Особенности применения систем для тепловизионного скрининга температуры тела

Термограммы лица человека
Термограммы лица человека

Предисловие

Инжиниринговая компания INTRATOOL предлагает новые технические решения для борьбы с пандемией. Разработанные тепловизионные комплексы INTRAVISION TS позволяют не просто проводить непрерывный контроль за температурой тела человека без прямого контакта, но и с минимальной погрешностью определить потенциальных носителей инфекции на производственных объектах.

На сегодняшний день метод тепловизионного скрининга уже зарекомендовал себя успешным в борьбе с атипичной пневмонией, вирусом свиного и птичьего гриппов.

В 2017 году был разработан европейский стандарт по применению, при этом сразу несколько научных организаций выступили с анализом результатов и аргументацией применения тепловизоров для сдерживания распространения вирусных инфекций и обоснованием преимуществ от их применения по сравнению с медицинскими пирометрами.

Несколько месяцев назад из-за распространения нового коронавируса спрос на технологию тепловизионного скрининга резко вырос, и производители не только зарубежных, но и отечественных систем на их основе стали демонстрировать эффективность и точность собственных разработок. Насколько это соответствует действительности, поможет разобраться наш анализ.

Какую температуру может измерить тепловизор?

Что касается теоретической части, то наиболее информативным на наш взгляд является стандарт IEC 80601−2-59:2017 «Медицинское электрооборудование. Часть 2−59. Частные требования к базовой безопасности и основным характеристикам экранирующих термографов для скрининга на фебрильную температуру человека» и материалы исследования этого стандарта, приведенные в статье [1].

Опираясь на вышеуказанные документы, можно выделить следующие характеристики, на которые стоит обратить внимание при работе с системами для скрининга температуры.

Описанные далее характеристики обусловлены необходимостью проведения скрининга температуры лица человека исключительно по максимальной температуре уголка глаза. Именно данная область имеет уникальное строение — защищена от охлаждения за счет естественной впадины и расположения сети кровеносных сосудов под тонким слоем кожи, что дает наиболее коррелирующее с внутренней температурой тела значение. По этой причине проведение точного скрининга температуры у человека должно производиться без очков, оптика которых является непрозрачной или не полностью прозрачной для инфракрасного излучения.

Характеристики тепловизора.

В соответствии со стандартом IEC 80601−2-59:2017 для точного измерения тепловизором температуры человека по уголку глаза, размер точки изображения не должен превышать 1 мм, в таком случае область лица должна составлять не менее 240×180 точек, что достижимо для тепловизоров с минимальным размером матрицы в 320×240 пикселей. Матрица может быть и меньшего размера, но в таком случае придется использовать строгие ограничения по положению лица в кадре, что не подходит для измерений в потоке, а также не работает для людей с разным ростом.

Важно отметить, что диапазон суточной температуры тела человека может изменяться от 35,9 до 37,1 °С в зависимости от времени суток, физической нагрузки, уровня стресса, возраста и пола. При этом показателем лихорадки при COVID-19 является повышенная температура со значением выше 37,5 °С, что может детектироваться оборудованием с точностью не более +/-0,3 °С.

Исходя из собственных измерений на затухание теплового излучения в зависимости от фактического расстояния, существующим ограничениям по помещениям, в которых организовывается температурный контроль, а также доступности современных матриц на рынке, по нашему мнению приемлемым для определения указанного порога (37,5 °С) может считаться разрешение до 2 мм.

Схема расположения кровеносных сосудов в области лица человека
Схема расположения кровеносных сосудов в области лица человека

Важное примечание: температура лица вычисляется не по среднему, а по максимальному значению.

Для каждого отдельного человека распределение температуры по лицу не является стабильным: большое влияние оказывают расположение холодных областей лица, которые меняют свои характеристики в зависимости от окружающей среды и физиологии человека. Яркими холодными областями являются нос и брови, на них существенно влияют фактура кожи, растительность жирность и влажность. Также показания зависят от наличия косметики, головного убора, нагрева или охлаждения лица.

Измерение средней, максимальной и минимальной температуры в области лица
Измерение средней, максимальной и минимальной температуры в области лица
Область уголка глаза при максимальном увеличении на расстоянии в 1 метр
Область уголка глаза при максимальном увеличении на расстоянии в 1 метр

Следующим фактором, влияющим на показания температуры, полученные при скрининге, является расстояние. Существует прямая математическая зависимость между минимальным размером объекта измерения и расстоянием до него. В рамках эксперимента были проведены измерения тепловизором с разрешением 320×240 точек и горизонтальным углом обзора в 25° и на основе их выявлена взаимосвязь, которая показывает, что на расстоянии более 1 метра отрицательный прирост к максимальной температуре по области лица составляет 0,15 °С. На практике это показывает то, что на расстоянии в 1 метр температура может быть определена как 36,5 °С, на расстоянии в 6 метров она будет 36,5 — (0,15×5) = 35,75 °С, а в 10 метрах значение с тепловизора будет не более 35 °C. Исходя из обработанных данных, можно сделать получить обратную корректировку по другим разрешениям и типам объективов, но принимая во внимание различия в физиологии людей, а также неспособность тепловизоров и идущих в комплекте камер достаточно точно определять расстояние до измеряемых лиц, надежность подобного подхода, в особенности для больших расстояний и групп людей в кадре, ставится под сомнение.

Различия в измерениях на расстояниях в 1 и 10 метров
Различия в измерениях на расстояниях в 1 и 10 метров

Выводы на основе данного исследования:

  1. Тепловизионное оборудование не является средством диагностики заболевания, а лишь дает возможности определить признаки инфекции путем скрининга температуры в уголке глаза;
  2. Точное измерение может быть произведено за счет нахождения человека на определённом расстоянии от оборудования;
  3. Тепловизор с низким разрешением является бесполезным в использовании на большой дистанции и не позволит определить носителей инфекции с повышенной температурой тела;
  4. Применение оборудования, производящего вычисление по средним значениям температуры лица человека не позволяет выявить признаки жара и инфекции.

Практическая сторона вопроса

На сегодняшний день на рынке представлены различные типы тепловизионных систем, производители которых утверждают о точности измерения в ±0,3 °С. На основе данных по их разрешению и размеру матрицы были произведены вычисления по отклонению показаний в зависимости от применяемого расстояния. В качестве примера расчетное максимальное отклонение от исходной температуры на расстоянии в 10 метров составляет 0,7 °С для сенсора с разрешением в 640 точек по горизонтали и имеет наибольшее значение в 6 °C для сенсора с разрешением в 160 точек с углом обзора в 50 градусов. Расчеты демонстрируют, что измеряемая температура не может быть равной на разных расстояниях, а показания должны увеличиваться при приближении человека к точке установки камеры.

График измерения температуры для разных тепловизоров
График измерения температуры для разных тепловизоров

Также для разных производителей был проведен анализ ширины области обзора на дистанции, при которой размер пикселя не будет превышать 2 мм и ожидаемо были получены данные, по которым лидирует тепловизор с высоким разрешением. Исходя из результатов отчетливо видно, что область обзора для сенсоров с разрешением не более 400×300 не достигает значения в 0,9 метра, то есть они подходят для небольших одиночных объектов, таких как турникет, рамка металлоискателя, стандартный дверной проем. В случае использования сенсора с разрешением в 640×480 точек размер зоны может быть увеличен вдвое, но не более этого значения.

Пример невозможного для тепловизора измерения
Пример невозможного для тепловизора измерения
Сравнение области видимости на расстояниях, на которых размер пикселя тепловизора равен 2мм
Сравнение области видимости на расстояниях, на которых размер пикселя тепловизора равен 2мм

На сегодняшний день из оборудования с разрешением в 640×480 точек единственным доступным на рынке является INTRAVISION TS-6. Под указанным брендом также представлена младшая модель с меньшим сенсором с разрешением 320×240.

Система INTRAVISION TS предназначена для установки исключительно в помещении, что характерно для всех типов оборудования для температурного скрининга, включает в состав блок АЧТ и программное обеспечение, совместимое с ОС Windows. Интерфейс подключения — Ethernet, что удобно при размещении оборудования на удалении от поста контроля. По части автоматического контроля предусмотрены автоматическое звуковое и визуальное предупреждение о срабатывании порога температуры и запись ИК и видимых снимков.

Фотография измерительного модуля системы INTRAVISION
Фотография измерительного модуля системы INTRAVISION

Заявлено наличие функции обнаружения и отслеживания лиц в кадре с автоматическим измерением температуры по области (до 8 человек одновременно), что становится доступным при установке выше 2 метров.

Термограмма, полученная с помощью системы INTRAVISION TS-6
Термограмма, полученная с помощью системы INTRAVISION TS-6

Для эффективного использования оборудования необходимо придерживаться следующих установок:

  1. Оптический путь между АЧТ и тепловизором не должен загораживаться;
  2. Тепловизор должен быть установлен на высоту, которая превышает человеческий рост, таким образом, чтобы движущиеся люди всегда находились в зоне действия оборудования;
  3. Установка должна исключать наличие горячих предметов в области измерения, в том числе отопительных и электрооборудования;
  4. При открытии дверей в область видимости тепловизора не должны попадать участки от нагретых солнцем поверхностей, а также элементы автомобилей;
  5. Камера не должна быть установлена на слишком большую высоту и направлена на людей так, чтобы полностью охватывать область глаз в том числе при наличии головных уборов.

На периоды возникновения резких температурных перепадов на улице рекомендовано оставлять буферную зону для стабилизации температуры входящих людей.

Отличительной чертой систем INTRAVSION TS кроме разрешения считается наличие функции уменьшения размера области измерения, что более востребовано в теплое время года. Нам известны случаи ложного срабатывания систем для скрининга на волосы, головные уборы, воротники, средства защиты органов дыхания. При активации этой функции количество ложных срабатываний становится минимальным.

Несмотря на кажущуюся простоту установки и настройки оборудования INTRAVSION TS, хотелось бы обратить особое внимание на то, что применение систем для скрининга температуры тела будет эффективным только при комплексном подходе, выраженном в тщательном выборе и анализе мест установки и характеристик рассматриваемого оборудования. Эффективность работы данных систем напрямую влияет на безопасность и здоровье сотрудников.

Примеры ложных срабатываний
Примеры ложных срабатываний
Примеры наложения области для минимизации ложных срабатываний
Примеры наложения области для минимизации ложных срабатываний

Выводы

С помощью эпидемиологического контроля проходящих в потоке посетителей и рабочего персонала на пунктах пропускного режима на промышленных и режимных объектах, а также крупных транспортных узлах тепловизор действительно может способствовать сдерживанию распространения вспышек инфекционных заболеваний, в числе которых находится COVID-19.

При выборе метода контроля необходимо полагаться на технические характеристики сенсора, следовать рекомендациям производителей, а также экспертов и профессионалов в области тепловизионного контроля. Стоит помнить, что изначальный подбор верного оборудования является первым шагом для осуществления оперативного принятия ограничительных мер по прохождению на значимые промышленные объекты, а также минимизации контактов с инфицированными.

Примеры интерфейса системы INTRAVISION TS
Примеры интерфейса системы INTRAVISION TS

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ghassemi P, Pfefer TJ, Casamento JP, Simpson R, Wang Q, «Best practices for standardized performance testing of infrared thermographs intended for fever screening», PLoS ONE 13 (9): e0203302, 2018