Предисловие

Инфракрасные термометры стали повседневным инструментом во время пандемии, однако большинство людей, использующих их каждое утро, имеют лишь смутное представление о том, что происходит между наведением устройства на лоб и чтением числа на экране. Этот разрыв имеет значение, поскольку понимание физики объясняет как сильные стороны технологии, так и причины, по которым показания могут быть ошибочными.

Это руководство отвечает на вопрос, как работает инфракрасный термометр, во всех технических подробностях: от электромагнитного излучения, излучаемого каждым объектом, до датчика термобатареи, который преобразует это излучение в напряжение, и от обработки сигнала внутри устройства до клинических данных, лежащих в основе скрининга на лихорадку лба. Он также охватывает практическую сторону: расстояние измерения, излучательную способность, условия окружающей среды, технику пользователя и разницу между медицинскими и промышленными приборами. Статья написана для родителей и опекунов, медсестер и сотрудников клиник, групп по закупкам, оценивающих устройства, студентов-инженеров и всех, кто хочет правильно использовать инфракрасный термометр, а не просто нажимать кнопку. В конце концов показания на дисплее будут иметь смысл как завершение цепочки измеримых физических событий.

Оглавление

1. 1. Что на самом деле измеряет инфракрасный термометр
2. 2. Физика: инфракрасное излучение, излучательная способность и эффект Зеебека.
3. 3. Внутри датчика: как термобатарея преобразует тепло в показания
4. 4. От напряжения к температуре: обработка сигналов и компенсация
5. 5. Почему измерение лба полезно для скрининга лихорадки
6. 6. Факторы точности: расстояние, окружающая среда и техника.
7. 7. Медицинские и промышленные инфракрасные термометры
8. 8. Finicare IR213: технология в практичном устройстве
9. 9. Покупка, использование и обслуживание инфракрасного термометра.

1. Что на самом деле измеряет инфракрасный термометр

Каждый объект с температурой выше абсолютного нуля излучает электромагнитное излучение в инфракрасном диапазоне, а интенсивность и распределение длин волн этого излучения зависят от температуры поверхности объекта. Инфракрасный термометр собирает часть этого излучения, фокусирует его на детекторе и рассчитывает температуру излучающей его поверхности. Ни один датчик не касается кожи, тепло не передается от пациента к устройству и вообще не происходит никакого контакта. Это краткий ответ на вопрос, как работает инфракрасный термометр: он измеряет излучаемое излучение, а не проводимое тепло.

Различие между температурой поверхности и внутренней температурой является самой важной концепцией в медицинской инфракрасной термометрии. Лобный термометр измеряет температуру кожи в лобной области и области височной артерии, а затем на основании соотношения между температурой кожи и внутренней температурой тела оценивает то, что врачи называют внутренней температурой. Эта связь достаточно сильна для проведения скрининга на лихорадку, когда устройство проверено, окружающая среда контролируется, а пользователь следует инструкциям, поэтому эту технологию принимают в больницах, аэропортах, школах и дома. Однако это не точно, и ни один бесконтактный термометр не измеряет температуру внутри тела напрямую.

Бесконтактное измерение также обеспечивает гигиенические преимущества, которые сделали инфракрасные термометры повсеместными. Поскольку устройство никогда не касается человека, у которого проводится измерение, перекрестное заражение между пациентами снижается, а дезинфекция между измерениями становится простой. FDA описывает бесконтактные инфракрасные термометры как устройства, которые измеряют температуру поверхности для уменьшения перекрестного загрязнения, и именно поэтому они стали инструментом скрининга по умолчанию в общественных местах.

2. Физика: инфракрасное излучение, излучательная способность и эффект Зеебека.

Физика работы инфракрасного термометра начинается с теплового излучения. Любая поверхность излучает инфракрасную энергию со скоростью, которая резко возрастает с температурой, в соответствии с соотношением Стефана-Больцмана: удвоение абсолютной температуры увеличивает излучаемую мощность в шестнадцать раз. Человеческая кожа при температуре примерно от 33 до 37 градусов по Цельсию излучает излучение, сконцентрированное в дальнем инфракрасном диапазоне, примерно от 8 до 14 микрометров, — диапазоне, который удобно проходит через атмосферу и через оптические фильтры, используемые в датчиках термометров.

Не все поверхности излучают одинаково. Коэффициент излучения описывает, насколько эффективно поверхность излучает по сравнению с идеальным черным телом, по шкале от 0 до 1. Человеческая кожа имеет коэффициент излучения примерно 0,98, что очень близко к коэффициенту излучения черного тела, что удачно для медицинской термометрии: устройство может принимать фиксированное значение коэффициента излучения и при этом получать стабильные показания. Блестящий металл, полированное стекло и зеркала имеют низкую излучательную способность и отражают окружающее излучение, а не излучают собственное, поэтому наведение инфракрасного термометра на хромированную поверхность дает бессмысленные цифры.

Механизм обнаружения основан на эффекте Зеебека, открытом в 1821 году. Когда два разнородных металла соединяются на обоих концах и соединения находятся при разных температурах, в цепи появляется небольшое напряжение, пропорциональное разнице температур. Один переход производит только микровольты, поэтому инженеры соединяют множество термопар последовательно, чтобы построить термобатарею, умножая сигнал на диапазон, который практическая электроника может усилить и оцифровать. Горячие спаи поглощают входящее инфракрасное излучение, холодные спаи располагаются на подложке датчика при известной эталонной температуре, а результирующее напряжение кодирует разницу температур между целевой поверхностью и самим датчиком.

3. Внутри датчика: как термобатарея преобразует тепло в показания

Перед сборкой датчики термобатарей калибруются по эталонам абсолютно черного тела.

Следующий этап работы инфракрасного термометра происходит внутри компонента размером меньше рисового зернышка. Современный датчик на термобатарее представляет собой микрообработанный кремниевый чип диаметром несколько миллиметров. Его ядро ​​представляет собой тонкую мембрану из нитрида кремния или аналогичного материала, подвешенную над полостью, вытравленной в подложке. Мембрана имеет чрезвычайно низкую тепловую массу, поэтому при попадании на нее инфракрасного излучения она нагревается и охлаждается практически мгновенно. На мембране расположены горячие спаи термопары, покрытые черным поглощающим слоем, который преобразует падающее излучение в тепло. Холодные спаи опираются на толстую кремниевую рамку, температура которой близка к температуре окружающей среды.

Два дополнительных компонента дополняют датчик. Термистор, встроенный в корпус, измеряет эталонную температуру холодных спаев, поскольку выходное напряжение зависит от разницы между горячими и холодными спаями, а не от абсолютной температуры. Без этого эталонного измерения устройство не могло бы отделить целевую температуру от температуры датчика. Оптический фильтр, обычно на основе кремния, блокирует видимый свет и пропускает только инфракрасный диапазон от 8 до 14 микрометров, предотвращая искажение сигнала солнечным светом и освещением в помещении.

Оптика определяет, куда смотрит датчик. Линза Френеля или небольшой отражатель собирает излучение от определенного конуса и направляет его на мембрану, устанавливая поле зрения. Отношение расстояния измерения к диаметру измеряемого пятна, называемое соотношением расстояния к пятну, сообщает пользователю, как далеко должна находиться цель, чтобы датчик мог видеть только намеченную поверхность. Медицинские термометры для лба используют короткие фиксированные расстояния, обычно от 1 до 5 сантиметров, с полем зрения размером с повязку на лбу. Промышленные термометры используют большие расстояния и более узкие поля, иногда с помощью лазерного визирования, чтобы показать, где находится точка.

Полная цепочка внутри устройства простирается от фотонов до напряжения и цифр. Инфракрасное излучение нагревает мембрану, термобатарея генерирует сигнал уровня микровольт, малошумящий усилитель поднимает его до полезного уровня, аналого-цифровой преобразователь оцифровывает его, а микроконтроллер применяет калибровочные константы, предположения о излучательной способности и компенсацию окружающей среды для расчета целевой температуры. Весь процесс, включая термическое осаждение, в хорошо сконструированном медицинском термометре занимает около одной секунды.

4. От напряжения к температуре: обработка сигналов и компенсация

Необработанный выходной сигнал датчика еще не является температурой. Микроконтроллер должен решить радиометрическое уравнение, которое связывает измеренное излучение с температурой поверхности, используя предположение о фиксированной излучательной способности кожи, эталон холодного спая и данные заводской калибровки, хранящиеся в памяти. Процесс калибровки, выполняемый по эталонам абсолютно черного тела при различных температурах, корректирует отклонения от датчика к датчику и потери передачи объектива. Без этого шага два устройства идентичной конструкции могли бы расходиться более чем в степени.

Компенсация окружающей среды не менее важна. Когда термометр перемещается из холодной машины в теплую клинику, корпус датчика, линза и внутренняя электроника еще не достигли теплового равновесия, и их изменяющиеся температуры искажают результаты измерения. Хорошие устройства включают в себя алгоритмы, которые моделируют собственное тепловое состояние датчика и соответствующим образом корректируют выходной сигнал. Вот почему производители указывают диапазон рабочих температур, обычно от 10 до 40 градусов Цельсия, и почему инструкции советуют пользователям дать устройству адаптироваться к условиям в помещении перед измерением. Тот же принцип применим и к пациенту: человеку, прибывшему с холодного наружного воздуха, требуется от 15 до 30 минут пребывания в помещении, прежде чем показания лба станут репрезентативными.

Заключительные этапы отображения добавляют клинического удобства. Микроконтроллер сверяет результат с пороговыми значениями температуры, активирует цветные индикаторы, подает звуковой сигнал и сохраняет показания в памяти. Разрешение обычно составляет 0,1 градуса Цельсия, тогда как заявленная точность режима температуры тела обычно составляет плюс-минус 0,2 градуса Цельсия в клинически значимом диапазоне примерно от 35 до 42 градусов Цельсия. Эти два числа описывают разные свойства: разрешение — это размер наименьшего отображаемого шага, а точность — насколько близко отображаемое значение может быть к истинной эталонной температуре.

Все описанное до сих пор представляет собой цепочку решений по калибровке и компенсации, что объясняет, почему для того, чтобы ответить на вопрос, как работает инфракрасный термометр, необходимо понимать как прошивку, так и сам датчик. Два устройства с одинаковыми термобатареями могут работать совершенно по-разному, если одно из них имеет тщательную многоточечную калибровку и моделирование окружающей среды, а другое использует одно заводское смещение.

5. Почему измерение лба полезно для скрининга лихорадки

Односекундное чтение со лба в домашних условиях, держа прибор на расстоянии 1–5 см от кожи.

Ответ на вопрос, как работает инфракрасный термометр, становится клинически полезным только тогда, когда датчик нацелен на участок, отслеживающий внутреннюю температуру, а лоб является лучшим кандидатом для воздействия. Область лба перекрывает лобную ветвь височной артерии — поверхностного сосуда, несущего кровь из наружного сонной артерии. Температура кожи в этой области отслеживает внутреннюю температуру более точно, чем на большинстве других открытых поверхностей, поэтому лобные термометры стали эталонным местом для бесконтактного скрининга. Когда во время лихорадки организм поднимает заданную точку, сужение сосудов в конечностях и усиление кровотока в голове и шее делают лоб относительно надежным индикатором.

Клинические исследования инфракрасных температурных устройств в целом показали приемлемое соответствие с эталонной термометрией при правильном использовании устройств с типичными погрешностями в пределах полградуса Цельсия и достаточно высокой чувствительностью для обнаружения лихорадки в условиях скрининга. Производительность зависит от качества устройства, условий окружающей среды и техники, и исследователи постоянно отмечают, что бесконтактные устройства не могут заменить контактную термометрию при принятии важных клинических решений. FDA также подчеркивает, что эти устройства измеряют температуру поверхности и должны использоваться в соответствии с инструкциями производителя, при этом нормальная температура тела часто находится в диапазоне от 97 до 99 градусов по Фаренгейту.

Практические преимущества объясняют живучесть технологии, несмотря на эти оговорки. Квалифицированное устройство производит показания примерно за одну секунду, работает, не разбудив спящего ребенка, не требует накрытия датчиков или дезинфекции между здоровыми пользователями и может быстро проверять большие группы. Для проверок при поступлении в школу, медицинской сортировки, проверки на рабочем месте и домашнего мониторинга такое сочетание скорости и гигиены перевешивает скромный компромисс с точностью, при условии, что пользователь понимает условия, при которых показания действительны.

Ограничения столь же реальны. Кожа лба быстро остывает на сквозняках, нагревается под прямыми солнечными лучами и меняется от пота, нанесения косметики и недавних физических упражнений. Одно показание, полученное в холодном дверном проеме, ближе к измерению дверного проема, чем пациента, поэтому передовая практика требует акклиматизации в помещении, повторных измерений и подтверждения с помощью контактного термометра, когда результат кажется несоответствующим состоянию пациента.

6. Факторы точности: расстояние, окружающая среда и техника.

Клинический сортировочный скрининг: точность определяется расстоянием, углом и стабильной средой в помещении.

Понимание того, как работает инфракрасный термометр на физическом уровне, напрямую влияет на дисциплину пользователя. Шесть факторов доминируют в реальной точности.

Дистанция прежде всего. Датчик усредняет все, что находится в его поле зрения, поэтому, если держать устройство слишком далеко, излучение от лба смешивается с фоновым излучением из комнаты. Медицинские термометры рассчитаны на определенное короткое расстояние, и многие модели оснащены индикатором расстояния или инструкциями по легкому касанию лба корпусом зонда, чтобы устранить зазор.

Предположения о излучательной способности идут на втором месте. Устройство откалибровано для кожи примерно на уровне 0,98, поэтому оно не может считывать показания через одежду, густую косметику или влажное полотенце. Пот на лбу снижает температуру поверхности за счет испарения и изменяет оптические свойства кожи, создавая ложно заниженные показания.

Условия окружающей среды занимают третье место. Прямые солнечные лучи, вентиляционные отверстия кондиционеров, обогреватели и открытые окна меняют температуру кожи независимо от температуры тела. Само устройство также должно находиться в рабочем диапазоне, обычно от 10 до 40 градусов Цельсия, и быть адаптировано к помещению.

Техника следующая. Датчик должен быть расположен перпендикулярно лбу и направлен в центр, а не на линию роста волос или висок. Волосы, повязки и головные уборы блокируют инфракрасное излучение. Пользователю следует дождаться звукового сигнала завершения, а не отнимать устройство раньше времени.

Состояние аккумулятора и чистота линз имеют большее значение, чем ожидают пользователи. Разряженная батарея может повлиять на подсветку, смещение датчика или на то и другое, а запачканная линза рассеивает излучение и снижает мощность сигнала. Очистка линзы спиртовым тампоном и дайте ей высохнуть, чтобы восстановить работоспособность.

Наконец, повторение устраняет двусмысленность. Если показания завышены или неправдоподобно занижены, правильным ответом будет повторение измерения после короткой паузы в стабильной среде и сравнение со вторым методом, повлияет ли результат на уход. Ни одно инфракрасное показание не является диагнозом.

7. Медицинские и промышленные инфракрасные термометры

Один и тот же принцип термобатарей используется в устройствах, предназначенных для совершенно разных задач, и смешение этих двух категорий является распространенной ошибкой при покупке.

Медицинские инфракрасные термометры оптимизированы для человеческого организма. Они используют фиксированный коэффициент излучения около 0,98, узкий диапазон температуры тела, короткое расстояние измерения и встроенное ПО, настроенное для режима лба, а иногда и режима уха или объекта. Они регулируются как медицинские устройства: в Соединенных Штатах они обычно требуют допуска 510 (k) как устройства класса II, а производительность оценивается по таким стандартам, как ASTM E1965 и ISO 80601-2-56. К этой категории относятся данные клинической проверки, сигналы тревоги о повышении температуры и цветовые индикаторы.

Промышленные инфракрасные термометры оптимизированы для работы с поверхностями. Они предлагают регулируемый коэффициент излучения примерно от 0,1 до 1,0, диапазон измерения от минусовой температуры до нескольких сотен или даже тысяч градусов, лазерное визирование и соотношение расстояния к пятну, такое как 12: 1, что позволяет пользователям проводить измерения с безопасного расстояния. Они не прошли клиническую валидацию для измерения температуры тела и не должны использоваться для скрининга лихорадки, даже несмотря на то, что базовая технология датчиков та же самая.

Третья категория, потребительские «лобные пистолеты», продаваемые без медицинской регистрации, занимает неудобную золотую середину. Они могут работать как грубые индикаторы, но им не хватает дисциплины калибровки и нормативной проверки, которую получают медицинские устройства. Покупатели, которым нужны обоснованные показания, должны проверить регистрацию медицинского устройства, а не полагаться на маркетинговый язык.

8. Finicare IR213: технология в практичном устройстве

Лобный термометр Finicare IR213: ЖК-дисплей с зеленой подсветкой, время считывания за одну секунду, память на 35 групп.

Finicare, основанная в 2017 году и объединяющая исследования и разработки, производство и продажи, является производителем медицинского оборудования из Шэньчжэня, экспортирующим свою продукцию в более чем 80 стран. Ассортимент ее продукции, включающий термометры, тонометры, оксиметры и небулайзеры, показывает, как описанная выше теория становится товаром для транспортировки, а лобный термометр IR213 является наглядным примером того, как инфракрасный термометр работает в повседневном использовании.

IR213 сочетает в себе эргономичный белый корпус с ярко-зеленым ЖК-дисплеем с подсветкой, на котором отображаются большие черные цифры, читаемые в темной детской или ярком коридоре клиники. Под дисплеем расположены две круглые кнопки: одна с надписью «М» для памяти, а другая со значком термометра для измерения. Устройство измеряет температуру лба примерно за одну секунду, сохраняет 35 групп показаний для просмотра тенденций, переключается между градусами Цельсия и Фаренгейта, измеряет температуру объекта и комнаты в отдельном режиме и включает в себя детский режим, а также трехцветный индикатор и сигнализацию о лихорадке, которые превращают необработанные цифры в сразу понятный сигнал.

Внутри устройство соответствует архитектуре, описанной ранее: инфракрасный датчик с фиксированной излучательной способностью кожи, микропрограмма компенсации окружающей среды, заводская калибровка и микроконтроллер, который управляет дисплеем и логикой сигнализации. Сертифицированная продукция включает сертификаты FDA 510(k), CE (MDR), TGA, MDL, UKRP, NMPA, FSC, FCC и RoHS, а завод работает в соответствии со стандартом ISO 13485 с признанием MDSAP и социальным соответствием BSCI. Каждый сертификат может быть проверен выдавшим его органом, и покупателям, оценивающим устройство, рекомендуется сделать это.

9. Покупка, использование и обслуживание инфракрасного термометра.

Покупателям следует начать с документации. Подтвердите, что устройство зарегистрировано как медицинское устройство на целевом рынке, что его заявленная точность охватывает диапазон температуры тела и что производитель может предоставить данные клинической проверки и записи калибровки. Проверьте стандарты, указанные в тестовом файле, обычно ASTM E1965 и ISO 80601-2-56 для клинических термометров, и проверьте сертификаты в органе, выдавшем сертификат, а не принимайте копии за чистую монету.

Пользователям следует один раз внимательно прочитать инструкцию. В них указывается расстояние измерения, правильное расположение лба, диапазон рабочих температур, время акклиматизации и метод очистки. Выполнение этих инструкций не является бюрократической деталью; в этом разница между чтением, отражающим пациента, и чтением, отражающим комнату.

Обслуживание простое, но не обязательное. Очищайте линзу и корпус зонда спиртовой салфеткой, никогда не погружайте устройство в воду, заменяйте батарейки до ухудшения характеристик и храните термометр вдали от источников тепла и прямых солнечных лучей. Клиники, которые зависят от точности скрининга, должны периодически проверять устройства по эталонному термометру в контролируемой водяной бане или инфракрасному черному телу, а также должны выводить из эксплуатации устройства, отклонения которых выходят за пределы заявленного допуска. Термометр — это измерительный инструмент, и, как любой прибор, он заслуживает периодического подтверждения того, что он по-прежнему измеряет то, что заявляет. Ничто из этого обслуживания не меняет работу инфракрасного термометра, но оно сохраняет точность устройства, обещанную его конструкцией.

Краткое содержание

Ответ на вопрос, как работает инфракрасный термометр, охватывает физику, электронику и клиническую практику. Каждый объект излучает инфракрасное излучение, пропорциональное температуре его поверхности. Датчик термобатареи, построенный из последовательно соединенных термопар, использующих эффект Зеебека, преобразует это излучение в сигнал микровольт, а микроконтроллер применяет калибровку, фиксированную излучательную способность кожи около 0,98 и компенсацию окружающей среды для отображения температуры. Измерение лба работает, потому что кожа над височной артерией достаточно точно отслеживает внутреннюю температуру для скрининга с типичной клинической погрешностью в пределах полградуса Цельсия, когда устройства проверены и используются правильно.

Точность использования зависит от контроля расстояния, акклиматизации в помещении, чистой оптики, правильного выбора режима и повторения, когда показания кажутся неправильными. Медицинские устройства имеют допуск 510(k) и такие стандарты, как ASTM E1965, тогда как промышленные термометры с регулируемой излучательной способностью и лазерным прицелом не являются клиническими инструментами. Компания Finicare, основанная в 2017 году и объединяющая исследования и разработки, производство и продажи, производит сертифицированные домашние медицинские устройства, в том числе лобный термометр IR213 с ЖК-дисплеем с зеленой подсветкой, показаниями одной секунды, памятью на 35 групп, сигнализацией о лихорадке и режимами «объект/комната», экспортируемыми в более чем 80 стран, с сертификатами продукции, включая FDA 510 (k), CE (MDR), TGA, MDL, UKRP, NMPA, FSC, FCC, и RoHS, а также заводские сертификаты, включая ISO 13485, MDSAP и BSCI. Понимание технологии — это первый шаг к ее эффективному использованию, а устройство, работу которого вы понимаете, — это устройство, которому вы можете доверять в его пределах.

Ссылки

1. Датчики термобатарей: Руководство по бесконтактному измерению температуры – ЭДН. https://www.edn.com/thermopile-sensors-a-guide-to-non-contact-temperature-measurement/

2. Бесконтактные инфракрасные термометры – Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. https://www.fda.gov/medical-devices/general-hospital-devices-and-supplies/non-contact-infrared-thermometers

3. Клиническая точность инфракрасных приборов для измерения температуры – ПМЦ. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11046542/

4. Выносной инфракрасный датчик МЭМС-термобатареи для бесконтактного измерения температуры - ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092442472501060X