چگونه مي‌توان از دوربين مادون قرمز براي تشخيص تب استفاده كرد؟

يكي از جالب‌ترين موضوعات درمورد دوربين‌هاي مادون قرمز اين است كه مي‌توانيد آن را به‌سمت يك صحنه بگيريد و تصويري عيني از ميزان گرم يا سرد بودن اجسام تهيه كنيد. اگر اين اجسام، انسان‌ها باشند، چه؟ براي مثال آيا مي‌توانيد از دوربين مادون قرمز براي بازرسي مردم در ورودي فرودگاه براي تشخيص تب احتمالي ناشي‌‌از كوويد ۱۹ استفاده كنيد؟ نكته‌ي مثبت اين كار آن است كه نيازي به هيچگونه تماس فيزيكي نيست و مي‌توانيد تقريبا به‌طور آني آن را قرائت كنيد.

ممكن است تصاويري از دستگاه‌هاي مادون قرمز دستي به‌نام تفنگ دما (تا حدودي متفاوت عمل مي‌كنند) را ديده باشيد كه به همين شكل در چين مورد استفاده قرار مي‌گرفت. حسگرهاي مادون قرمز همچنين در كارخانه‌ها براي نظارت بر دماي تجهيزات بدون نياز به متوقف كردن آن‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. اما درزمينه‌ي استفاده از اين فناوري براي غربالگري و شناسايي افراد بيمار مسائلي وجود دارد. بد نيست درمورد نحوه‌ي عمل حسگرهاي مادون قرمز بيشتر بدانيد.

همه‌چيز نور ساطع مي‌كند حتي اگر آن را نبينيد

درمورد علم، هميشه آن چيزي را كه به‌دنبال آن هستيد، پيدا نمي‌كنيد. اما گاهي اگر تلاش كنيد، ممكن است حتي چيز بهتري به دست آوريد. اين همان اتفاقي است كه در سال ۱۸۰۰ براي ويليام هرشل رخ داد. هرشل درحالي‌كه درحال آزمايش فيبرهاي نوري بود، از منشوري استفاده كرد تا نور خورشيد را به رنگ‌هاي سازنده‌ي آن تجزيه كند. او در محيط آزمايش خود دماسنج‌هايي را مستقر كرد. هرشل مي‌دانست كه وقتي نور روي جسم بيفتد، موجب گرم شدن آن مي‌شود اما مي‌خواست اثر هركدام از رنگ‌ها را به‌طور جداگانه اندازه‌گيري كند. او سپس متوجه چيز عجيبي شد: دماسنجي در انتها، آن طرف‌تر از رنگ قرمز كه حتي در نور قرار نداشت، نيز گرم شد. چه عجيب! دليل آن بود كه نوري به آن دماسنج برخورد مي‌كرد ولي با چشم انسان قابل ديدن نبود. اين كشف همان چيزي است كه اكنون ما آن را نور مادون قرمز مي‌خوانيم.

صبر كنيد! چيزهاي بيشتري هم وجود دارد. شما مي‌توانيد از طول موج نوري كه از يك جسم ساطع مي‌شود، براي تعيين دماي آن استفاده كنيد. حتما هنگام استفاده از اجاق برقي اين پديده را ديده‌ايد. وقتي المنت به‌خوبي جديد مي‌شود و مثلا به حدود ۲ هزار درجه فارنهايت (۱۰۹۳ سانتي‌گراد) مي‌رسد (اين دماي روي المنت است نه هواي اجاق برقي كه كيك شما را مي‌پزد)، رنگ قرمز مايل به نارنجي پيدا مي‌كند:

اگر چيزي به درخشش آن ببينيد، مي‌دانيد كه نبايد به آن دست بزنيد، درست است؟ اما اين سيستمِ مصون از خطايي نيست. وقتي اجاق را روشن كرديد، مثلا پس از يك دقيقه يا بيشتر، ممكن است هنوز سياه به‌انديشه متخصصين برسد (نور مرئي از آن ساطع نمي‌شود)، اما به اندازه‌ي كافي جديد است كه بتواند دست شما را بسوزاند. اگر تصويري با يك دوربين مادون قرمز از آن بگيريم چه مي‌شود؟ اين چيزي است كه در طيف مادون قرمز به‌انديشه متخصصين مي‌رسد:

حالا نور را مي‌بينيد. البته اين تصويري داراي رنگ كاذب است. از آن‌جايي كه چشم شما نمي‌تواند نور مادون قرمز را تشخيص دهد، دوربين اساسا از نورهاي مرئي براي نشان دادن طول موج‌هاي متفاوت مادون قرمز استفاده مي‌كند. در اين پالت (كه مي‌توانيد آن را تغيير دهيد)، زرد، جديد‌تر از نارنجي و نارنجي جديد‌تر از بنفش است.

دوربين مادون قرمز چگونه دما را تعيين مي‌كند

اجسام در طيف گسترده‌اي از طول موج‌ها، تشعشعات الكترومغناطيسي ساطع مي‌كنند (اين همان نور است). اگر براي يك جسم خاص، شدت تابش (چگالي طيف توان) را دربرابر طول موج رسم كنيد، منحني مانند منحني زير به دست مي‌آيد:

اگر مي‌خواهيد با نسخه‌ي تعاملي اين پلات بازي كنيد، شبيه‌ساز PhET را امتحان كنيد. طول موج‌هاي داراي حداكثر شدتي كه توليد مي‌شوند (قله در منحني بالا)، به دماي جسم بستگي دارد. هرچه جسم جديد‌تر مي‌شود، طول موجي كه تابش آن حداكثر است، كاهش پيدا مي‌كند و به سمت چپ طيف امواج الكترومغناطيسي (نزديك طيف مرئي) حركت مي‌كند. بنابراين، براي چيزي در دماي اتاق (حدود ۲۷ درجه‌ي سانتي‌گراد)، طول موج قله حدود ۹/۷ ميكرومتر است. اين امر موجب مي‌شود بيشتر تشعشعات در محدوده‌ي مادون قرمز قرار گيرد. به همين دليل است كه معمولا فقط با نگاه كردن به چيزي نمي‌توانيد بگوييد كه چقدر گرم است. اما اگر آن را جديد كنيد، مثلا تا ۱۲۰۰ كلوين يا ۹۲۷ سانتي‌گراد (مانند المنت اجاق)، طول موج داراي حداكثر شدت تابش به‌حدود ۲/۴ ميكرومتر مي‌رسد. اين هنوز در ناحيه‌ي مادون قرمز قرار دارد اما با تغيير منحني، همچنين نور بيشتري در بخش مرئي طيف دريافت مي‌كنيد (كمتر از ۰/۷۴ ميكرومتر)، بنابراين چشم شما درخشش آن را مي‌بيند (اين كار را با شبيه‌ساز PhET امتحان كنيد). اين رابطه‌ي ميان دما و طول موج قانون جابجايي وين ناميده مي‌شود كه به شكل زير است:

در اين عبارت، λ طول موج نور داراي حداكثر شدت و T دما است (b فقط يك ثابت است). اين بدان معنا است كه فقط با نگاه كردن به رنگ نوري كه يك جسم توليد مي‌كند، مي‌توان به دماي آن پي برد. البته بيشتر نور، نامرئي است بنابراين به يك دوربين مادون قرمز نياز است. اين نوع دوربين اساسا مانند يك دوربين ديجيتال معمولي است اما به‌جاي داشتن حسگري كه امواج نور مرئي را تشخيص دهد، طول موج‌هاي مادون قرمز را مي‌بيند.

درواقعيت، نوري كه از بيشتر اجسام مي‌آيد، تركيبي از تابش و انعكاس (بازتابش) است. بنابراين اگر بخواهيم از اين نور براي به دست آوردن دماي يك جسم استفاده كنيم، بايد اين نسبت را بدانيم. شاخصي به‌نام قابليت انتشار (emissivity) وجود دارد كه اين موضوع را بيان مي‌كند. اين شاخص داراي دامنه‌اي از صفر (براي جسمي كه نور را كاملا منعكس مي‌كند) تا يك (براي يك جسم سياه كامل) است. جداولي وجود دارد كه در آن مي‌توانيد قابليت انتشار مواد مختلف را ببينيد.

مثالي در‌اين‌باره: فرض كنيد كه من (رت آلين، دانشيار فيزيك دانشگاه جنوب شرقي لوئيزيانا و نويسنده‌ي مطلب) دو فنجان پلاستيكي را برداشته و آن‌ها را با آب يخ پر مي‌كنم به‌طوري كه دماي هر دو صفر درجه‌ي سانتي‌گراد باشد. همچنين، با استفاده از فويل آلومينيومي، بخش خارجي فنجان‌ها را پوشانده و يكي از فويل‌ها را به رنگ سياه درمي‌آورم.

حال اجازه دهيد تا به منطقه‌ي مادون قرمز نگاه كنيم و دماي ظاهري آن‌ها را اندازه‌گيري كنيم.

آن‌ها نه‌تنها متفاوت به‌انديشه متخصصين مي‌رسند بلكه دماي آن‌ها نيز متفاوت نشان داده مي‌شود، درحالي‌ نبايد اين‌طور باشد. همان‌طور كه مي‌بينيد، دوربين مي‌گويد دماي فنجان سياه كه سمت چپ قرار دارد، برابر ۹/۲۲ درجه سانتي‌گراد است درحالي‌كه دماي فنجان نقره‌اي ظاهرا ۳۰ درجه سانتي‌گراد است. علت آن است كه سطح فويل آلومينيوم قابليت انتشار بسيار كمتري دارد (۰/۰۴). بيشتر نور مادون قرمز كه دوربين روي آن فنجان مي‌بيند، از روكش فنجان منعكس شده‌اند.

اما درمورد پوست انسان چه؟ خوشبختانه انسان‌ها تقريبا از نوع اجسام سياه هستند (خوشبختانه از اين لحاظ كه اگر اينطور نبود، اين امكان وجود نداشت كه با استفاده از دوربين مادون قرمز دماي بدن انسان را اندازه‌گيري كرد). يك انسان معمولي داراي قابليت انتشار ۰/۹۵ تا ۰/۹۸ است. بنابراين ما در منطقه‌ي مادون قرمز خيلي بازتاب‌گر نيستيم. اين خوب است. تصوير دست من را در ادامه مي‌بينيد. با قابليت انتشار بالاي من، اين تقريبا به‌طور كامل خود من هستم كه نور توليد مي‌كنم.

اندازه‌گيري دماي بدن

اكنون كه با نحوه‌ي عمل سيستم دوربين مادون قرمز آشنا شديد، بگذاريد به سؤال خود باز گرديم. آيا مي‌توان از دوربين مادون قرمز براي تشخيص تب استفاده كرد؟ خوب اشكالي وجود دارد. دوربين به سطح خارجي اشياء نگاه مي‌كند. دماي درون بدن يك انسان بايد حدود ۳۷ درجه‌ي سانتي‌گراد باشد اما به‌طور كلي سطح پوست سردتر از درون بدن است. در ادامه، اين‌جا تصويري از من نشان داده شده است. من دماي نقاط مختلف صورتم را اندازه‌گيري كردم و بالاترين دمايي كه موفق شدم پيدا كنم دماي گوشه‌ي داخلي چشمم بود (۳۵/۱۶ سانتي‌گراد).

براي مقايسه، دماسنجي را به دهانم چسباندم و دماي ۳۶/۱۱ درجه‌ي سانتي‌گراد به دست آمد. به‌انديشه متخصصين من، سؤال اين است كه آيا ارتباط ثابتي ميان دماي داخلي و خارجي بدن وجود دارد كه براساس آن بتوان مشخص كرد كه آيا فرد دچار تب است.

نكته‌ي ديگر: من مجبور شدم دوربين را بسيار نزديك بگيرم. در اين مورد، دوربين حدود ۱۰ سانتي‌متر از صورت من فاصله داشت. اين امر به‌طور آشكار قانون فاصله‌گيري اجتماعي ۲ متري را نقض مي‌كند. احتمالا با استفاده از دوربيني با وضوح بالاتر بتوان اين اشكال را برطرف كرد. من تصويري از يك دهان باز نيز گرفتم.

به‌انديشه متخصصين مي‌رسد اين اندازه‌گيري بهتري مهيا كند (۳۶/۲ درجه‌ي سانتي‌گراد)، اما شك دارم بتوانيد مردم را متقاعد كنيد تا با دهان باز به سمت يك دوربين بروند.

عينك خود را برداريد

يك مسئله‌ي كوچك ديگر: اگر مي‌خواهيد دماي مجراي اشكي را اندازه‌گيري كنيد، هركسي كه عينك دارد، بايد عينك خود را درآورد، چرا؟ زيرا همان‌طور كه مشخص است، درحالي‌كه شيشه براي نور مرئي شفاف (نورگذران) است، مانع نور مادون قرمز مي‌شود. به تصوير سگ كه بيرون از پنجره را نگاه مي‌كند، دقت كنيد.

شما مي‌توانيد بازتاب او را در شيشه ببينيد. براي نور مادون قرمز، پنجره درست مانند يك آينه عمل مي‌كند. اكنون به تصوير مادون قرمز من كه داراي عينك هستم نگاه كنيد.

اين عينك‌ آفتابي نيست بلكه عينكي معمولي است. عينك تيره به‌انديشه متخصصين مي‌رسد زيرا نور مادون قرمز چشم‌هاي من به سمت من بازتاب كرده و از شيشه‌ي عينك عبور نمي‌كند. از بيرون نيز، شيشه‌ها درحال بازتابش نور مادون قرمز اتاق هستند كه سردتر از بدن من است.

آيا اين سيستم مي‌تواند كار كند؟

ديديم كه بدن انسان قابليت انتشار بالايي دارد، بنابراين، اين مسئله دلگرم‌كننده است و يك دوربين مادون قرمز خوب مي‌تواند تفاوت‌هاي كم دمايي را نيز تشخيص دهد. مسئله‌ي واقعي آن است كه اين دوربين تنها دماي سطحي پوست را اندازه‌گيري مي‌كند. اگرچه اگر مردم را با هم مقايسه كنيد و به‌دنبال مواردي باشيد كه نسبت‌به حالت معمول غيرعادي هستند، ممكن است سودمند باشد. بنابراين، فكر مي‌كنم مي‌توانيد از يك دوربين مادون قرمز براي غربالگري افرادي كه دچار تب هستند، استفاده كنيد. البته اين لاخبار تخصصيا به اين معنا نيست كه آن‌ها دچار عفونت ويروس كرونا هستند. شايد آن‌ها دچار آنفلوانزاي معمولي شده باشند. شايد هم در اثر دويدن براي رسيدن به مقصد، دماي بدن آن‌ها افزايش يافته باشد. همچنين ممكن است افراد آلوده باشند ولي علائمي نداشته باشند. روش‌هاي زيادي وجود دارد كه ممكن است نتايج مثبت يا منفي كاذب ايجاد شود.

آيا اين بدان معنا است كه اين كار بيهوده است؟ خير، اين يك آزمايش تشخيصي نيست و اگرچه روش كاملي نيست، مي‌تواند روشي ساده، ارزان و سريع و غيرتهاجمي براي مطالعه گروه‌هاي بزرگ مردم باشد و حداقل آن‌هايي را كه داراي احتمال بالاتر ابتلاي به عفونت هستند، براي پرسش‌هاي بعدي انتخاب كند.

مطمئنا، دماسنج‌ دهاني دقيق‌تر است. اما آيا مي‌توانيد تصور كنيد كه تك‌تك اشخاص را بيرون از يك فروشگاه مواد غذايي متوقف كنيد و دماسنجي را درون دهان آن‌ها قرار داده و منتظر اندازه‌گيري دماي آن‌ها باشيد؟ مردم با اين مسئله كنار نمي‌آيند.