В рамках усилий по сдерживанию распространения коронавируса страны ввели тесты температуры тела в аэропортах, на вокзалах и других общественных местах для выявления лихорадки. Многие из систем включают использование инфракрасных (ИК) или термографических камер, таких как те, что описаны в статье Института « Тепловизоры оснащаются для обнаружения лихорадки и отслеживания контактов при COVID-19 ».

Рынок наводнен продуктами для инфракрасной диагностики лихорадки, но почти ни одна из них не прошла независимого тестирования. Спрос был настолько велик, что многие компании бросились в эту область, не понимая требований к точности, и они использовали технологию, которая не может достаточно хорошо измерить температуру тела. Во многих случаях их продукты не могут определить разницу между внутренней температурой 35 и 40 ° C или отличить переохлаждение от сильной лихорадки.

Некоторые компании, которым требовалось выполнить поставку, уступили практике усреднения измерений при нормальной температуре 37 ° C. В худших случаях они игнорировали неточные измерения и сообщали о нормальных температурах, что так же неэтично, как создание набора для тестирования COVID-19, который всегда дает отрицательный результат, несмотря ни на что.

Типичная точность для термографических камер составляет ± 2 ° C, некоторые заявляют, что точность достигает ± 1 ° C. К сожалению, точности в 1 ° C недостаточно. Чтобы функция определения лихорадки работала, необходимо определить внутреннюю температуру тела с точностью не менее ± 0,5 ° C. Большинство систем не достигают этого эталона.

Кроме того, показания температуры тела зависят от температуры окружающего воздуха, и наша оценка показала, что в типичных зонах тестирования устройство, которое не компенсирует это - а это почти все устройства - обнаруживает в лучшем случае 15 процентов лихорадки.

Еще одна удивительная проблема заключается в том, что температуры пикселей не являются независимыми, и переменное количество тепла, выделяемого остальной частью лица, может искажать тепло, выделяемое областью, используемой для точного измерения, более чем на 1 ° C, в зависимости от системы. и насколько холодная или закрытая остальная часть лица. Эта проблема широко не обсуждается в индустрии тепловидения.

Фактически, многие разработчики систем даже не подозревают об этом, потому что это достаточно тонко, чтобы можно было потратить карьеру на проектирование систем термографии и никогда не увидеть этого, пока не потребуется точность выше 2 ° C. Как только вы узнаете, как это работает, его легко воспроизвести.

Хорошие новости: можно провести точный скрининг на лихорадку. Наши исследования показывают, что, разрабатывая и интегрируя каждый компонент, мы можем обнаружить до 95 процентов лихорадок.

ТЕКУЩИЕ МЕТОДЫ СКРИНИНГА
В Северной Америке обычно используются три типа обследований на лихорадку. У каждого есть свои ограничения.

Клиницисты обычно используют оральные термометры во время визитов к врачу. К сожалению, качественные термометры клинического уровня не широко доступны. Кроме того, их неэффективно и безопасно использовать за пределами клинической среды, потому что оператору необходимо находиться в непосредственной близости от людей, которые могут быть инфицированы. Кроме того, если люди выпьют что-то горячее или холодное перед тем, как измерить температуру, или если люди не могут дышать через нос и вынуждены открывать рот, это повлияет на результаты.

Бесконтактные инфракрасные термометры (NCIT), широко известные как устройства для проверки лба, используются в фитнес-центрах, школах и на предприятиях. Многие из вас, вероятно, недавно мерили температуру.

Некоторым NCIT, в том числе одобренным Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, трудно отличить людей с гипотермией (35 ° C) от людей с сильной лихорадкой (40 ° C), даже при правильной работе в контролируемой среде.

Несмотря на то, что датчики NCIT точны, они не учитывают, как температура воздуха влияет на их измерения. NCIT также должны работать на постоянном расстоянии от своей цели, и, к сожалению, лбы слишком сильно различаются. Если бы NCIT сообщали о температурах в реальных условиях, часто это было бы абсурдно. Некоторые устройства сообщают абсурдные показания, в то время как другие, кажется, большую часть времени показывают температуру, близкую к нормальной. Последние устройства могут сильно усреднять температуры. По какой-то причине некоторые производители, по-видимому, решили, что вместо того, чтобы выяснять, как получить точные показания, они могут фальсифицировать цифры, и никто, вероятно, не заметит.

Некоторые операторы сообщают о смехотворных показаниях, в то время как другие просто игнорируют невероятно низкие показания. Это делает многие NCIT бесполезными для клинических целей. К сожалению, поскольку термометры NCIT являются наиболее доступными, многие предприятия используют их для удовлетворения требований местных властей.

В области тепловидения мы видим, как много новых продуктов выходит на рынок. Продукты могут работать с безопасного расстояния автоматически. При температуре около комнатной все светится в дальнем инфракрасном электромагнитном спектре в количестве, пропорциональном его излучательной способности. Тепловое зондирование может обнаруживать и преобразовывать измеренный свет в температуру.

NCIT использует однопиксельный датчик, но он должен усреднять все температуры, которые он видит в своем поле зрения, - вот почему он должен работать так близко к коже. С другой стороны, тепловизионные системы используют массив идентичных пиксельных датчиков для получения изображений силы света или количества теплового света, падающего на каждый пиксель в секунду на телесный угол. Чтобы измерить чью-то температуру, инфракрасное устройство должно сначала получить точное измерение температуры поверхности участка кожи. Затем можно экстраполировать внутреннюю температуру тела, используя предварительно откалиброванное соотношение между температурой кожи, температурой воздуха и внутренней температурой тела.

Система работает, потому что существует неизменно тонкий уровень изоляции между основной кровью и воздухом во внутреннем уголке глаза - часто называемом слезным каналом - области, где глаз встречается с переносицей.

В наших исследованиях и данных, представленных другими исследователями, мы знаем, что температура поверхности соответствует температуре ядра, но уменьшается на предсказуемую долю разницы между температурой ядра и окружающей среды. Фактически, изменение температуры воздуха в помещении на 4 ° C изменит показания внутренней температуры на полный 1 ° C.

Несмотря на заявления производителя, ни один тепловизор не прошел процедуру утверждения устройства FDA специально для проверки на лихорадку. Из-за острой необходимости в устройствах, которые могли бы помочь в борьбе с пандемией, FDA выпустило руководство в апреле, в котором объявлено, что агентство не намерено возражать против продажи и использования тепловизионных устройств .

Однако агентство заявило, что такие устройства должны (не должны) соответствовать установленному стандарту (IEC 80601-2-59: 2017) и техническому отчету (ISO / TR 13154: 2017) для термографического обнаружения лихорадки. Стандарты были разработаны для минимизации ошибок при обнаружении лихорадки с использованием стандартных термографических камер и оборудования для калибровки ИК-излучения; не существовало устройства, специально предназначенного для этой цели.

Однако соблюдение стандартов не гарантирует, что система сможет надежно определять высокие температуры. Например, стандарт ISO позволяет устройству проводить измерения таким же образом, даже если температура воздуха изменяется на 4 ° C. Как обсуждалось ранее, такое изменение приведет к тому, что измерение будет недостаточно сильным, или будет не менее 50% ложноположительных результатов.

Тем не менее, тепловизионная съемка является наиболее многообещающей технологией, поскольку она может работать автоматически с безопасного расстояния и, что важно, не требует дополнительных затрат на сканирование.

 

НЕОБХОДИМА КАЛИБРОВКА
Чтобы достичь или превысить точность ± 0,5 ° C , источник ИК-калибровки - черное тело - должен быть настроен на температуру, близкую к желаемой температуре поверхности, и помещен в поле зрения. Однако этот уровень точности по-прежнему будет иметь либо высокий уровень ложных срабатываний, либо ложноотрицательных результатов. На самом деле, оно может быть выше 20 процентов. Лучшая цель - точность ± 0,3 ° C, что позволит довести процент ошибок до однозначных цифр.

Со значительными инженерными усилиями в лабораторных условиях можно достичь ± 0,3 ° C. Гораздо более сложными являются реальные условия, особенно с учетом зависимости яркости пикселей, которая, если ее не компенсировать, искажает результаты измерения на градус или больше.

Перепроектировав систему с нуля - в частности, разработав новый процесс калибровки для компенсации эффектов яркости пикселей - мы в Fever Inspect продемонстрировали, что точность ± 0,3 ° C достижима в реальных условиях.

Насколько нам известно, мы первые, кто откалибровал и исправил артефакт яркости пикселей, который невидим в лаборатории, но в реальном мире может сделать систему бесполезной. Кроме того, объединяя двойные эталонные температуры (черные тела), матрицу датчиков расстояния по времени пролета и датчик температуры окружающего воздуха, соединенные вместе в единую систему, мы можем поддерживать откалиброванную систему намного лучше, чем систему, состоящую из отдельных составные части. Наконец, мы разработали зонд с подогревом воздуха, который позволяет нам измерять локальную теплопроводность воздуха, которая в противном случае может варьироваться в достаточной степени, чтобы отбросить процесс температуры от поверхности к ядру, когда воздух не совсем неподвижен.

ВОПРОСЫ ТОЧНОСТИ
То, как используется устройство, не менее важно, чем точность. Практика измерения температуры людей, когда они входят в здание, мало изменилась с момента разработки первых систем для вспышки атипичной пневмонии в 2003 году. У этого процесса есть две основные проблемы. Взаимосвязь между температурой поверхности и внутренней температуры может быть нарушена из-за недавнего контакта человека с горячим или холодным воздухом. Кроме того, при единственном измерении не учитывается тот факт, что внутренняя температура человека меняется в течение дня и со временем развивается лихорадка. В совокупности эти две проблемы означают, что старый метод может пропустить лихорадку.

Следовательно, мы выступаем за более рутинную модель мониторинга, которая требует измерения температуры у людей два или три раза в течение дня с помощью станции самопроверки температуры рядом с местами, где люди часто проходят мимо, или у входа в здание.

Расширенное тестирование увеличивает шансы обнаружить только что развивающуюся лихорадку, которую можно легко пропустить при сканировании утром, и это означает, что вы не рискуете оказаться не в состоянии обнаружить что-либо значимое, потому что люди все еще разогреваются после приходя с холода.

До тех пор, пока первое термографическое устройство не пройдет процедуру FDA для его предполагаемого использования, агентству будет сложно изменить то, как оно регулирует определение термографической лихорадки. Несколько компаний создали устройства со стандартным оборудованием, которые соответствуют стандартам IEC / ISO.

Текущая ситуация дает возможность улучшить старые способы температурного скрининга, чтобы мы все могли быть готовы к следующей пандемии, а также к другим ситуациям, которые могут потребовать точных бесконтактных измерений температуры.

Старший член IEEE Эрик Билл - соучредитель Fever Inspect в Иден-Прери, штат Миннесота. Компания, которая разрабатывает термографические технологии, разработала простой набор тестов для термографического обнаружения лихорадки, чтобы направлять свои разработки.