использовании ручной камеры, является системность, то есть расстояние до человека, параметры измерения и т. д.

Самое простое в развертывании решение для мониторинга повышенной температуры тела — это использовать одну из портативных камер FLIR (или других производителей, получивших одобрение управления США по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) и имеющих такую возможность — примеч. переводчика) в «режиме скрининга». Это ссылка на несколько коротких видео, показывающих, как это работает.

Также доступно программное обеспечение, работающее на компьютере под управлением Windows, которое может выполнять метод скрининга скользящего среднего с любым из карманных компьютеров FLIR или установленных камер (серии A). Камеры должны соответствовать минимальным техническим требованиям: разрешение 320×240 пикселей с фокусируемой оптикой.

Резюме

Тепловизионная технология великолепна. Она имеет множество фантастических применений и может эффективно использоваться для скрининга при повышенной температуре тела. Тем не менее, важно понимать ограничения технологии. Тепловизионные камеры производят красивые снимки, которые позволяют очень легко поддаться ложному чувству безопасности, что все в порядке. Существует множество тепловизионных камер, которые никогда не были предназначены для точного измерения температуры, которые быстро рекламируются и продаются как «камеры обнаружения коронавирусов». Ни одна камера не может обнаружить коронавирус. Камера может измерять только разницу температур поверхности, что может указывать на повышенную температуру тела и проблему с этим человеком. Только лицензированный медицинский работник может определить, имеет ли «горячий» человек аномальное состояние здоровья.

Эта технология может оказать большую помощь в этот период кризиса. Но, пожалуйста, не соглашайтесь на то, что это серебряная пуля, это очень маленькая часть очень большого решения огромной проблемы, с которой мы все сталкиваемся вместе.