Evaluation of three thermal imaging cameras for skin temperature measurement using a blackbody reference source and a spatial resolution test object

Rosie E. Richards, J. Allen*, K.J. Howell, R.E. Smith

SUMMARY

BACKGROUND. We evaluated three modern focal plane array uncooled microbolometer thermal imagers to assess their suitability for measuring skin temperature in a clinical setting. The imagers were the FLIR A40M, A320, and the portable E30.

METHOD. Test equipment comprised of the Land P80P blackbody source and a heated spatial resolution test object. For each camera we tested drift in reading after switch-on and with varying ambient temperature, agreement between the device and the blackbody across the typical skin temperature range, linearity, uniformity of reading across the image field, and spatial resolution.

RESULTS. When measuring a fixed blackbody cavity temperature, all three cameras gave stable temperature readings to within ±0.2°C within 45 minutes of switch-on. Agreement between the blackbody and imager was different for each camera: the bias was 0.83°C for the A40M, -0.08°C for the A320, and 0.09єC for the E30. Plots for linearity showed r2>0.99 for each camera. When the blackbody was placed in the four quadrants of the field of view, the maximum difference in temperature recorded between quadrants by any of the cameras was only 0.2°C. When ambient temperature was varied across an 8°C range, no camera drifted in its reading of the blackbody temperature by greater than 0.4°C. The A40M and A320 detectors (320 x 240 pixels) showed a better spatial resolution than the E30 detector (160 x 120 pixels).

CONCLUSIONS. All three cameras showed a radiometric performance that would be suitable for most skin thermal imaging applications. The offset bias of the A40M device highlighted the importance of regular quality assurance: this offset could be easily corrected once detected. Of particular note was the performance of the low-cost E30 device: despite its limited functionality and low spatial resolution, it performed comparably to the more expensive devices in the blackbody tests.

BEWERTUNG VON DREI WÄRMEBILDKAMERAS ZUR HAUTTEMPERATURMESSUNG UNTER VERWENDUNG EINER SCHWARZKÖRPER-TEMPERATUR-REFERENZ UND EINES OBJEKTS ZUR TESTUNG DER RÄUMLICHEN AUFLÖSUNG

HINTERGRUND: Um ihre Eignung für die Messung der Oberflächentemperatur in einem klinischen Umfeld zu bestimmen, untersuchten wir drei moderne, ungekühlte Wärmekameras, die mit Detektoren der “Focal-Plane- Microbolometer-Technologie” ausgestattet waren. Die Kameras waren die Modelle FLIR A40M, A320 und die tragbare E30.

METHODE. Als Testgeräte dienten die Schwarzkörper-Temperatur-Referenz Land P80P und ein heizbares Testobjekt zur Bestimmung der räumlichen Auflösung. Für jede Kamera prüften wir die zeitliche Veränderung der Temperaturmessung nach dem Einschalten bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen, die Übereinstimmung zwischen der Temperaturangebe am Gerät und am schwarzen Körper im Bereich der typischen Hauttemperatur, die Linearität und Einheitlichkeit der Ergebnisse über dem gesamten Bildausschnitt und hinsichtlich der räumlichen Auflösung.

ERGEBNISSE: Bei Messung einer festgelegten Hohlraumtemperatur eines schwarzen Körpers, zeigten alle drei Kameras stabile Temperaturwerte mit einer Abweichung von ±0.2°C innerhalb von 45 Minuten nach dem Einschalten. Die Übereinstimmung zwischen dem schwarzen Körper und der Kamera war für jedes Gerät unterschiedlich: der systematische Fehler betrug 0.83°C für die A40M, -0.08°C für das A320 und 0.09єC für die E30. Die Streudiagramme für die Linearität zeigten r²>0.99 für jede Kamera. Wenn die Referenztemperatur in die vier Quadranten des Blickfeldes gelegt wurde, war bei allen Kameras der maximale Temperaturunterschied zwischen Quadranten nur 0.2°C. Bei Veränderung der Umgebungstemperatur im Umfang von 8°C maß keine Kamera größere Abweichungen als 0.4°C für die Temperatur des Schwarzkörperstrahlers. Die A40M- und Detektoren A320-(320 x 240 Pixel) zeigten eine bessere räumliche Auflösung als der Detektor E30 (160 x 120 Pixel).

SCHLUSSFOLGERUNG: Alle drei Kameras boten eine radiometrische Leistung, die für die Wärmebildanwendungen an der Haut geeignet sein würde. Der systematische Fehler des A40M-Gerätes hob die Bedeutung der regelmäßigen Qualitätssicherung hervor: dieser Fehler konnte, einmal ermittelt, leicht korrigiert werden. Bemerkenswert war die Leistung des preiswerten Gerätes E30, das trotz seiner begrenzten Funktionalität und niedrigen räumlichen Auflösung, im Test am Schwarzkörperstrahler ähnliche Ergebnisse erzielte als die teureren Geräte.

Thermology international 2013, 13(1) 17-23