Wärmebildkameras – die Technik hinter dem equithermoscan

Grundprinzipen von Wärmebildkameras

Grundlage der Thermografie ist das infrarote Spektrum. Infrarotstrahlung ist eine Form elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlängenbereich sich oberhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Lichtspektrums befindet. Es erstreckt sich von etwa 0,75 Mikrometer bis zu 1 Millimeter. Im Vergleich zu sichtbarem Licht hat Infrarotstrahlung längere Wellenlängen und ist für das menschliche Auge unsichtbar. Infrarotstrahlung entsteht aufgrund der thermischen Bewegung von Molekülen. Im Körper geschieht dies auf zellulärer Ebene, wenn Moleküle in ständiger Bewegung sind. Die Geschwindigkeit dieser Molekularbewegungen hängt von der Temperatur ab. Gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz gibt ein Körper Wärmestrahlung ab, die proportional zur vierten Potenz seiner absoluten Temperatur ist.

Wenn wir dieses Prinzip auf den menschlichen oder tierischen Körper übertragen, sehen wir, dass unterschiedliche Gewebe verschiedene Wärmestrahlungseigenschaften aufweisen. Muskeln, Organe und Haut haben jeweils ihre eigene Wärmeabstrahlung, die von ihrer Aktivität und Durchblutung abhängt.

1. Aussenden des Infrarotstrahls: Ein Pferdekörper gibt Infrarotstrahlung ab, die im langwelligen Infrarotbereich liegt. Dies ist unsichtbare Strahlung, die von der Oberfläche des Pferdes abgestrahlt wird, basierend auf seiner Temperatur. Die Intensität dieser Strahlung variiert entsprechend den Temperaturunterschieden auf der Körperoberfläche.
2. Objektiv: Das Objektiv der Wärmebildkamera spielt eine entscheidende Rolle bei der Fokussierung der Infrarotstrahlung auf den Sensor. Diese Objektive sind speziell für den Infrarotbereich konstruiert und können je nach Anforderungen unterschiedliche Brennweiten und optische Konfigurationen aufweisen. Sie ermöglichen eine präzise Abbildung der Infrarotstrahlung auf den Sensor, was die Bildqualität beeinflusst.
3. Sensor (Bolometer oder ungekühlter Mikrobolometer): Das Bild, das von der Wärmebildkamera erzeugt wird, besteht aus einer Matrix von winzigen Elementen, den sogenannten Pixeln. Jedes Pixel repräsentiert einen bestimmten Bereich der abgebildeten Oberfläche des Pferdes. Die Sensoren in jedem Pixel erfassen die Infrarotstrahlung aus diesem Bereich und wandeln sie in elektrische Signale um. Thermoelektrische Sensoren, auch als Bolometer bekannt, bestehen aus Materialien mit elektrischen Eigenschaften, die sich mit der Temperatur ändern. Wenn Infrarotstrahlung auf den Sensor trifft, erwärmt sich dieses Material, was zu einer Änderung des elektrischen Widerstands führt. Diese Widerstandsänderung wird gemessen und in elektrische Signale umgewandelt. Ungekühlte Mikrobolometer hingegen nutzen ein dünnwandiges Absorbermaterial, das bei Bestrahlung durch Infrarotstrahlung seine elektrischen Eigenschaften ändert. Diese Änderung wird ebenfalls gemessen und in elektrische Signale umgewandelt.
4. Verarbeitungseinheit: Die Verarbeitungseinheit der Wärmebildkamera ist für die Umwandlung der analogen Signale in digitale Daten verantwortlich. Diese Daten werden dann von der Bildverarbeitungseinheit interpretiert, wobei verschiedene Algorithmen und Farbpaletten angewendet werden. Thermoelektrische Sensoren erfordern häufig eine Kühlung, um ihre Empfindlichkeit zu erhöhen, während ungekühlte Mikrobolometer energieeffizienter sind und ohne aktive Kühlung auskommen. Die Wahl des Sensors beeinflusst die Empfindlichkeit, Auflösung und Leistung der Kamera.
5. Analyse am PC: Das thermografische Bild wird über eine Schnittstelle, oft per USB oder WLAN, von der Wärmebildkamera an einen Computer übertragen. Auf dem PC können spezialisierte Softwareprogramme die thermografischen Daten analysieren. Diese Technik ermöglicht eine detaillierte Auswertung der Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Pferdes.

Durch die präzise Abstimmung dieser technischen Komponenten können Wärmebildkameras hochauflösende und genaue thermografische Bilder erzeugen. Die Möglichkeit, Temperaturmesswerte für jeden Pixel zu haben, ermöglicht eine hochauflösende Darstellung der thermischen Profile des Pferdekörpers. Bei der Auswertung am Computer können Tierärzte und Fachleute spezifische Bereiche des Bildes analysieren, Messwerte abrufen und gezielte Informationen über lokale Temperaturvariationen erhalten. Diese detaillierte Analyse ist entscheidend für die Identifizierung von potenziellen Gesundheitsproblemen, da bestimmte Bereiche mit abnormalen Temperaturmustern auf Verletzungen, Entzündungen oder andere pathologische Zustände hinweisen können.

Anforderungen an eine Wärmebildkamera für Pferde

Die Wärmebildkamera muss für einen Wellenlängenbereich von 7,5 bis 14 µm empfindlich sein. Eine höhere Sensorauflösung erhöht die Reproduzierbarkeit der Aufnahmen, hat aber wenig Einfluss auf die thermische Varianz im Bild. Eine Auflösung von 640 × 320 wird empfohlen, weniger ist aber praktisch gesehen oft ausreichend. Der kleinste messbare Bereich muss bei einem Abstand von 40 cm eine Mindestgröße von 2 × 2 mm aufweisen, entsprechend einer örtlichen Auflösung von kleiner 2,6 mRad.

Die thermische Empfindlichkeit sollte kleiner 50 mK NETD sein und die Wiederholgenauigkeit besser als 0,05 K. Der Temperaturbereich sollte mindestens den Bereich von 20 bis 45 °C umfassen. Ein Autofokus wird empfohlen. Für Videoaufnahmen wird eine Bildwiederholfrequenz von mindestens 20, besser 50 Hz empfohlen. Die Wärmebildkamera sollte für den Einsatz im Stall einen Schutzgrad von IP54 oder höher haben.

Renommierte Anbieter solcher Kameras sind beispielsweise FLIR, Testo und HikMicro.

Unsere Kamera

Die HIKMicro Pocket 2 ist als Wärmebildkamera unser Arbeitstier, da sie sich ideal für die Veterinärthermografie eignet. Sie hat eine thermische Auflösung von <0,04 °C bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C, was deutlich besser ist als die empfohlenen oder geforderten Werte. Die Kamera hat außerdem eine räumliche Auflösung von 256 × 192 Pixeln.

Die HikMicro Pocket 2 hat für uns darüber hinaus noch weitere Vorteile für die Veterinärthermografie:

• Eine hohe Bildwiederholrate von 25 Hz, die für eine flüssige und verzögerungsfreie Darstellung des Wärmebildes auch bei der Videothermografie sorgt.
• Eine integrierte optische Kamera mit 8 Megapixeln, die ein sichtbares Bild des Pferdes liefert und mit dem Wärmebild kombiniert werden kann (Fusion oder Bild-in-Bild), um die Interpretation zu erleichtern.
• Eine große Auswahl an Bildmodi und Farbpaletten, die verschiedene Aspekte des Wärmebildes hervorheben oder veranschaulichen können.
• Eine einfache Bedienung über einen 3,5-Zoll-Touchscreen, der eine schnelle Anpassung der Einstellungen und eine direkte Messung der Temperaturen ermöglicht.
• Eine robuste und kompakte Bauweise, die für den mobilen Einsatz mit Pferden geeignet ist.

Die HikMicro Pocket 2 ist also eine perfekte Wärmebildkamera für die Thermografie von Tieren, da sie die Anforderungen in internationalen Standards zur Pferde- oder Veterinärthermografie erfüllt oder übertrifft und zusätzlich noch weitere nützliche Funktionen bietet. Damit können wir die Gesundheit und Leistungsfähigkeit Deines Pferdes zuverlässig und einfach überprüfen.