Тепловизоры "АСТРОН": пиксели здоровья

На фоне распространения коронавируса в России взлетел спрос на тепловизоры. Теперь они есть, или должны быть, практически везде – в офисах, бизнес-центрах, аэропортах, на вокзалах. Инфракрасная термография, как теперь общеизвестно, позволяет обнаружить распространение опасных вирусных заболеваний - "птичий грипп", H1N1 и COVID- 19, выявляя повышенную температуру, как один из симптомов болезни. Неудивительно, что спрос на тепловизоры резко возрос. Так, например, Правительство России выделило денежные средства Минпромторгу на производство отечественных тепловизоров и обеспечения работы федеральных органов исполнительной власти тепловизорами.

Как все устроено

Человеческий глаз видит малую часть оптического излучения в диапазоне 0,35-0,75 микрона. При этом оптический диапазон электромагнитного излучения простирается от ультрафиолетовой области, где длина волны 0,1-0,35 мкм, до терагерцовой области спектра с длиной волны около 100 мкм. Наше зрение адаптировалось к волнам такой длины, поскольку именно на этот интервал приходится максимум солнечного излучения. Увидеть остальную часть нам помогает техника.   Инфракрасные камеры воссоздают образ и некоторые характеристики теплого объекта по сигналам от первичных детекторов теплового излучения. Не стоит путать тепловизоры с приборами ночного видения, которые регистрируют и многократно усиливают переотраженный свет звезд и ночного неба. В абсолютно темном помещении "ночник" будет так же слеп, как человеческий глаз, в отличие от тепловизора, регистрирующего не переотраженное, а собственное излучение тел. Кроме того, тепловизор "видит" не только в полной темноте, но и, частично, сквозь пыль, дым и туман. Инфракрасная энергия от объектов сцены фокусируется посредством специальной германиевой оптики на ИК-детектор, информация от него передается на электронику для обработки изображения, которое транслируется на стандартный видеоэкран. Принцип работы тепловых детекторов основан на изменении электрических характеристик приемника за счет энергии поглощенного теплового излучения. Падающее излучение нагревает материал, что приводит к изменению сопротивления. В качестве чувствительного материала используется оксид ванадия и аморфный кремний. Информация выдается в понятном человеческому глазу виде – псевдо-видеоизображении тепловой картины, принимаемой приемником. При этом цветное отображение теплового контура, которое и является характеристикой температуры человека, зависит от интерпретации электроникой сигнала, получаемого с каждого пикселя матрицы детектора. Из общих соображений понятно, что размер каждого пикселя должен быть достаточно мал, а число пикселей достаточно велико, чтобы псевдо-изображение было достаточно детальным, а цвет картинки достаточно точно отображал распределение температуры внутри объекта. Сегодня большинство мировых производителей матричных тепловых детекторов достигли уровня, который вполне удовлетворяет требованиям точного отображения температуры неподвижного или медленно двигающегося объекта – размер пикселя 17-25 мкм, формат матрицы от 320х288 до 640х512 пикселей. Такие параметры являются оптимальными по соотношению "цена-качество" и останутся такими ближайшие 5-10 лет.

Часто также можно прочитать, что тот или иной тепловизор "обеспечивает точность 0.05 ºС". Это, безусловно, лукавство. Речь идет о параметре т.н. "температурная чувствительность болометра, равная минимальной эквивалентной шуму разности температур" (Noise Equivalent Temperature Difference – NETD). Это характеристика температурной чувствительности собственно микроболометра – какую минимальную температуру, превышающую его собственные внутренние тепловые шумы, он теоретически сможет почувствовать. Суммарная погрешность всего измерительного тракта будет, безусловно, выше.

Общие вопросы – что мы измеряем и чем?

Медработники знают, что между температурой кожи и внутренней температурой есть существенная разница. Температура человеческого тела - сложный феномен. Люди являются теплокровными существами, они излучают тепло в окружающую среду. "Экраном", разделяющим человеческое тело и внешний мир, является кожный покров. Этот "экран" постоянно подстраивает температуру к оптимуму между физиологическими потребностями организма и условиями окружающей среды. Температура тела человека меняется в течение дня, достигает пика ближе к вечеру, а самое низкое значение температуры в утренние часы. У женщин обычно температура несколько выше, чем у мужчин. Пожилые люди, как правило, имеют более низкие температуры, чем молодые люди. Температура кожи человека не равна температуре тела, именно поэтому самыми точными термометрами являются ректальные. Также температура отличается в зависимости от времени года,  температуры окружающей среды и других факторов.

Точкой, дающей наиболее точную температуру, соответствующую внутренней температуре тела, являются уголки глаз, там, где расположены слезные каналы. Поэтому в теории при тепловизионном измерении рекомендуется снимать субъекта анфас с заранее определенного расстояния 1- 1,6 метра таким образом, чтобы на термограмме отобразилось полностью все лицо. Обследуемому человеку достаточно взглянуть в объектив тепловизора в течение 1 секунды. Обследуемые могут не снимать с себя ни защитную маску, ни головной убор. Но поскольку стекло и пластик не пропускают тепловое излучение, обследуемые должны снять очки. Для обеспечения эффективного выявления потенциального носителя вирусной инфекции, у которого уже началось проявление симптоматики заболевания, выражающееся в повышении температуры, тепловизоры для замера температуры тела должны обладать точностью ±0.3 °С.

Обеспечение паспортных высоких параметров точности измерений невозможно без применения устройства, генерирующего в инфракрасном спектре эталонное излучение, являющееся эквивалентом постоянной температуры. Сверяясь с этим излучением, измерительный алгоритм эпидемиологического тепловизора сможет осуществлять самокалибровку. Это устройство называется модель абсолютно черного тела (АЧТ). АЧТ – это теоретический объект, при любой температуре он поглощает все падающее на него электромагнитное излучение и отдает всю подведенную к нему энергию в виде теплового излучения. В реальном мире АЧТ не существует, но есть близкие к нему инженерные модели. Они применяются для поверки и калибровки любых высокоточных средств дистанционного измерения температуры, в том числе тепловизионных и пирометрических. С академической точки зрения, для достижения стабильной точности измерения температуры, АЧТ должен находиться в поле зрения тепловизора постоянно. Поскольку без своевременной калибровки точность измерения прибора для измерения температуры тела существенно снижается, например, из-за появления в поле зрения прибора объектов с температурой намного выше/ниже средне-измеряемой, теплотелевизионные регистраторы, работающие без элемента АЧТ, строго говоря, не в состоянии поддерживать требуемую точность.

Практические вопросы измерений

Практика, как часто бывает, лежит в несколько иной плоскости. Для того, чтобы узнать, повышена ли у человека температура и его нужно отделить от толпы, нет нужды измерять абсолютную температуру. Для определения степени надежности тепловизионного метода был проведен эксперимент: у здоровых людей была измерена температура тела с помощью медицинского термометра, а затем измерения повторили с помощью тепловизора, диагностировавшего температуру в уголках глаз. В результате была рассчитана разница между температурой тела и температурой в уголках глаз. Опыт показал, что разница температур остается неизменной и составляет 0,8 -1,2°С, в зависимости от внешних условий проведения измерений: температуры окружающей среды, наличия кондиционеров воздуха, ветра, погодных условий и тд.  После диагностики температуры тела первых 10 пассажиров, тепловизор должен автоматически рассчитать среднюю температуру с поправкой на температуру помещения. Вслед за этим оператору нужно установить параметры сигнализации, срабатывающей, если температура очередного пассажира превышает рассчитанную среднюю температуру на 1 градус Цельсия. Встроенная цветовая сигнализация позволяет немедленно принять решение о необходимости дальнейшего обследования пассажира с повышенной температурой тела. В дополнение к этому, тепловизор должен быть оснащены звуковой сигнализацией, срабатывающей при обнаружении человека с повышенной температурой тела. Такой пассажир может быть моментально отделен от группы других людей для более тщательного обследования. Важно понимать, что задача измерения в данном случае – отделить здоровых людей от заболевших, не прибегая к академически правильному измерению абсолютной температуры тела.

Отечественные производители

В настоящее время на российском рынке появилось огромное количество предложений тех или иных тепловизионных систем для контроля температуры. Большая часть из них является изделиями зарубежных производителей в широком ценовом диапазоне. Значительная часть предложений декларируется как отечественные разработки, без детализации того, какие именно компоненты являются отечественными. Наконец, часть изделий являются российскими с высокой долей оригинальных разработок. Большинство отечественных производителей стационарных регистраторов температуры тела начали выпуск оборудования в 2020 г. В связи с обострившейся ситуацией в России предприятия, которые ранее не выпускали стационарные тепловизионные медицинские регистраторы температуры тела, перестроились и наладили выпуск продукции.

В отличии от этой тенденции, ОКБ "АСТРОН" с 2007 года проводит исследования и разработки в области дальнего инфракрасного излучения. Основным направлением деятельности предприятия является разработка и производство тепловизионной и терагерцовой оптики, детекторов, а также приборов на их основе. Разработанные изделия используются в нефтегазовом секторе, на железной дороге и др., при этом компания обеспечивает поддержку работоспособности системы в течении всего жизненного цикла изделия. Товарный выпуск тепловизионных объективов для нужд РЖД РФ составляет более 1200 единиц в год. ОКБ Астрон является единственным российским производителем микроболометров и фотоприемных устройств полного цикла.

Компания "ОКБ "АСТРОН" представляет вашему вниманию Теплотелевизионный регистратор температуры тела "АСТРОН-ТТ2019". Комплекс состоит из: оптического блока (тепловизионный модуль и видеокамера); программного обеспечения и рабочего места оператора.

Тепловизор как произведение искусства

Германиевая линза тепловизора производства "ОКБ "Астрон" ©Пресс-служба ОКБ "АСТРОН"

Тепловизионный модуль производства ОКБ "АСТРОН" / © Пресс-служба ОКБ "АСТРОН"

Матричное фотоприемное устройство производства "ОКБ "Астрон" / © Пресс-служба ОКБ "АСТРОН"

Теплотелевизионный регистратор "АСТРОН-ТТ2019" для бесконтактного определения людей с повышенной температурой производства ОКБ "Астрон" / © Пресс-служба ОКБ "АСТРОН"

Скрин-шорт с экрана оператора комплекса "АСТРОН-ТТ2019" для бесконтактного определения людей с повышенной температурой производства "ОКБ "Астрон" / © Пресс-служба ОКБ "АСТРОН"

Победить эпидемию и не разориться

Тепловизионный модуль, составляющий основу Теплотелевизионного регистратора АСТРОН-ТТ2019 позволяет менее чем за одну секунду с высокой точностью (до 0,3 °C) определить наличие повышенной температуры тела человека. Возможна поставка в комплекте с эталонным модулем АЧТ (абсолютно черное тело) для калибровки комплекса. Программное обеспечение Теплотелевизионного регистратора температуры тела АСТРОН-ТТ2019 отображает на видеоизображении, полученном с видеокамеры, область с повышенной температурой тела человека. На монитор выводится видеоизображение и инфракрасное тепловое изображение, а также численные значения температур. При этом выводятся лишь те тревожные события, которые относятся к передвигающимся через пункт пропуска гражданам. Фотографии людей, у которых выявлена повышенная температура тела, превышающая заданный предел (устанавливается оператором), передаются в базу данных с привязкой ко времени и месту пропуска людей. При обнаружении человека с повышенной температурой автоматически формируется страница акта (отчёта) с указанием времени, места, фотографией, термограммой и температурными данными, которая автоматически сохраняется в базе данных.

Ключевые составляющие комплекса АСТРОН-ТТ2019 (германиевая оптика, микроболометр, тепловизионный модуль и программное обеспечение) являются полностью российскими продуктами, разработанными и произведенными АО "ОКБ "АСТРОН

Вместо заключения – что же действительно важно при выборе?

Для большинства зон измерения (10 м² ­- 20 м²) рекомендуется выбирать разрешение матричного микроболометра не ниже 384х288 точек, поскольку при меньшем разрешении добиться качественного изображения эпидемиологического тепловизора будет невозможно даже при высоких характеристиках оптической части системы. Очень важно достижение баланса между приемлемым качеством изображения и оптимальным захватом области измерения. Для этого необходимо осуществить тщательный подбор параметров оптической системы объектива прибора. Они должны соответствовать выбранному разрешению инфракрасного детектора. Это означает, что те производители, которые, подобно ОКБ "АСТРОН" профессионально много лет занимаются созданием матричных фотоприемных устройств, а также расчетом и производством оптических инфракрасных объективов и систем, получают весьма серьезное преимущество перед прочими.

Далее, как мы говорили, для того, чтобы стационарный теплотелевизионный регистратор в автоматическом режиме выделял только людей и корректно измерял тепловое излучение, исходящее от них именно в требуемой области, игнорируя другие излучающие объекты в поле зрения, прочие помехи и т.д. необходимо использовать алгоритм поиска и детектирования лиц.  Наличие ПО не просто существенно снижает трудозатраты оператора и облегчает его обучение. Наличие корректного ПО (усреднение по 10-ти объектам и пр.) – единственное, что устранит методологические ошибки измерения, которые неизбежны, даже при наличии хорошего детектора и хорошей оптики. Это означает, что в команде создателей хорошего тепловизионного комплекса должны быть разработчики собственного программного обеспечения.

Все это позволяет ОКБ "АСТРОН" предложить не только конкурентные цены, но и оперативно ответить на ваши вопросы, которые неизбежно возникнут при эксплуатации системы, а также обеспечить поддержку в течении всего жизненного цикла изделия.

https://astrohn.ru

Рисунки предоставлены автором
Фото ru.freepik.com