Determinazione della temperatura corporea mediante la misura IR - Errori tipici e precauzioni d’uso di Corrado Zanardo

Premessa e obiettivi

Questa pubblicazione nasce dall’esigenza, sempre più attuale, di monitorare lo stato di salute delle persone agli accessi di luoghi pubblici e privati. Questo al fine di limitare il contagio e la relativa diffusione di malattie infettive. Questi controlli si stanno diffondendo sempre più velocemente anche a causa di nuove norme introdotte per limitare il contagio della popolazione al SARS-CoV-2 che causa la malattia chiamata dall’ Organizzazione Mondiale della Sanità, COVID-19.

Con questo articolo vogliamo fornire al lettore:

  • Nozioni di base sulla rilevazione della temperatura corporea
  • Fattori che influenza la misura della temperatura corporea
  • Cenni sui principi della misura ad Infrarosso
  • Introduzione alla misura della temperatura corporea tramite la misura ad Infrarosso
  • Tipi di strumenti per la misura ad Infrarosso e le loro differenze
  • Domande e dubbi frequenti di chi si approccia alla misura ad Infrarosso della temperatura corporea (FAQ)

Per questo si procede con la rilevazione in maniera indiretta, misurando quindi la temperatura in altri parti del corpo con approssimazioni che possono variare in base la punto di misura. Sono diversi i punti utilizzabili, prendiamo in esame i punti più comuni.

La rilevazione più attendibile è la misura rettale, ha un discostamento che normalmente è considerato pari a ±0,5°C rispetto a quella rilevata dall’ipotalamo ed è poco influenzato da fattori esterni come la temperatura ambiente, ma di contro è un metodo scomodo e fonte di imbarazzo per molti pazienti.

Altra temperatura attendibile è quella del cavo orale dove il discostamento medio è tra i 0,2°C e i 0,5°C. bisogna tener conto che il cavo orale può portare a grossi errori in caso che il paziente abbia ingerito qualcosa di caldo o freddo, abbia respirato a bocca a aperta (capita spesso se il paziente è raffreddato ad esempio) o se ha tenuto una lunga conversazione ad esempio.

In Italia il punto più comune di misura è l’incavo ascellare ma bisogna tener conto che la temperatura in questo punto è inferiore di circa 0,5°C rispetto al nucleo e che fattori come la sudorazione e le condizioni ambientali possono influire sulla misura. Molte linee guida mediche indicano questo punto come quello meno preciso tra le cavità del corpo umano. Ci sono altri numerosi punti che possono esser utilizzati per il rilevamento della temperatura corporea come il timpano, l’incavo inguinale, la temperatura vaginale, etc.

Principi base e nozioni preliminare sulla rilevazione della temperatura corporea

In Fisiopatologia, quando si deve misurare la temperatura corporea di un soggetto per determinare lo stato di salute, si intende la rilevazione della temperatura interna del corpo. L’ideale sarebbe nel centro termolitico posto nell'ipotalamo anteriore che è il nostro organo che regola la temperatura corporea. Naturalmente non è possibile fare questo tipo di misura se non in maniera invasiva.


 

Tutti questi punti di misura presentano una comune caratteristica: sono misure che si effettuano per contatto e che richiedono diversi minuti per eseguire la misurazione corretta (dai 3 ai 10 minuti in base al punto di misura e al tipo di termometro), spesso possono essere fonte di imbarazzo nei pazienti e richiedono un’igienizzazione del dispositivo di misura dopo ogni rilevazione.


Infine, il sistema meno invasivo e più veloce è la rilevazione della temperatura cutanea tramite un termometro ad infrarossi (IR) anche comunemente chiamato Pirometro o Termoscanner. La misura avviene senza contatto ad una distanza che può variare da pochi centimetri ad alcuni metri nel caso di apparecchiature più sofisticate. Normalmente i punti di misura utilizzati sono il cavo auricolare (punto tra i più precisi perché è un ambiente protetto dalle condizioni dell’ambiente esterno) o più comunemente sulla fronte o tempia del paziente. Questo tipo di rilevazione contrappone la grande versatilità e velocità di rilevazione alla necessità che sia usato in maniera corretta altrimenti può essere fonte di notevoli errori. Più avanti in questo articolo prenderemo in esame gli errori più comuni che si possono commettere con questo metodo di misura.

Da cosa dipende la temperatura corporea

Quando si determina la temperatura di un corpo umano bisogna tener conto di tutto quello che può influenzare la misura. Sono molti i fattori che intervengono nella termoregolazione di un corpo umano che possono ingannare ed essere confusi con un aumento dovuto ad un’infezione o una malattia. Il primo fattore è il metabolismo corporeo ma anche l’attività ormonale e del sistema nervoso e simpatico influenzano la temperatura corporea. Altri fattori sono quelli ambientali come la temperatura della stanza, la ventilazione quindi la perdita di calore del corpo per convezione, per conduzione con oggetti con cui potremmo essere in contatto, l’evaporazione amplificata dalla sudorazione, fino all’affaticamento del soggetto in base all’attività fisica svolta di recente. Altri fattori da tener conto è che al mattino la temperatura corporea è inferiore rispetto alla sera quando l’attività fisica è maggiore. Anche l’età dei pazienti influenza la misura, nei neonati la temperatura è instabile perché gli organi della termoregolazione sono poco sviluppati, negli anziani la temperatura ascellare può essere inferiore anche di 0,5°C rispetto ad un adulto.


In un soggetto adulto e sano la temperatura interna del corpo è considerata di 37°C con una variazione compresa tra 0,5°C e 1°C in rapporto al ritmo cardiaco e al ciclo mestruale del soggetto.

La febbre è definita come un incremento della temperatura corporea centrale al di sopra dei limiti di normalità. Secondo l’OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità) la temperatura centrale normale è compresa fra 36,5°C e 37,5°C (WHO,1996)


Immagine Variazione della temperatura corporea a temperatura ambiente differente

(fonte Testo Spa)

Misura della temperatura corporea ad infrarossi – Principi di misura IR

Come già accennato il sistema di misura ad infrarossi offre grandi vantaggi sotto il punto di vista della praticità e della velocità di lettura. Inoltre, potendo avvenire senza un contatto diretto, offre anche un livello di sicurezza più elevato verso la contaminazione da agenti patogeni che si possono trasmettere per contatto per prossimità. Ma la misura IR non è una misura diretta della temperatura ma bensì una misura determinata mediante la misurazione dell’energia dello spettro elettromagnetico ad una determinata lunghezza d’onda, emessa da una superficie. Misurando la potenza di questa radiazione nella lunghezza d’onda dell’infrarosso si può determinare la temperatura di un corpo mediante le leggi sull’irraggiamento di Stefan-Boltzmann e la legge di Planck. Per risolvere queste equazioni sono necessari alcuni valori relativi alla superficie da misurare come l’emissività (Ɛ) e la temperatura di sfondo o background (RTC, BG). Non tutti i dispositivi hanno la possibilità di regolare questo valore, in alcuni sono fissi a 0,95 per l’emissività e 20°C come RTC, altri sono regolabili. I termometri IR per la misura della temperatura corporea, ad esempio, hanno già impostato il valore dell’emissività della pelle che è pari a 0,98 con una RTC di 20°C.

Maggiori informazioni sono reperibile su testi specifici sulla misura ad infrarosso, per chi volesse approfondire potete consultare diverse letterature di cui vi consiglio: “Termografia: Le applicazioni sugli impianti elettrici ed industriali” o “Diagnosi e Certificazione energetica: Prove strumentali sugli edifici” entrambi dell’Ing. Davide Lanzoni editi da Maggioli editore

Misura della temperatura corporea ad infrarossi – Differenza tra temperatura interna e superficiale

La misura IR determina la temperatura superficiale degli oggetti, e nel caso della misura della temperatura corporea, determina la temperatura della pelle. La pelle è però esposta agli agenti atmosferici quali temperatura dell’aria, vento, pioggia, sole, umidità, etc. Questi fattori possono far variare quindi la temperatura rilevata dagli strumenti ad infrarosso.

Influenza dei fattori ambientali (fonte Testo Spa)

Anche la temperatura ambiente cambia di molto le letture superficiali della pelle. In un soggetto sano la temperatura rilevata sulla fronte varia dai 35°C in un ambiente a 27°, meno di 32°C in un ambiente freddo a 15°C fino ad arrivare ad oltre 37°C per ambienti a caldi a 45°C.
Altro aspetto da considerare è che ogni parte del corpo dissipa calore in maniera differente.

Variazione della temperatura sul volto di una persona sana rilevata con il sistema IR (fonte Testo Spa)

La temperatura stessa delle varie parti del viso di una persona hanno temperature diverse e potranno differire rispetto a quella interna di diversi gradi in base al punto di rilevazione. Normalmente nella fronte è inferiore di 2°C/3°C, le guance possono arrivare anche oltre i 5°C. Questo lo si può notare anche dalla mappa termica ricavata con una termocamera di un volto di un soggetto sano, le aree di colore diverse corrispondono a temperature rilevate diverse in base a diverse aree prese in esame.

Il punto più affidabile per la misurazione è l’angolo degli occhi in corrispondenza del dotto lacrimale in quanto ha una temperatura molto vicina a quella interna del corpo ed è poco esposto agli eventi esterni.

Misura mediante rilevazione della temperatura del dotto lacrimale in soggetto sano con temperatura rilevata di 36,5°C (Rilevazione effettuata con termocamera Testo 875-1i)

La problematica nel rilevare questa temperatura è derivata dalle piccole dimensioni dell’area da rilevare per cui normalmente si necessitano di dispositivi più performanti come termocamere con risoluzioni e/o ottiche adeguate alla distanza di rilevamento

Tipi di strumentazioni utilizzabili – Pirometri e Termometri IR

Ci sono diversi tipi di strumenti che usano la tecnologia IR per rilevare la temperatura. In ambito medico e con certificazioni sanitarie si possono trovare i termometri ad infrarosso o pirometri. Sono oggetti semplici che normalmente vengono utilizzati per la misura sulla fronte o sul canale auricolare. Quest’ultimi sono da preferire ai primi perché come già detto il canale auricolare è un ambiente protetto dai fattori esterni e quindi offre una misura più stabile.

Termometro IR per rilevazione sulla fronte

Questo tipo di strumenti sono pensati e tarati per la misura della temperatura corporea per cui non necessitano di particolari regolazioni, hanno tempi di risposta di pochi secondi e lavorano a distanze tipiche di alcuni centimetri dalla pelle. Lavorando su range di temperatura molto stretti anche l’accuratezza della misura è normalmente molto alta con un discostamento dalla temperatura reale nell’ordine dei 0,1°C-0,3°C.

In alternativa è possibile utilizzare anche i termometri IR per uso industriale ma va tenuto in considerazione che non sono approvati per l’uso medico, non dispongono di certificazioni sanitarie e l’accuratezza di questi strumenti è piuttosto bassa lavorando su range di temperatura molto più estesi. Tipicamente l’accuratezza è tra ±1C o ±2°C o in alternativa il 2% del valore misurato a seconda del valore più alto. È per questo che si raccomanda l’uso di questi strumenti solo per uno screening di massa per identificare i soggetti a rischio che risultano più caldi rispetto agli altri soggetti in esame, indipendentemente dal valore assoluto misurato.

In questo modo è possibile effettuare uno screening veloce dei soggetti identificando quali vanno sottoposti ad un accertamento medico più approfondito evitando così il formarsi lunghe code agli accessi.

Entrambe queste soluzioni, come tutti i sistemi IR, dipendono dai fattori ambientali e non, elencati in precedenza, che possono causare differenti rilevazioni di temperatura.
 

Inoltre, non avendo un’immagine ma solo la temperatura media dell’area misurata, a differenza di ciò che avviene con una termocamera, sono soggetti anche alle variazioni del punto di misura.

Come si può vedere nella foto sopra anche la fronte di un soggetto può differire, anche se non di molto, in base al punto preso in esame, restituendo misure differenti. Per questo è consigliabile fare più misure, ad esempio tre misure, e annotarsi il dato medio delle letture.

Infine, bisogna tenere conto che maggiore è la distanza di misura maggiore sarà l’area presa in esame e misurata dal mio strumento, per questo nei dispositivi medici la distanza indicata è di pochi centimetri. Nei Pirometri industriali è facile reperire la coerenza dello strumento che normalmente è espressa in rapporto tra distanza e superficie misurata (D:S). Ad esempi un rapporto 20:1 indica che a 20cm di distanza misuro un’area di un centimetro di diametro. L’errore più comune su questi strumenti è pensare che la misura sia sempre su una superficie delle stesse dimensioni indipendentemente dalla distanza di lavoro, o nel caso dei Pirometri industriali, che sia il punto laser e la sua dimensione a misurare ed identificare la zona di indagine.

A differenza dei termometri IR, dove la misura è fatta da un singolo sensore, le termocamere hanno una matrice di sensori in grado di scannerizzare una superficie e rilevarne una mappa termica. La dimensione di ogni punto di misura dipende dalla risoluzione del sensore (volgarmente definiti come pixel) e dall’ottica associata.

Conoscendo questi due parametri e la distanza a cui ci poniamo possiamo definire la misura del singolo punto di misura ad una data distanza

Questo parametro lo troviamo indicato nelle specifiche di prodotto e normalmente è indicato come IFOV (Istantaneous Field of View) ed è espresso in milli Radianti (mrad). Ad esempio, una termocamera con IFOV pari a 3mrad indica che alla distanza di 1mt ogni singolo sensore misure un’area di 3mm di lato. La minima superficie misurabile, in questo caso, viene considerata 3 volte l’IFOV a causa della prossimità di altri sensori per cui si può considerare che a 1mt di distanza posso misurare correttamente 3mm x 3 = 9mm. Questo parametro è importante per capire qual è la corretta distanza d’uso in base alle dimensioni all’oggetto da misurare. Prendendo ad esempio il dotto naso lacrimale, le cui dimensioni sono molto contenute, dovremmo scegliere una corretta distanza per evitare di misurare anche l’area dell’occhio o del naso vicino che risultano più fredde. Un buon metodo pratico è avvicinarsi il più possibile al soggetto per poi allontanarsi finché la misura rimane stabile. Quella sarà la distanza massima d’utilizzo per quello strumento.

I vantaggi di avere una mappa termica invece che il singolo punto di misura sono molti: poter scegliere in punto più adatto per la misura, vedere la distribuzione di temperatura, identificare anomalie con un'unica misura. Naturalmente vanno sempre tenuti presenti i limiti già descritti della misura IR.

Differenza di temperatura sulle varie zone del vis rilevabile con una termocamera

Anche la distribuzione del calore può essere usata per identificare un soggetto malato. Un soggetto sano avrà una temperatura del viso non uniforme, mentre una persona con la febbre avrà una temperatura decisamente più omogenea in tutto il volto.

L’accuratezza di misura delle termocamere è quasi sempre attorno ai ±2°C o il 2% della misura, a seconda del valore superiore. Questo dato può essere migliorato utilizzando un riferimento di temperatura stabile (Corpo nero o Black Body) che è un corpo di cui è nota la temperatura. Sfruttando questo riferimento, alcune termocamere possono migliorare la propria accuratezza fine a ±0,5°C e in alcuni casi anche a ±0,3°C. Per far questo vengono utilizzate normalmente delle camere fisse con la possibilità di collegamento diretto del corpo nero e dei software dedicati in grado di gestire il tipo di misura richiesto. Alcuni sistemi possono essere gestiti in automatico tramite un software e/o una IA (Artificial Intelligence) in grado di riconoscere il punto di misura più adatto ed avvertire con un avviso in caso di superamento di una soglia impostabile. La presenza di un operatore è però consigliata o necessaria per una valutazione dei casi non conformi.

Bisogna sempre ricordare che lo scopo dello screening delle temperature è differenziare i soggetti con temperatura più alte degli altri per poterli controllare a parte tramite i dispositivi medici come il termometro ascellare o simile

Per questo la massima efficienza del sistema si ottiene analizzando gruppi di persone in uno stato di affaticamento simile. Molto utile è anche analizzare soggetti che sono rimasti in un ambiente simile nei minuti precedenti alla misurazione, onde evitare differenze dovute a diverse temperature ambienti a cui i soggetti sono stati sottoposti.

FAQ, errori tipici e consigli d’uso per una misura IR efficace

FALSO: La differenza di temperatura che rilevo dipende esclusivamente dall’accuratezza dello strumento

L’aspettativa della misura IR è spesso quella di determinare la temperatura interna dei soggetti, ma come già spiegato, la temperatura superficiale del viso è più bassa.

Facciamo un esempio: dobbiamo rilevare la temperatura di una persona mediante un Pirometro industriale. Nel nostro caso usiamo un Amprobe IR712. Le specifiche del prodotto sono:

campo di misura da -8°C a +380°C risoluzione spaziale D:S pari a 10:1 e Accuratezza nel campo di nostro interesse del 2% o ±2°C

Estratto del manuale tecnico del Amprobe IR710

Misurando la febbre al soggetto in esame tramite un termometro ascellare determiniamo che il soggetto ha una temperatura rilevata di 36,9°C.

Misurando con il nostro IR710 la misura rilevata è di 34,1°C. Il discostamento tra questi valori è di 2,8°C addirittura superiore all’incertezza dichiarata.

Conclusione errata: il termometro non è adatto o è fuori specifica

In realtà il Pirometro sta facendo una misura piuttosto accurata ed è dimostrabile facendo un doppio riscontro con una misura per contatto.

Applicando un sensore termico sulla fronte possiamo misurare la temperatura della fronte del soggetto e allo stesso tempo possono misurare la temperatura con il Pirometro. Il discostamento tra i due valori risulta minimo e pari a 0,4°C. L’errore non sta nella accuratezza dello strumento ma nel risultato che io erroneamente mi aspetto d’ ottenere.

Confronto tra la misura IR e la misura per contatto

FALSO: Il sistema non funziona perché tra mattino pomeriggio e sera rileva temperatura differenti

Come abbiamo già detto i fattori che influenzano la temperatura di un soggetto sono molteplici. Lo sforzo fisico tra mattino pomeriggio e sera è differente. La temperatura corporea è più alta tra le ore 17 e le 18 mentre è più bassa tra le 4 e le 5 del mattino. La digestione, nelle prime ore del pomeriggio, produce anch’essa un aumento della temperatura corporea.

VERO: Le termocamere e i Pirometri industriali non sono strumenti medicali e non dispongono di una certificazione sanitaria

Questi strumenti nascono per applicazioni diverse da quelle medicali e non vengono certificati per questo campo di utilizzo. Precisato questo bisogna ricordare che sono comunque utilizzabili per lo screening di massa, trovare i soggetti più a rischio e isolarli dagli altri. A questo punto si andrà a rilevarne la temperatura con uno strumento medicale come il termometro ascellare o altro. Lo strumento IR industriale sarà utile per diminuire i tempi di controllo di molte persone.

Precauzioni d'Uso

  • La prima cosa da tener presente prima d’approcciare questa misura è che fattori quali vento, sole, sudorazione e temperatura ambiente possono influire notevolmente sui risultati che otteniamo. Non è possibile fare una misura corretta senza mettere in stretta relazione questi parametri. Per semplificare la buona riuscita dello screening sarebbe meglio analizzare gruppi eterogenei di persone.
  • Per mettere in relazione le temperature di soggetti diversi l’ideale sarebbe avere un’aerea di misura protetta da vento e sole. Se possibile lasciare il soggetto da misurare in questo ambiente per 15 minuti prima di effettuare la misura. Ove non è possibile, cercare di confrontare le temperature di gruppo di soggetti che sono stati negli stessi ambienti nei minuti precedenti. Ad esempio, gli impiegati delle stesse aeree, i lavoratori dello stesso reparto e così via.
  • Tutti gli strumenti di misura hanno un tempo di acclimatamento prima di fare delle misure stabili. Gli strumenti devono essere accesi nell’ambiente di misura dai 10 ai 15 minuti prima dell’uso.
  • Per avere una maggiore affidabilità nella misura è bene fare delle misure di confronto ad inizio giornata per un soggetto di riferimento. Si può fare facilmente misurando la temperatura di un soggetto con il termometro ascellare e con il sistema IR in nostro possesso. Tenere conto dello scarto rilevato per le misure successive. Ripetere l’operazione in vari momenti della giornata come mattino, pomeriggio e sera. In questo modo si minimizzano gli errori dovuti alle variazioni ambientali di temperatura e umidità.
  • Se lo strumento ha un indicatore laser per evidenziare l’area di misura, è consigliabile spegnerlo per evitare di puntare il laser negli occhi dei soggetti.

Conclusioni

Possiamo affermare che il sistema di misura ad Infrarosso è un sistema di misura veloce e preciso della temperatura superficiale del corpo umano. Bisogna però fare attenzione alle seguenti condizioni d’uso:

  • Area del corpo su cui si effettua la misura
  • Condizioni fisiche e di affaticamento della persona analizzata
  • Condizioni ambientali in cui viene fatta la misura
  • Prestazioni tecniche dello strumento utilizzato allo scopo

Gli strumenti più adatti a questo scopo sono le termocamere in quanto forniscono una mappatura termica del soggetto. Questa mappatura fornisce un alto numero di informazioni come la distribuzione del calore e/o la rilevazione e misura del punto più caldo (Hot-Spot). Inoltre, possono permette lo screening di più persone alle volte in base al tipo di sistema utilizzato. L’utilizzo di una termocamera con in abbinato un Corpo Nero, migliora l’accuratezza di misura a 0,5°C o inferiore, permettendo la rilevazione della temperatura assoluta di un soggetto con maggior accuratezza

I termometri IR per uso professionale o le termocamere industriali senza l’ausilio del Corpo nero, possono essere utilizzati ma se ne raccomanda l’utilizzo per uno screening preliminare e per identificare i soggetti più a rischio da analizzare in seguito con un termometro per uso medico.

Infine è possibile utilizzare dei termometri ad infrarosso per uso medico che forniscono una misura certificata per la temperatura superficiale del corpo umano.