序文

パンデミックの間、赤外線体温計は日常的なツールとなったが、毎朝赤外線体温計を使用する人のほとんどは、デバイスを額に向けてから画面上の数字を読み取るまでの間に何が起こるのか、漠然としか理解していない。物理学を理解することでテクノロジーの長所と、読みが間違っている理由の両方が説明されるため、このギャップは重要です。

このガイドでは、赤外線体温計がどのように機能するのかという質問に、あらゆる物体から発せられる電磁放射線からその放射線を電圧に変換するサーモパイル センサー、そして装置内部の信号処理から前額部発熱スクリーニングの背後にある臨床証拠に至るまで、技術的に詳しく説明します。また、測定距離、放射率、周囲条件、ユーザーの技術、医療機器と産業機器の違いなどの実用的な側面もカバーしています。この記事は、親や介護者、看護師や診療所のスタッフ、機器を評価する調達チーム、工学部の学生、そして単にボタンを押すだけではなく赤外線体温計を正しく使いたい人を対象に書かれています。最後までに、ディスプレイ上の読み取り値は、一連の測定可能な物理的イベントの終わりとして意味をなすようになります。

目次

1. 1. 赤外線温度計が実際に測定するもの
2. 2. 物理学: 赤外線、放射率、ゼーベック効果
3. 3. センサーの内部: サーモパイルが熱を測定値に変換する仕組み
4. 4. 電圧から温度まで: 信号処理と補償
5. 5. 額の測定が発熱スクリーニングに有効な理由
6. 6. 精度の要素: 距離、環境、技術
7. 7. 医療用赤外線温度計と工業用赤外線温度計
8. 8. Finicare IR213: 実用的なデバイスのテクノロジー
9. 9. 赤外線温度計の購入、使用、保守

1. 赤外線温度計が実際に測定するもの

絶対零度を超える温度を持つすべての物体は赤外線帯域の電磁放射線を放射し、その放射線の強度と波長分布は物体の表面温度に依存します。赤外線温度計は、この放射線の一部を収集し、検出器に焦点を合わせて、放射線を放出した表面の温度を計算します。プローブが皮膚に触れることはなく、患者から装置へ熱が流れることもなく、接触もまったく起こりません。これが、赤外線温度計がどのように機能するかについての簡単な答えです。赤外線温度計は伝導熱ではなく、放出された放射を測定します。

表面温度と中心温度の区別は、医療用赤外線温度測定において最も重要な概念です。額体温計は、前頭部と側頭動脈領域の皮膚の温度を測定し、皮膚温度と体内温度の関係に基づいて、臨床医が深部体温と呼ぶ温度を推定します。この関係は、デバイスが検証され、環境が制御され、ユーザーが指示に従う場合に発熱スクリーニングを行うのに十分な強さがあるため、このテクノロジーが病院、空港、学校、家庭で受け入れられています。ただし、これは正確ではなく、体内の温度を直接読み取る非接触体温計はありません。

非接触測定は、赤外線温度計の普及をもたらした衛生上の利点ももたらします。装置が測定対象者に触れないため、患者間の相互汚染が減少し、測定間の消毒が簡単になります。 FDA は、非接触赤外線温度計を、相互汚染を減らすために表面温度を測定する装置であると説明しています。まさにそれが、非接触赤外線温度計が公共の場でデフォルトのスクリーニングツールとなった理由です。

2. 物理学: 赤外線、放射率、ゼーベック効果

赤外線温度計がどのように機能するかの背後にある物理学は、熱放射から始まります。どの表面も、ステファン-ボルツマンの関係に従って、温度とともに急激に上昇する速度で赤外線エネルギーを放出します。つまり、絶対温度が 2 倍になると、放出パワーは 16 倍に増加します。摂氏約 33 ～ 37 度の人間の皮膚は、約 8 ～ 14 マイクロメートルの遠赤外線帯域に集中した放射線を放出します。この範囲は、大気中や温度計センサーに使用される光学フィルターを都合よく通過します。

すべてのサーフェスが均等に放射するわけではありません。放射率は、完全な黒体と比較して表面がどれだけ効率的に放射するかを 0 から 1 のスケールで表します。人間の皮膚の放射率は約 0.98 で、黒体に非常に近く、これは医療用体温測定にとって幸いです。デバイスは放射率値が固定されていると仮定しても、一貫した読み取り値を取得できます。光沢のある金属、磨かれたガラス、鏡は放射率が低く、自ら放射するのではなく周囲の放射を反射します。そのため、クロム表面に赤外線温度計を向けると無意味な数値が得られます。

検出メカニズムは、1821 年に発見されたゼーベック効果に基づいています。2 つの異なる金属が両端で接合され、接合部が異なる温度にある場合、温度差に比例して回路の両端に小さな電圧が発生します。単一の接点ではマイクロボルトしか生成されないため、エンジニアは多数の熱電対を直列に接続してサーモパイルを構築し、実用的な電子機器が増幅およびデジタル化できる範囲まで信号を増幅します。熱接点は入射赤外線を吸収し、冷接点は既知の基準温度でセンサー基板上に位置し、結果として生じる電圧はターゲット表面とセンサー自体の間の温度差をエンコードします。

3. センサーの内部: サーモパイルが熱を測定値に変換する仕組み

サーモパイル センサーは、組み立て前に黒体基準に対して校正されます。

赤外線温度計がどのように機能するかという次の段階は、米粒よりも小さな部品の内部で行われます。最新のサーモパイル センサーは、直径数ミリメートルの微細加工されたシリコン チップです。そのコアは窒化シリコンまたは同様の材料の薄い膜であり、基板にエッチングされたキャビティ上に吊り下げられています。膜の熱質量は非常に小さいため、赤外線が当たるとほぼ瞬時に加熱および冷却されます。膜上には一連の熱電対の熱接点があり、入射放射線を熱に変換する黒い吸収層で覆われています。冷接点は厚いシリコン フレーム上にあり、周囲温度に近い温度に保たれます。

2 つの追加コンポーネントによってセンサーが完成します。出力電圧は絶対温度ではなく温接点と冷接点の差に依存するため、パッケージに組み込まれたサーミスターが冷接点の基準温度を測定します。この基準測定がなければ、デバイスはセンサー温度からターゲット温度を分離できません。光学フィルターは通常シリコンベースで、可視光を遮断し、8 ～ 14 マイクロメートルの赤外線帯域のみを通過させ、太陽光や室内照明による信号の劣化を防ぎます。

光学系はセンサーがどこを見るかを決定します。フレネル レンズまたは小さな反射板は、定義された円錐からの放射を収集し、それを膜に向けて、視野を確立します。測定距離と測定スポットの直径の比は、距離対スポット比と呼ばれ、センサーが目的の表面のみを認識するにはターゲットからどれだけ離れていなければならないかをユーザーに示します。医療用額体温計は、額パッチに適したサイズの視野で、通常 1 ～ 5 センチメートルの短い固定距離を使用します。工業用温度計は、より長い距離とより狭いフィールドを使用し、スポットがどこに到達するかを示すためにレーザー照準を使用する場合もあります。

デバイス内の完全なチェーンは、光子から電圧、そしてデジタルまで続きます。赤外線が膜を加熱し、サーモパイルがマイクロボルトレベルの信号を生成し、低ノイズアンプが信号を使用可能なレベルに上げ、アナログ/デジタルコンバータが信号をデジタル化し、マイクロコントローラーが校正定数、放射率の仮定、および周囲補償を適用して目標温度を計算します。適切に設計された医療用体温計では、熱安定化を含むプロセス全体に約 1 秒かかります。

4. 電圧から温度まで: 信号処理と補償

生のセンサー出力はまだ温度ではありません。マイクロコントローラーは、皮膚の固定放射率仮定、冷接点基準、メモリに保存されている工場出荷時の校正データを使用して、測定された放射線を表面温度に関連付ける放射線方程式を解く必要があります。複数の温度で黒体基準に対して実行されるキャリブレーション プロセスは、センサー間の変動とレンズの透過損失を補正します。この手順を行わないと、同一設計の 2 つのデバイスが 1 度以上一致しない可能性があります。

周囲の補正も同様に重要です。体温計が寒い車内から暖かい診療所に移動するとき、センサーのハウジング、レンズ、内部電子機器はまだ熱平衡に達しておらず、温度の変化により測定値が歪みます。優れたデバイスには、センサー自体の熱状態をモデル化し、それに応じて出力を調整するアルゴリズムが含まれています。これが、メーカーが動作温度範囲 (通常は摂氏 10 ～ 40 度) を指定している理由であり、測定前にデバイスを屋内条件に慣らすようにユーザーに指示している理由でもあります。同じ原則が患者にも当てはまります。冷たい屋外の空気から到着した人は、額の測定値が代表的なものになるまで屋内に 15 ～ 30 分必要です。

最終的な表示段階では臨床上の利便性が向上します。マイクロコントローラーは発熱閾値と比較して結果をチェックし、色分けされた表示灯を点灯し、警報を鳴らして、測定値をメモリに保存します。分解能は通常摂氏 0.1 度ですが、体温モードの公称精度は通常、臨床的に関連する摂氏約 35 ～ 42 度の範囲内でプラスまたはマイナス 0.2 度です。これら 2 つの数値は、異なる特性を表します。分解能は表示される最小ステップのサイズであり、精度は、表示される値が実際の基準温度にどの程度近いかを示します。

これまでに説明したことはすべて、一連の校正と補正の決定です。赤外線温度計がどのように完全に機能するかを答えるには、センサーだけでなくファームウェアについても理解する必要がある理由が説明されています。同一のサーモパイルを備えた 2 つのデバイスは、1 つが慎重な多点キャリブレーションと周囲モデリングを備え、もう 1 つが単一の工場出荷時のオフセットを使用する場合、動作が大きく異なる可能性があります。

5. 額の測定が発熱スクリーニングに有効な理由

自宅でデバイスを皮膚から 1 ～ 5 cm 離して額を 1 秒間測定します。

赤外線体温計がどのように機能するかについての答えは、センサーが深部体温を追跡する部位に向けられ、額が最も露出される候補である場合にのみ臨床的に役立ちます。額の領域は、外頚動脈循環から血液を運ぶ表在血管である側頭動脈の前頭枝に重なっています。この領域の皮膚温度は、他のほとんどの露出した表面よりも内部温度をより厳密に追跡するため、前額部体温計が非接触スクリーニングの基準部位となったのです。発熱中に身体の設定値が上昇すると、四肢の血管収縮と頭と首の血流の増加により、額が比較的信頼できる指標となります。

赤外線温度装置に関する臨床研究では、一般に、装置が正しく使用され、典型的なバイアスが摂氏 0.5 度以内であり、スクリーニング環境での発熱検出の感度が適度に高い場合、基準体温測定と許容できる一致が見出されています。性能はデバイスの品質、周囲条件、技術に依存しており、研究者は一貫して、重要な臨床上の意思決定において非接触デバイスが接触式体温測定に代わることはできないと指摘しています。 FDAも同様に、これらの機器は表面温度を測定するものであり、通常の体温は華氏97度から99度の範囲であることが多く、製造業者の指示に従って使用する必要があると強調している。

これらの注意点にもかかわらず、このテクノロジーが持続することは、実際的な利点によって説明されています。認定されたデバイスは約 1 秒で測定値を生成し、寝ている子供を起こすことなく動作し、健康なユーザー間ではプローブ カバーや消毒を必要とせず、大規模なグループを迅速に検査できます。入学チェック、診療所のトリアージ、職場のスクリーニング、および家庭の監視では、測定値が有効である条件をユーザーが理解している限り、スピードと衛生状態の組み合わせが、ある程度の精度のトレードオフを上回ります。

制限も同様に現実のものです。額の皮膚は、隙間風が入るとすぐに冷え、直射日光では温まり、発汗、化粧品、最近の運動などによって変化します。寒い出入り口で測定された 1 回の測定値は、患者の測定値というよりも出入り口の測定値に近いため、ベスト プラクティスでは、結果が患者の状態と一致しないと思われる場合には、屋内での環境順応、繰り返しの測定、および接触型体温計での確認が求められます。

6. 精度の要素: 距離、環境、技術

クリニックのトリアージ スクリーニング: 距離、角度、安定した室内環境が精度を決定します。

赤外線温度計が物理レベルでどのように機能するかを理解することは、ユーザーの規律に直接つながります。 6 つの要素が現実世界の精度を支配します。

距離が第一です。センサーは視野内のすべてを平均化するため、デバイスを離しすぎると、額の放射線と部屋からの背景放射線が混合されます。医療用体温計は特定の短距離用に設計されており、多くのモデルには距離インジケーターや、隙間を修正するためにプローブのハウジングを額に軽く接触させるための指示が含まれています。

放射率の仮定は 2 番目にあります。このデバイスは皮膚向けに約 0.98 で校正されているため、衣服、厚い化粧品、濡れたタオルを通して読み取ることはできません。額の汗は蒸発によって表面温度を下げ、皮膚の光学的特性を変化させ、誤って低い測定値を生成します。

周囲条件は 3 番目にランクされます。直射日光、エアコンの吹き出し口、ヒーター、開いた窓はすべて、深部体温とは関係なく皮膚温度を変化させます。デバイス自体も、動作範囲 (通常は摂氏 10 ～ 40 度) 内にあり、部屋に順応している必要があります。

テクニックが続きます。センサーは額に対して垂直で、髪の生え際やこめかみではなく、中央に向ける必要があります。髪、ヘッドバンド、帽子は赤外線を遮断します。ユーザーは、早めにデバイスを引き離さず、完了ビープ音が鳴るまで待つ必要があります。

バッテリーの状態とレンズの清潔さはユーザーが期待する以上に重要です。バッテリーが弱ると、バックライト、センサーのバイアス、またはその両方に影響が出る可能性があり、レンズが汚れると放射線が散乱し、信号強度が低下します。アルコール綿でレンズを清掃し、乾燥させると性能が回復します。

最後に、繰り返すことで曖昧さが解消されます。測定値が上昇したり、信じられないほど低い場合、正しい対応は、安定した環境で少し休止した後、測定を繰り返し、その結果がケアに影響を与えるかどうかを 2 番目の方法と比較することです。単一の赤外線測定値は診断にはなりません。

7. 医療用赤外線温度計と工業用赤外線温度計

同じ熱電対列の原理が、まったく異なる用途向けに構築されたデバイスに電力を供給しており、2 つのカテゴリを混同するのはよくある購入ミスです。

医療用赤外線体温計は人体に最適化されています。 0.98 付近の固定放射率、狭い体温範囲、短い測定距離、額および場合によっては耳または物体のモードに合わせて調整されたファームウェアを使用します。これらは医療機器として規制されており、米国では通常、クラス II 機器として 510(k) の認可が必要であり、性能は ASTM E1965 や ISO 80601-2-56 などの規格に照らして評価されます。臨床検証データ、発熱アラーム、およびカラーインジケーターがこのカテゴリに属します。

工業用赤外線温度計は表面用に最適化されています。約 0.1 ～ 1.0 の範囲で調整可能な放射率、氷点下から数百度または数千度に及ぶ測定範囲、レーザー照準、およびユーザーが安全な距離から測定できる 12:1 などの距離対スポット比を備えています。基礎となるセンサー技術が同じであっても、体温については臨床的に検証されていないため、発熱スクリーニングには使用しないでください。

3 番目のカテゴリーは、医療登録なしで販売される消費者向けの「額銃」で、不快な中間点を占めています。それらは大まかな指標としては機能するかもしれませんが、医療機器が受けている校正規律や規制上のレビューが欠けています。防御可能な測定値が必要な購入者は、マーケティング用語に頼るのではなく、医療機器の登録を確認する必要があります。

8. Finicare IR213: 実用的なデバイスのテクノロジー

Finicare IR213 額体温計: 緑色のバックライト付き LCD、1 秒読み取り、35 グループ メモリ。

Finicare は 2017 年に設立され、研究開発、生産、販売を統合し、80 か国以上に輸出している深センに本拠を置く医療機器メーカーです。体温計、血圧計、酸素濃度計、ネブライザーなどの製品範囲は、上記の理論がどのように出荷製品になるかを示しており、IR213 額体温計は、赤外線体温計が日常使用でどのように機能するかを示す明確な例です。

IR213 は、人間工学に基づいた白いハウジングと明るい緑色のバックライト付き LCD を組み合わせており、大きな黒い数字を表示し、薄暗い保育園や明るい診療所の廊下でも読みやすくなっています。ディスプレイの下には 2 つの丸いボタンがあり、1 つはメモリ用の M とラベルが付けられ、もう 1 つは測定用の温度計アイコンが付いています。このデバイスは額の温度を約 1 秒で測定し、傾向を確認するために 35 グループの測定値を保存し、摂氏と華氏を切り替え、別のモードで物体と室温を測定します。さらに、生の数値をすぐに理解できる信号に変えるベビー モードに加えて、3 色の表示灯と発熱アラームが含まれています。

デバイスの内部では、前述したアーキテクチャに従っています。皮膚放射率が固定された赤外線センサー、周囲補正ファームウェア、工場出荷時のキャリブレーション、ディスプレイとアラーム ロジックを駆動するマイクロコントローラーです。認証された製品ファイルには、FDA 510(k)、CE (MDR)、TGA、MDL、UKRP、NMPA、FSC、FCC、および RoHS 認証が含まれており、工場は MDSAP 認定および BSCI 社会コンプライアンスを備えた ISO 13485 に基づいて運営されています。すべての証明書は発行機関で検証できるため、デバイスを評価する購入者には検証することが推奨されます。

9. 赤外線温度計の購入、使用、保守

購入者はまずドキュメントを作成する必要があります。機器が対象市場で医療機器として登録されていること、宣言された精度が体温の範囲をカバーしていること、メーカーが臨床検証データと校正記録を提供できることを確認します。テスト ファイルで引用されている規格 (通常は体温計の ASTM E1965 と ISO 80601-2-56) を確認し、額面どおりのコピーを受け入れるのではなく、証明書を発行機関に検証してください。

ユーザーは説明を一度よく読んでください。測定距離、額の正しい位置、動作温度範囲、順応時間、および洗浄方法が指定されています。これらの指示に従うことは、官僚的な詳細ではありません。それは、患者を反映する測定値と部屋を反映する測定値の違いです。

メンテナンスは簡単ですが、オプションではありません。レンズとプローブのハウジングをアルコール綿で拭き、デバイスを水に浸さないでください。性能が低下する前に電池を交換し、温度計を熱や直射日光を避けて保管してください。スクリーニングの精度に依存する診療所は、管理された水槽または赤外線黒体の基準温度計と照らし合わせてデバイスを定期的に検証し、宣言された許容範囲を超えたユニットは廃棄する必要があります。温度計は測定器であり、他の機器と同様に、その値が正しく測定されているかどうかを定期的に確認する必要があります。このメンテナンスによって赤外線温度計の動作が変わることはありませんが、デバイス内部の精度は設計で約束されたとおりに保たれます。

まとめ

赤外線体温計がどのように機能するかについての答えは、物理学、電子機器、臨床実践に及びます。すべての物体は、その表面温度に比例して赤外線を放射します。ゼーベック効果を利用して直列の熱電対から構築されたサーモパイル センサーは、その放射をマイクロボルト信号に変換し、マイクロコントローラーがキャリブレーション、約 0.98 の固定皮膚放射率、および周囲補正を適用して温度を表示します。額の測定が機能するのは、側頭動脈上の皮膚がスクリーニングに十分な深さで中心温度を追跡しており、デバイスが検証され正しく使用されている場合、一般的な臨床バイアスは摂氏 0.5 度以内であるためです。

正確に使用できるかどうかは、距離制御、屋内順応、清潔な光学系、正しいモード選択、測定値が間違っている場合の繰り返しに依存します。医療機器には 510(k) クリアランスと ASTM E1965 などの規格が適用されますが、放射率を調整できる工業用温度計やレーザー照準器は臨床機器ではありません。 2017 年に設立され、研究開発、生産、販売を統合する Finicare は、緑色のバックライト付き LCD、1 秒読み取り、35 グループ メモリ、発熱アラーム、オブジェクト/ルーム モードを備えた IR213 額体温計などの認定家庭用医療機器を製造しており、FDA 510(k)、CE (MDR)、TGA、MDL、UKRP、NMPA などの製品認証を取得し、80 か国以上に輸出されています。 FSC、FCC、RoHS、および ISO 13485、MDSAP、BSCI などの工場認証。テクノロジーを理解することは、テクノロジーを使いこなすための第一歩であり、操作を理解したデバイスは、その範囲内で信頼できるデバイスとなります。

参考文献

1. サーモパイル センサー: 非接触温度測定のガイド - EDN。 https://www.edn.com/thermopil-sensors-a-guide-to-non-contact-length-measurement/

2. 非接触赤外線温度計 - 米国食品医薬品局。 https://www.fda.gov/medical-devices/general-hospital-devices-and-supplies/non-contact-infrared-thermometers

3. 赤外線温度測定装置の臨床精度 - PMC。 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11046542/

4. 非接触温度測定用のリモート赤外線 MEMS サーモパイル センサー - ScienceDirect。 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092442472501060X