熱成像儀怎么瞬間測到人體溫度變化

□文/張擎鳴

機(jī)場、火車站等處使用的體溫檢測熱成像儀

雖然新型冠狀病毒感染肺炎癥狀有多種，但是很多人依舊有發(fā)熱、咳嗽等癥狀，因此測量體溫依舊是目前普通人對新型冠狀病毒感染肺炎初步篩查的辦法。進(jìn)入銀行、社區(qū)、學(xué)校、地鐵等，都要進(jìn)行人體測溫。但是傳統(tǒng)的水銀體溫計、額溫槍等需要接觸或靠近人體，容易發(fā)生交叉感染，而且檢查速度也比較慢。為了解決這個問題，在人流量大的地方越來越多地采用紅外熱成像測溫儀，無接觸測溫，檢查快速。今天我們就來談?wù)劅岢上駜x是如何快速測量人體溫度的。

人類的保護(hù)神

全球化的發(fā)展，把人類緊密地聯(lián)系在一起，一種傳染病在任何地區(qū)都有可能迅速傳播到世界上的每一角落。在公共衛(wèi)生領(lǐng)域，應(yīng)對傳染性疾病擴(kuò)散，最為重要的一個環(huán)節(jié)就是檢疫和區(qū)域性隔離，區(qū)分開病毒攜帶者與未感染群體。因此，機(jī)場、車站等交通人流匯聚點，已成為檢查的重要關(guān)卡。以往，醫(yī)學(xué)檢疫過程必須對每個人進(jìn)行全面檢查，耗時漫長。特別在人流量大的機(jī)場、地鐵出入口等地方，再使用傳統(tǒng)方式逐個檢疫每個通行人員，檢疫過程冗長且效率較低，會導(dǎo)致旅客滯留，更嚴(yán)重的情況是滯留區(qū)交叉感染成為新的高危區(qū)域。所以，公共衛(wèi)生中怎么將此類檢疫過程時間縮短并高效化，成為至關(guān)重要的問題。

回望人類社會經(jīng)歷過埃博拉和SARS暴發(fā)的種種危機(jī)，當(dāng)出現(xiàn)病毒傳染等突發(fā)性衛(wèi)生事件時，在世界各地出入境關(guān)口，都會借助一種叫作熱成像儀的工具來對人流進(jìn)行測溫。這些檢測工具是非接觸式，因為沒有觸碰待檢疫人群也降低了醫(yī)護(hù)人員感染病毒的風(fēng)險，雖然這種檢測過程不能精準(zhǔn)找到病毒也沒法觀察到細(xì)菌狀態(tài)，但是它能完全顯示出檢測區(qū)域人體和環(huán)境的溫度變化，捕捉到人體溫度信息來初步判斷是否感染病毒（在病理學(xué)中將人體發(fā)熱癥狀作為判定很多疾病的一種綜合性表現(xiàn)），所以有體溫偏高的乘客，就可以立即將他們引導(dǎo)分流做進(jìn)一步檢查。有效保護(hù)未受感染的群體，同時也可以幫助安檢人員區(qū)分高風(fēng)險乘客。

瞬間測溫的原理

那么熱成像儀到底是怎么做到瞬間測控人體溫度變化的呢？這得從1991年海灣戰(zhàn)爭說起，當(dāng)時在戰(zhàn)場上出現(xiàn)很多高科技武器和輔助平臺，紅外熱成像技術(shù)便是其中最閃亮的明星，其中涉及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、器件物理、材料制備、微機(jī)械加工、信號處理與顯示、封裝與組裝等一系列專門技術(shù)。當(dāng)時該技術(shù)主要用在黑夜或濃厚云霧中探測偽裝的目標(biāo)、高速運動的目標(biāo)等軍事領(lǐng)域。

那么，它是怎么做到夜視、透視等神奇功能的呢？該技術(shù)的物理原理得從牛頓說起，1672年牛頓利用分光棱鏡把太陽光(白光)分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等不同單色光。1800年，英國物理學(xué)家F.W.赫胥爾對光進(jìn)行熱觀測，他偶然將溫度計放在紅色光帶外，發(fā)現(xiàn)比其他色光的溫度指示數(shù)值都高。為了排除偶然誤差事件，同樣條件下反復(fù)多次試驗，結(jié)果表明太陽光分解出單色光中熱量最多的高溫區(qū)，總是處于單色光帶最邊緣處紅光的外面。物理學(xué)界認(rèn)識到太陽輻射出的光線中除可見光線外，可能至少有一種以上看不見的“熱光線”，這種看不見的“熱光線”位于紅色光外側(cè)，被叫作紅外線，又稱紅外輻射，是指波長為0.78～1000μm的電磁波。其中波長為0.78～1.5μm的部分稱為近紅外線，波長為1.5～10μm的部分稱為中紅外線，波長為10～1000μm的部分稱為遠(yuǎn)紅外線。而波長為2.0～1000μm的部分，稱為熱紅外線。

牛頓用分光棱鏡分解太陽光

F.W.赫胥爾對光的熱觀測

光的電磁波譜

隨著科學(xué)的進(jìn)步，紅外線輻射的神秘面紗慢慢被揭開，在自然界中紅外線輻射僅是一種普遍存在的電磁波輻射，紅外線在電磁波連續(xù)頻譜中分布在無線電波與可見光之間的區(qū)域。地球上除了太陽能產(chǎn)生輻射外，任何物體在自然條件下，也能通過分子和原子的無規(guī)則運動，不停地輻射出熱紅外能量。分子和原子的運動越強(qiáng)烈，所產(chǎn)生的輻射能量也就越大;相反，輻射的能量也就越小。所以高溫物體產(chǎn)生的熱輻射能量明顯強(qiáng)于低溫物體。因此，只要將這種紅外輻射強(qiáng)弱信息收集到，便能判定出該物體的溫度與能量。利用探測器對目標(biāo)和背景之間的紅外線差測量，反饋出不同強(qiáng)弱的紅外圖像，稱為熱圖像。用在觀測物體上的熱圖像，有別于肉眼能看到的可見光圖像，它呈現(xiàn)出的是該物體表面溫度分布情況的圖像。這種觀測方式可以簡單理解為，將人類肉眼直接觀察不到的物體表面溫度分布，轉(zhuǎn)化為肉眼可見的表面溫度分布的熱圖像。這樣，就能在光線較差的夜間、大霧等環(huán)境中依然觀察到物體。特別是遠(yuǎn)距離情況下，無法區(qū)分混雜在環(huán)境中的生物與設(shè)備（工作中的設(shè)備常有熱量聚集，溫度高于環(huán)境溫度），開發(fā)出對遠(yuǎn)距離目標(biāo)熱狀態(tài)圖像成像和測溫的夜視與透視等多項功能。這種技術(shù)稱為被動紅外夜視技術(shù)，原理是基于在自然界中溫度高于絕對零度(-273℃)的一切物體，任何時間都在不斷地輻射出紅外線這一前提條件，由物體本身狀態(tài)下放射出的這種紅外線輻射都具備該物體基本屬性的信息（形狀、溫度等）。通過光電紅外探測器收集到物體發(fā)熱部位輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號，這種強(qiáng)弱有序的電信號在圖像處理后便能一一對應(yīng)還原出物體表面溫度的空間分布，轉(zhuǎn)化出熱圖像視頻信號在顯示器等可視端口，得到與物體表面熱分布相對應(yīng)的夜視熱圖像。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

熱成像儀可應(yīng)用于身體健康評估、疾病篩查等領(lǐng)域。人體是天然的生物紅外輻射源，其熱態(tài)(溫度)分布具有一定的穩(wěn)定性和特征性，因解剖結(jié)構(gòu)、組織代謝、血液循環(huán)、神經(jīng)活動狀態(tài)不同，形成了不同熱場。當(dāng)人體某處發(fā)生疾病或功能改變時，該處組織代謝、血液循環(huán)、神經(jīng)活動狀態(tài)就會變化，導(dǎo)致局部熱場改變，輻射量發(fā)生變化，表現(xiàn)為局部溫度分布的相應(yīng)改變。

在醫(yī)療診斷上，根據(jù)人體體表溫度的分布，測量人體各個部位的溫度變化將病變區(qū)域與正常區(qū)域?qū)Ρ?，快速確診病灶區(qū)域，并根據(jù)溫度變化情況判定病理變化程度。熱成像儀可以檢測到人體表面0.005～0.025℃的代謝熱強(qiáng)度改變，能精確捕捉到組織細(xì)胞代謝異常信息，并形成人體全息醫(yī)學(xué)圖像及數(shù)據(jù)。據(jù)此分析和評估，就可以從功能醫(yī)學(xué)角度實現(xiàn)對人體健康信息的綜合評估，實現(xiàn)對疾病的早發(fā)現(xiàn)、早治療。

在不同的領(lǐng)域中，紅外熱成像技術(shù)也起到至關(guān)重要的作用。熱成像儀在工業(yè)上發(fā)揮的作用有檢測設(shè)備、監(jiān)測運行狀況及產(chǎn)品質(zhì)量檢驗等。利用熱成像儀顯示的熱圖像和設(shè)備表面溫度分布的信息，找到處于危險隱患的部件和正出現(xiàn)問題的區(qū)域，準(zhǔn)確定位并及時處理。石油化工生產(chǎn)中需要許多管道運輸高溫高壓氣體和液體，如果管道內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕、滲漏、破損、堵塞等問題，人眼直接觀察不到。借助熱成像儀能檢測到該區(qū)域的溫度分布是否有熱量散失，來定位和判斷事故原因。在電力系統(tǒng)中，電子部件使用時間較長后出現(xiàn)松動、破裂、銹蝕等造成接觸電阻增加，致使電子部件溫度升高，采用熱成像儀直接觀察和測量潛在故障、損壞情況來提前排除隱患。在城市建筑中，利用熱成像儀對墻壁內(nèi)部裂痕、管道滲漏、采暖保溫都能做到檢測和評價。在森林火災(zāi)防護(hù)上，對干旱季節(jié)期間不易發(fā)現(xiàn)的隱火，利用熱成像技術(shù)全面定位、提前撲滅。在消防滅火現(xiàn)場輔助救助上，在濃煙大火中消防隊員無法睜眼搜救受困人群，在紅外熱成像儀幫助下可以辨析人體和高溫火源位置，還能有效尋找逃生路徑。在野外科考上，利用機(jī)載熱成像儀可以悄無聲息、不分晝夜地遠(yuǎn)距離觀察野生動物，也不干擾它們本有的生活環(huán)境。在食品安全上，儲藏制冷裝置和管道的隔熱出現(xiàn)問題，就會導(dǎo)致食物受到細(xì)菌感染，用熱成像儀可以檢查設(shè)備工作狀態(tài)，還可以篩選蔬菜、水果生理腐敗變質(zhì)等。

某款熱成像儀使用說明書

主要功能

人體體溫篩查 ，發(fā)熱報警后自動拍照捕獲發(fā)熱目標(biāo)，支持自動校溫，支持報警預(yù)值設(shè)置，不漏過一個疑似人員，大大降低操作人員的工作量。標(biāo)配PC電腦，功能強(qiáng)大，可多人同時測溫，人員無須停留，測溫效率極高，毫秒級測溫，實現(xiàn)無感篩查，每分鐘篩查測溫可超500人，歷史數(shù)據(jù)可查。

應(yīng)用領(lǐng)域

公共場所大面積的人員體溫測溫監(jiān)控與發(fā)燒人群篩查，控制并減少如埃博拉、SARS、寨卡、新冠肺炎等發(fā)熱疫情的蔓延。

關(guān)鍵參數(shù)

紅外分辨率：120x900、可見光：200萬像素、測溫范圍：20～50℃、測溫精度：≤0.5℃、適用環(huán)境：室內(nèi)/無風(fēng)、建議距離：1～1.5米，最遠(yuǎn)可以10米外測溫，不會近距離接觸帶來傳染風(fēng)險，更安全高效。