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Shutter-Systeme zur präzisen Fiebermessung

Um die COVID-19 Pandemie erfolgreich einzudämmen, werden weltweit zahlreiche medizinische sowie gesellschaftliche Maßnahmen ergriffen. Zu den medizinischen Kontrollen gehört auch die Messung der Körpertemperatur, wie sie beispielsweise bei Reisenden an Flughäfen in verschiedenen Ländern durchgeführt wird. Die Fiebermessung erlaubt natürlich keinen eindeutigen und direkten Nachweis einer Infektion. Die Virusinfektion kann jedoch symptomatisch mit einer erhöhten Körpertemperatur einhergehen.

Prinzip der kontaktlosen Fiebermessung

Infrarot-Kameras erlauben eine schnelle, zuverlässige und vor allem kontaktlose Messung der Temperatur. Die Körpertemperatur des Menschen beträgt etwa 310 K. Dies führt zur Emission von Infrarotstrahlung, die vom thermischen Sensor der IR-Kamera detektiert werden kann. Gemäß dem Wienschen Verschiebungsgesetz wird die intensivste Strahlung bei 10 µm ausgesendet. Die gesamte abgestrahlte Leistung wird durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben. Die Strahlungsleistung ist direkt proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur. Bereits kleinere Temperaturänderungen führen daher zu signifikanten Änderungen der emittierten Strahlung, was die IR-Detektion generell zu einer empfindlichen Methode zur Fiebermessung macht.

Der Emissionsgrad beschreibt das Strahlungsvermögen eines Körpers und muss für eine präzise Messung ebenso berücksichtigt werden. Bei den obigen Betrachtungen wird insbesondere von einem idealen Strahler ausgegangen, einem sogenannten schwarzen Körper. Dieser besitzt kein Reflexionsvermögen und hat einen Emissionsgrad von 1. Für reale Körper ist der Emissionsgrad jedoch material- und auch temperaturabhängig. Der Wert liegt hier zwischen 0 und 1 (grauer Strahler, selektiver Strahler).

Referenzmessung und Zwei-Farben-Prinzip

Unser Partner Nanomotion hat verschiedene piezobasierte Shutter speziell für Infrarot-Kameras entwickelt, um die Genauigkeit der Temperaturmessung zu erhöhen.

Bei der kontaktlosen Messung muss das Messsignal immer mit der Umgebungstemperatur verglichen werden. Hierbei ist es von Vorteil eine geeignete Referenzmessung durchzuführen. Der rotierbare Shutter RS08 von Nanomotion besitzt ein Verschlussblatt, das ähnliche Eigenschaften eines schwarzen Strahlers aufweist und somit zur Referenzmessung genutzt werden kann. Mit nur 8 mm Durchmesser ist dieser Shutter sehr kompakt aufgebaut, wobei der Piezomotor und die erforderliche Antriebselektronik bereits im Gehäuse integriert sind. Zusätzlich bietet Nanomotion das lineare Shutter-Modell S787 an, welches die gleichen Materialeigenschaften und Funktionalität wie der RS08 hat.

Typischerweise beruht die Temperaturmessung auf der Annahme eines Emissionsgrades, wodurch eine weitere Unsicherheit bei der Temperaturbestimmung entsteht. Weicht der angenommene Emissionsgrad beispielsweise um 4% vom tatsächlichen Wert ab, würde dies gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz zu einem Messfehler der Temperatur von noch 1% (also ein Viertel) führen. Auf die menschliche Körpertemperatur bezogen, würde dies einer absoluten Unsicherheit von 3.1°C entsprechen und damit deutlich oberhalb der erlaubten Toleranz für medizinische Messungen liegen. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, kann das Messsignal in zwei unterschiedlichen spektralen Bereichen gemessen werden. Durch Quotientenbildung lässt sich die Temperatur ermitteln, jedoch unter der Annahme, dass sich der Emissionsgrad nicht mit der Wellenlänge ändert (grauer Strahler). Diese Methode wird auch als Zwei-Farben-Prinzip bezeichnet. Speziell zu diesem Zweck hat Nanomotion ein Shutter-Modul entwickelt, welches einen schnellen Wechsel zwischen zwei Spektralfilter ermöglicht.