چگونه می توان از دوربین مادون قرمز برای تشخیص تب استفاده کرد؟

علم فیزیک می‌گوید شاید بتوان از یک دوربین مادون قرمز به‌عنوان روشی غیرتهاجمی، سریع و ساده برای غربالگری افراد دچار تب، استفاده کرد.

یکی از جالب‌ترین موضوعات درمورد دوربین‌های مادون قرمز این است که می‌توانید آن را به‌سمت یک صحنه بگیرید و تصویری عینی از میزان گرم یا سرد بودن اجسام تهیه کنید. اگر این اجسام، انسان‌ها باشند، چه؟ برای مثال آیا می‌توانید از دوربین مادون قرمز برای بازرسی مردم در ورودی فرودگاه برای تشخیص تب احتمالی ناشی‌‌از کووید ۱۹ استفاده کنید؟ نکته‌ی مثبت این کار آن است که نیازی به هیچگونه تماس فیزیکی نیست و می‌توانید تقریبا به‌طور آنی آن را قرائت کنید.

ممکن است تصاویری از دستگاه‌های مادون قرمز دستی به‌نام تفنگ دما (تا حدودی متفاوت عمل می‌کنند) را دیده باشید که به همین شکل در چین مورد استفاده قرار می‌گرفت. حسگرهای مادون قرمز همچنین در کارخانه‌ها برای نظارت بر دمای تجهیزات بدون نیاز به متوقف کردن آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما درزمینه‌ی استفاده از این فناوری برای غربالگری و شناسایی افراد بیمار مسائلی وجود دارد. بد نیست درمورد نحوه‌ی عمل حسگرهای مادون قرمز بیشتر بدانید.

همه‌چیز نور ساطع می‌کند حتی اگر آن را نبینید

درمورد علم، همیشه آن چیزی را که به‌دنبال آن هستید، پیدا نمی‌کنید. اما گاهی اگر تلاش کنید، ممکن است حتی چیز بهتری به دست آورید. این همان اتفاقی است که در سال ۱۸۰۰ برای ویلیام هرشل رخ داد. هرشل درحالی‌که درحال آزمایش فیبرهای نوری بود، از منشوری استفاده کرد تا نور خورشید را به رنگ‌های سازنده‌ی آن تجزیه کند. او در محیط آزمایش خود دماسنج‌هایی را مستقر کرد. هرشل می‌دانست که وقتی نور روی جسم بیفتد، موجب گرم شدن آن می‌شود اما می‌خواست اثر هرکدام از رنگ‌ها را به‌طور جداگانه اندازه‌گیری کند. او سپس متوجه چیز عجیبی شد: دماسنجی در انتها، آن طرف‌تر از رنگ قرمز که حتی در نور قرار نداشت، نیز گرم شد. چه عجیب! دلیل آن بود که نوری به آن دماسنج برخورد می‌کرد ولی با چشم انسان قابل دیدن نبود. این کشف همان چیزی است که اکنون ما آن را نور مادون قرمز می‌خوانیم.

صبر کنید! چیزهای بیشتری هم وجود دارد. شما می‌توانید از طول موج نوری که از یک جسم ساطع می‌شود، برای تعیین دمای آن استفاده کنید. حتما هنگام استفاده از اجاق برقی این پدیده را دیده‌اید. وقتی المنت به‌خوبی داغ می‌شود و مثلا به حدود ۲ هزار درجه فارنهایت (۱۰۹۳ سانتی‌گراد) می‌رسد (این دمای روی المنت است نه هوای اجاق برقی که کیک شما را می‌پزد)، رنگ قرمز مایل به نارنجی پیدا می‌کند:

اگر چیزی به درخشش آن ببینید، می‌دانید که نباید به آن دست بزنید، درست است؟ اما این سیستمِ مصون از خطایی نیست. وقتی اجاق را روشن کردید، مثلا پس از یک دقیقه یا بیشتر، ممکن است هنوز سیاه به‌نظر برسد (نور مرئی از آن ساطع نمی‌شود)، اما به اندازه‌ی کافی داغ است که بتواند دست شما را بسوزاند. اگر تصویری با یک دوربین مادون قرمز از آن بگیریم چه می‌شود؟ این چیزی است که در طیف مادون قرمز به‌نظر می‌رسد:

حالا نور را می‌بینید. البته این تصویری دارای رنگ کاذب است. از آن‌جایی که چشم شما نمی‌تواند نور مادون قرمز را تشخیص دهد، دوربین اساسا از نورهای مرئی برای نشان دادن طول موج‌های متفاوت مادون قرمز استفاده می‌کند. در این پالت (که می‌توانید آن را تغییر دهید)، زرد، داغ‌تر از نارنجی و نارنجی داغ‌تر از بنفش است.

دوربین مادون قرمز چگونه دما را تعیین می‌کند

اجسام در طیف گسترده‌ای از طول موج‌ها، تشعشعات الکترومغناطیسی ساطع می‌کنند (این همان نور است). اگر برای یک جسم خاص، شدت تابش (چگالی طیف توان) را دربرابر طول موج رسم کنید، منحنی مانند منحنی زیر به دست می‌آید:

اگر می‌خواهید با نسخه‌ی تعاملی این پلات بازی کنید، شبیه‌ساز PhET را امتحان کنید. طول موج‌های دارای حداکثر شدتی که تولید می‌شوند (قله در منحنی بالا)، به دمای جسم بستگی دارد. هرچه جسم داغ‌تر می‌شود، طول موجی که تابش آن حداکثر است، کاهش پیدا می‌کند و به سمت چپ طیف امواج الکترومغناطیسی (نزدیک طیف مرئی) حرکت می‌کند. بنابراین، برای چیزی در دمای اتاق (حدود ۲۷ درجه‌ی سانتی‌گراد)، طول موج قله حدود ۹/۷ میکرومتر است. این امر موجب می‌شود بیشتر تشعشعات در محدوده‌ی مادون قرمز قرار گیرد. به همین دلیل است که معمولا فقط با نگاه کردن به چیزی نمی‌توانید بگویید که چقدر گرم است. اما اگر آن را داغ کنید، مثلا تا ۱۲۰۰ کلوین یا ۹۲۷ سانتی‌گراد (مانند المنت اجاق)، طول موج دارای حداکثر شدت تابش به‌حدود ۲/۴ میکرومتر می‌رسد. این هنوز در ناحیه‌ی مادون قرمز قرار دارد اما با تغییر منحنی، همچنین نور بیشتری در بخش مرئی طیف دریافت می‌کنید (کمتر از ۰/۷۴ میکرومتر)، بنابراین چشم شما درخشش آن را می‌بیند (این کار را با شبیه‌ساز PhET امتحان کنید). این رابطه‌ی میان دما و طول موج قانون جابجایی وین نامیده می‌شود که به شکل زیر است:

در این عبارت، λ طول موج نور دارای حداکثر شدت و T دما است (b فقط یک ثابت است). این بدان معنا است که فقط با نگاه کردن به رنگ نوری که یک جسم تولید می‌کند، می‌توان به دمای آن پی برد. البته بیشتر نور، نامرئی است بنابراین به یک دوربین مادون قرمز نیاز است. این نوع دوربین اساسا مانند یک دوربین دیجیتال معمولی است اما به‌جای داشتن حسگری که امواج نور مرئی را تشخیص دهد، طول موج‌های مادون قرمز را می‌بیند.

البته یک مسئله وجود دارد: قانون وین تنها درمورد تابش از جسم سیاه (blackbody) صدق می‌کند. یک جسم سیاه جسمی است که نوری به سمت خارج منعکس نمی‌کند. تمام نوری که ساطع می‌کند، به‌وسیله‌ی خود جسم تولید شده است. در این مورد، لامپ رشته‌ای مثال خوبی است. علت درخشش لامپ آن است که رشته بسیار داغ می‌شود (به‌همین دلیل است که این لامپ‌ها انرژی زیادی مصرف می‌کنند. آن‌ها مقدار زیادی از انرژی را در محدوده‌ی مادون قرمز که نمی‌توانید آن را ببینید، هدر می‌دهند).

درواقعیت، نوری که از بیشتر اجسام می‌آید، ترکیبی از تابش و انعکاس (بازتابش) است. بنابراین اگر بخواهیم از این نور برای به دست آوردن دمای یک جسم استفاده کنیم، باید این نسبت را بدانیم. شاخصی به‌نام قابلیت انتشار (emissivity) وجود دارد که این موضوع را بیان می‌کند. این شاخص دارای دامنه‌ای از صفر (برای جسمی که نور را کاملا منعکس می‌کند) تا یک (برای یک جسم سیاه کامل) است. جداولی وجود دارد که در آن می‌توانید قابلیت انتشار مواد مختلف را ببینید.

مثالی در‌این‌باره: فرض کنید که من (رت آلین، دانشیار فیزیک دانشگاه جنوب شرقی لوئیزیانا و نویسنده‌ی مطلب) دو فنجان پلاستیکی را برداشته و آن‌ها را با آب یخ پر می‌کنم به‌طوری که دمای هر دو صفر درجه‌ی سانتی‌گراد باشد. همچنین، با استفاده از فویل آلومینیومی، بخش خارجی فنجان‌ها را پوشانده و یکی از فویل‌ها را به رنگ سیاه درمی‌آورم.

حال اجازه دهید تا به منطقه‌ی مادون قرمز نگاه کنیم و دمای ظاهری آن‌ها را اندازه‌گیری کنیم.

آن‌ها نه‌تنها متفاوت به‌نظر می‌رسند بلکه دمای آن‌ها نیز متفاوت نشان داده می‌شود، درحالی‌ نباید این‌طور باشد. همان‌طور که می‌بینید، دوربین می‌گوید دمای فنجان سیاه که سمت چپ قرار دارد، برابر ۹/۲۲ درجه سانتی‌گراد است درحالی‌که دمای فنجان نقره‌ای ظاهرا ۳۰ درجه سانتی‌گراد است. علت آن است که سطح فویل آلومینیوم قابلیت انتشار بسیار کمتری دارد (۰/۰۴). بیشتر نور مادون قرمز که دوربین روی آن فنجان می‌بیند، از روکش فنجان منعکس شده‌اند.

اما درمورد پوست انسان چه؟ خوشبختانه انسان‌ها تقریبا از نوع اجسام سیاه هستند (خوشبختانه از این لحاظ که اگر اینطور نبود، این امکان وجود نداشت که با استفاده از دوربین مادون قرمز دمای بدن انسان را اندازه‌گیری کرد). یک انسان معمولی دارای قابلیت انتشار ۰/۹۵ تا ۰/۹۸ است. بنابراین ما در منطقه‌ی مادون قرمز خیلی بازتاب‌گر نیستیم. این خوب است. تصویر دست من را در ادامه می‌بینید. با قابلیت انتشار بالای من، این تقریبا به‌طور کامل خود من هستم که نور تولید می‌کنم.

اندازه‌گیری دمای بدن

اکنون که با نحوه‌ی عمل سیستم دوربین مادون قرمز آشنا شدید، بگذارید به سؤال خود باز گردیم. آیا می‌توان از دوربین مادون قرمز برای تشخیص تب استفاده کرد؟ خوب مشکلی وجود دارد. دوربین به سطح خارجی اشیاء نگاه می‌کند. دمای درون بدن یک انسان باید حدود ۳۷ درجه‌ی سانتی‌گراد باشد اما به‌طور کلی سطح پوست سردتر از درون بدن است. در ادامه، این‌جا تصویری از من نشان داده شده است. من دمای نقاط مختلف صورتم را اندازه‌گیری کردم و بالاترین دمایی که موفق شدم پیدا کنم دمای گوشه‌ی داخلی چشمم بود (۳۵/۱۶ سانتی‌گراد).

برای مقایسه، دماسنجی را به دهانم چسباندم و دمای ۳۶/۱۱ درجه‌ی سانتی‌گراد به دست آمد. به‌نظر من، سؤال این است که آیا ارتباط ثابتی میان دمای داخلی و خارجی بدن وجود دارد که براساس آن بتوان مشخص کرد که آیا فرد دچار تب است.

نکته‌ی دیگر: من مجبور شدم دوربین را بسیار نزدیک بگیرم. در این مورد، دوربین حدود ۱۰ سانتی‌متر از صورت من فاصله داشت. این امر به‌طور آشکار قانون فاصله‌گیری اجتماعی ۲ متری را نقض می‌کند. احتمالا با استفاده از دوربینی با وضوح بالاتر بتوان این مشکل را برطرف کرد. من تصویری از یک دهان باز نیز گرفتم.

به‌نظر می‌رسد این اندازه‌گیری بهتری مهیا کند (۳۶/۲ درجه‌ی سانتی‌گراد)، اما شک دارم بتوانید مردم را متقاعد کنید تا با دهان باز به سمت یک دوربین بروند.

عینک خود را بردارید

یک مسئله‌ی کوچک دیگر: اگر می‌خواهید دمای مجرای اشکی را اندازه‌گیری کنید، هرکسی که عینک دارد، باید عینک خود را درآورد، چرا؟ زیرا همان‌طور که مشخص است، درحالی‌که شیشه برای نور مرئی شفاف (نورگذران) است، مانع نور مادون قرمز می‌شود. به تصویر سگ که بیرون از پنجره را نگاه می‌کند، دقت کنید.

شما می‌توانید بازتاب او را در شیشه ببینید. برای نور مادون قرمز، پنجره درست مانند یک آینه عمل می‌کند. اکنون به تصویر مادون قرمز من که دارای عینک هستم نگاه کنید.

این عینک‌ آفتابی نیست بلکه عینکی معمولی است. عینک تیره به‌نظر می‌رسد زیرا نور مادون قرمز چشم‌های من به سمت من بازتاب کرده و از شیشه‌ی عینک عبور نمی‌کند. از بیرون نیز، شیشه‌ها درحال بازتابش نور مادون قرمز اتاق هستند که سردتر از بدن من است.

آیا این سیستم می‌تواند کار کند؟

دیدیم که بدن انسان قابلیت انتشار بالایی دارد، بنابراین، این مسئله دلگرم‌کننده است و یک دوربین مادون قرمز خوب می‌تواند تفاوت‌های کم دمایی را نیز تشخیص دهد. مسئله‌ی واقعی آن است که این دوربین تنها دمای سطحی پوست را اندازه‌گیری می‌کند. اگرچه اگر مردم را با هم مقایسه کنید و به‌دنبال مواردی باشید که نسبت‌به حالت معمول غیرعادی هستند، ممکن است سودمند باشد. بنابراین، فکر می‌کنم می‌توانید از یک دوربین مادون قرمز برای غربالگری افرادی که دچار تب هستند، استفاده کنید. البته این لزوما به این معنا نیست که آن‌ها دچار عفونت ویروس کرونا هستند. شاید آن‌ها دچار آنفلوانزای معمولی شده باشند. شاید هم در اثر دویدن برای رسیدن به مقصد، دمای بدن آن‌ها افزایش یافته باشد. همچنین ممکن است افراد آلوده باشند ولی علائمی نداشته باشند. روش‌های زیادی وجود دارد که ممکن است نتایج مثبت یا منفی کاذب ایجاد شود.

آیا این بدان معنا است که این کار بیهوده است؟ خیر، این یک آزمایش تشخیصی نیست و اگرچه روش کاملی نیست، می‌تواند روشی ساده، ارزان و سریع و غیرتهاجمی برای بررسی گروه‌های بزرگ مردم باشد و حداقل آن‌هایی را که دارای احتمال بالاتر ابتلای به عفونت هستند، برای پرسش‌های بعدی انتخاب کند.

مطمئنا، دماسنج‌ دهانی دقیق‌تر است. اما آیا می‌توانید تصور کنید که تک‌تک اشخاص را بیرون از یک فروشگاه مواد غذایی متوقف کنید و دماسنجی را درون دهان آن‌ها قرار داده و منتظر اندازه‌گیری دمای آن‌ها باشید؟ مردم با این مسئله کنار نمی‌آیند.