Metoda pomiaru temperatury ciała człowieka za pomocą kamery termowizyjnej

pol Article in Polish DOI: 10.14313/PAR_252/89

send Tomasz Sosnowski , Mariusz Kastek , Krzysztof Sawicki , Grzegorz Bieszczad , Sławomir Gogler , Tadeusz Piątkowski Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

Download Article

Streszczenie

Pomiar i monitorowanie parametrów fizjologicznych człowieka odgrywają ważną rolę w wielu zastosowaniach takich jak opieka zdrowotna, trening sportowy oraz zapobieganie rozprzestrzenianiu chorób. Dynamiczne zmiany parametrów fizjologicznych mogą ujawnić nie tylko zmiany stanu fizjologicznego i funkcji pacjenta, a także posłużyć do oceny stanu aktywności człowieka, jego wydolności oraz zmęczenia. Do najważniejszych parametrów fizjologicznych człowieka służących do oceny jego podstawowych funkcji życiowych, obok częstości skurczów serca, ciśnienia tętniczego, częstotliwości oddychania, należy temperatura ciała. W praktyce medycznej stosuje się różne rodzaje przyrządów pomiarowych służących do pomiaru temperatury takich jak: termometr cieczowy, termometr elektroniczny, bezdotykowe termometry douszne, bezdotykowe termometry czołowe. Termometry cieczowe i elektroniczne wymagają podłączenia do człowieka odpowiednich czujników, co może być niepożądane lub niemożliwe jak np. u noworodków lub podczas treningu sportowego. Bezdotykowe termometry działają na niewielkie odległości i często wymuszają określoną pozycję człowieka w trakcie pomiaru. Ponadto powyższe techniki pomiaru temperatury ciała wymagają bezpośredniego nadzoru personelu medycznego, co często powoduje obniżenie skuteczności i wydajność przesiewowego pomiaru temperatury. W przesiewowych pomiarach temperatury dużej liczby ludzi, w szczególności przemieszczających się dobrze sprawdza się pomiarowa kamera termowizyjna. W artykule została przedstawiona metoda pomiaru temperatury człowieka za pomocą kamery termowizyjnej. Zaprezentowana metoda charakteryzuje się z dużą dokładnością pomiaru temperatury, która umożliwia medyczne wykorzystanie uzyskanych pomiarów. Metoda pomiaru została przetestowana na stanowisku pomiarowym oraz dla wybranej próby testowej ludzi. Przeprowadzone pomiary i testy potwierdziły możliwość uzyskania dokładności pomiaru temperatury o niepewności rozszerzonej poniżej 0,05 K przy rozdzielczości poniżej 0,1 K.

Słowa kluczowe

kamera termowizyjna, temperatura ciała człowiek, zdalny pomiar temperatury

The Method of Measuring Human Body Temperature Using a Thermal Imaging Camera

Abstract

Measurement and monitoring of human physiological parameters play an important role in many applications such as health care, sports training and prevention of disease spread. Dynamic changes in physiological parameters can reveal not only changes in a patient’s physiological state and function, but also be used to assess a person’s activity status, fitness and fatigue. Body temperature is among the most important human physiological parameters for assessing basic vital functions, apart from heart rate, blood pressure and respiratory rate. In medical practice, various types of measuring instruments are used to measure temperature, such as liquid thermometers, electronic thermometers, non-contact ear thermometers, non-contact forehead thermometers. Liquid and electronic thermometers require the appropriate sensors to be connected to a person, which may be undesirable or impossible as, for example, in newborns or during sports training. Non-contact thermometers operate over short distances and often force a specific position of the person during the measurement. In addition, the above body temperature measurement techniques require direct supervision by medical personnel, which often reduces the effectiveness and efficiency of screening temperature measurement. In screening temperature measurements of a large number of people, especially those on the move, a measuring thermal imaging camera works well. The article presents a method for measuring human body temperature using a thermal imaging camera. The presented method is characterized by high accuracy of temperature measurement, which allows medical use of the obtained measurements. The measurement method has been tested on a test stand and for a selected test sample of people. The measurements and tests carried out confirmed the possibility of obtaining temperature measurement accuracy with an expanded uncertainty of less than 0.05 K with a resolution of less than 0.1 K.

Keywords

remote temperature measurement, thermal imaging camera

Bibliography

  1. Sosnowski T., Madura H., Bieszczad G., Kastek M., Chmielewski K., Construction, parameters, and research results of thermal weapon sight, [in:] Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, 2011, DOI: 10.1117/12.900867.
  2. Bieszczad G., Krupiński M., Madura H., Sosnowski T., Thermal camera for autonomous mobile platforms, [in:] Nawrat A., Kuś Z. (eds.), Vision Based Systems for UAV Applications, 2013, 95–114, Springer International Publishing, DOI: 10.1007/978-3-319-00369-6_6.
  3. Willers C.J., Electro-Optical System Analysis and Design: A Radiometry Perspective, 2013, SPIE, DOI: 10.1117/3.1001964.
  4. Wolfe W.L., Introduction to radiometry. SPIE Press, 1998, DOI: 10.1117/3.287476.
  5. Vollmer M., Möllmann K.P., Infrared thermal imaging: Fundamentals, research and applications. Wiley Blackwell, 2017, DOI: 10.1002/9783527693306.
  6. Więcek B., De Mey G., Termowizja w podczerwieni. Podstawy i zastosowania. Wydawnictwo PAK, 2011.
  7. Howell J.R., Mengüc M.P., Siegel R., Thermal Radiation Heat Transfer. CRC Press, 6th edition, 2015.
  8. Budzier H., Gerlach G., Thermal Infrared Sensors: Theory, Optimisation and Practice. John Wiley and Sons, 2011.
  9. Rogalski A., Bielecki Z., Detection of Optical Signals. Optics and Optoelectronics, CRC Press, Boca Raton, 2022.
  10. Rogalski A., Infrared and Terahertz Detectors, Third Edition. CRC Press, Boca Raton, 3rd edition, 2019.
  11. Ragheb H., Hamid M., An approximation of Planck’s formula for the inverse black body radiation problem, ”IEEE Transactions on Antennas and Propagation”, Vol. 35, No. 6, 1987, 739–742, DOI: 10.1109/TAP.1987.1144165.
  12. Sakuma F., Hattori S., Study for Establishing a Practical Temperature Standard by Using Silicon Narrow-Band Radiation Thermometer, ”Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers”, Vol. 18, No. 5, 1982, 482–488, DOI: 10.9746/sicetr1965.18.482.
  13. Martiny M., Schiele R., Gritsch M., Schulz A., Wittig S., In Situ Calibration for Quantitative Infrared Thermogra phy, [in:] Proceedings of the 1996 International Conference on Quantitative InfraRed Thermography, QIRT Council, 1996, DOI: 10.21611/QIRT.1996.001.
  14. Pron H., Menanteau W., Bissieux C., Beaudoin J., Characterization of a focal plane array (FPA) infrared camera, [in:] Proceedings of the 2000 International Conference on Quantitative InfraRed Thermography, QIRT Council, 2000.
  15. Minkina W., Pomiary termowizyjne: przyrządy i metody. Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, 2004.
  16. Minkina W., Dudzik S., Infrared Thermography: Errors and Uncertainties. Wiley, Chichester, West Sussex, U.K.; Hoboken, NJ, 2009.
  17. Horny N., FPA camera standardisation, ”Infrared Physics and Technology”, Vol. 44, No. 2, 2003, 109–119, DOI: 10.1016/S1350-4495(02)00183-4.
  18. Budzier H., Gerlach G., Calibration of uncooled thermal infrared cameras, ”Journal of Sensors and Sensor Systems”, Vol. 4, No. 1, 2015, 187–197, DOI: 10.5194/jsss-4-187-2015.
  19. IEC 80601-2-59, Medical Electrical Equipment-Part 2–59: Particular Requirements for the Basic Safety and Essential Performance of Screening Thermographs for Human Febrile Temperature Screening, 2017.
  20. Ghassemi P., Pfefer T.J., Casamento J.P., Simpson R., Wang Q., Best practices for standardized performance testing of infrared thermographs intended for fever screening, ”PLOS ONE”, 2018, DOI: 10.1371/journal.pone.0203302.
  21. Perry D.L., Dereniak E.L., Linear theory of nonuniformity correction in infrared staring sensors, ”Optical Engineering”, Vol. 32, No. 8, 1993, 1854–1859, DOI: 10.1117/12.145601.
  22. Sosnowski T., Bieszczad G., Kastek M., Madura H., Digital image processing in high resolution infrared camera with use of programmable logic device, [in:] Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, 2010, DOI: 10.1117/12.865026.
  23. Sosnowski T., Bieszczad G., Madura H., Image Processing in Thermal Cameras, [in:] Nawrat A., Bereska D., Jędrasiak K. (eds.), Advanced Technologies in Practical Applications for National Security, 2018, 35–57, Springer International Publishing, Cham.
  24. Bieszczad G., Gogler S., Sosnowski T., Madura H., Kucharz J., Zarzycka A., Determining the responsivity of microbolometer FPA using variable optical aperture stop, [in:] Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, 2012, DOI: 10.1117/12.976032.
  25. Felczak M., Sosnowski T., Strąkowski R., Bieszczad G., Gogler S., Stępień J., Więcek B., Electrothermal analysis of a TEC-less IR microbolometer detector including self-heating and thermal drift, ”Quantitative InfraRed Thermography Journal”, 2023, DOI: 10.1080/17686733.2023.2179280.
  26. JCGM 100:2008 – Ewaluacja danych pomiarowych – Przewodnik wyrażania niepewności pomiaru, 2008.
  27. Abramowitz M., Stegun I. (eds.) Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. National Bureau of Standards., 1972.