Calibrage de la caméra thermique, afin de minimiser l’erreur de mesure

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Étude des sources de variation de la mesure automatisée des images thermiques

Environnement

Température ambiante

La peau échange de la chaleur avec le milieu ambiant, et le sens et l’intensité de ces échanges dépendent de la température de l’environnement et du pouvoir d’isolation thermique de la peau. La thermorégulation repose sur un équilibre constant entre les apports et les pertes de chaleur de notre organisme [60].
La température ambiante doit donc être la plus stable possible, afin de ne pas interférer sur la température cutanée. Selon les recommandations pour l’utilisation de la thermographie en clinique [Standards and Protocols in Clinical Thermographic Imaging, September 2002], les clichés doivent être pris dans une pièce à température maintenue entre 18 °C et 23 °C [67].
L’application de ces recommandations est retrouvée dans d’autres études de la littérature. En effet, dans les études utilisant également une caméra FLIR One, la température était stable, en moyenne à 23,4 °C [61] ou 22 °C [62].
Devant l’existence de recommandations antérieures, nous n’avons pas renouvelé dans notre étude les mesures pour déterminer la fourchette optimale de la température ambiante.
La caméra FLIR One possède un capteur qui s’adapte à la plage de température de la température ambiante, qui, selon le fabricant, modifie automatiquement la palette de couleurs thermiques.
Pour objectiver ce phénomène, devant l’absence de données dans la littérature, nous avons réalisé une image thermique avec la caméra FLIR one d’une plaque sortant du congélateur sur un bureau [qui lui était à température ambiante].
Nous avons ensuite renouvelé cette opération avec une plaque préalablement chauffée au four à 180°.
Nous avons alors observé que la caméra FLIR One modifiait effectivement automatiquement sa palette de couleurs en fonction de l’environnement [plaque surgelée ou la plaque chauffée].
Le bureau qui était présent sur les deux images thermiques était en jaune foncé sur l’image avec la plaque réfrigérée, alors qu’il était dans les tons bleus sur l’image avec la plaque chauffée.
Il en résultait donc qu’une couleur donnée pouvait correspondre à différentes températures en fonction de l’environnement ambiant.
Devant cette observation, il apparaît encore plus important que la température ambiante soit stable et entre 18 et 23°, afin de limiter ce phénomène.
Toutefois, courant 2018, le fabricant de la caméra a fait une mise à jour avec la possibilité de verrouiller la gamme de couleurs, et ainsi bloquer l’adaptation automatique en fonction de la température ambiante. Toutefois, cette manoeuvre devait se répéter à chaque manipulation, car le verrouillage de la gamme de couleurs était suspendu à chaque extinction de la caméra FLIR One. Nous avons renouvelé les expériences précédentes [prise de photo avec une plaque surgelée et chaude sur un bureau]. Nous avons alors observé qu’après verrouillage de la gamme de couleurs, il n’y avait pas de modification de la palette de couleurs en fonction de l’environnement. Le bureau conservait la même couleur sur les deux images, que ce soit avec la plaque réfrigérée ou chauffée.
Concernant la palette de couleurs, l’application FLIR One offrait un choix de plusieurs palettes avec des couleurs vairées. Nous avons choisi la palette de couleurs « Fer » qui était choisie par défaut par l’application.

Patient

La température cutanée est influencée par des facteurs exogènes et endogènes du patient.

Facteurs exogènes

La température cutanée met environ 10 minutes pour se stabiliser (71). Il existe des recommandations pour l’utilisation de la thermographie en clinique (Standards and Protocols in Clinical Thermographic Imaging, September 2002), conseillant qu’avant la prise de l’image thermique, le patient soit resté 15 minutes au repos et qu’il ait enlevé tous les bijoux et vêtements au niveau des zones d’intérêt (poignets et mains) (67). Elles préconisent aussi que le patient ne doive pas fumer dans les 30 min précédant la prise des images thermiques, qu’il ne doit pas avoir de coups de soleil, ni de brûlures cutanées (67).
Devant l’existence de ces recommandations, nous n’avons pas fait d’expérimentations supplémentaires afin de déterminer les précautions à prendre avant la prise des images thermiques.

Facteurs endogènes

L’augmentation de la température par des causes endogènes peut faire augmenter la température cutanée (60). Selon les recommandations suscitées (67), le patient doit donc être apyrétique pour bénéficier de la prise d’images thermiques. Nous n’avons pas comparé les images thermiques de patients apyrétiques ou présentant une fébricule (> 38 °C) ou une fièvre.

Calibrage de la caméra thermique, afin de minimiser l’erreur de mesure

Concernant le calibrage de la caméra thermique, il n’y a pas, à notre connaissance, de données dans la littérature. Les articles s’intéressant à une caméra thermique FLIR (FLIR T300 ou FLIR One) n’ont pas rapporté le détail du calibrage de la caméra.
Afin de déterminer au mieux les réglages les plus adéquates possible, nous avons réalisé des manipulations concernant la distance de prise des images, le mode d’émissivité et le calibrage automatique/non automatique.
FLIR One possédant une application smartphone, a permis l’acquisition de mises à jour, améliorant certains paramètres de la caméra au cours de notre étude.

Distance

Comme précédemment décrit, la caméra thermique FLIR One possède une caméra thermique LEPTON et une caméra VGA à lumière visible, et fusionne les images de ces 2 caméras pour créer des images thermiques.
Lors de notre recherche expérimentale, nous avons mis en évidence que lorsque la caméra FLIR One s’approchait trop près de sa cible, il existait un décalage ente l’image thermique et l’image standard.
Après avoir contacté le fabricant de FLIR One, il nous a bien été mentionné que ce décalage pouvait fausser la mesure de la température cutanée d’une zone d’intérêt.
Nous n’avons pas retrouvé de données dans la littérature concernant ce phénomène.
Afin de confirmer ce point, nous avons réalisé l’image d’une main avec différentes distances entre le capteur et la surface cutanée : environ 20 cm, 40 cm et 60 cm. La caméra FLIR One n’a pas pu être fixée, mais la distance était mesurée avec un mètre ruban. Cette manipulation a été répétée sur trois sujets volontaires sains.
Il a été mis en évidence pour les 3 sujets, que le décalage des deux images (visuelles/thermiques) était plus marqué pour la distance de 20 cm. Pour les distances à 40 cm et 60 cm, le décalage entre les deux images était toujours présent, mais moins prononcé que pour la distance de 20 cm. Ce phénomène de décalage est donc constant, mais moins prononcé pour les distances de 40 et 60 cm.
Toutefois, dans le courant de l’année 2018, une mise à jour a été réalisée avec la possibilité de faire correspondre l’image thermique de l’image visible, manuellement, à l’aide d’une molette digitale. Nous n’avons donc plus été confrontés à ce problème pour la suite des expérimentations.

Mode d’émissivité

Dans la caméra FLIR One, il existe 4 modes d’émissivité, utilisés selon le type de surface : mat, semi-mat, semi-brillant ou brillant.
Nous avons choisi de comparer ces quatre modes entre eux afin de sélectionner le mode d’émissivité le plus adéquat, pour limiter le risque d’erreur de mesure.
Sur les images thermiques de la caméra FLIR One, il est possible d’afficher un curseur sur l’image thermique indiquant une température en degrés Celsius.
Nous avons donc relevé grâce au curseur de la caméra, pointé sur chaque articulation cible (poignets, MCP et IPP) d’une main, une température pour chaque mode d’émissivité, chez un sujet sain.
En comparaison, la même manipulation était réalisée avec un thermomètre cutané Physitemp BAT-12, au niveau des mêmes zones d’intérêt. La sonde du thermomètre cutané était collée au niveau des zones d’intérêt. Nous appellerons la température relevée par le thermomètre cutané « température de référence ».
Le diagramme 1 correspond à la mesure de la température en °C relevée par les appareils suivants : la caméra FLIR One (4 modes) et le thermomètre Physitemp BAT-12, pour chaque articulation (poignets, MCP 2 à 5 et IPP 2 à 5) du sujet sain. Les points bleu marine correspondent au mode Matte, ceux en rouges au mode semi-matte, ceux en gris au mode semi-glossy, ceux en verts au mode Glossy et ceux en bleus clairs à la température de référence.
Le diagramme 1 et le tableau 1 montrent que les mesures faites avec les modes semi-glossy le mode glossy sont très éloignées de la température cutanée de référence ; au contraire, le mode Matte est le plus proche de la température cutanée de référence.

Calibration automatique ou sans calibration automatique

La caméra thermique laisse le choix de son calibrage : avec ou sans calibration automatique. Afin d’évaluer le calibrage le plus adapté à la réalisation de nos images thermiques, nous avons relevé grâce au curseur de la caméra, pointé sur chaque articulation cible (poignets, MCP et IPP), une température pour chaque mode d’émissivité, chez trois sujets sains (tableau 2).
En comparaison, la même manipulation était réalisée avec un thermomètre cutané « Physitemp BAT-12 », au niveau des mêmes zones d’intérêt. La sonde du thermomètre cutané était collée au niveau des zones d’intérêt (tableau 2).
Le diagramme 2 représente la mesure des températures relevée par les appareils : la caméra FLIR one et le thermomètre Physitemp BAT-12, pour chaque articulation (poignets, MCP 2 à 5 et IPP 2 à 5) de chaque sujet sain, d’une part avec la calibration automatique et d’autre part sans la calibration automatique.
Selon le diagramme 2, la fonction de la courbe met en évidence une meilleure corrélation sans calibrage automatique (y = 1,0876x – 0,1345) qu’avec calibrage automatique (y = 0,7514x + 9,8323).
Le tableau 3 montre un fort facteur de corrélation avec calibrage automatique (0,612) pour le sujet sain 1, alors que le facteur de corrélation était négatif pour le sujet sain 2.
Il semblerait que la caméra thermique soit sensible aux variations ambiantes sur le mode « avec calibrage automatique ».
Les facteurs de corrélation avec mode « sans calibrage automatique » étaient 0,461 pour le sujet sain 1, 0,465 pour le sujet sain 2 et 0,025 pour le sujet 3. Il n’y a pas de facteur de corrélation négatif. Le mode « sans calibrage automatique » semble donc plus adapté dans le cadre de notre étude.
En comparant les mesures de températures « avec calibrage automatique » et « sans calibrage automatique » aux mesures de référence, on a observé une différence moyenne de 2,51  1,6 °C avec le calibrage automatique, et de 2,76  1,22 °C sans calibrage automatique (tableau 4).

Prise du cliché thermique

Concernant la prise des clichés thermiques, à notre connaissance, il n’y a pas de données dans la littérature. Les articles s’intéressant à la caméra thermique portable n’ont pas rapporté le détail de la prise des images.
Nous avons réalisé une cinquantaine d’images thermiques sur une période de 6 mois, pour optimiser la prise des images thermiques, et avons découvert que le mauvais positionnement des doigts ou avant-bras, la présence d’un syndrome Raynaud ou la froideur des extrémités, la visualisation d’un arrière-plan sur l’image pouvaient rendre difficile la lecture des images thermiques par le logiciel GipsVision (description du logiciel page 34.).
De toutes ces observations, nous en avons donc déduit qu’il était nécessaire de bien visualiser les mains et avant-bras (au moins 15 cm au-delà du poignet). Les avant-bras doivent être bien parallèles entre eux et les mains doivent être bien à plat avec les doigts bien écartés, sans que les pouces ne se touchent pour une analyse correcte de l’image thermique par le logiciel GipsVision (image 7).

Interprétation des images thermiques

Afin d’interpréter ces images thermiques, nous avons développé un logiciel expérimental permettant une lecture automatisée de ces images obtenues avec la caméra FLIR ONE. Le logiciel détecte automatiquement 11 ROI pour chaque main (poignet, carpe, MCP 2-5 et IPP 2-5 et une zone saine au niveau de l’avant-bras) et relève la température moyenne des ROI (GipsVision) (Figure 1).
Pour la construction des ROI, le logiciel GipsVision délimite la main, grâce à la détection de la chaleur qu’elle émet, ce qui la différencie du plan de travail (température plus froide) (Figure 1a). La délimitation de la main permet de positionner l’extrémité des doigts, l’inflexion du poignet, l’axe de l’avant-bras et le centre du carpe. Grâce à ces marquages, les ROI des MCP et IPP sont automatiquement fixées sur l’image thermique (Figure 1b). Il n’est pas possible de repositionner les ROI manuellement.
La caméra FLIR One produit une image en couleurs dans une échelle qui va du bleu foncé (pour les températures les plus basses) au jaune clair (pour les températures les plus hautes). Ces couleurs sont arbitraires, c’est à dire qu’en fonction de la palette de couleurs utilisée, chaque couleur ne correspond pas à une température fixe. Le logiciel développé par GipsVision transcrit cette couleur en une valeur numérique sur une échelle linéaire de 0 à 256 (sur 8 bits). Le curseur de la caméra permet de relever en plusieurs endroits des températures données, et d’ainsi étalonner la correspondance entre les valeurs transcrites et les températures réelles en degrés Celsius (°C).
Concernant la captation des ROI, le logiciel mesure la moyenne des valeurs à l’intérieur de chaque ROI (Figure 1b) et pour chaque zone de mesure, une valeur brute, convertible en °C (Figure 1c). La reproductibilité de la détection des ROI et des mesures de température a été évaluée avec des clichés pris de manière consécutive et à des distances différentes (variation du positionnement du capteur) et à des temps différents dans la même journée (variation du positionnement des mains et du capteur).

Population

Nous avons inclus 2 groupes de sujets : une population de sujets sains et une population de sujets atteints d’un rhumatisme inflammatoire chronique (RIC) se manifestant par des synovites cliniques.
L’objectif était de recruter 10 patients avec un RIC et 10 sujets sains.
Les critères d’inclusion étaient un âge supérieur à 18 ans et inférieur à 90 ans, l’absence de syndrome de Raynaud, de déformations sévères des mains ou de chirurgie des poignets ou des doigts dans les 3 mois précédents leur inclusion.
Le recrutement des patients a été réalisé en monocentrique, dans le CHU de Sainte Marguerite, dans le service de rhumatologie, à Marseille.

Conditions expérimentales

Nous avons évalué la reproductibilité des mesures dans le groupe sujets sains en prenant d’une part plusieurs clichés à des distances différentes sans que le sujet ne bouge les mains et d’autre part plusieurs clichés à temps et des distances différents après que le sujet ait changé de position des mains.
Pour des raisons pratiques, nous n’avons pas pu réaliser les clichés à des distances fixes. Chaque image devait visualiser l’intégralité des mains (avec doigts écartés) ainsi que 15 cm d’avant-bras par rapport aux poignets. Cette distance minimale pour répondre à ces critères était d’environ 40 centimètres. Un cliché était pris à partir de cette position de référence, puis deux autres clichés étaient réalisés à 50 et 60 cm, respectivement, à un temps T0.
De plus, trois images étaient également réalisées à un intervalle de temps différent (10 minutes soit T10) et également à des distances différentes (40, 50 et 60 cm) afin d’évaluer la reproductibilité des images après changement de position du capteur thermique et des mains.
Pour évaluer leur niveau d’activité, chaque patient a bénéficié d’une échographie des mains et poignets.

Analyses statistiques

Pour rappel, nous avons observé dans la 1ère partie de notre étude que la caméra FLIR One modifie automatiquement sa palette de couleurs en fonction de l’environnement. De ce fait, les couleurs de l’image thermique sont une extrapolation de la température cutanée des mains, mais ne sont pas strictement corrélées à une température cutanée donnée. Il est donc difficile de comparer les couleurs d’une image thermique à une autre. A notre connaissance, l’ampleur de l’impact de ce biais sur l’évaluation des images thermiques n’est pas connue. Afin d’éviter ce potentiel écueil, nous avons établi un delta de températures entre la température de l’avant-bras (considérée comme zone de référence) et la température d’une articulation donnée («AB »). L’intérêt de ce AB est également lié à une variabilité interindividuelle des températures cutanées. En effet, lors de nos expérimentations sur le sujet sain, nous avons observé que chaque individu n’avait pas la même température cutanée (cf. page 28 et 29).
Afin d’évaluer la distribution des températures, chaque température moyenne de ROI d’une articulation donnée a été comparée à la moyenne des ROI de cette même articulation sur l’ensemble de la population étudiée (sujets sains et patients). Cette comparaison a été faite pour l’ensemble des ROI (avant-bras, poignet, carpe, MCP 2 à 5, IPP 2 à 5).
Nous avons étudié 2 façons d’exprimer les températures cutanées extraites à partir des images thermiques :
– Les températures en chiffre absolu, exprimées en degrés Celsius, mesurées au sein de chaque ROI (température moyenne de la ROI)
– Les différences entre la température d’une ROI et la température moyenne de l’avant-bras. En effet, lors de nos expérimentations sur je sujet sain, nous avons observé que chaque individu n’a pas la même température cutanée (cf. page 28 et 29). Afin d’avoir une évaluation indépendante de ce facteur, nous avons aussi comparé la température moyenne de chaque articulation à la température moyenne de l’avant-bras (zone saine). Ce delta de température pour une articulation donnée a été comparé à la moyenne des deltas de cette articulation.
Sur le plan statistique, nous avons comparé :
– La distribution de la différence entre la température moyenne d’une ROI de chaque articulation (poignets, MCP 2 à 5 et IPP 2 à 5) de chaque image thermique par rapport aux moyennes des températures de toutes les images thermiques des ROI de cette même articulation au cours de différents temps de mesure.
– La distribution de la différence entre le  AB/articulations de chaque articulation (poignets, MCP 2 à 5 et IPP 2 à 5) de chaque image thermique par rapport à la moyenne des AB/articulations de toutes les images thermiques de cette même articulation au cours des différents temps de mesure.
Ces résultats seront présentés pour tous les individus, puis par groupe (sujets sains et patients).

Table des matières

I. INTRODUCTION
II. 1ERE PARTIE : ÉTUDE DES SOURCES DE VARIATIONS ET D’ERREURS DE MESURE AVEC LA CAMERA FLIR ONE
II.1. Introduction
II.2. Matériel et méthodes
II.2.1. Étude des sources de variation de la mesure automatisée des images thermiques
II.2.1.1. Environnement
II.2.1.1.1. Température ambiante
II.2.1.1.2. Matériaux
II.2.1.2.Patient
II.2.1.2.1. Facteurs exogènes
II..2.1.2.2. Facteurs endogènes
II.2.2. Calibrage de la caméra thermique, afin de minimiser l’erreur de mesure
II.2.2.1. Distance
II.2.2.2. Mode d’émissivité
II.2.2.3. Calibration automatique ou sans calibration automatique
II.2.3. Prise du cliché thermique
II.3. En conclusion
III. 2EME PARTIE : REPRODUCTIBILITE DE L’OUTIL
III.1. Introduction
III.2. Matériels et Méthodes
III.2.1 Acquisition des images thermiques
III.2.2. Interprétation des images thermiques
III.2.3. Population
III.2.4. Conditions expérimentales
III.2.5. Analyses statistiques
III.3. Résultats
III.4. Discussion
IV. 3EME PARTIE : VALIDITE : EVALUATION DE L’ACTIVITE DE LA PR AVEC LE CAPTEUR THERMIQUE PORTABLE COMPAREE A L’EVALUATION DE L’ACTIVITE PAR L’EXAMEN CLINIQUE ET L’ECHOGRAPHIE
IV.1. Introduction
IV.2. Matériels et Méthodes
IV.2.1. Population
IV.2.2. Protocole
IV.2.2.1. Acquisition des images thermiques
IV.2.2.2. Évaluation clinique
IV.2.2.3 Evaluation échographique
IV.2.3. Analyses statistiques
IV.2.3.1. Comparaison image thermique et examen clinique
IV.2.3.2. Comparaison image thermique et échographie
IV.2.3.3. Comparaison les 2 types d’analyse de l’image thermique
IV.3. Résultats
IV.3.1. Comparaison image thermique et examen clinique
IV.3.2. Comparaison image thermique et échographie
IV.3.3. Comparaison des 2 types d’analyse de l’image thermique
IV.4 Discussion
V. CONCLUSION
VI. REFERENCES

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