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低成本热像仪的性能评估

医学应用的低成本热像仪的性能评估

摘 要

热成像技术是医学领域中一项很有前途的技术。最近的发展是与智能手机兼容的低成本红外（IR）传感器，为家庭监控应用提供了竞争优势。家庭监控应用提供了竞争优势。然而，与更昂贵的高端设备相比，这些传感器的能力有所下降。与更昂贵的高端设备相比，这些传感器的能力有所下降。在这项工作中，对热成像仪进行了特征描述和描述。表征包括非均匀性（NU）效应和修正，以及热像仪对室温的依赖性、噪声等效温差（NETD）和响应曲线(NETD)，以及响应曲线随温度变化的稳定性。结果表明，低成本的热像仪提供了良好的性能，特别是在温度控制的环境中使用时，提供了证据表明，这种传感器适用于医疗应用，特别是在评估糖尿病足溃疡的评估，这也是我们目前研究的重点。

关键词 热像仪；低成本；医疗应用；糖尿病足；微测辐射计；NETD；非均匀性

Performance Assessment of Low-Cost Thermal Cameras for Medical Applications

Abstract

Thermal imaging is a promising technology in the medical field. Recent developments in low-cost infrared (IR) sensors, compatible with smartphones, provide competitive advantages for home-monitoring applications. However, these sensors present reduced capabilities compared to more expensive high-end devices. In this work, the characterization of thermal cameras is described and carried out. This characterization includes non-uniformity (NU) effects and correction as well as the thermal camerasrsquo; dependence on room temperature, noise-equivalent temperature difference (NETD), and response curve stability with temperature. Results show that low-cost thermal cameras offer good performance, especially when used in temperature-controlled environments, providing evidence of the suitability of such sensors for medical applications, particularly in the assessment of diabetic foot ulcers on which we focused this study.

Keywords thermal cameras; low-cost; medical applications; diabetic foot; microbolometer; NETD; non-uniformity

绪论

简介

在过去的几十年里，热红外传感技术有了很大的发展。由于新一代基于微测辐射计的非制冷红外（IR）热传感器的出现^[1]。这些探测器使用微电子机械系统（MEMS）技术来制造大型二维阵列。降低了成本，同时提供了高灵敏度和良好的图像质量^[2]。这些传感器的普及和这些传感器在多个领域（包括民用和军用）的普及和应用，促进了该技术在噪声方面的改进。这些传感器在民用和军用等多个领域的普及和应用，促进了这项技术在噪声以及成本降低和探测器尺寸增加方面的改进。

热成像技术在医疗领域引起了极大的兴趣，因为皮肤温度的变化可能与不同的医学问题有关。温度变化可能与不同的医疗并发症有关，如炎症、缺血或感染^[3-5]。热成像提供温度功能观察以及组织结构热特性^[6]。基于热成像的应用已被提出，用于监测和评估不同的病症，包括皮肤病并发症。肿瘤、糖尿病神经病变、关节炎、血管病变和其他循环系统障碍，如雷诺氏现象^[7-13]。此外，一些应用已经采用了主动热成像技术在这种情况下，温度是在热刺激（加热或冷却）导致的动态状态下测量的。或冷却）的动态状态下测量温度^[14-16]。此外，一些电子健康应用也提出了使用红外热成像的建议。热成像技术^[9-17]。在糖尿病足的情况下，已经有一个数据库来促进这种病症的早期诊断。糖尿病足，已经有一个数据库来促进这种病理的早期诊断^[18]。将自我监测的图像上传到数据库的可能性有两方面的作用。效益。首先，如果发现警告信号，受试者会得到一份报告，然后是一个公开可用的传感器数据库增加，提高了早期诊断的效率。然而，尽管此类应用日益普及然而，尽管此类应用日益普及，临床热成像技术尚未成为一项普遍使用的技术。这可以部分地解释为，在大多数建议的应用中，所选的部分原因是，在大多数拟议的应用中，所选的传感器仍然相对昂贵、笨重，并且难以处理病人的自我监测。

在过去的几年里，一些制造商提出了新的低成本、现成的红外线

基于微测辐射计的设备，包括光学和电子器件，与手机或平板电脑等移动设备兼容。与移动设备（如手机或平板电脑）兼容。这些传感器为医学红外成像开辟了一个新的领域。这些传感器为医疗红外成像开辟了一个新的场所，因为它们为家庭监测应用提供了竞争潜力，促进了这项技术的可及性和可用性。这些传感器为医学红外成像开辟了新的领域，因为它们为家庭监测应用提供了竞争潜力，促进了这项技术的可及性和可用性。然而，与高端设备相比，这些低成本的型号提供的功能有所降低主要是由于传感器的空间分辨率、更简单的光学器件、外壳和电子产品。

据作者所知，在临床应用中使用低成本的传感器，而不是高端的微测辐射计的可行性，以及它们的性能的影响，以前还没有过。

而不是高端微测辐射计的可行性，以及它们的性能的影响，以前还没有被详细研究过。特定的低成本微测辐射计的特点是没有与科学或工业级模型进行比较它们与科学或工业级模型相比，也没有分析性能降低的影响在具体应用中的影响^[19]。长波红外(LWIR)低成本相机经常被分析。往往根据制造商提供的数据和对获得的图像进行目视检查来分析图像^[20,21]。此外，特定的低成本长波红外探测器的特点集中于它们在与临床病理评估或监测无关的领域的适用性^[22,23]。

本文旨在描述热传感器的特点，并分析其在医疗方面的可行性。

的可行性，特别是对糖尿病足异常情况的评估。已经有几项研究

进行了几项研究，以测试红外成像对糖尿病并发症的可行性，其依据是研究脚底的温度^[24-27]。在溃疡出现之前，之前的皮下异常可能会导致皮肤局部温度变化，可以用热红外传感器检测到。评估程序通常可分为以下几大类之一。独立肢体温度分析、对侧温度对称性分析、温度分布分析和外部压力分析。分布分析，以及外部应力分析^[28]。所有这些方法都要求热成像仪能够能够提供中等或良好的空间分辨率、测量的可重复性和再现性在不同的条件下，低噪音和低固定图案噪音（FPN）。传统上，溃疡病的热成像应用的技术溃疡风险检测的热成像应用的技术要求是由中等或高端相机满足的。高端相机^[9-11,29]。因此，这项工作的主要目的是描述低成本的微测辐射热计，并将其性能与参考的高端热像仪进行比较。这些传感器在非均匀性（NU）效应方面的特点，以及它们对环境温度的依赖性。对环境温度、噪音当量温度差（NETD）以及相机响应的依赖性。

材料和方法

本节解释了红外热像仪的选择和分析，将制造商提供的特性与测量的特性进行比较。在对参数进行全面的数学和物理描述后，将制造商提供的特性与测量的特性进行比较参数的全面数学和物理描述后，对制造商提供的特性和测量的特性进行比较。

红外线摄像机

低成本和与智能手机兼容的红外摄像机

评估了几种市售的红外摄像机，用于自我监测的医疗应用。技术要求包括低成本、中等或高检测器尺寸、低重量。内置光学器件和电子器件，以及与移动设备的兼容性。满足这些要求的四种相机它们的特点，由制造商提供，表1中总结了它们的特点。

Flir相机因其探测面积小而被放弃，而Opgal相机因其成本较高而未被考虑。由于其成本较高，大约是其他型号的两倍，所以没有考虑。一个寻求热传感器 CompactPRO（ST）和两台Thermal Expert TE-Q1 Plus（TE-Q1）相机（见图1），选择并确定了特征。

图1. 选定的热像仪。ST（左）和TE-Q1（右）。

表1. 低成本市售长波红外（LWIR）相机的特点由其制造商提供

1 NETD，噪声等效温差；MRTD，最小可解温差。

参考高端热像仪

一台基于微测辐射计的INO IRXCAM-640科学级热像仪被用于测试。测试。该相机由加拿大公司INO（国家光学研究所）制造并基于一个640 times; 480像素的ULIS非制冷微测辐射热计模型ULIS-04-17-1 [30]。该传感器被认为是未冷却的，因为没有使用低温系统来降低其温度。然而。热电冷却器（TEC）被集成以稳定温度，正如许多高端红外传感器一样。INO IRXCAM-640相机包括一个JANOS镜头，为热红外范围而优化（Surnia型号，f/0.86，在LWIR范围内95%的典型透射率）。该系统提供高质量的功能如低噪音电子器件、16位转换器和两个并行读出电路，以及快速光学器件该系统具有高质量的特点，如低噪音电子元件、16位转换器和两个并行的读出电路，以及快速光学元件，可最大限度地将能量传输到传感器表面。

这种相机以前曾被用于天体物理学的原型设计和测试目的，仪器的原型和测试[31]。然而，必须提到的是，市场上已经有了1024times;960像素的新型微测辐射仪。的新微测辐射计已经在市场上存在。图2显示了INO IRXCAM-640，表2总结了其特点。

表2. INO IRXCAM-640的特点[30]