Reklama

Termokamery pro screening horečnatých stavů a jejich provoz

Výběr termokamer a provoz v souvislosti s onemocněním COVID-19

Ing. Jan Sova, certifikovaný Technik diagnostik - II. třídy

Jaké jsou vhodné parametry termokamer, postup a parametry měření? Horší parametry jsou vnímány jako „zhoršení záznamu“, nikoli jako významné snížení přesnosti až za hranici použitelnosti pro tuto aplikaci.

Reklama

Termokamery (též nazývané jako termovize či termovizní kamery) jsou přístroje pro bezdotykové měření povrchové teploty. Nabízí se proto jejich možné použití pro screening horečnatých stavů a to v souvislosti s rozšířením nákazy COVID-19. Toto onemocnění je totiž až v 90 % indikovaných případů doprovázeno zvýšenou tělesnou teplotou (tělesná teplota 37,5 °C), či dokonce horečnatým stavem (tělesná teplota nad 38 °C), přičemž tento projev, při propuknutí onemocnění, patří mezi první.

Vhodné parametry termokamer pro screening horečnatých stavů

Parametry termokamery nemají vliv na "kvalitu záznamu", podobně jako je tomu u klasických kamer, ale na to nejdůležitější, tj. na přesnost měření teploty. Horší termokamera tak v tomto smyslu neznamená zhoršení kvality záznamu, ale obvykle snížení přesnosti, nebo určité omezení při jejm užívání (např. nutnost měření z menší vzdálenosti apod.).

Z hlediska screeningu tělesné teploty jsou hlavními parametry každé termokamery:

nejistota měření (a s ní spojená metrologická návaznost),
teplotní citlivost,
rozlišení obrazového senzoru.

Tyto parametry si rozebereme dále podrobněji a vysvětlíme si jejich důležitost vzhledem k problematice screeningu horečnatých stavů.

Samozřejmě se nejedná zdaleka o jediné parametry, které je třeba při výběru termokamery na tuto (ale i libovolnou jinou) aplikaci zvážit, jedná se však o ty nejdůležitější, přičemž při finálním výběru je samozřejmě třeba myslet i na další parametry, funkce a vlastnosti, jako je např. zorné pole objektivu, programové rozhraní, přítomnost RGB kamery, komunikační rozhraní apod. Zvážit však všechny tyto možnosti by bylo na samostatný článek... a ne jeden. Podstatným prvkem celého metrologického řetězce je samozřejmě také černé těleso, které zde vystupuje jako tzv. místní etalon. Norma IEC 80601-2-59:2017 [2] proto také klade požadavky na tento prvek metrologického řetězce jako např. teplotní stabilita, teplotní homogenita, nejistota apod. Tato problematika by však také vystačila na samostatný článek.

Nejistota měření

I když si to laik obvykle neuvědomuje, je měření tělesné teploty, vzhledem k požadavku na přesnost měření (správněji na nízkou nejistotu stanoveného údaje), velmi náročnou aplikací. Požadovaná přesnost měření je zde dokonce řádově vyšší, než je v oblasti technické diagnostiky (což je obvyklé nasazení termokamer) běžné!

Z hlediska metrologické návaznosti a výsledné přesnosti (správněji nejistoty) měření rozlišujeme dva přístupy:

Termokamery s kontinuální rekalibrací pomocí černého tělesa – metrologická návaznost je zajištěna pomocí černého tělesa, které vystupuje jako tzv. místní etalon. Lze dosáhnout nejistoty měření -+0,5 °C a méně. Vzhledem k tomuto je požadavek na kontinuální rekalibraci jedním z hlavních požadavků normy ISO 13154:2017 a IEC 80601-2-59:2017 [1], [2]. Příkladem takové termokamery je i český výrobek společnosti Workswell s.r.o., tj. termokamera Workswell MEDICAS [4].
Termokamery s pevnou kalibrací – obvykle se jedná o ruční termokamery (mohou být ale i stacionární), provozované bez místního etalonu, kalibrace je tak “uložena” v pamětí přístroje. Nejistota je u těchto přístrojů obvykle udávána -+2 °C. U špičkových modelů (obvykle s chlazeným detektorem) pak výrobci uvádějí hodnotu nejistoty měření -+1 °C. V době výskytu onemocnění COVID-19 ale došlo k tomu, že řada méně seriózních výrobců (zejména z Číny) narychlo (doslova přes noc) “katalogově” snížila nejistotu udávanou u svých termokamer z obvyklé hodnoty -+2 °C na -+0,6 °C, ale i méně. Tyto termokamery obvykle nejsou pro aplikaci uzpůsobeny a mají tak pro screening horečnatých stavů výrazně horší obslužnost. Naopak jsou konstruovány pro použití zejména v termodiagnostice, jak je diskutována v normě ISO 18434-1:2008 [3]. K rekalibraci dochází u těchto přístrojů obvykle v intervalu dvou let (ale také třeba nikdy, záleží na provozovateli) pomocí etalonů v kalibrační laboratoři. Pro screening horečnatých stavů jsou tyto přístroje nevhodné!

Obr. 1: Termokamera Workswell MEDICAS a černé těleso Workswell BB90.

Rozlišení senzoru

Obr. 2 Rozlišení obrazového senzoru je u termokamer kritickým parametrem nejen z pohledu screeningu horečnatých stavů. Určuje, z jaké maximální vzdálenosti může být teplota (pro daný rozměr objektu) měřena, aniž by došlo k jejímu snížení právě vlivem vzdálenosti. Zdroj obrázku: [4]

Rozlišení senzoru udává množství pixelů obrazového senzoru. Oproti RGB kamerám je rozlišení termokamer výrazně menší a v oblasti technické diagnostiky je dnes standardem rozlišení něco okolo 320x240. Důvodem je samozřejmě cena, která roste s rostoucím rozlišením. Termokamery s vyšším rozlišením než 320x240 na trhu samozřejmě existují, v oblasti technické diagnostiky ale nejsou tak obvyklé (i když samozřejmě záleží na aplikaci, některé vysoké rozlišení vyžadují). Rozlišení, které je u termokamer na hranici dnešních technologických možností je přibližně 1 024x1 024. Tedy oproti nabídce fotoaparátů s rozlišením 50 Mpx a více je velmi málo. Je to dáno zcela jiným principem obrazového senzoru, ale i vlnovou délkou ve které termokamery snímají.

Z pohledu screeningu horečnatých stavů je rozlišení senzoru velmi důležitým parametrem, neboť (spolu se zorným úhlem objektivu) určuje maximální možnou vzdálenost mezi termokamerou a kontrolovanou osobou (a samozřejmě i černým tělesem, která bývá umístěno obvykle za ramenem kontrolované osoby).

Teplotní citlivost

Zjednodušeně řečeno udává teplotní citlivost nejmenší teplotní rozdíl, který je schopna termokamera, na povrch tělesa o velmi vysoké emisivitě, stanovit.

V posledních letech byl učiněn velký technický pokrok v teplotní citlivosti mikrobolometrických senzorů (což jsou senzory u 99,9 % procent termokamer). Hodnota tohoto parametru tedy bývá u termokamer pro screening horečnatých stavů dostatečná. Přesto je vhodné zkontrolovat, zda teplotní citlivost není horší než 0,1 °C (dnes by mělo být standardem alespoň 50 mK, tedy 0,05 °C). Tento parametr obvykle nečiní u moderních termokamer problém, jeho hodnota bývá dostatečná.

Pro jistotu dodáváme, že čím nižší je teplota uváděná u tohoto parametru, tím je termokamera “citlivější”. Údaj 0,05 °C je tak lepší, než údaj 0,01 °C.

Postup a parametry měření

Postup měření

Postup měření při screeningu horečnatých stavů můžeme shrnout zhruba takto:

Měření probíhá vždy ve vnitřním prostředí budovy nebo alespoň v prostředí tomuto blízkém. Konkrétní požadavky jsou: teplota vzduchu 18 °C až 24 °C a relativní vlhkostí vzduchu 10 % až 75 %. Ideální je co nejmenší pohyb vzduchu (a tedy i ochlazování tváře) a zcela nezbytné je zabránění přímému vlivu slunečního záření.
Kontrolovaná osoba se čelně dívá do objektivu termokamery a nemá na očích brýle. Ty jsou pro LWIR termokamery (pro screening horečnatých stavů se používá právě tento typ s mikrobolometrickými senzory a pásmem citlivosti v rozsahu přibližně 7 až 14 µm) neprůhledné.
V termokameře jsou správně nastaveny parametry měření, tj. především emisivita a odražená zdánlivá teplota (viz příslušná podkapitola níže).
Prostorové rozlišení na tváři měřené osoby by mělo být alespoň 1 mm na pixel. To je vlastně požadavkem na vzdálenost mezi objektivem termokamery a kontrolovanou osobou. Pro termokameru s běžným rozlišením 320x240 px vychází (samozřejmě záleží na zorném úhlu objektivu) okolo 25 až 30 cm (a to přestože v účelově zavádějících materiálech některých výrobců můžeme vidět měření teploty na vzdálenost několika desítek metrů). Obvykle proto požadujeme větší rozlišení termokamery, tj. např. 640x480 px, kdy je možné splnit výše uvedený požadavek na prostorové rozlišení dle technické normy IEC 80601-2-59 [2] i při rozumné vzdálenosti alespoň 1 m mezi termokamerou a kontrolovanou osobou (opět samozřejmě záleží na zorném úhlu objektivu).
Metrologickou návaznost zajišťuje černé těleso, které je při měření vždy přítomno a prostřednictvím kterého dochází ke kontinuální rekalibraci termokamery. Tato rekalibrace se opakuje alespoň každých 5 sekund. Černé těleso musí vykazovat vysokou teplotní stabilitu, nízkou nejistotu udávané teploty a v obraze termokamery by mělo zabírat plochu alespoň 20x20 px.To je vlastně požadavkem na vzdálenost mezi termokamerou a černým tělesem.
Nejvyšší přesnost v obraze (termogramu) vykazuje termokamera v blízkosti místa, kde je zachyceno černé těleso. Tvář kontrolované osoby se proto snažíme umístit tak, aby v obraze byl snímaný povrch černého tělesa co nejblíže “vedle” černého tělesa (to je samozřejmě obvykle fyzicky za ramenem kontrolované osoby).
Na tváři kontrolované osoby je třeba odečíst teplotu v oblasti mediálně sousedící s vnitřním koutkem oka, jak je naznačeno na Obr. 3. Je tomu tak díky stabilitě teploty v této oblasti, neboť ta se nachází přímo nad procházející krční tepnou (tedy jednou z jejich “větví”). Nejedná se sice o měření tzv. “teploty jádra”, jak bychom si přáli, ale na povrchu lidského těla jsou místa s blízkostí krční tepny obvykle nejblíže této teplotě jádra.
Je třeba zdůraznit, že nás primárně nezajímá ani minimální teplota na tváři, ani průměrná a ani nejvyšší, ale právě teplota výše uvedená. Teplotu na tváři nelze reprezentovat jedním údajem “nad obdelníčkem”, jak je vidět např. na Obr.4.
Jiný postup vede prakticky vždy k naměření nižší teploty. Tedy pokud není teplota kůže ovlivněna vnějším vlivem, nebo nejsou špatně nastaveny parametry termokamery.

Obr. 3: Správné místo pro bezdotykové měření tělesné teploty dle požadavků IEC 80601-2-59:2017. oblasti mediálně sousedící s vnitřním koutkem oka.

Obr. 4: Není zřejmé, z čeho vycházejí údaje uvedené nad obdélníky. Dvě z osob mají brýle, což vzhledem k požadavku normy IEC 80601-2-59 není úplně vhodný způsob marketingové prezentace a může vytvářet dojem, že lze se systémem měřit osoby i s brýlemi. U postavy vzadu (detail vpravo) je zakryta rouškou/respirátorem a brýlemi prakticky celá tvář. Pokud je teplota v obdélníku získána průměrováním, bude zřejmě do průměru zahrnuta nižší zdánlivá teplota na brýlích. Funkce detekce tváře nic nemění na výše řečeném. Zdroj [5].

Parametry měření

Z hlediska samotného stanovení teploty je třeba si uvědomit, že termokamera neměří teplotu přímo, ale stanovuje ji na základě naměřené intenzity tepelného záření a zadaných parametrů měření. Tyto parametry vycházejí z tzv. rovnice termografie. Parametrů měření je dle klasické rovnice termografie celkem pět. Vzhledem k požadavkům na přesnost měření nemůžeme ignorovat dva stěžejní, tj. emisivitu a odraženou zdánlivou teplotu, ale ani další tři parametry, které modelují vliv atmosféry: atmosférická teplota, atmosférická vlhkost a vzdálenost mezi měřeným objektem a termokamerou.

V praxi známe emisivitu lidské kůže, která je obvykle udávána jako 0,98 nebo 0,97 a tento údaj u termokamer pro screening horečnatých stavů bývá zadán napevno v přístroji (a lze jej měnit jen např. v servisním módu přístroje). Odražená zdánlivá teplota je přístrojem obvykle odhadována jako atmosférická teplota. Tento odhad je ale dalším zdrojem výsledné nejistoty stanovení povrchové teploty a ne ve všech situacích si s ním lze vystačit (samozřejmě mluvíme o situacích, kdy je odražená zdánlivá teplota na povrchu snímaného objektu výrazně jiná, než atmosférická teplota) a údaj je třeba při instalaci přístroje správně nastavit (a samozřejmě během provozu změnit kdykoliv se to ukáže být důležité). Je sice pravda, že s rostoucí emisivitou vliv odražené zdánlivé teploty klesá (protože klesá odrazivost povrchu), ale vzhledem k vysoké požadované přesnosti měření nelze vliv tohoto parametru zanedbat.

Vliv parametrů atmosféry, tj. atmosférická vlhkost a atmosférická teplota, roste s rostoucí vzdáleností mezi termokamerou a měřeným objektem (což je sám o sobě parametr měření). Vzhledem k tomu, že termokamery jsou pro tuto aplikaci provozovány “při pokojových teplotách” a vzdálenost mezi měřeným objektem a termokamerou je malá a obvykle pevná, mohou být tyto údaje nastaveny v přístroji “napevno”. Opět je ale třeba zvážit, zda toto nastavení je vzhledem k daným provozním podmínkám vhodné.

Z hlediska praxe si tedy, vzhledem k dobré definovanosti metrologické aplikace, vystačíme s předstastavenými parametry v termokameře, je však třeba zvážit, zda je to skutečně pro dané místní podmínky nastavení správné. To by měl posoudit minimálně dodavatel přístroje.

Doporučení závěrem

Pohled laické veřejnosti na termokamery je podobný, jako pohled na klasické kamery, tj. horší parametry jsou vnímány jako “zhoršení záznamu”, nikoli jako významné snížení přesnosti až za hranici použitelnosti pro tuto aplikaci.

Další velmi zkreslený je pohled skrze tzv. obrazové funkce. Rozpoznávání a záznam tváří je jistě zajímavá funkce, pokud je ale spojena se špatným měřením teploty (nevhodné) nepřináší tato funkce žádný užitek. Navíc tato funkce vytváří nesmyslný dojem, že teplotu na tváři lze reprezentovat jedním číslem.

Nejvyšší možné přesnosti tak dosahují termokamery s vysokým rozlišením (nejlépe 640x480 a více) a s možností kontinuální rekalibrace pomocí černého tělesa tak, aby byl splněny požadavky standardu ISO/TR 13154:2017.