TW202316089A

TW202316089A - 具距離補償與校正功能的額溫偵測系統

Info

Publication number: TW202316089A
Application number: TW110136425A
Authority: TW
Inventors: 許玄岳; 童國忠; 郭家瑋; 黃思翰
Original assignee: 合盈光電科技股份有限公司
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-04-16

Abstract

本發明係為一種對特定人體部位進行溫度測定之系統，特別是一種針對人體額頭溫度進行偵測者。傳統的溫度偵測裝置，雖然有著針對環境溫濕度的補償機制，然而在偵測標的物的確認及距離補償上卻尚無有效的解決方案，目前雖然有透過TOF等光學測距的方式來取得距離值，但卻無法確定所得到的距離值是針對我們想要量測的對象，本發明係透過毫米波雷達確定人體部位後，透過演算法取得人體額頭的相對位置及距離資訊，針對取得的額頭區域溫度做距離差值的補償，能在體溫偵測上同時取得定性及定量效果。

Description

具距離補償與校正的額溫偵測系統

本發明係為一種對特定人體部位進行溫度測定之系統，特別是一種針對人體額頭溫度進行偵測者。

生理資訊，特別是受照護者的體溫生理資訊，係一生理狀態是否正常的重要指標，體溫若因劇烈運動、感染等因素升高到41~42℃時，體內許多蛋白質分子，特別是人體內的酵素會很快地分解，而細胞內許多代謝反應卻需要在恆定的溫度下才能順利地進行，酵素是代謝過程的重要催化劑，沒有了酵素，細胞也就無法進行代謝作用，也會因此對人體產生許多不良的影響。由於人體的體溫是受人腦下視丘的體溫調節中樞所控制，在正常的生理狀態下，下視丘體溫調節中樞的調節功能會維持體溫在設定點(set-point)溫度。若人體的體溫調節中樞受到發熱原(pathogen)影響造成設定點溫度非常規性的升高時，即是我們一般認知的發燒，屆時即需要適當的醫療手段介入或至少重點觀察。醫學上，常以核心溫度(core temperature)>38℃來判定發燒，但是目前許多測量方式並不能反映個體的實際核心體溫，所以依照不同的測量方式，對發燒有著不同的定義。

一個人正常體溫會隨著生理節律有早低晚高變化，通常在清晨4點左右體溫最低，而在傍晚6時最高，人體一日內的體溫變異可達0.5℃，同時體溫也受年齡大小因素影響，一般兒童的體溫較老年人為高，是以在發燒判斷上也有著不同的標準，一般而言，腋溫>37℃，口溫>37.5℃，肛溫>38℃，耳溫>38℃，額溫>38℃可視為發燒。所以不論是在居家個人照護，或是具有大量需要長期臥床照護病患的養護機構及醫療院所中，針對受照護者的生理資訊監控為相關單位一直以來關注的問題點，然而傳統的體溫計、耳溫槍、額溫槍，皆需要人員進行操作，在高齡者逐漸增多，醫療照護資源亦相對緊縮的現在社會，人力資源的有效利用，是所有相關從業者都關心的問題。

再者，對應到先前爆發的新冠病毒，讓接觸式體溫感測器在使用上有許多感染上的顧慮，也因此許多公眾場所除了大量採用需人員操作的非接觸式額溫槍的體溫感測器外，亦有許多區域設置固定式的額溫偵測器，供出入者自行測量確認體溫後，再進入該場所，而針對人流頻繁的區域也可以看到直接使用熱影像儀做為公共場所出入口觀測及警示裝置的配置。

在減少人員操作及提升測量精確度上，許多業者另闢蹊徑，提供了許多技術上的解決方案。如中華民國發明專利I732627即揭露了一種人臉追蹤測溫系統及其方法，以RGB影像人臉辨識技術搭配紅外線鏡頭截取的熱成像影像，利用辨識人員臉部的位置並收及溫度資訊來有效的提供自動化的人員體溫溫度監控。

而在溫度偵測上，常見的溫度感測元件，係可分為四類型，電阻型：係利用電阻隨溫度變化而改變的原理進行溫度的測量，如鉑在0℃時的電阻係數為100Ω(Pt100)；焦電型：係根據表面電荷會隨溫度變化的原理，透過測量其電荷的強度變化進行換算來反應溫度；熱電偶：係使用兩種不同性質的金屬做端點接觸，當兩端點有溫度差時所產生的電勞進行偵測；感溫積體電路：係利用半導體材料之導電性容易受溫差影響的特性進行測量。而一般用於人體溫度量測則是使用熱電堆(thetmopile)技術，熱電堆又被稱為溫差電堆，由兩個或多個熱電偶(thermocouple)串接組成，各熱電偶輸出的熱電勢是互相疊加的。用於測量小的溫差或平均溫度，當其中一組接點(junctions A)保持在一固定較低溫度T1，則另一組接點(junctions B)因吸收熱輻射而升高溫度為T2時，根據則白克效應(Seebeckeffect)，兩組接點之間會有一熱電動勢(或稱為溫電動勢)產生，熱電堆內因溫度變化產生的電動勢比單個熱電偶所產生的大得多，所以對測量溫度的靈敏度相對的提高許多。因此常見的熱電堆感測器(Thermopile sensor,TP)通常是由幾個微型熱電偶串聯而成的熱電堆與熱敏電阻(Thermistor,TH)及一光學透鏡所組成，而根據Planck所提出有關描述黑體(Black Body)輻射與溫度之間的公式，由0到無限大的波長範圍進行積分，即可取得以下總輻射功率密度M_e(T)之公式，可針對表面溫度為T₀的灰體(Grey Body)進行溫度偵測：

M _e (T)=η σ T ₀ ⁴其中，σ是Stefan-Boltzmann常數，η則為物體放射率。

藉由電熱堆及熱敏電阻的組合，當電熱堆感測器的視野角(Field of view，FOV)偵測到受測物體表面與環境溫度有差異時，電熱堆感測器產生一輸出電壓，該輸出電壓與感測到的輻射功率(Φd)成正比，如下公式：

其中，τ為穿透率、f為焦距、0為待測物體(Object)、d為偵測器(detector)、 l為鏡頭(Lens)、k為儀器因子(Instrument fator)，包含常數σ、參數η、參數A及參數f。並在TH阻值的輸出上，搭配一線性化處理電路，使其能對環境溫度進行補償，以求得相對準確的待測物件溫度，然而，受測物與電熱堆感測器之間的距離，仍需要進行相應的數據補償，才能夠取得真正相對準確的溫度數據。

以目前來說，使用人員操作體溫感測器，以人工操作額溫槍會有量測速度過慢、量測位置及操作方法不正確或不熟悉導致量測誤差的問題存在，而前述熱成像融合人臉的感溫偵測技術，除了因為該設備必定常時開啟而需要一定時間間隔就使用校溫裝置(例如：黑體爐)進行溫度校正外，因該技術監控的是一個較大的區域，並非固定的量測點，而黑體輻射會隨著距離而衰減，因此針對距離做偵測溫度的補償更形重要，而不論人工或是現有的固定式溫度檢測裝置，皆無法排除因無法確定受測人員與偵測裝置距離的不確定性而產生的量測誤差。針對距離梯度造成的量測差異，有廠商提出了如中華民國新型專利M612593的溫度補償解決方案，使用飛時測距感測單元(time of flight，TOF)類的基於光學測量的距離方案對距離進行溫度補償，但該技術方案仍然只能得知物體的位置，無法判斷是否為人體及人體的區域，如果想要應用在自動偵測上，大量無效的雜訊數據會對處理器造成很多無必要的負擔跟算力的浪費，且難以從根本上解決精確對焦人體額頭區域進行溫度量測，取得在醫學診斷上有效的體溫數據的問題，而前述使用人臉辨識技術搭配紅外線擷取鏡頭取得熱成像的技術手段，又受限於大型固定式體溫感測器的成本或可攜式體溫感測器處理演算能力的限制，無法大規模的鋪展使用。因此，如何提出一種能提供醫學診斷體溫數據，同時又在成本上符合經濟效益的額溫偵測技術，為現今所急需解決的課題。

本發明一種具距離補償與校正的額溫偵測系統，係用於補償人體額溫感測資訊中由於無法判定額頭位置與距離所造成的溫度偵測誤差，以準確的偵測目標人體之額頭溫度，該額溫偵測系統係包括：一毫米波雷達單元，至少包含一發射模組及至少一接收模組，該毫米波雷達單元係用於偵測該目標人體之心臟位置，將人體範圍內跳動頻率能量分布最強位置定義為心臟，並生成一包含距離值的心臟定位資訊；一溫度感測單元，係透過該毫米波雷達單元確定該目標人體後，用於偵測該目標人體之溫度，並生成一第一目標溫度資訊；一處理單元，係電性連結該毫米波雷達單元及該溫度感測單元，該處理單元係包含一儲存模組及一運算模組，該儲存模組用於儲存該包含距離值的心臟定位資訊，該運算模組係透過該包含距離值的心臟定位資訊經由演算法導出額頭相對位置資訊，自該第一目標溫度資訊中擷取該額頭相對位置資訊的第二目標溫度資訊，並透過該額頭相對位置的距離資訊補償該第二目標溫度資訊以生成一第三目標溫度資訊；一顯示單元，係電性連結該處理單元，用於顯示該第三目標溫度資訊；以及一傳輸單元，係將該儲存模組所儲存之資訊傳送至一外部裝置。

更具體而言，該具距離補償與校正功能的額溫偵測系統其中包含一溫度感測單元，係為一遠紅外線感測器，該遠紅外線感測器用於偵測人體之溫度生成第一目標溫度資訊時，係包括有對環境溫度的校正。

該遠紅外線感測器對環境溫度的校正，係能夠透過一校正數據與所偵測出之熱成像數據進行校正，該校正數據係透過一黑體輻射偵測器或是一額溫槍取得。

更具體而言，該遠紅外線感測器係為一熱電堆式紅外線感應器矩陣，該熱電堆式紅外線感應器矩陣，係包含一熱紅外線擷取鏡頭。

更具體而言，該具距離補償與校正功能的額溫偵測系統，其中，該第二溫度資訊係透過溫度感測單元於FOV中所測得該目標人體臉部寬度所占像素W3為一計量單位。

更具體而言，該具距離補償與校正功能的額溫偵測系統，其中，該第三溫度資訊係透過以該目標人體之臉部寬度所占像素W3為一計量單位，以該計量單位計算該心臟位置與該額頭相對位置，經結合該額溫偵測系統的安裝位置資訊與該心臟定位資訊及該距離資訊換算得該計量單位的真實寬度資訊後，求得該額頭相對位置距離資訊以補償該第二目標溫度資訊。

更具體而言，該具距離補償與校正功能的額溫偵測系統，其中，導出該額頭相對位置的演算法係為一設定閥值，當該溫度感測單元偵測到超過該設定閥值之影像區域時，即判定該影像區域為該額頭相對位置。

更具體而言，該具距離補償與校正功能的額溫偵測系統，其中，該傳輸單元係傳送包括該第一目標溫度資訊、該第二目標溫度資訊及該第三目標溫度資訊。

更具體而言，該具距離補償與校正功能的額溫偵測系統，其中，該外部裝置為一伺服器、一手持裝置、一穿戴裝置其中一之或其組合。

更具體而言，該具距離補償與校正功能的額溫偵測系統，其中，該外部裝置係除該第一目標溫度資訊、該第二目標溫度資訊及該第三目標溫度資訊外，另可接收其他裝置傳送該目標人體其他生理資訊，並根據該些生理資訊判斷該目標人體之生理特徵是否異常，及於判斷該目標人體生理特徵異常時，產生一警示訊號。

更具體而言，該具距離補償與校正功能的額溫偵測系統，其中，該其他生理資訊，該其他生理資訊係選自心跳速率、呼吸速率、血壓、躁動偵測其中之一或其組合。

更具體而言，該具距離補償與校正功能的額溫偵測系統，該運算模組亦可根據該目標人體臉部寬度數據，設定特定使用者標記。

更具體而言，該具距離補償與校正功能的額溫偵測系統，該儲存模組亦可記錄視野角內通過人數、超溫人數、特定使用者溫度記錄及非特定使用者溫度記錄，並做為該傳輸單元傳送至外部裝置的資訊。

1:具距離補償與校正的額溫偵測系統

11:毫米波雷達單元

111:發射模組

112:接收模組

12:溫度感測單元

121:視野角

13:處理單元

131:儲存模組

132:運算模組

14:傳輸單元

15:顯示單元

16:外部裝置

2:出入口

3:目標人體

31:包含距離值的心臟定位資訊

W1:溫度感測單元視野角橫軸所占像素

W2:溫度感測單元視野角縱軸所占像素

W3:臉部寬度所占像素

W4:以W3為計量單位計算出目標人體心臟到額頭相對位置距離

第1圖係本發明具距離補償與校正的額溫偵測系統較佳實施例之結構方塊圖。

第2圖係本發明具距離補償與校正的額溫偵測系統較佳實施例之室內照護設置時，溫度感測單元設置之示意圖。

第3圖係本發明具距離補償與校正的額溫偵測系統較佳實施例之室內照護設置時，毫米波雷達單元運作之示意圖。

第4圖係本發明具距離補償與校正的額溫偵測系統較佳實施例之室內照護設置時，計算心臟到額頭相對位置之示意圖。

第5圖係本發明具距離補償與校正的額溫偵測系統較佳實施例之室內照護設置時，溫度感測單元之視野角示意圖。

第6圖係本發明具距離補償與校正的額溫偵測系統較佳實施例之公共區域設置時，溫度感測單元設置之示意圖。

第7圖係本發明具距離補償與校正的額溫偵測系統較佳實施例之公共區域設置時，毫米波雷達單元運作之示意圖。

第8圖係本發明具距離補償與校正的額溫偵測系統較佳實施例之公共區域設置時，溫度感測單元運作之示意圖。

第9圖係本發明具距離補償與校正的額溫偵測系統較佳實施例之系統運作流程圖。

為利貴審查委員瞭解本發明之技術特徵、內容、優點，以及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，併予敘明。

首先，請參閱第1圖及第9圖所示，為本發明具距離補償與校正的額溫偵測系統其一較佳實施例之系統結構方塊圖及流程圖，其中本發明之具距離補償與校正的額溫偵測系統係至少包括有：一毫米波雷達單元11，至少包含一發射模組111及至少一接收模組112，該毫米波雷達單元11係將人體範圍內跳動頻率能量分布最強位置定義為心臟，用於偵測該目標人體3之心臟位置，並生成一包含距離值的心臟定位資訊31(S1)；一溫度感測單元12，係透過該毫米波雷達單元11確定該目標人體3後，用於偵測該目標人體3之溫度(S2)，並生成一第一目標溫度資訊後，將該包含距離值的心臟定位資訊31以及第一目標溫度資訊傳送至該處理單元(S3)；一處理單元13，係電性連結該毫米波雷達單元11及該溫度感測單元12，該處理單元13係包含一儲存模組131及一運算模組132，該儲存模組131用於儲存該包含距離值的心臟定位資訊31，該運算模組132係透過該包含距離值的心臟定位資訊31經由演算法導出額頭相對位置資訊，自該第一目標溫度資訊中擷取該額頭相對位置資訊的第二目標溫度資訊(S4)，並透過該額頭相對位置的距離資訊補償該第二目標溫度資訊以生成一第三目標溫度資訊；一顯示單元15，電性連結該處理單元13，用於顯示該第三目標溫度資訊(S5)；以及一傳輸單元14，係將該儲存模組131所儲存之資訊傳送至一外部裝置16。

較佳的，該溫度感測單元12可為一遠紅外線感測器，該遠紅外線感測器用於偵測該目標人體3之溫度生成第一目標溫度資訊時，係包括有對環境溫度的校正。

較佳的，該遠紅外線感測器可為一熱電堆式紅外線感應器矩陣及一光學透鏡。

較佳的，本發明具距離補償與校正功能的額溫偵測系統1，其中，該第二溫度資訊係透過該溫度感測單元12所測得該目標人體臉部寬度所占像素W3為一計量單位。

較佳的，本發明具距離補償與校正功能的額溫偵測系統1，其中，該第三溫度資訊係透過以該目標人體之臉部寬度所占像素W3為一計量單位，以該計量單位計算該心臟位置與該額頭相對位置，經結合該額溫偵測系統1的安裝位置資訊與該包含距離值的心臟定位資訊31及該距離資訊換算得該計量單位的真實寬度資訊後，求得該額頭相對位置距離資訊以補償該第二目標溫度資訊。

較佳的，本發明具距離補償與校正功能的額溫偵測系統1，其中，導出該額頭相對位置的演算法係為一設定閥值，當該電熱堆式紅外線感應器矩陣偵測到超過該設定閥值之影像區域時，即判定該影像區域為該額頭相對位置。

較佳的，本發明具距離補償與校正功能的額溫偵測系統1，其中，該傳輸單元14係傳送包括該第一目標溫度資訊、該第二目標溫度資訊及該第三目標溫度資訊。

較佳的，本發明具距離補償與校正功能的額溫偵測系統1，其中，該外部裝置16係可為一伺服器。

較佳的，本發明具距離補償與校正功能的額溫偵測系統1，其中，該外部裝置16係可為一手持裝置。

較佳的，本發明具距離補償與校正功能的額溫偵測系統1，其中，該外部裝置16係可為一穿戴裝置。

較佳的，本發明具距離補償與校正功能的額溫偵測系統1，其中，該伺服器係除該第一目標溫度資訊、該第二目標溫度資訊及該第三目標溫度資訊外，另可接收其他裝置傳送該目標人體3的其他生理資訊，並根據該些生理資訊判斷該目標人體之生理特徵是否異常，及於判斷該目標人體3的生理特徵異常時，產生一警示訊號。

較佳的，本發明具距離補償與校正功能的額溫偵測系統1，其中，該其他生理資訊，該其他生理資訊係選自心跳速率、呼吸速率、血壓、躁動偵測其中之一資訊或其組合。

再者，請參閱第2、3、4、5圖所示，為本發明具距離補償與校正的額溫偵測系統其一較佳實施例之系統運作方式說明，第2、3、4圖為本發明應用在醫療或長照機構中，對個人生理狀態監控的使用方式，在該額溫偵測系統1運作時，溫度感測單元12在自身的視野角121內觀測到與環境溫度有溫度差異的物體，使用者係可先行對該溫度感測單元12作一定義，當該物體測得的溫度高於該定義時，啟動毫米波雷達單元11以偵測該物體是否有心跳訊號以判定該物體是否為人體，若確定該人體為目標人體3時，根據換算該包含距離值的心臟定位資訊31取得該目標人體3的心臟與該額溫偵測系統1之間的距離資訊，並將該溫度感測單元12所偵測得該目標人體3的溫度資訊生成第一目標溫度資訊，接著，以換算該包含距離值的心臟定位資訊31取得該目標人體3的心臟與該額溫偵測系統1之間的距離資訊，補償該第一目標溫度資訊以生成第二目標溫度資訊，之後，依照第5圖所示以該溫度感測單元12所測得該目標人體3中溫度最高之區塊，判定為該目標人體3的額頭相對位置，並以該額頭相對位置的額頭區域於該視野角121中受測者的臉部寬度所占像素W3作為一計量單位，計算對該目標人物3的心臟到該額頭相對位置的距離W4，經結合該額溫偵測系統1的安裝位置資訊與該包含距離值的心臟定位資訊31換算得該計量單位的真實寬度資訊後，求得該額頭相對位置距離資訊以補償該第二目標溫度資訊生成第三目標溫度資訊，並於顯示單元15上顯示該第三目標溫度資訊，該第一至第三目標資訊係可透過傳輸單元14傳輸至一外部裝置16，以供管理人員進行監控。

較佳的，該包含距離值的心臟定位資訊31可包含了一段時間內該目標人體3的心跳訊號強度，並可根據該心跳訊號強度以判斷該目標人體3是否正面面對溫度感測單元12。

較佳的，該傳輸單元14係可透過有線或無線或兩者之組合進行訊號之傳輸。

較佳的，該外部裝置16可整合其他裝置傳送該目標人體3的其他生理資訊，並根據該其他生理資訊判斷該目標人體3之生理特徵是否異常，該其他生理資訊係選自心跳速率、呼吸速率、血壓、躁動偵測其中之一或其組合。及於判斷該目標人體生理特徵異常時，產生一警示訊號以通知管理人員。

又或者，請參閱第6、7、8圖所示，為本發明具距離補償與校正的額溫偵測系統其一較佳實施例之系統運作方式說明，第6、7、8圖為本發明應用在出入口2時，對往來人群生理狀態監控的使用方式，在該額溫偵測系統1運作時，溫度感測單元12在視野角121內觀測到與環境溫度有溫度差異的物體，使用者係可先行對該溫度感測單元12所偵測到之溫度作一定義，當該物體測得的溫度高於該定義時，啟動毫米波雷達單元11以偵測該物體是否有心跳訊號以判定該物體是否為人體，若確定該人體為目標人體3時，根據換算該包含距離值的心臟定位資訊31取得該目標人體3的心臟與該額溫偵測系統1之間的距離資訊，並將該溫度感測單元12所偵測得該目標人體3的溫度資訊生成第一目標溫度資訊，接著，以換算該包含距離值的心臟定位資訊31取得該目標人體3的心臟與該額溫偵測系統1之間的距離資訊，補償該第一目標溫度資訊以生成第二目標溫度資訊，之後，依照第5圖所示以該溫度感測單元12所測得該目標人體3中溫度最高之區塊，判定為該目標人體3的額頭相對位置，並以該額頭相對位置的額頭區域於該視野角121中目標人體3的臉部寬度所占像素W3作為一計量單位，計算對該目標人物3的心臟到該額頭相對位置的距離W4，經結合該額溫偵測系統1的安裝位置資訊與該包含距離值的心臟定位資訊31換算得該計量單位的真實寬度資訊後，求得該額頭相對位置距離資訊以補償該第二目標溫度資訊生成第三目標溫度資訊，並於顯示單元15上顯示該第三目標溫度資訊，該第一至第三目標資訊係可透過傳輸單元14傳輸至一外部裝置16，以供管理人員進行監控。

較佳的，該具距離補償與校正功能的額溫偵測系統1，該儲存模組131亦可記錄視野角121內通過人數、超溫人數、特定使用者溫度記錄及非特定使用者溫度記錄，並做為該傳輸單元14傳送至外部裝置16的資訊。

較佳的，該傳輸單元14係可透過有線或無線或兩者之組合進行訊號之傳輸至外部裝置16。

綜上所述，本發明之具距離補償與校正的額溫偵測系統，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭示之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。