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So erzielen Sie effektive kamerabasierte Körpertemperaturmessungen

Mit der Zunahme der Ausbrüche von Infektionskrankheiten und damit einhergehend dem Auftauchen unterschiedlichster Methoden zum Nachweis erhöhter Körpertemperatur, lohnt sich ein Blick auf die Richtlinien der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC), wenn Sie an sicheren Lösungen interessiert sind.

Die Norm IEC / DIN EN 80601-2-59:2017 ist ein Leitfaden für Thermographiemessungen zur Messung der Körpertemperatur eines Menschen und enthält Mindestanforderungen hinsichtlich Auflösung, Genauigkeit sowie die Platzierung des Probanden für eine effektive Messung der Körpertemperatur.

Die Wärmebildtechnik ist eine der effektivsten Methoden zur berührungslosen Messung, und es gibt Hunderte von Bolometer-Detektoren, die diese Aufgabe übernehmen können. Aber wenn sie nicht das Richtige messen, was nützen sie dann? Bevor wir uns näher mit den Richtlinien befassen, wollen wir beleuchten, warum es wichtig ist, die erhöhte Körpertemperatur (EBT) und nicht die erhöhte Hauttemperatur (EST) zu messen.

Die Hauttemperatur kann aus vielen Gründen erhöht (oder zu niedrig) sein, z.B. durch Schwitzen, einen Aufenthalt in heißer (oder kalter) Umgebung, sogar Make-up kann eine Rolle spielen! Eine Messung an einer Stelle, die so nah wie möglich an der Körperkerntemperatur des Probanden liegt, ist daher eine viel genauere Methode.

Die Richtlinien der IEC weisen darauf hin, dass eine Temperaturmessung am Canthus zuverlässige Ergebnisse liefert und alle anderen Methoden ungenau sind. Die internationale Norm spezifiziert "Die derzeitigen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die medial an den inneren Canthus (inneren Augenwinkel) angrenzende Region aufgrund der Stabilität der Messung die bevorzugte Stelle für das Temperaturscreening ist. Das liegt daran, dass diese Region direkt über der inneren Halsschlagader liegt".

Bei Verwendung einer sehr guten Optik müssen 4x4 Pixel diesen Bereich abdecken, um eine genaue Messung zu erhalten. Alle Objekte, die kleiner sind, erscheinen kälter als sie tatsächlich sind. Bei einem Canthus Durchmesser von etwa 3 mm, wäre eine Auflösung von mindestens 320x240 erforderlich, um die Temperatur in diesem Bereich genau messen zu können, wenn das Gesicht des Probanden den größten Teil des Sichtfelds abdeckt.

Die Kamera muss direkt auf das Gesicht des Probanden gerichtet sein, beide Canthus-Regionen müssen sichtbar sein und das Gesicht darf weder durch Haare noch durch eine Brille verdeckt sein.

Langwellige Infrarotkameras können nicht durch Glas "sehen", da der Transmissionsgrad der meisten Gläser bei den LWIR-Wellenlängen sehr niedrig ist (8-14μm).

Aus diesem Grund ist die Messung einer Vielzahl von Personen in großen Menschenansammlungen im Sichtfeld der Kamera eine sehr ungenaue Methode des Temperaturscreenings.

In den Normen ist zusätzlich festgelegt, dass ein schwarzer Referenzkörper sich gleichzeitig mit dem Gesicht des Probanden im Fokus der Kamera befinden muss, um stabile Messungen zu ermöglichen und einen möglichen Drift auszugleichen.

In jedem Fall muss bedacht werden, dass das System auf diese Weise nur erhöhte Körpertemperaturen in Übereinstimmung mit den entsprechenden Richtlinien misst, jedoch keine Krankheiten erkennt.

So funktionieren Wärmebildkameras (im Speziellen auf Mikrobolometer basierende Thermografiekameras)

Mikrobolometer Kameras enthalten kleine thermoelektrische Widerstände, die sich bei einfallender thermischer Strahlung verändern. So lässt sich in der Auslese-Elektronik die Temperatur des Objektes ermitteln.

Die emittierten Strahlen, die in der Mitte des Infrarotbereiches liegen, können nur durch teure Optiken aus Zinksalzen, Germanium, Germaniumlegierungen oder speziell beschichteten Spiegeln auf den Sensor fokussiert werden.

Selbst bei Verwendung von speziellen Kühlmechanismen wird jedoch die Temperatur des Sensors, der Elektronik und der Fokussiereinheit, verursacht durch Wärmeableitung oder Umgebungsbedingungen, während des Betriebs driften.

Dieser Drift wirkt sich auf die Genauigkeit der Temperaturmessung aus und ist einer der Hauptgründe, warum alle Wärmebildkameras einen Lesefehler von mindestens ± 1 ºC aufweisen, der bei Temperaturen über 100 ºC noch weiter steigt.

Was ist Black Body-Kalibrierung und warum ist sie notwendig?

Die Verwendung eines kalibrierten schwarzen Referenzkörpers – des sogenannten Blackbody -kann helfen, diese potenziellen Probleme zu mildern, indem die Software die aufgenommene Szene auf den Referenzpunkt kalibriert. Dadurch wird die Messgenauigkeit erheblich präziser als bei Verwendung einer Kamera ohne Referenzkörper.

https://en.wikipedia.org/wiki/Black_body#/media/File:Black_body.svg

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Ein Objekt, dessen Strahlungsemission eng an das Planck'sche Gesetz angelehnt ist und das, je höher seine Temperatur ist, entsprechend mehr Strahlung emittiert, wird als Blackbody bezeichnet. Er absorbiert und emittiert die gesamte Strahlung vollständig, ohne jegliche Reflektionen. Ein perfekter Blackbody hätte einen Emissionswert von 1, aber kein Material erfüllt diesen Wert.

Normalerweise sind alle schwarzen Referenzkörper mit einer beheizten Rückplatte ausgestattet, in die ein Thermoelement eingebettet ist, das eine hochpräzise Temperaturanzeige ermöglicht. Aber selbst die besten Referenzkörper haben einen geringfügig niedrigeren Emissionsgrad als 1.

Der Blackbody muss sich im gleichen Sichtfeld wie das abzubildende Gesicht befinden, wobei der aktive Bereich genügend Pixel aufweisen muss, um genaue Ergebnisse zu erzielen, damit kann das System in Echtzeit kalibriert werden.

Dabei vergleicht die Software ständig die Temperaturreferenz mit dem Messwert der Kamera und nimmt bei Bedarf Anpassungen vor. Wenn also die Referenz auf 45,0°C eingestellt ist und die Kamera 45,3°C anzeigt, ermittelt die Software, dass die Anzeige der Kamera um 0,3°C abweicht.

Diese konstante Rekalibrierung erhöht die Genauigkeit des Systems auf ±0,3°C.