Número 18¿Sabías que...?

…no es tan fácil medir la temperatura del cuerpo humano a distancia?

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La pandemia de la Covid-19 ha convertido en algo habitual la medición de la temperatura corporal a distancia por métodos de infrarrojo en los servicios de salud y, más en general, en todas las actividades de la sociedad: en la entrada a eventos, centros de trabajo, etc. En este artículo vamos a explicar cuáles son los fundamentos de esta medición y lo fiable que puede llegar ser.

Existen principalmente dos métodos para medir la temperatura (y por lo tanto la temperatura del cuerpo humano), según el tipo de contacto entre el termómetro y el objeto que se mide:

– Métodos de contacto
– Métodos sin contacto (métodos que utilizan la radiación térmica emitida)

Los métodos de contacto son aquellos en los que el sensor de temperatura está en contacto directo con el objeto. Requieren un tiempo de espera (normalmente varios minutos) para alcanzar el equilibrio térmico entre el objeto y el termómetro. Estos métodos son lentos, requieren distancia corta entre con el individuo y no son habitualmente utilizados, ni aconsejables, para sistemas de detección de individuos febriles ante situaciones de emergencia sanitaria.

Los métodos sin contacto se basan en el hecho de que todos los cuerpos emiten radiación térmica. Esta radiación térmica puede ser detectada y medida por un sensor a cierta distancia de la superficie. En este caso, no hay contacto directo entre el termómetro y el objeto cuya temperatura se está midiendo por lo que sería un sistema ideal de medida de la temperatura del cuerpo humano en situaciones de emergencia sanitaria. Sin embargo, son menos precisos que los de contacto debido, entre otros, a los siguientes efectos:

– La capacidad del objeto para emitir radiación térmica (emisividad), que no siempre es bien conocida.

– El entorno a través del cual la radiación térmica se propaga del objeto al termómetro (condiciones ambientales), que influye en la intensidad que llega a éste.

– La capacidad del termómetro para recoger la radiación emitida e inferir la temperatura (características ópticas del termómetro, detector, lentes, alineación, etc.)

Mientras que los termómetros de contacto se basan en la transferencia de calor por conducción, los termómetros de radiación utilizan la radiación electromagnética emitida. La magnitud y la distribución espectral de la radiación son funciones de la temperatura del objeto (o individuo) y su emisividad. Se suele trabajar en un rango de 3 mm a 30 mm, es decir, mucho más allá de la región visible, en las regiones espectrales del infrarrojo cercano y lejano.

La emisividad es un indicador de lo bien que un objeto emite radiación electromagnética desde su superficie. Se expresa mediante una escala adimensional con un rango de 0 a 1. Un cuerpo negro ideal tiene una emisividad de 1 y por definición es un emisor perfecto. En la realidad, los objetos nunca son perfectos; por lo tanto, los cuerpos negros ideales se modelan con cuerpos negros prácticos que tienen emisividades que se acercan lo más posible a la unidad.

Además no solo debemos asegurarnos que controlamos la medida de la radiación emitida sino que, en el caso de la medición clínica de la temperatura del cuerpo, la finalidad es evaluar la temperatura real de un sitio corporal de referencia, utilizando un termómetro clínico que debe relacionarse con el valor en el interior del cuerpo.

Se considera generalmente como temperatura corporal interna la temperatura de la sangre de la arteria pulmonar [1] y el cerebro [2].  Sin embargo, estos no son ubicaciones corporales prácticas (¡y accesibles!) en la mayoría de los casos. La arteria pulmonar, el esófago distal, la vejiga urinaria o la membrana timpánica son puntos para la medida  de la temperatura corporal interna reconocidos, por lo que para medirla directamente la única posibilidad sería mediante  la inserción de un catéter invasivo (excepto en la membrana timpánica), lo que no es, en general, muy operativo en situaciones de emergencia sanitaria. Las mediciones de la temperatura de contacto del tímpano se consideran menos invasivas y, siempre que sea posible, deben utilizarse como referencia [3], [4], [5].

Otras posibilidades alternativas de medición, aunque no consideradas de referencia, que podrían representar la temperatura interna son:

– la zona oral, rectal o axilar tradicionalmente medidas por termómetros de contacto. Sin embargo, estas zonas se eligen por conveniencia más que por corrección ya que a menudo no representan la temperatura corporal interna con la precisión requerida.

– el canal auditivo, con la membrana timpánica al final. Esta zona es adecuada para la medición rutinaria de la temperatura corporal por infrarrojo sin contacto. El canal auditivo es casi una cavidad ideal para la medición de la temperatura infrarroja. Anatómicamente el canal es un tubo ligeramente curvado de unos 3,5 cm de longitud para un adulto. El canal está bien aislado del exterior y se encuentra muy cerca de las principales arterias y venas del cerebro; termina a sólo unos 3,5 cm del hipotálamo, que es el centro de control de la temperatura corporal. La temperatura del canal auditivo, medida con un termómetro de infrarrojos, es muy representativa de la del centro de regulación térmica del cuerpo.

– las mediciones de la temperatura de la piel que determinan la temperatura de la superficie del cuerpo humano. Esta temperatura depende en gran medida de la perfusión sanguínea de la piel y de las condiciones ambientales. Además, la temperatura de la piel puede variar con una transpiración anormal, que podría estar o no relacionada con algún problema de salud o con la fiebre. Por lo tanto, la temperatura de la piel no puede ser correlacionada independientemente con la temperatura interna del cuerpo. Sin embargo, una medida de la temperatura en el canto interno del ojo, aun siendo temperatura de la piel, es más representativa de la temperatura interna ya que esta región está sobre la arteria interna carótida [6], [7], [8]

Tanto los termómetros, la forma en que se utilizan, así como los lugares de medición son todas fuentes potenciales de incertidumbre en la medida, y ciertamente ninguna de estas modalidades mide directamente la temperatura corporal interna [9]. Cada ubicación, y de hecho cada modalidad de termómetro, presenta desafíos particulares para la medición fiable de la temperatura corporal (ver por ejemplo, [10], [11], [12]).

Pero, ¿la verificación o calibración de estos termómetros en laboratorio resolvería el problema? La respuesta a esta pregunta es no, ya que cada zona corporal de referencia tiene una temperatura diferente según el equilibrio entre la producción, transferencia y pérdida de calor y, por lo tanto, la verificación en laboratorio de un termómetro clínico por sí solo no es suficiente. El algoritmo de ajuste interno de estos termómetros, para obtener la temperatura indicada, debe incluir las características del paciente y del entorno por lo que, la exactitud de un termómetro clínico se verifica en dos etapas [13]:

– comparando la temperatura indicada (en modo no ajustado o en modo directo) con la de un termómetro de referencia calibrado con trazabilidad al Sistema Internacional de Unidades (SI). En el caso de un termómetro clínico en equilibrio, la exactitud de la medición puede determinarse correctamente en condiciones de laboratorio (calibración).

– utilizando métodos estadísticos que comparen la temperatura indicada (en modo ajustado) con la de un termómetro clínico de referencia que tenga una exactitud clínica especificada para representar una temperatura corporal de referencia particular. En el caso de un termómetro clínico que funciona en el modo ajustado, la exactitud del laboratorio se verifica en un modo directo y la exactitud clínica se valida en el modo ajustado (modo de funcionamiento) con un grupo suficientemente grande de sujetos humanos.

Los principales termómetros para la medida de la temperatura del cuerpo humano por radiación son:

1. Termómetros de oído

Este termómetro mide la temperatura del cuerpo humano a través de la radiación emitida por el tímpano y el canal auditivo lo que se considera un radiador completo en una buena aproximación (se puede considerar una emisividad prácticamente igual a 1 [14]).

Existen normas que estandarizan la medida de temperatura con estos termómetros: la norma europea EN 80601-2-56:2018 [13], una norma americana, ASTM [14] y una norma japonesa JIST  [15]. La exactitud de medida (incertidumbre) establecida para este tipo de termómetros en el rango de 35,5 °C a 43,0 °C es de 0,2 °C. A esta incertidumbre debería añadirse la incertidumbre en uso del termómetro que debería tener en cuenta los siguientes parámetros de influencia:

  • Alineamiento: el termómetro debe medir la temperatura de la membrana timpánica. Esta temperatura es diferente de la temperatura media del canal auditivo. Debido a que el termómetro, en general, tiene un ángulo de visión muy grande, inevitablemente mide también alguna porción del canal auditivo al lado de la membrana timpánica. Dependiendo de la posición del termómetro con respecto al canal auditivo, esta contribución puede ser menor o mayor.
  • Obstrucción del canal auditivo: la medida puede estar afectada por la oclusión del canal auditivo por el cerumen o por efecto de una inflamación.
  • Influencia de la cubierta de la sonda (la variación entre las diferentes cubiertas de la sonda): esto puede resultar en una menor cantidad de radiación térmica que llega al detector debido a la variabilidad de la transmisión entre la cubierta de la sonda.
  • Calentamiento del termómetro cuando se sostiene en la mano y por el flujo de calor del cuerpo: depende del diseño del termómetro
  • Deriva: siempre es necesaria una calibración trazable periódica para mantener la precisión del termómetro.

Estos termómetros han sido también ampliamente estudiados por los Institutos Nacionales de Metrología europeos y existe una comparación internacional [16] cuyos resultados confirman la exactitud especificada en las normas.

2. Termómetros de radiación de frente

Mientras que los termómetros de oído están mucho más estudiados y su funcionamiento se recoge en diversas normas, sólo hay una norma que recoge las mediciones de temperatura realizadas con termómetros de frente [14].

La medición de la temperatura de la piel es técnicamente similar a la medición de la temperatura del canal auditivo, pero con dos diferencias significativas. La primera es que la emisividad de la piel puede variar de un sitio a otro en el rango de 0,94 a 0,99 [17], a diferencia de la emisividad del canal auditivo donde la emisividad es de 1,00. El campo de visión de los termómetros de oído y de frente suele ser bastante amplio, pero en el caso de los termómetros de oído, están diseñados para ser insertados en el canal auditivo y el campo de visión se llena. Esto es diferente en el caso de los termómetros para la frente, en los que es probable que la región de interés sólo llene una parte del campo de visión, y para evitar lecturas erróneas, tanto el diseño del instrumento como la distancia de medición deben garantizar que la radiación infrarroja se recoja de una zona limitada especificada de la superficie de la piel, evitando cualquier radiación térmica parásita de los tejidos y objetos vecinos que tengan temperaturas superficiales diferentes (véase la figura 1).

Figura 1. El área del blanco del termómetro (en líneas punteadas) debe ser inferior a la superficie de la que se quiere medir la temperatura (rectángulo gris).

En el mercado suelen existir dos tipos de termómetros que miden la temperatura de la piel de la frente:

– termómetros de arteria temporal se colocan tocando la sien y tienen una forma de “copa” en el extremo. Generalmente, se mueven sobre la superficie de la piel desde el centro de la frente hacia la oreja y se registra la temperatura máxima. Suele venderse para su uso en bebés.

– termómetros de frente para medir en un solo punto de la piel, a una distancia de varios centímetros.

La exactitud del termómetro dada en la norma  [14] es de 0,3 °C en el rango de 22 °C a 40 °C. A esta incertidumbre debería añadirse la incertidumbre en uso del termómetro que debería tener en cuenta los siguientes parámetros de influencia:

  • Efecto del tamaño de la fuente (ETF): la temperatura medida de un objetivo a temperatura constante varía dependiendo del tamaño del objetivo. Debido a esto, los termómetros de frente deben utilizarse lo más cerca posible de la superficie de la piel para lograr un tamaño mínimo del punto del que se toma la medida.
  • Efecto de distancia: esto está relacionado con el ETF porque al aumentar la distancia se reduce el ángulo sólido visto por el termómetro de un objetivo de diámetro fijo (y disminuye la señal debido a la absorción atmosférica). En consecuencia, a medida que aumenta la distancia al objetivo, la lectura de la temperatura se desvía cada vez más de la verdadera temperatura del objetivo.
  • condiciones ambientales: la radiación térmica ambiental, la radiación solar, el viento, etc influyen en la medida. 
  • Emisividad: los efectos dependen de la temperatura del detector, la temperatura ambiente, el rango de longitudes de onda del detector, el conjunto (instrumento) y la emisividad real de la piel.
  • Influencia de la cubierta protectora (si la hay, por ejemplo para termómetros de arteria temporal): una menor cantidad de radiación que llega al detector puede deberse a la dispersión y a la dispersión de la radiación a través de la superficie no ideal de la cubierta de una sonda.
  • Calentamiento del termómetro cuando se sostiene en la mano: depende del diseño del termómetro.
  • Homogeneidad térmica del área medida: diferencia entre medida de la temperatura en diferentes sitios de la frente (afectados por flujo de aire, sudor y el suministro de sangre).
  • Deriva: normalmente se necesita una calibración periódica para mantener la precisión del termómetro.

Por todo la anterior, la exactitud de la medida con estos termómetros es mucho menor que con los termómetros de oído.

3. Cámaras termográficas

Las cámaras termográficas están formadas por una matriz de pequeños sensores de radiación y una óptica (lentes) que nos permite hacer imágenes de una cierta área.

Son muy utilizadas en la industria (electricidad, fabricación de componentes o piezas, edificación, etc.) para la búsqueda de puntos calientes. Ofrecen un mapa térmico de lo que se está mirando, por lo que son muy útiles para hacer mapas de temperatura de áreas extensas o multitudes de personas, en este caso “mapas de fiebre”.

Todo lo expuesto en el apartado anterior para termómetros de frente aplica a las cámaras termográficas, sin embargo, presentan dos ventajas frente a los termómetros de frente:

  • la posibilidad de medir la temperatura del canto interno del ojo (más próxima a la temperatura interna del cuerpo que la temperatura de la frente), seleccionando los pixeles de esa zona en la imagen
  • la posibilidad de realizar medidas comparativas que pueden actuar de filtro, en base a un umbral establecido utilizando el software de adquisición de datos que llevan incorporado

Para la medida de la temperatura del canto interno del ojo es muy importante que haya un número adecuado de píxeles en esa zona. El procedimiento requiere un posicionamiento correcto para que la cara llene la mayor parte del área de la imagen [18], [19]. Como con cualquier cámara o sistema de imagen se debe cuidar el enfoque y, en este caso, el primer plano frontal que requiere la imagen de la cara. Esto contrasta con muchas de las imágenes que en ocasiones muestran los medios de comunicación, donde las cámaras se han dirigido, por ejemplo, a grupos de personas, y donde la temperatura máxima mostrada en un termograma puede basarse en un solo píxel. Muchas de las imágenes mostradas también son de baja resolución, probablemente desenfocadas, y los sujetos están demasiado lejos para medir la temperatura.

Podemos suponer que la exactitud de partida de estos instrumentos es similar a la de un termómetro de radiación de frente, es decir de 0,3 °C (existen normas internacionales que nos describen el funcionamiento y los métodos de verificación de las cámaras termógraficas [20], [21], [22], [23], [24]). Además se deben tener en cuenta las siguientes variables de influencia durante su uso:

  • Condiciones del área medida: la selección de los pixeles que cubren la zona del canto interno del ojo tiene que ser suficiente para permitir una lectura precisa. Debe realizarse un termograma de la cara completa del individuo
  • El uso de una fuente de calibración externa en el propio termograma hace la lectura más precisa. Deben tenerse en cuenta la incertidumbre de esta fuente y la posible incertidumbre durante la medida (homogeneidad de campo, termograma en dos zonas del mapa de pixeles). Si no se usa, aumentaría la incertidumbre de medida de la cámara termográfica.
  • Efecto de las condiciones ambientales: la humedad y la temperatura del ambiente en el que se realiza el termograma afecta a la absorción de la radiación y deben ser conocidas.
  • Emisividad: como en el caso de los termómetros de frente, los efectos dependen de la temperatura del detector, la temperatura ambiente, el rango de longitudes de onda del detector, el conjunto (instrumento) y la emisividad real de la piel. En este caso además debería considerarse la forma no plana del canto interno del ojo
  • Influencia de fuentes de luz o de calor externas. En este caso, al ser una medida que se realiza a aproximadamente un metro de distancia (en comparación a los cm con los que se usan los termómetros de frente), las fuentes externas de luz y calor pueden afectar a la medida.

Por lo anterior, en cuanto a su exactitud podemos decir que sería comparable a la de un termómetro de frente, sin embargo tienen una ventaja sobre éstos y es que, al poder medir la temperatura del canto interno del ojo, su indicación es más próxima a la temperatura interna del cuerpo humano.

Referencias

[1] Fulbrook, P. “Core body temperature measurement: a comparison of axilla, tympanic membrane and pulmonary artery blood temperature”, Intensive Crit. Care Nurs., 13, 266-72, (1997)
[2] Brengelmann G. L., “Dilemma of body temperature measurement” Shiraki, Keizo and Yousef, M.K. Ed. “Man in stressful environments: thermal and work physiology” Charles C. Thomas, Springfield, IL, 1987, pp 5-22
[3] Benzinger M., “Tympanic thermometry in anaesthesia and surgery”, JAMA, 209, 1969, pp 1207-11
[4] Webb G. E., “Comparison of esophageal and tympanic temperature monitoring during cardiopulmorary bypass” Anaesthesia and Analgesia, 52, 1973, pp 729-33
[5] Brinnel H. and Cabanac M. T. “Tympanic temperature is a core temperature in humans” J. Therm. Bio. (UK) 14, 1969, pp 47 – 53
 [6] D. Pascoe, G. Fischer “Comparison of measuring sites for the assessment of body temperature” Thermology Int. 2009, 19(1), pp 35-42
[7] E. F. J. Ring, A. Jung, B. Kalicki et al “Infrared thermal imaging for fever detection in children” Medical Infrared Imaging: Principles and Practices. Capítulo 23. CRC Press, Boca Raton, 2013
[8] E. F. J. ring, E. Y. K. Ng “Infrared thermal imaging standards for human fever detection” Medical Infrared Imaging: Principles and Practices. Capítulo 22. CRC Press, Boca Raton, 2013.
[9] McCallum, L., Higgins, D., “Measuring body temperature”, Nursing Times, 108 (45):20-22 (2012)
[10] Davie, A., Amoore, J., “Best practice in the measurement of body temperature”, Nursing Standard, 24, no 42, 42-49 (2010)
[11] Asadian, S., Khatony, A., Moradi, G.R., Abdi, A. & Rezaei, M. “Accuracy and precision of four common peripheral temperature measurement methods in intensive care patients”, Med Devices (Auckl). 9:301-308 (2016)
[12] Machin, G., Brettle, D., Fleming, S., Nutbrown, R., Simpson, R., Stevens, R., Tooley, M., “Unreliable body temperature measurement”, submitted J Met. Eng., 2020
[13] UNE-EN 80601-2-56:2018 Equipos electromédicos. Parte 2-56: Requisitos particulares para la seguridad básica y funcionamiento esencial de los termómetros clínicos para la medición de la temperatura corporal”
[14] ASTM E1965 – 98(2016) “Standard Specification for Infrared thermometers for Intermittent Determination of Patient Temperature”
[15] JIS T 4207: 2005(E) “Infrared ear thermometers”
[16] Pušnik I., et al. “Comparison of blackbodies for calibration of infrared ear thermometers”. International journal of thermophysics, vol. 32, no. 1/2, pp. 127-138, 2011.
[17] Togawa T. “Non contact skin emissivity: measurement from reflectance using step change in ambient radiation temperature” Clin. Phys. Physiol. Meas., 10-1, 1989, pp 39-48
[18] UNE- EN 80601-2-59:2019 Equipos electromédicos. Parte 2-59: Requisitos particulares para la seguridad básica y funcionamiento esencial de los termógrafos de exploración de la temperatura humana febril”
[19] ISO TR 13154 2017-03 “Medical electrical equipment. Deployment, implementation and operational guidelines for identifying febrile humans using screening thermograph”
[20] Norma ASTM E1311 – 14 “Standard Test Method for Minimum Detectable Temperature Difference for Thermal Imaging Systems”
[21] Norma ASTM E1213 – 14 “Standard Test Method for Minimum Resolvable Temperature Difference for Thermal Imaging Systems”
[22] Norma ASTM E1543 – 14 “Standard Test Method for Noise Equivalent Temperature Difference of Thermal Imaging Systems”
[23] Recomendación Internacional OIML R 141, 2008 “Procedure for calibration and verification of the main characteristics of thermographic instruments”
[24] IEC TS 63144-1 (proyecto) “Industrial process control devices -Thermographic cameras – Part 1: Metrological characterization”

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