Globálne rozšírenie nového infekčného ochorenia Covid-19 spôsobujúceho závažný akútny respiračný syndróm mení náš život a zachytávajú to titulky správ po celom svete. Medzi bežné príznaky patria horúčka, kašeľ a dýchavičnosť. Na skríning horúčky pre potreby odlíšenia potenciálne infekčných osôb vo verejných priestoroch sa používajú bezkontaktné infračervené teplomery a infračervené termografické kamery. Kamery môžu poskytnúť veľkú presnosť pri odhadovaní telesnej teploty, ak sú k dispozícii kvalifikované systémy a dôsledne sa uplatňujú príslušné postupy. Avšak mnohé termografické kamery, ktoré sa v súčasnosti predávajú na trhu s označením na meranie horúčky, nie sú pre túto aplikáciu vhodné. Takmer všetky telemetrické merania horúčky na letiskách, hraničných prechodoch a pri iných príležitostiach sú chybné. Veľkým nebezpečenstvom je, že na jednej strane sú prehliadaní ľudia, ktorí majú horúčku a sú chorí a na druhej strane, že ľudia, ktorí sú náhodne prehriati a javia sa, že majú horúčku, sú zbytočne podrobovaní dôkladnejšiemu vyšetreniu. Merania na čele, na čele/spánkoch alebo na rukách sú napriek tomu úplne nevhodné. V tomto článku sa pokúsime uviesť fakty a niektoré úvahy, ktoré treba brať na zreteľ, ak sa snažíte zmysluplne investovať do tejto technológie.
Úvod
Teplota hrá dôležitú úlohu v humánnej aj veterinárnej medicíne. Meracie prístroje na meranie teploty sa principiálne delia do dvoch kategórií podľa interakcie snímača s meraným objektom: dotykové a bezdotykové.
Dotykové meranie tepoty – ide o štandardné metódy merania telesnej teploty, pri ktorých sa meranie realizuje snímačom v priamom kontakte s pokožkou. Výsledky kontaktných meraní sú pomerne presné, najznámejšie miesta pre kontaktné merania sú oblasť podpazušia, konečník a ústna dutina. Nevyhnutnou podmienkou pre presné meranie je dostatočne dlhý kontakt teplomera s meraným jedincom.
Bezdotykové meranie teploty – využíva princíp merania teploty pomocou vyhodnotenia infračerveného žiarenia (IR), ktoré je súčasťou elektromagnetického spektra. Táto technológia sa úspešne používa už niekoľko dekád.
Termografia – termografická diagnostika
Ide o jeden zo spôsobov bezdotykového merania rozloženia teplôt na povrchu sledovaných objektov a umožňuje ich „vidieť“ bez ohľadu na to, či sú, alebo nie sú osvetlené.. Existuje veľa definícií – všetky majú spoločnú podstatu: termografia je bezdotykové detegovanie, spracovanie a zobrazenie tepelného žiarenia z povrchu snímaného objektu zaznamenaného detektorom IR systému.
Základom všetkých prístrojov na bezdotykové meranie teploty je tepelný detektor, ktorý vytvára elektrický signál pri zmene jeho teploty v závislosti od dopadajúceho infračerveného žiarenia. Prístroje využívajúce infračervené detektory môžu rýchlo a veľmi citlivo merať bezdotykovo povrchovú teplotu. Základné bezdotykové IR teplomery snímajú infračervenú energiu z určitej plochy povrchu meraného objektu jednobodovým detektorom a vyhodnotia to ako priemernú teplotu povrchu.
V moderných termografických kamerách je detektor tvorený dostatočným počtom citlivých elementov – poľom meracích bodov – pixelov v zaostrovacej rovine optiky (FPA detektory, ktorým sa tiež hovorí mozaikové detektory), podobne ako CCD detektor v konvenčných televíznych kamerách. Ich výstupom sú teplotné mapy alebo termogramy, na ktorých sa zmenou intenzity v čiernobielej alebo vo farebnej palete zobrazujú povrchové teploty každého bodu na mape. Inými slovami, rozširujú bezdotykové meranie teploty z jedného bodu na bezdotykovú termografiu.
Princíp 2D snímania teploty v nejakej oblasti sa historicky veľmi podobal princípu televízie. Preto sa pre priame snímanie termogramu (in-line) začal používať pojem termovízia (firma AGA si označenie Thermovision dokonca chránila ochrannou známkou). V anglicky hovoriacich krajinách sa infračervená kamera, ktorá sníma jednotlivé termogramy pomocou infračerveného žiarenia elektromagnetického spektra a nemá meracie funkcie (umožňuje len kvalitatívnu termografiu), označuje typicky Thermal Imager – čo sa u nás interpretuje ako IR zobrazovač alebo IR prehliadač.
Infračervená kamera – IR kamera pre kvantitatívnu termografiu je optické zariadenie vrátane objektívov, filtrov, FPA detektora a interného spracovania údajov pre zber a zobrazovanie infračerveného žiarenia emitovaného skúšaným objektom a ktoré meria žiarivý tok a/alebo teplotu. Zariadenie vyhodnocuje infračervené žiarenie len v intervale vlnových dĺžok, ktoré prepúšťajú objektívy a filtre a je detegované spektrálne citlivým FPA detektorom. Čo sa u nás interpretuje ako termografická či termovízna kamera alebo „infračervená kamera“, často jednoducho infrakamera či termokamera.
Aktuálne sa na bezdotykové vzdialené (telemetrické) meranie teploty v medicíne využívajú:
Infračervené teplomery, ktoré majú jeden merací senzor a vyžadujú presné umiestnenie prístroja pri meraní teploty, napr. v ušnom bubienku alebo pri meraní teploty čela (v závislosti od verzie). Merania priamo v tele alebo na tele dotknutej osoby predstavujú potenciálne riziko pre zdravotnícky personál, pretože nie je možné zaistiť bezpečnú vzdialenosť minimálne 2 m od infikovanej osoby (odporúčanie WHO).
Infračervené kamery (termografické kamery) majú detektor s veľkým množstvom meracích senzorov (často vyše 100 000), a preto generujú signály zodpovedajúce teplotám z diferencovanej oblasti. Výsledok sa môže zobraziť ako farebný obrázok na vizualizáciu.
Na rozdiel od väčšiny medicínskych zobrazovacích prístupov nevyžaduje IR termografia aktívne ožarovanie sledovanej osoby, a teda nepredstavuje žiadne nebezpečenstvo pre tkanivo. IR žiarenie emitované z biologických tkanív sa deteguje a použije na výpočet rozloženia teploty. Tieto výpočty často berú do úvahy žiarenie prijaté z iných zdrojov ako napríklad okolie a emisie okolia odrážané objektom.
Termografické kamery môžu poskytovať prídavné meranie povrchových teplôt tela. Technológia však má obmedzenia. Toto sú limity detektorov na princípe bolometra, ktoré sa vzťahujú na všetky značky (modely) výrobcov, ako aj na väčšinu ručných pištoľových bezkontaktných teplomerov. Vo verejnej sfére je veľa dezinformácií. Na internete a v správach sa objavuje mnoho videí na sledovanie horúčky pomocou termografických kamier. Tieto často ukazujú kameru, ktorá sleduje množstvo ľudí prechádzajúcich v zornom poli kamery.
Tieto systémy neposkytujú efektívne skenovanie a vytvárajú falošný dojem o tom, ako je možné využiť teplotné zobrazovanie. Tento prístup môže v najlepšom prípade zvýrazňovať jednotlivcov so zvýšenou povrchovou teplotou kože, čo nemusí byť nevyhnutne dobrým znakom zvýšenej telesnej teploty. Faktory ako napríklad potenie, nosenie make-upu alebo pohybujúce sa osoby môžu úplne znehodnotiť meranie povrchovej teploty pokožky. V článku si ukážeme, aké sú obmedzenia na presné meranie teploty osôb pri tomto reklamnom predvedení skríningu sledovania horúčky.
Americký úrad pre kontrolu liečiv FDA už v januári 2020 vydal usmernenie s cieľom rozšíriť dostupnosť telemetrických systémov používaných na meranie telesnej teploty na účely triedenia počas trvania stavu ohrozenia verejného zdravia vyhláseného ministrom zdravotníctva a sociálnych služieb (HHS). FDA deklarovala, že agentúra nemá v úmysle namietať proti predaju a použitiu termovíznych zariadení. FDA odporúča, aby bolo zariadenie testované a označené v súlade s normou IEC 80601-2-59: 2017 alebo testované s použitím alternatívnych výkonových špecifikácií, ktoré poskytujú podobné výsledky. FDA okrem toho odporúča, aby vyššie opísané zariadenia boli označené štítkami, ktoré používateľom pomáhajú lepšie pochopiť zariadenie, napríklad:
označenie obsahuje zreteľné upozornenie, že od merania by sa nemalo výhradne alebo primárne odvodzovať, že sa diagnostikovala alebo vylúčila diagnóza Covid-19 alebo iného ochorenia;
označenie obsahuje jasné vyhlásenie, že zvýšená telesná teplota by sa mala potvrdiť sekundárnymi hodnotiacimi metódami (napr. IR teplomerom alebo kontaktným teplomerom).
Napriek tvrdeniam výrobcov neprešla nijaká termografická kamera procesom schválenia zariadenia FDA špeciálne na skríning horúčky. Ale v rámci úsilia o potlačenie šírenia koronavírusu zaviedli krajiny na letiskách, vlakových staniciach a na iných verejných priestranstvách skríning telesnej teploty s cieľom zistiť horúčku. Po oznámení FDA sa na trhu výrazne zvýšil počet produktov na skríning teplôt na báze IR termografie, ale takmer žiadny neprešiel nezávislým testovaním. Dopyt bol taký veľký, že sa do oblasti vrhlo veľa spoločností bez toho, aby pochopili požiadavky na presnosť a použili technológiu, ktorá nedokáže dostatočne dobre zmerať telesnú teplotu.
Pochopenie výhod a obmedzení merania infračerveného žiarenia
Infračervené kamery nie sú lekárske diagnostické nástroje na zisťovanie horúčky, ale technické meracie prístroje na snímanie teploty osôb. Pojem „zisťovanie horúčky“ v zmysle diagnózy (lekárskej) horúčky nie je v skutočnosti povolený ako označenie pre vyššie uvedený termografický záznam zvýšenej telesnej teploty termografickými kamerami. Jedným z dôvodov je, že horúčka je komplexný lekársky jav. Ďalším dôvodom je, že z čisto formálneho hľadiska sú použité kamery „iba“ technickými meracími prístrojmi a nie lekárskymi diagnostickými prístrojmi.
Obmedzujúcou skutočnosťou je, že kamera meria teplotu pokožky a nie teplotu tela. Pre túto aplikáciu je dôležité, aby termografické kamery dokázali presne identifikovať horúčkovitý stav od ostatných časti meraných povrchov. Minimalizácia počtu falošne pozitívnych a falošne negatívnych prípadov zvyšuje účinnosť detekčných staníc. Za každú cenu sa treba vyhnúť falošne negatívnym výsledkom, pretože ak by osoba infikovaná Covid-19 v priebehu skríningového procesu bola označená za negatívnu – mohlo by to viesť k potenciálne katastrofickým výsledkom.
Presnosť termografickej diagnostiky môže byť ovplyvnená environmentálnymi, ľudskými faktormi a nastaveniami prístrojov.
Environmentálne faktory Keďže hromadné skríningové testy sa zvyčajne uskutočňujú vo veľkých priestoroch s vysokou premávkou osôb, jednou z najväčších výziev je kontrolované prostredie. Monitorovanie nemôže byť efektívne ani vykonávané vonku a kamera nemôže byť umiestnená tak, aby v jej zornom poli bolo viditeľné osvetlenie, vonkajšie svetlo, odrazné – reflektujúce predmety alebo zástupy ľudí. Okolitá teplota je ústredným bodom kontrolovaného prostredia. Príliš vysoká teplota alebo príliš nízka teplota z dôvodu pohodlia osôb (podľa normy ISO je odporúčaná optimálna hodnota 18 až 24 °C a vlhkosť 10 až 50 % r. v.) môže ovplyvniť presnosť odčítania cieľovej teploty.
Aby sa dala niekomu zmerať teplota, musí infračervené zariadenie najskôr presne zmerať povrchovú teplotu pokožky. Zo štúdií vieme, že povrchová teplota sleduje vnútornú teplotu tela, ale je znížená o predvídateľný zlomok rozdielu medzi teplotou tela a teplotou okolitého vzduchu. V skutočnosti zmena teploty vzduchu v miestnosti o 4 °C zmení nameranú teplotu pokožky o celý 1 °C.
Ľudské faktory Časový priebeh typickej horúčky možno rozdeliť do troch stupňov.
Štádium vzostupu horúčky – môže mať rýchly alebo pomalý nástup. Horúčka nemusí byť v tomto štádiu dostatočne výrazná na to, aby sa dosiahla „cieľová“ teplota na detekciu. Štádium kulminácie horúčky – môže trvať najdlhšie z troch stupňov, keď je horúčka najaktívnejšia a najpravdepodobnejšie bude ľahko zistiteľná.
Počas štádia poklesu horúčky sa teplota môže vrátiť k normálu, buď postupne, alebo náhle, ale v tomto štádiu patogén vymizne.
Treba si uvedomiť, že každé infekčné ochorenie má svoju inkubačnú dobu a infikovaní ľudia sú schopní prenášať nákazu už pred objavením sa príznakov.
Cieľová oblasť Pretože termografia meria povrchovú teplotu tela, je len niekoľko oblastí na hlave skutočne vhodných na spoľahlivé meranie teploty:
Ušný kanál (bubienková membrána) – jedno z najlepších miest, pretože veľmi dobre zobrazuje teplotu jadra tela a slúži na bezkontaktné meranie teploty pomocou ručne aplikovaných, takzvaných ušných teplomerov, ktoré sú schválené ako lekárske diagnostické prístroje. Meranie termografiou však nie je praktické, pretože testovaná osoba by musela byť umiestnená veľmi tesne ku kamere, ale vidíme iba vonkajšiu časť zvukovodu a navyše je zvukovod často zakrytý účesom.
Ústna dutina – v zásade veľmi vhodné miesto. V takom prípade by sa však testované osoby museli postaviť pred termografickú kameru s otvorenými ústami, čo z hľadiska hygieny nie je vhodné.
Vnútorný kútik oka – slzný kanálik – blízko mozgu a hypotalamu, kde končí vetva karotídy. Tesne pod týmito malými plochami zabezpečujú silné krvné cievy teplotu, ktorá je veľmi blízka vnútornej teplote tela. Ich vynikajúca vhodnosť na detekciu zvýšenej telesnej teploty pomocou čelnej termografie oblasti tváre bola dokázaná v niekoľkých štúdiách. Majú však veľkosť iba pár mm2, čo znamená, že sú kladené vysoké nároky na geometrické rozlíšenie kamery. Cieľová veľkosť meraného povrchu je iba 5 – 6 mm (najstabilnejšia a najpohodlnejšia oblasť na meranie). Navyše, oči nesmú byť zakryté okuliarmi.
Viaceré renomované firmy dôsledne využívajú na detekciu zvýšenej telesnej teploty termografické meranie teploty vo vnútornom kútiku očného viečka ako preukázateľne najbezpečnejšiu a najspoľahlivejšiu metódu teplotného skríningu. Vnútorný kútik každého oka musí byť zameraný minimálne 16 meracími bodmi – pixlami (4×4 meracie body detektora) v PRACOVNEJ CIEĽOVEJ OBLASTI (na displeji kamery to býva vyznačená zóna ako štvorec či obdĺžnik). Tvár by nemala byť obmedzovaná vlasmi, okuliarmi a inými predmetmi, pretože ich prítomnosť narušuje schopnosť termografického monitorovania detegovať horúčkovitý stav.
Termografické meranie teploty na detekciu zvýšenej teploty tela kladie vysoké požiadavky na vhodné termografické kamery:
okrem vysokého teplotného rozlíšenia NETD, ktoré umožňuje zviditeľniť aj tie najmenšie teplotné rozdiely, musí existovať aj veľmi dobrá stabilita a presnosť merania, aby bolo možné spoľahlivo odlíšiť osobu so zvýšenou telesnou teplotou od osoby bez týchto príznakov pomocou kritických teplotných prahov a alarmových hodnôt,
ďalším veľmi dôležitým kritériom je požadované vysoké geometrické rozlíšenie IFOV, ktoré je vyjadrené rozlíšením jedného meracieho bodu detektora. Je to nevyhnutné, pretože oblasť v kútiku vnútorného viečka má iba malú plochu, ale musí byť presne zmapovaná pre bezchybné meranie teploty. Samotné meranie trvá menej ako sekundu a zvyčajne sa vykonáva v prístupových priestoroch, napríklad pri vstupnej kontrole na letiskách, kde sú už ľudia, ktorí majú byť podrobení detekčnej kontrole, zoradení. Vyhodnotenie nameraných údajov môže byť zväčša určené širokými požiadavkami používateľov, od jednoduchého manuálneho použitia po výber osôb so zvýšenou telesnou teplotou na ďalšie vyšetrenia až po automatickú detekciu a uloženie.
Nastavenia prístrojov
Nie všetky termografické kamery majú správne špecifikácie, aby poskytli presné výsledky zvýšenej telesnej teploty. Po vypuknutí SARS a iných infekčných chorôb boli napísané medzinárodné štandardy – normy týkajúce sa skríningu horúčky pomocou termografie. Ak plánujete používať túto technológiu, mali by sa uvedené normy používať na dôkladný návrh metodiky testovania:
IEC 80601-2-59:2017- Zdravotnícke elektrické prístroje. Časť 2 – 59: Osobitné požiadavky na základnú bezpečnosť a nevyhnutné prevádzkové vlastnosti skríningových termografov na skríning ľudí s horúčkou.
ISO/TR 13154:2017 s prevádzkovými a implementačnými usmerneniami pre skríningovú termografiu.
Zdravotnícke elektrické prístroje – nasadenie, implementácia a prevádzkové pokyny na identifikáciu ľudí s horúčkou pomocou skríningového termografu.
Poznámky k výberu kamery
V súčasnosti sa stretávame so silným bezzásadovým marketingom. Mnoho predajcov ponúka termografické kamery na vyšetrenie horúčky, ktoré nie sú vhodné na daný účel. Majte na pamäti, že s akoukoľvek kamerou od akéhokoľvek výrobcu marketing nemení fyziku! Kamery používané na „teplotné zobrazovanie – thermal imagers“ sú konštruované rozdielne ako kamery vyrobené pre „termografiu“, t. j. rádiometricky kalibrované termografické kamery, ktoré sú určené na meranie teploty a nie iba na vytváranie teplotného obrazu – termogramu.
Poďme sa zoznámiť s niektorými základnými pojmami z termografie!
Medzi základné technické a fyzikálne charakteristiky termografických kamier patria: NETD, FOV, IFOV, mFOV.
Teplotné rozlíšenie NETD a priestorové rozlíšenie IFOV sú dôležité objektívne parametre výkonnosti. Obidva parametre významne ovplyvňujú kvalitu obrazu.
NETD (šum ekvivalentný rozdielu teplôt) sa používa na vyjadrenie schopnosti termografickej kamery rozoznať minimálnu úroveň teplotnej citlivosti. NETD úzko súvisí s teplotnou citlivosťou detektora a popisuje schopnosť rozlíšiť najmenšie rozdiely teploty. Od termografických kamier pre skríning teploty sa dnes očakáva použitie kamier s NETD nižšími ako 40 mK a lepším, teda so schopnosťou detegovať teplotné rozdiely 0,04 °C. Čím je NETD nižšie, tým je teplotný kontrast kamery vyšší. Ideálny spektrálny rozsah detektora kamery je 7,5 až 13 mikrometrov.
FOV je zorné pole, v ktorom prístroj sníma celkovú energiu, ktorá na neho dopadá. Zorné pole závisí okrem iného na ohniskovej vzdialenosti objektívu.
IFOV je okamžité zorné pole kamery (IFOV- Instantaneous Field Of View). Je to priestorové rozlíšenie jedného meracieho bodu – pixlu v danej vzdialenosti od kamery. Definuje sa ako uhol, ktorý fokusuje dopadajúce žiarenie na jediný merací bod detektora na osi optického systému. IFOV má nasledujúce atribúty: je to pevný uhol, cez ktorý dopadá tepelné žiarenie na jeden merací bod detektora. IFOV a vzdialenosť od cieľa určuje priestorové rozlíšenie; udáva sa v oblúkových mierach mrad. Čím je IFOV menšie, tým bude mať termografická kamera vyššie priestorové rozlíšenie.
mFOV je skutočné meracie zorné pole kamery (mFOV – Measurement Field Of View) je najmenšia veľkosť bodu na objekte, pri ktorom môže termografická kamera správne vykonávať meranie. Obvykle býva okolo 3 x IFOV, t. j. 3 x 3 meracích bodov – pixelov. Toto je najmenší objekt, z ktorého dokáže kamera presne zmerať teplotu. Horúci predmet, ktorý je menší, sa bude javiť chladnejší ako jeho skutočná teplota.
Špecifikácia mFOV = 3 x IFOV je určená pre termografickú kameru, ktorá má vynikajúcu optiku. Väčšina termografických kamier však nemá vynikajúcu optiku.
Ďalšie charakteristiky kvalitnej kamery
Precízne zaostrenie objektívu na objekt je dôležité na dosiahnutie presného odčítania teploty. Mnoho kamier určených na bezpečnostné aplikácie alebo lacných kamier určených na termografické aplikácie má konštrukciu objektívov bez možnosti manuálneho/motorického zaostrenia. Stručne povedané, termografická kamera, ktorá nemá objektív s nastaviteľným zaostrovaním, pravdepodobne nie je vhodná na aplikácie termografického skríningu teploty z dôvodu zníženej kvality obrazu.
Výrobné tolerancie nie sú u mnohých výrobcov kontrolované dostatočne prísne. To má za následok odchýlku od optických vlastností, navrhovaných objektívov. Ak nie sú dodržané presné konštrukčné parametre, potom pravdepodobne objektív nie je vhodný pre aplikácie na meranie teploty.
Šošovky objektívov pre termografické kamery s dlhovlnným infračerveným žiarením (LWIR) sa tradične vyrábajú z drahého germánia s vysoko kvalitnými antireflexnými vrstvami. Kamery používané v bezpečnostnom priemysle využívajú šošovky vyrobené z chalkogenidu alebo iných podobných materiálov, ktoré sa dajú hromadne vyrábať za oveľa nižšie náklady. Tieto materiály často nerefraktujú dlhovlnné infračervené žiarenie ako germánium, čo znamená, že medzi vlnovými dĺžkami 7 μm a 14 μm môže byť väčšia disperzia, na ktorú je mikrobolometer citlivý. Vďaka tomu môže byť zaostrenie obrazu „mäkké“. Dopad z hľadiska termografie je, že požiadavka na mFOV môže byť 5 x IFOV alebo väčšia.
Teraz diskutujme o aplikácii skríningu teploty
Rozlíšenie kamery Najprv predpokladajme, že očný kútik je „horúcim miestom“, ktoré musíme zmerať. Kútik má ako veľkosť miesta merania najviac 3 mm. Potom predpokladajme, že naša kamera má absolútne dokonalú optiku a na presné meranie teploty potrebujeme mFOV 3 × 3 pixelov. To nám dáva IFOV 1 mm x 1 mm, t. j. každý pixel je 1 mm vysoký a 1 mm široký štvorec vo vzdialenosti 1 m od plochy, ktorú meriame. Pretože mFOV „nie je možné predávať“ (neuvádza sa v katalógoch predajcov), znamená to, že zorné pole kamier sa bude líšiť v závislosti od rozlíšenia kamery, napríklad: kamera s rozlíšením detektora 640 x 480 meracích bodov nemôže mať zorné pole (FOV) väčšie ako 640 mm (horizontálne) až 480 mm (vertikálne) pri vzdialenosti 1 m od meranej osoby.
Majme na pamäti, že vyššie uvedené je najlepším prípadom za predpokladu, že je to absolútne dokonalá optika, čo v skutočnom svete neplatí. To je dôvod, prečo nie je možné presne skontrolovať viac ľudí z celej miestnosti. Na skríningovú termografiu by sa mali používať termografické kamery s minimálnym rozlíšením detektora 320 x 240 meracích bodov a zaostriteľnou optikou. Tvár osoby, ktorá sa podrobuje detekcii, by mala vyplňovať väčšinu (> 75 %) zorného poľa kamery. „Vzdialenosť kamery od tváre by sa mala upraviť tak, aby tvár pokrývala viac ako 75 % šírky obrázka“, preto treba kriticky posudzovať termografickú diagnostiku – skríning horúčky pri zástupe kráčajúcich osôb – workflow, ktorý je zobrazený v mnohých videách a fotografiách používaných kamier. (9)
Presnosť merania kamery Rovnaké pravidlá, aké platia pre štandardné termografické aplikácie, platia pre skríning horúčky. Je veľmi ľahké zadať do kamery nesprávne hodnoty emisivity alebo iných nastaviteľných parametrov. Vďaka tomu kamera zobrazí absolútne nezmyselné výsledky merania teploty. K dispozícii je veľa informácií, ktoré vysvetľujú termografické základy.
Pri aplikácii na skríning horúčky existujú dva prístupy k meraniu teploty, z ktorých každý rieši chybu v presnosti merania kamery iným spôsobom:
metóda absolútnej prahovej teploty, napr. meraním bolo zistené > 37,4 °C,
metóda kĺzavého priemeru, napr. teplota jednotlivca je > 1 °C vyššia ako priemer posledných 10 – 15 kontrolovaných ľudí.
Obidve metódy majú odlišné požiadavky na kamery a konfigurácie, ktoré sú uvedené nižšie.
Metóda absolútnej prahovej teploty
Väčšina termografických kamier bude mať absolútnu presnosť merania uvedenú niečo ako „vyššia z ± 2 °C/± 2 % odčítanej hodnoty“ alebo za predpokladu merania čierneho telesa na ± 1 °C/± 1 % odčítanej hodnoty pre veľmi dobré systémy. Keď hovoríme o tolerancii na monitorovanie zvýšenej telesnej teploty okolo 1 °C, táto presnosť nie je dostatočná.
Na použitie týchto kamier musíme umiestniť referenčný panel absolútne čierneho telesa do zorného poľa kamery. Toto čierne teleso je takmer dokonalý žiarič tepelnej energie, na ktorom kamera dokáže veľmi presne zmerať teplotu. Zaostrenie kamery je dôležité pre presnosť merania teploty. Je dôležité zaistiť, aby bolo čierne teleso v rovnakej vzdialenosti od kamery ako tvár jednotlivca, ktorá je predmetom monitorovania. To zaisťuje, že tvár aj čierne teleso môžu byť v zaostrenom ohnisku súčasne. Je tiež dôležité, aby bol referenčný panel čierneho telesa dostatočne veľký na to, aby kamera mohla merať veľmi presne – ako minimálna vodiaca čiara by sa mala použiť veľkosť plochy čierneho telesa väčšia ako 20 x 20 meracích bodov – pixelov. Nameraná teplota čierneho telesa sa potom môže použiť na zabezpečenie korekcie teploty pre kameru. Ak sa zvolí tento prístup, presnosť merania kamery bude rádovo 5 – 10× špecifikácie NETD.
Termografické kamery navrhnuté pre bezpečnostné aplikácie majú často NETD až 150 mK. Aby boli vhodné na skríningovú aplikáciu, NETD kamery by nemala byť väčšia ako 40 mK. Aj keď sa kamera s NEDT 100 mK použije s referenčným panelom čierneho telesa, chyba merania bude okolo 10×100 mK = 1 °C, a to bez zohľadnenia akejkoľvek variability v samotnom čiernom telese. Toto nie je vhodné na skríningové aplikácie. Je tiež potrebné poznamenať, že spôsob výpočtu sa medzi výrobcami líši. Kamery od lacných výrobcov môžu skrývať slabú citlivosť tým, že NETD definujú pri 50 °C namiesto štandardných 30 °C.
Iné ďalšie dôležité aspekty
Veľmi dôležitá je linearita detektora. Termografické kamery sa korigujú pomocou uzávierky na nerovnomernosť (NUC). Kamery určené pre bezpečnostné aplikácie minimalizujú počet cyklov NUC, kedy kamera nesníma obraz. Pre aplikácie na meranie teploty je však dôležité, aby sa cykly NUC vykonávali pravidelne s cieľom optimalizovať linearitu obrazu a minimalizovať posun teploty čierného telesa.
Pretože termografická kamera postupne nabieha do ustálenej prevádzkovej teploty, spočiatku sa to prejavuje častejším NUC, odporúča sa, aby pre skríningové aplikácie kamera bežala približne 30 minút pred začatím skríningu.
Optické artefakty ako napríklad vinetácia (vinetácia je strata jasu alebo saturácie v rohoch a na extrémnych okrajoch termogramu v porovnaní s jej stredom). Môže mať rôzny pôvod, najčastejšie je to konštrukcia objektívu, pri ktorej nedopadá dostatok tepelného žiarenia do okrajových častí obrazu. To môže spôsobiť, že teploty na okraji rámu sa budú líšiť od merania teploty v strede rámu. Optika termografickej kamery dobrej kvality by to mala minimalizovať, ale kamery navrhnuté pre aplikácie, v ktorých nezáleží na určitom vinetačnom snímaní (ako napríklad kamery na bezpečnostné účely), majú často veľmi zlé optické artefakty a môžu merať > 2 °C rozdielne medzi stredom a rohom obrázku. To môže byť problematické, ak je čierne teleso umiestnené na okraji obrázka s tvárou v strede.
emisivita (ε): 0,98 ± 0,004 (pre vlnovú dĺžku 8 µ až 14 μm)
priemer otvoru: 80 mm
neistota teploty: 0,4 °C pre t(okolitá teplota) = 10 až 30 °C
opakovateľnosť: 0,2 °C
stabilita: 0,1 °C
teplotná rovnomernosť: 0,2 °C
Ako je systém skríningu nakonfigurovaný?
Kameru montujeme vo výške hlavy a na podlahe označíme značku, kde ľudia môžu zastať napr. 1,4 m pred kamerou. To nám dáva mFOV 2,9 mm (0,68 mrad x 1,4 × 3 = 2,856 mm) a horizontálne zorné pole s uvedeným objektívom 25° x 19° je široké 61 cm (640 x 0,68 mrad x 1,4 = 609 mm = 60,9 cm) a vertikálne zorné pole je vysoké 46 cm (480 x 0,68 mrad x 1,4 = 456,96 mm = 45,7 cm). Teda to vymedzuje zorné pole kamery FOV = 61 x 46 cm. V prípade objektívu 42° x 32° bude zorné pole FOV = 101 x 76 cm.
Referenčný panel čierneho telesa sa inštaluje na stojan vedľa miesta, kde bude tvár osoby vo vzdialenosti 1,4 m od kamery. Čierne teleso je namierené priamo na objektív kamery.
Miesto merania v softvéri kamery sa umiestni do stredu referenčného panela čierneho telesa a upravia sa príslušné miestne parametre (emisivita, vzdialenosť atď.).
Je nakonfigurovaná meracia plocha pokrývajúca oblasť tváre.
Od jednotlivcov sa žiada, aby jeden po druhom vstúpili na miesto snímania, odstránili si klobúky, okuliare, rúška atď. A potom sa pri snímaní termogramu zastavili. Je to rýchle, vyžaduje si to menej ako sekundu.
Logika kamery je potom nakonfigurovaná takto:
– ∆T = T (max. plochy) – T (spot) – Alarm, ak je ∆T > 2,4 °C
Toto upozorní na podmienku, že meranie teploty akejkoľvek osoby je nad 37,4 °C. Ako dobrý bod na začatie vyšetrenia na možnú horúčku sa zvyčajne odporúča teplota 37,5 °C v kútiku oka. Chyba merania je < 0,7 °C (10 × 30 mK NETD + 0,4 °C neistota čierneho telesa), pri kvalitnej kamere, objektíve a čiernom telese by mala byť chyba výrazne nižšia ako táto.
Skríningová metóda spriemerovania „Rolling Average“ – kĺzavého priemeru
Všetky rovnaké požiadavky týkajúce sa IFOV, mFOV a pracovnej vzdialenosti, ako sme už uviedli, sa vzťahujú aj na metódu kĺzavého priemeru. Najdôležitejším faktorom, najmä pri použití ručnej kamery, je konzistentnosť, t. j. vzdialenosť k osobe, parametre merania atď. Metódu kĺzavého priemeru na skríning teploty využívajú viacerí renomovaní výrobcovia termografickej techniky.
Princíp metódy spočíva v tom, že kamery využívajú špeciálny režim „skríningu“ porovnávacou analýzou, v ktorom sa teplota ľudí meria vo vzťahu k vzorkovanej hodnote priemernej teploty. Táto hodnota je kĺzavý priemer alebo stredná hodnota nameraných teplôt kútikov oka posledných napríklad 10 alebo 15 testovaných osôb bez zistenej zvýšenej telesnej teploty v testovacej zóne. Obsluha kamery potom nastaví prahovú teplotu – „teplotu alarmu“ o 1 °C až 2 °C vyššiu ako je hodnota priemernej teploty a kamera zobrazí alarm, keď zistí, že sa u niekoho namerala teplota v zóne alarmu. Teplota kĺzavého priemeru sa s každou ďalšou osobou aktualizuje, a tak výsledná hodnota môže byť presnejšia ako pri meraní metódou absolútnej teploty, pretože predstavuje veľa potenciálnych variácií v skríningu počas dňa vrátane kolísania priemerných teplôt osôb v dôsledku prirodzených zmien prostredia, ako sú napríklad teploty okolia. To môže znížiť vplyv zmeny teploty pokožky z človeka na človeka a z prostredia na prostredie a maximalizovať tak presnosť skríningu zvýšenej teploty pokožky. Pretože režim skríningu nie je absolútnym meraním teploty, nevyžaduje referenčné čierne teleso ani žiadne ďalšie vybavenie. Naopak, použitie referenčného čierneho telesa na skríning teploty pokožky môže spôsobiť problémy. Prvým je cena a zložitosť zahrnutia ďalšieho hardvéru do riešenia. Vďaka integrácii čierneho telesa do systému je jeho montáž, napájanie a nakoniec aj údržba zložitejšia. Takéto doplnenie tiež zavádza ďalší potenciálny bod zlyhania do celkového riešenia.
Táto komparatívna analýza v metóde kĺzavého priemeru sa v praktických podmienkach ukázala ako veľmi robustná. Ak má mať osoba zodpovedajúco vyššiu teplotu, je to spoľahlivo zistené (s presnosťou až do ± 0,3 K). Ak sa zvolí automatický režim detekcie, kamera automaticky deteguje, že osoba je v zornom poli a vykoná odmeranie telesnej teploty.
Najjednoduchšie naladiteľné riešenie na sledovanie zvýšenej telesnej teploty je použitie jednej z prenosných kamier testo 890 v režime skríningu „FeverDetection – detekcia horúčky“.
Čo je FeverDetection?
FeverDetection je nová funkcia, ktorými sú vybavené termografické kamery testo 890. Ide o rýchly a jednoduchý spôsob vyšetrenia osôb na sledovanie rizika zvýšených teplôt v tele.
FeverDetection môže stanoviť relatívnu telesnú teplotu osôb na základe rozdielu teplotných hodnôt „zdravých“ osôb (s normálnou telesnou teplotou) a „potenciálne chorých“ osôb (so zvýšenou telesnou teplotou).
FeverDetection nemôže merať absolútnu telesnú teplotu osôb.
FeverDetection meria relatívne teploty.
Ako sa funkcia detekcie horúčky používa?
Mobilné použitie kamery: inšpektor používá termografickú kameru na okamžitú kontrolu osôb.
Polostacionárne použitie kamery: termografická kamera je umiestnená na statíve a prepojená s monitorom (cez HDMI), inšpektor monitoruje a reaguje na upozornenia.
V menu kamier sú 2 režimy skenovania:
1. Automatický: 15 základných nameraných hodnôt teploty sa automaticky zapisuje do pamäte. Kamera vypočítava a upravuje prahovú hodnotu (= základná línia) – nepretržite.
Výhoda automatického režimu: pri polostacionárnych zariadeniach.
2. Manuálny: hodnoty teploty sa zadávajú do kamery pomocou tlačidla na uloženie do pamäti. Prebieha výpočet priemernej hodnoty.
Výhoda manuálneho režimu: bezpečnejšie skenovanie pri mobilnom použití.
Automatický režim: rozpoznávania tváre (ako objekt, nie ako osobu) Termografická kamera registruje prítomnosť ľudskej tváre. Pre automatické rozpoznávanie tváre sú k dispozícii 3 rôzne ikony:
žlté polia s otáznikom: vyhľadávanie osoby,
žltý rámček: osoba nájdená,
zelené pole: osoba nemá žiadne riziko horúčky,
červené pole: osoba môže mať riziko horúčky.
Vo všeobecnosti sa v menu merania FeverDetection automaticky aktivuje sivá paleta. V strede živého teplotného obrazu je viditeľný aj výber rozsahu. V tomto výbere rozsahu sa automaticky zobrazí Hotspot.
Asistent FeverDetection zistí najteplejší bod osoby a porovná ho s progresívnou strednou hodnotou predchádzajúcich osôb. V prípade odchýlky (rozdiel odchýlok je možné manuálne nastaviť v položke ponuky Tolerancia) od tejto strednej hodnoty spustí termografická kamera zvukový a vizuálny alarm. Zaznamenané teploty termografickou kamerou sú nižšie ako skutočná telesná teplota osoby (v jadre tela), pretože kamera dokáže merať iba teploty na povrchu. Je dôležité pochopiť, že každá kamera indikuje prítomnosť zvýšenej telesnej teploty (ZTT). Kamera nediagnostikuje jedinca, ktorý má horúčku, Covid-19 alebo iný zdravotný stav. Keď systém indikuje ZTT, treba zaviesť postupy, ktoré umožnia príslušnému kvalifikovanému a licencovanému lekárovi posúdiť jednotlivca.
Resumé
Technológia teplotného zobrazovania je vynikajúca. Má veľa fantastických aplikácií a môže byť efektívne použitá pre skríningové aplikácie so zvýšenou telesnou teplotou. Je však dôležité porozumieť obmedzeniam tejto technológie. Termografické kamery vytvárajú pekné obrázky, vďaka ktorým je veľmi ľahké uspieť vo falošnom pocite bezpečnosti, že všetko je v poriadku. Existuje mnoho termografických kamier, ktoré nikdy neboli navrhnuté na presné meranie teploty, ktoré sa rýchlo označujú a uvádzajú na trh ako „kamera na detekciu koronavírusov“. Žiadna kamera nedokáže zistiť koronavírus. Kamera môže merať iba rozdiely povrchovej teploty, čo môže byť znakom zvýšenej telesnej teploty a môže byť príčinou problému s touto osobou. Iba lekár s licenciou môže určiť, či má „horúci“ jedinec neobvyklý zdravotný stav.
Táto technológia má potenciál byť veľkou pomocou počas tohto obdobia krízy. Ale nekupujte si to v domnení, že ide o striebornú guľku, ide o veľmi malú časť veľmi veľkého riešenia obrovského problému, ktorému všetci čelíme spoločne.
Doplňujúce informácie ku skríningu teploty tela
Osvedčené postupy pri meraní horúčky termografiou: Na prvý pohľad sa testovaná osoba na ľavom obrázku (Obrázok č. 9) javí ako výrazne teplejšia (na celej ploche tváre), ale teplota vo vnútornom kútiku oka, a tým aj teplota jadra testovanej osoby na pravom obrázku je asi o 1 °C vyššia.
Za základnú hodnotu sa považuje maximálna teplota obidvoch vnútorných kútikov oka na termograme tváre snímanom čelne. Pridáva sa korekčná hodnota (v strednej Európe 1 °C ± 0,2 °C). Konečná hodnota zodpovedá približne hodnote správneho merania teploty v uchu (v ušnici).
Poloha kamery a smerovanie osôb pri monitorovaní Jednou z osobitných požiadaviek na hromadnú detekčnú kontrolu je nebrániť toku prechádzajúcich osôb ani nespôsobovať časové oneskorenie pre cestujúcich a pracovníkov (napr. na letiskách...). Dodržiavanie všetkých usmernení ISO môže byť náročné.
Kamera musí byť umiestnená tak, aby bola priamo pred monitorovanou osobou, takže sa musí brať ohľad na ľudí v rôznych výškach. Na získanie dostatočného množstva pixelov na oko na stanovenie presného merania by osoba nemala byť vzdialená viac ako 140 cm od kamery s detektorom 320 × 240 pixelov a nie viac ako 300 cm s detektorom 640 × 480 pixelov. Osoby sa musia tiež na pár sekúnd zastaviť a pozrieť sa do kamery.
Termografická kamera je namontovaná na statíve podľa maximálnych vzdialeností, ktoré sa majú dodržať (viac informácií v konfigurácii). Dôležité je určenie správnej meracej vzdialenosti od osoby (umiestnenie podlahovej značky pre orientáciu). Oblasť za kontrolovanou osobou musí byť blokovaná pred rušivými artefaktmi vrátane iných ľudí.
Pozadie za monitorovanou osobou by malo byť tienené, ak sa používajú bočné steny mali by byť:
teplotne homogénne,
bez odrazivých povrchov v IR spektre, napr. sklo, zrkadlá, kovové povrchy, aby sa minimalizovalo odrazené infračervené žiarenie a
nie veľmi tmavé vo viditeľnom spektre (skôr svetlejšie ako tmavé), napr. panelová stena alebo tkanina.
Pracovný priestor musí byť uspôsobený tak, že aj nekvalifikované osoby (vykonávajúce monitorovanie) budú v bezpečnej vzdialenosti od kontrolovaných osôb. Ak sa zistí zvýšená teplota, musí osoba podstúpiť sekundárne vyšetrenie, zvyčajne s ušným teplomerom vo vnútri ušného kanálika, aby sa určila skutočná bazálna teplota. Následný skríning musí byť oddelený a musí sa ho zúčastniť kvalifikovaný zdravotnícky pracovník. Pre tých, ktorí musia byť v karanténe, musí byť pripravená oddelená oblasť.
Osoba, ktorá obsluhuje termogafickú kameru, by mala dodržiavať všetky pokyny výrobcu, aby sa ubezpečila, že je systém správne nastavený a umiestnený tak, aby dokázal presne merať teplotu povrchu pokožky. Osoba by mala byť vyškolená, aby na zvýšenie presnosti správne pripravila miesto, kde sa bude systém používať a kde budú prechádzať preverované osoby.
Predchádzanie krížovej kontaminácii Priestor primárnej skríningovej termografie musí byť umiestnený blízko vchodu do budovy. Priestor sekundárnej kontroly by mal byť umiestnený blízko samotnej skríningovej termografie, ale mimo hlavného koridoru osôb, aby nedochádzalo k premiešaniu ľudí. Priestor sekundárnej kontroly by mal byť vybavený klinickým teplomerom a príslušenstvom a mal by ho obsluhovať kvalifikovaný medicínsky personál. Samozrejme by mal byť vybavený adekvátnymi ochrannými pomôckami, ako sú masky, rukavice, plášte, ochranné štíty, dezinfekčné prostriedky...
Mal by byť umiestnený tak, aby bolo možné prípadného pacienta vyviesť von alebo do karantény, aby sa minimalizovala expozícia ďalších osôb.
Pracovisko skríningovej termografie by malo mať zaistené aj záložný zdroj napájania, lebo aj po krátkom výpadku hlavného zdroja by sa mohlo pokračovať v skríningu až za 30 – 40 minút. Takéto oneskorenie môže spôsobiť výrazne komplikácie v postupe osôb cez kontrolu.
Posledné detaily správneho merania Osvetlenie okolia by sa malo zaistiť tak, že bude umiestnené vo vhodnej pozícií a bez prekážok. Zdroje svetla nesmú produkovať podstatné tepelné žiarenie, ktoré by mohlo ovplyvniť teplotný obraz meraných osôb. Ak sa okrem termogramu bude snímať aj vizuálny obraz, svetlo by malo zaistiť primeranú kvalitu.
IR zdroje – horúce alebo chladné by mali byť vylúčené z priestoru skríningovej termografie. Presklenie osvetľované slnkom, vyhrievacie telesá alebo chladné povrchy, napr. obvodové steny môžu ovplyvňovať skríning.
Zástup kontrolovaných osôb by mal byť usmernený tak, že postupujú jednotlivo do samotnej zóny skríningu.
Toalety by nemali byť v blízkosti priestoru skríningu, pretože to zvyšuje riziko krížovej kontaminácie a predchádza sa oplachovaniu tváre osobami (za účelom zmeny teplotného profilu) tesne pred vstupom na diagnostiku.
Okrem toho treba zaistiť kontrolované klimatické podmienky priestoru skríningovej termografie s relatívnou vlhkosťou nižšou ako 50 % r. v. a teplotou okolia nižšou ako 24 °C, aby sa minimalizovali vplyvy teploty okolia a vlhkosti na potenie osôb.
Rovnako treba zamedziť podstatnému prúdeniu vzduchu v priestore skríningu. Používajte miestnosti bez prievanu, mimo priameho slnečného žiarenia a mimo dosahu sálavého tepla (napríklad prenosné ohrievače, elektrické zdroje). Vyvarujte sa silného osvetlenia (napríklad žiarovky, halogénové žiarovky a žiarivky).
Budúcnosť
Vývoj a výroba termografických kamier má stále rovnakú energiu alebo dynamiku ako v čase svojho vzniku. Je to charakterizované neustále sa zvyšujúcim počtom meracích bodov detektorov, zvyšujúcou sa teplotnou citlivosťou pri klesajúcich cenách kamier.
Súčasná situácia poskytuje príležitosť vylepšiť staré spôsoby teplotného skríningu, aby sme všetci mohli byť pripravení na ďalšiu pandémiu, ako aj na ďalšie situácie, ktoré si môžu vyžadovať presné, bezkontaktné merania teploty.
Medzi hlavné trendy v oblasti skríningu teploty bude patriť:
postupné nasadzovanie termografických kamier s detektormi s vysokým rozlíšením 1024 × 768 pixelov a viac (dnes je štandardom 640 × 480 pixelov),
zvyšovanie teplotnej citlivosti kamier na hodnoty 20 mK,
zásadný je vývoj automatických a rýchlych metód detekcie orientačných bodov tváre; nové prístupy založené na strojovom učení by navyše mohli predstavovať vhodný nástroj na využitie priestorových aj časových prvkov termografického skríningu, ktoré by potenciálne poskytovali optimálne výkony klasifikácie,
prenikanie technológií umelej inteligencie (AI) a Internetu vecí (IoT), využívanie algoritmov učenia umožní nahradiť opakujúce sa ľudské úlohy, čo dáva procesu skríningu vyššiu bezpečnosť a spoľahlivosť,
termografický asistent ≈ algoritmus umelej inteligencie trénovaný a validovaný na rozpoznávanie vzorov, porúch, defektov, podpisov atď.
Literatúra
Thermal Body Temp Monitoring Solution – Dahua, https://www.youtube.com/watch?v=VJy2869i_K8
Detection of Elevated Body Temperature from Infratec https://www.infratec.eu/thermography/industries-applications/medicine/detection-of-elevated-body-temperature/
Thermal Imaging Systems (Infrared Thermographic Systems/Thermal Imaging Cameras)https://www.fda.gov/medical-devices/general-hospital-devices-and-supplies/thermal-imaging-systems-infrared-thermographic-systems-thermal-imaging-cameras
Mass Fever Screening Systems | Omnisense Systemshttps://www.google.com/search?q=omnisense+systems+mass+fever&client=firefox-b-d&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=2ahUKEwiB9fm1lfTxAhVF-qQKHQpDAGcQAUoAXoECAEQAw&biw=1920&bih=951#imgrc=fcUyLezBp_kF0M
Thermography and its applications in Medical & Clinical Research Field https://www.testo.com/de-DE/produkte/waermebildkamera-fieberdetektion
Stazione di monitoraggio della temperatura https://www.termocameretesto.it/contents/it/p3112_STAZIONE-DI-MONITORAGGIO-DEI-VIRUS.html
Berz, R., Hoffmann, A., Sauer, H.: Telemetrisches “Fiebermessen” mit Infrarot-Geräten – Fehlerquellen und ihre Vermeidung. ThermoMed International Society of Thermography and Thermology e.V.
Arnold,S. Fever Detection with testo 890/885, (2020), firemná prezentácia, Testo SE & Co. KGaA
Roderick, T., Hamish, L.,Thermal cameras aren’t perfect, but they can help control the coronavirus pandemic. https://theconversation.com/thermal-cameras-arent-perfect-but-they-can-help-control-the-coronavirus-pandemic-141701
Tento článok sa nachádza v čísle invitro 03/2021
Teplota a človek
Teplota a človek je téma, s ktorou sa vám magazín inVitro prihovára svojím tretím vydaním roka 2021. Zmena telesnej teploty býva často jedným z prvých príznakov, že sa s nami niečo…
