Published

2020-01-01

DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS CLÍNICOS INFRARROJOS DE OÍDO

DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION OF A CALIBRATION SYSTEM FOR CLINICAL INFRARED EAR THERMOMETERS

DOI:

https://doi.org/10.15446/mo.n60.79074

Keywords:

Cuerpo negro, termómetro de oído, radiación térmica, calibración, metrología (es)
Black body, ear thermometer, thermal radiation, calibration, metrology (en)

Authors

  • Andrés J. Bohórquez Instituto Nacional de Metrología de Colombia
  • Ciro A. Sánchez Instituto Nacional de Metrología de Colombia
  • Sergio A. Carvajal Instituto Nacional de Metrología de Colombia
  • Nelson D. Vargas Instituto Nacional de Metrología de Colombia

En este trabajo se presenta el proceso de construcción e implementación de un sistema de calibración de termómetros clínicos de oído en el Laboratorio de Temperatura y Humedad del Grupo de Área Técnica 3 de la Subdirección de Metrología Física del Instituto Nacional de Metrología de Colombia, INM, usando una cavidad de cuerpo negro y un termómetro de contacto como patrones de medida. Como parte de la implementación y evaluación de la reproducibilidad del método de medición se diseñó un experimento basado en 54 mediciones independientes llevadas a cabo por tres operarios diferente a tres temperaturas (35 °C, 37 °C y 40 °C), con 6 réplicas por cada nivel. El análisis estadístico de las medias reveló una fuerte dependencia de la corrección en función de la temperatura, mientras que entre operarios no se evidenció una diferencia significativa, lo cual permitió concluir que el método implementado es reproducible. La incertidumbre de medición del sistema de medición fue de ± 0.14 °C, éste valor puede ser disminuido empleando un termómetro de referencia de mejor incertidumbre instrumental.

This work presents the process of construction and implementation of a calibration system for clinical ear thermometers at the Temperatura and Humidity Laboratory of the Physical Subdivision of the Instituto Nacional de Metrología, INM, using a blackbody cavity and a contact thermometer as measurement standards. As part of the implementation and method confirmation, an experiment was designed based on 54 independent measurements carried out by three different operators at three different temperatures (35 °C, 37 °C and 41 °C), with 6 replicates for each level. The statistical analysis of the means revealed a strong dependence of the correction as a function of temperature, whilst a significant difference amongst operators was not evident, this fact prompted the conclusion that the implemented method is reproducible. The measurement uncertainty of the system was ± 0.14 °C, this value can be diminished by employing a standard thermometer with a better instrumental uncertainty.

Recibido: de abril de 2019; Aceptado: de noviembre de 2019

Resumen

En este trabajo se presenta el proceso de construcción e implementación de un sistema de calibración de termómetros clínicos de oído en el Laboratorio de Temperatura y Humedad del Grupo de Area Tecnica 3 de la Subdirección de Metrología Física del Instituto Nacional de Metrología de Colombia, INM, usando una cavidad de cuerpo negro y un termómetro de contacto como patrones de medida. Como parte de la implementación y evaluación de la reproducibilidad del metodo de medición se diseñó un experimento basado en 54 mediciones independientes llevadas a cabo por tres operarios diferentes a tres temperaturas (35 °C, 37 °C y 40 °C), con 6 replicas por cada nivel. El análisis estadístico de las medias revelo una fuerte dependencia de la corrección en función de la temperatura, mientras que entre operarios no se evidencio una diferencia significativa, lo cual permitió concluir que el metodo implementado es reproducible. La incertidumbre de medición del sistema de medición fue de ± 0,14 °C, este valor puede ser disminuido empleando un termometro de referencia de mejor incertidumbre de medición.

Palabras clave:

Cuerpo negro, termometro de oído, radiación termica, calibración, metrología.

Abstract

This work presents the process of construction and implementation of a calibration system for clinical ear thermometers at the Temperature and Humidity Laboratory of the Physical Subdivision of the Instituto Nacional de Metrología, INM, using a blackbody cavity and a contact thermometer as measurement standards. As part of the implementation and method confirmation, an experiment was designed based on 54 independent measurements carried out by three different operators at three different temperatures (35 °C, 37 °C and 40 °C), with 6 replicates for each level. The statistical analysis of the means revealed a strong dependence of the correction as a function of temperature, whilst a significant difference amongst operators was not evident, this fact prompted the conclusion that the implemented method is reproducible. The measurement uncertainty of the system was ± 0,14 ° C, this value can be diminished by employing a standard thermometer with a better measurement uncertainty.

Keywords:

Black body, ear thermometer, thermal radiation, calibration, metrology.

Introducción

Los termómetros clínicos infrarrojos de oído han jugado un papel importante en las últimas décadas en el campo de la medicina debido a su versatilidad entre pacientes, facilidad de uso y tiempo de respuesta [1]. Su tecnología de funcionamiento permite obtener una lectura idonea de la temperatura del hipotálamo a través de la detection de la radiación infrarroja emitida desde el canal auditivo del ser humano, lo anterior debido a que estas dos secciones del cuerpo comparten capilares sanguíneos. Su invención se dio en el ano 1964 y es atribuida a Theodor H. Benzinger, y hasta el momento de su desarrollo, la temperatura corporal era medida empleando termómetros de vidrio con mercurio y colocándolos debajo de la lengua, en la axila o en el recto.

La rápida volatilización del mercurio en la atmosfera aumenta la probabilidad de inhalación por parte de los seres humanos, trayendo consigo diferentes consecuencias perjudiciales para la salud tales como: fatiga, temblores, irritabilidad, depresión, y afectación a los riñones, pulmones e inclusive el sistema nervioso central [2]. Este proceso no es ajeno a los termómetros de vidrio con mercurio, por tanto, la exposición de un paciente a los dañinos efectos que tiene la inhalación de este metal pesado es incontrolable.

Los termómetros clínicos infrarrojos de oído permiten medir la temperatura del cuerpo humano basados en el principio de la emisión de radiación térmica en la cavidad natural formada por el oído, este tipo de equipos ofrecen una alternativa al uso de tecnologías basadas en mercurio [3]. La evaluación metrológica de estos termómetros requiere la materialización de un patrón que reproduzca las condiciones térmicas del canal auditivo humano [4] y para verificar su exactitud, se necesita de un cuerpo negro adecuado. En Colombia no existe una entidad que asegure la calidad de las mediciones con éstos termómetros, por lo que es conveniente implementar un sistema de calibración que de trazabilidad a los mismos.

El Instituto Nacional de Metrología de Colombia, INM, (que coordina en el país la metrología científica e industrial y brinda soporte metrológico a las instituciones del Subsistema Nacional de la calidad, SICAL), emprendió este trabajo en respuesta a la necesidad del sector salud de reemplazar las tecnologías basadas en mercurio usadas actualmente en hospitales y centros de atención miedica, por equipos que no sean perjudiciales para la salud pública, asegurando la calidad de las mediciones a través de la trazabilidad al Sistema Internacional de Unidades, SI.

Aspectos teóricos

Un termómetro de radiación es un medidor de radiancia calibrado para indicar la temperatura de un cuerpo negro [5], el cual exhibe las siguientes propiedades físicas:

  • Emisor perfecto en todas las direcciones.

  • Emisor perfecto en toda longitud de onda.

  • Su radiación total en el vacío es función exclusivamente de la temperatura.

  • Emisividad igual a 1.

Las cavidades son pr_oximas al concepto de un cuerpo negro, ya que pueden exhibir emisividades de hasta 0.999 [6].

La relación entre la señal de un termometro, S(T), y la temperatura del cuerpo negro, T, está dada por la ecuación (1).

Donde R(λ), es la respuesta espectral absoluta del termómetro y L b (λ,T) es la ley de Planck [5]. Para resolver la ecuación (1) diferentes aproximaciones han sido propuestas, sin embargo la que se emplea generalmente es la ecuación de Sakuma-Hattori [7], descrita en la ecuación (2).

Esta ecuación no requiere tener información sobre la respuesta espectral del termometro [8]. Las constantes A, B, C' de la ecuación (2) son determinadas usando la longitud de onda de operación del termometro [9] y conllevan finalmente al modelo de medición descrito en la ecuación (3), la cual incluye la radiación emitida por el objetivo, la radiación desde los alrededores, la radiación reflejada y la radiación emitida por el detector.

donde T s es la temperatura de la fuente de radiación, εχ es la emisividad del instrumento bajo calibración y ε s es la emisividad de la fuente de radiación. Los términos T w y T d hacen referencia a la temperatura ambiental y la temperatura del detector, respectivamente. Para un sistema de calibración que usa un cuerpo negro como fuente de radiación, el mensurando está dado por la ecuación (4):

Donde

  • C es la correccion del termometro bajo calibracion.

  • δT S_rep es la corrección por repetibilidad termómetro de referencia.

  • δT S _ der es la correccion por deriva termómetro de referencia.

  • δT S _ cal es la correccion por calibración del termómetro de referencia.

  • δT S _ Є es la correccion por emisividad isoterma.

  • δT S _ ηЄ es la corrección por emisividad no isoterma.

  • δT S _ unf es la correccion por uniformidad de la cavidad.

  • δT S _ rfl es la corrección por radiación reflejada.

  • δTx rep es la correccion por repetibilidad del termómetro bajo calibración.

  • δTx res es la correccion por resolución del termómetro bajo calibración.

  • δTx αα es la corrección por absorción atmosferica.

  • δTx td es la correccion por temperatura de referencia (Detector).

ASTM International ha planteado las especificaciones estandar para termoómetros infrarrojos que determinan la temperatura corporal de un paciente dentro de las cuales resaltan, entre otras, su error maóximo permitido en distintos intervalos de medicióon de temperatura de cuerpo negro (T BB ) los cuales son:

  • 0.2 °C (36 °C < TBB < 39 °C.)

  • 0.3 °C (TBB < 36 °C; TBB > 39 °C.)

Cada termometro clínico infrarrojo de oído debe cumplir con los criterios mencionados en la ASTM E1965-98 [10], a las temperaturas indicadas (las cuales son monitoreadas con un termómetro de contacto, cuyas mediciones sean trazables al kelvin). El cumplimiento de estos criterios de exactitud, junto con distintos ensayos de compatibilidad electromagnética, descarga electrostática, ensayo de caída, exactitud clónica y prueba de almacenamiento, determinarán la idoneidad del termómetro para su uso en la medición de la temperatura corporal de un paciente, lo cual finalmente lo llevara a ser empleado en entidades prestadoras de servicios de salud o como equipo de uso doméstico.

Aspectos experimentales

Para implementar y confirmar el metodo de medición de la temperatura de un cuerpo negro con un termómetro clónico infrarrojo de oído, se realizó un montaje experimental esquematizado en la figura 1.

Diagrama esquemático del montaje experimental empleado.

Figura 1: Diagrama esquemático del montaje experimental empleado.

El diseño de la cavidad de cuerpo negro en la figura 1 está basado en el trabajo de Hartmann y Tegeler [11], dicha cavidad cuenta con un orificio de 8.1 mm de apertura para introducir la sonda de un termómetro de oído, la profundidad del pozo es de aproximadamente 91 mm y su dióametro exterior es de 85 mm, tal como se evidencia en la Figura 2; su interior se encuentra recubierto por pintura de color negro cuya emisividad es en promedio 0.95, este valor fue determinado empleando el espectrofotómetro UV-Vis-NIR Cary 5000 de Varian® trazable al SI en las magnitudes longitud de onda y absorbancia, perteneciente al Laboratorio de Caracterización de Materiales del Departamento de Física de la Universidad Nacional - Sede Bogotó.

Vista superior de la cavidad. El termometro de oído se introdujo en el agujero central en todas las mediciones.

Figura 2: Vista superior de la cavidad. El termometro de oído se introdujo en el agujero central en todas las mediciones.

El montaje experimental proporcionóo la estabilidad e impermeabilizacióon necesaria de la estructura de manera que no ingresara agua dentro de la cavidad, y al mismo tiempo brindóo la posibilidad de modificar su profundidad de immersion. Como se puede apreciar en la Figura 1, la cavidad fue sumergida dentro de un baño lóquido (Fluke®® 7381), el cual actuó como medio isotermo, cuyas características de uniformidad espacial y temporal fueron estudiadas previamente.

El termómetro de contacto empleado fue un termómetro digital con PRT Pt100, calibrado en el INM, el cual se usó con el propósito de dar trazabilidad a las mediciones de temperatura tomadas con el termómetro de oído (BRAUN®® Thermo Scan), el cual constituye el Instrumento Bajo Calibración (IBC) de este estudio. La Figura 2 muestra la vista superior de la cavidad usada como cuerpo negro de emisividad cercana a la unidad.

Con el objetivo de evaluar la dependencia del mensurando de interés (en este caso, la corrección del IBC respecto a una temperatura patrón) del termómetro de oído infrarrojo BRAUN con respecto a los factores "Operario" y "Temperatura", se diseñó un experimento con tres operarios (A, B y C) y tres niveles de temperatura (35 °C, 37 °C y 41 °C), realizando 6 réplicas por cada nivel. Lo anterior implicó tomar 54 mediciones independientes distribuidas en orden aleatorio por un periodo de 1 mes en las instalaciones del Laboratorio de Temperatura y Humedad del INM.

Cada una de las mediciones se llevó a cabo siguiendo un corto protocolo establecido en el laboratorio, en el cual se tuvieran en cuenta las buenas prácticas de medición con un termometro de esta índole. Tal protocolo consistió en las siguientes actividades:

  • Antes de encender el IBC, éste se dejó aclimatar por un período de 24 horas en el mismo ambiente en el cual sería empleado (instalaciones del Laboratorio de Temperatura y Humedad del INM).

  • Se limpió la capucha del termometro con alcohol etílico.

  • Se verificó la carga de la bateróa del termometro.

  • Se llevó el medio isotermo a la temperatura requerida y se le dio un tiempo de estabilización (superior a 30 minutos). Simultáneamente se sumergió la cavidad en el medio para que alcance el equilibrio térmico, junto con el termómetro patrón de especificación Pt100.

  • Una vez alcanzado el equilibrio termico se procedió a tomar 9 mediciones cada minuto con el termómetro IBC y el termómetro patrón.

Los datos obtenidos fueron analizados a través de una hoja de cálculo, considerando las correcciones pertinentes citadas en la ecuación (4) de manera que se pudiera determinar la corrección del termómetro BRAUN junto con su incertidumbre de medición.

El análisis estadístico permitió confirmar o refutar la existencia de una diferencia significativa entre las medias de la corrección determinada por cada operario en cada una de las réplicas.

Resultados y análisis

La Figura 3 presenta el gráfico de las medias de la corrección del IBC respecto a los dos factores evaluados; en ambos gráficos las líneas verticales puntadas representan la desviación estándar. Como se observa en la Figura 3a) la correccion aumenta con la temperatura, evidenciando un aumento más pronunciado entre los valores de 37 °C y 41 °C; de igual manera se obtuvieron mayores dispersiones en las temperaturas extremas de 35 °C y 41 °C.

a) Corrección en función de temperatura, b) Corrección en función del operario.

Figura 3: a) Corrección en función de temperatura, b) Corrección en función del operario.

La Figura 3b) relaciona las medias de la corrección respecto al factor "Operario". Como se puede observar, existe una diferencia entre la correccion medida por el Operario B y los Operarios A y C, sin embargo, esta diferencia es consistente con los valores de desviación estándar.

Debido a la naturaleza de los resultados de la corrección, no se espera un comportamiento asociado a una distribución normal, por lo cual se realizó una comparación de los factores usando la prueba estadística de Kruskal-Wallis, la cual no requiere la suposición de normalidad [12] y esencialmente determina si existe una diferencia estadísticamente significativa entre cierto conjunto de datos. La Tabla 1 presenta los resultados de esta prueba, se observa que para un p-valor de 0.05 la temperatura tiene una probabilidad menor al nivel de significancia, por tanto, este parametro constituye un factor significativo en la corrección, lo cual a su vez implica que para termómetros de este tipo es necesario realizar la calibración por lo menos en tres temperaturas en el intervalo de medición de 35 °C a 41 °C.

Tabla 1: Prueba de Kruskal-Wallis.

Dentro del análisis estadístico también se encontró que el observador no es un factor significativo en la calibración, por lo que puede afirmarse que el metodo es reproducible.

Aspectos como el nivel del líquido en el baño, el tiempo de estabilidad y la manipulación del instrumento bajo calibración son especialmente relevantes a la hora de realizar este tipo de calibraciones.

La incertidumbre de medición fue determinada aplicando la metodología GUM [13] sobre la ecuación (4), teniendo en cuenta las principales fuentes de incertidumbre para la medición con termómetros infrarrojos para temperaturas menores al punto de solidificación de la plata como se presenta en la Tabla 2[8].

Tabla 2: Descripción de las fuentes de incertidumbre de medición.

Los presupuestos de incertidumbre de medición para el sistema de referencia y para la calibración del termometro de oído (IBC) se presentan en las Tablas 3 y 4, respectivamente.

Tabla 3: Presupuestó de incertidumbre de medición del sistema de referencia.

Tabla 4: Presupuesto de incertidumbre de medición de la calibración.

Se encontró que la incertidumbre de medición expandida para el sistema de referencia fue de ± 0.05 °C, mientras que la incertidumbre expandida para la calibración del termómetro infrarrojo clónico de oído fue de ± 0.14 °C. La máxima contribución a la incertidumbre de medicióon del sistema de referencia estuvo dada por la calibracióon del termóometro patróon (Termoómetro digital con PRT Pt100), por lo que el uso de un termometro con mejor exactitud puede reducir la incertidumbre de medición.

Es importante resaltar que el valor obtenido de incertidumbre de medición cumple los requisitos del referente normativo europeo y estándar de la ASTM internacional y es coherente con los resultados de comparaciones internacionales [15,16]. Para el presupuesto de incertidumbre de medición en la calibración, el cual incluye el sistema de referencia y el instrumento bajo calibración, la mayor contribucióon a dicha incertidumbre estóa relacionada con la temperatura del detector en el instrumento bajo calibración; éste efecto está relacionado con la radiación producida por el calentamiento del elemento sensor, que en este caso se estimó con la temperatura ambiente asumiendo que estas temperaturas se igualan después de 8 horas [17]. Para temperaturas menores a 200 °C este efecto es significativo y se debe tener en cuenta especialmente en termómetros que operan a longitudes de onda cercanas a 10 μm [8].

Conclusiones

  • Se implementó un sistema de medición para la calibración de termómetros clínicos infrarrojos de oído en el intervalo de medición entre 35 °C a 41 °C en el Laboratorio de Temperatura y Humedad del Grupo Area Tecnica 3 de la Subdireccion de Metrología Física del Instituto Nacional de Metrologóa de Colombia, INM.

  • La incertidumbre de medición del sistema fue de ± 0.14 °C. La incertidumbre del sistema de referencia se puede mejorar usando un termóometro de referencia con una incertidumbre de medición menor a ± 0.04 °C.

  • Los análisis estadósticos evidenciaron que el metodo de medicióon implementado es reproducible.

  • La calibración de los termómetros infrarrojos de oódo debe realizarse por lo menos en tres temperaturas debido a que la corrección depende fuertemente de la temperatura.

  • La incertidumbre de medición debida a la temperatura del detector del instrumento bajo calibracióon es la componente móas importante en la calibracióon de un termoómetro clónico infrarrojo de oódo. Esta incertidumbre estóa relacionada con el diseno de los termómetros de no contacto.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado por el Instituto Nacional de Metrología de Colombia, INM.

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Bohórquez, A. J., Sánchez, C. A., Carvajal, S. A., & Vargas, N. D. (2020). DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS CLÍNICOS INFRARROJOS DE OÍDO. MOMENTO, (60), 41–54. https://doi.org/10.15446/mo.n60.79074

ACM

[1]
Bohórquez, A.J., Sánchez, C.A., Carvajal, S.A. and Vargas, N.D. 2020. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS CLÍNICOS INFRARROJOS DE OÍDO. MOMENTO. 60 (Jan. 2020), 41–54. DOI:https://doi.org/10.15446/mo.n60.79074.

ACS

(1)
Bohórquez, A. J.; Sánchez, C. A.; Carvajal, S. A.; Vargas, N. D. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS CLÍNICOS INFRARROJOS DE OÍDO. Momento 2020, 41-54.

ABNT

BOHÓRQUEZ, A. J.; SÁNCHEZ, C. A.; CARVAJAL, S. A.; VARGAS, N. D. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS CLÍNICOS INFRARROJOS DE OÍDO. MOMENTO, [S. l.], n. 60, p. 41–54, 2020. DOI: 10.15446/mo.n60.79074. Disponível em: https://revistas.unal.edu.co/index.php/momento/article/view/79074. Acesso em: 27 jan. 2022.

Chicago

Bohórquez, Andrés J., Ciro A. Sánchez, Sergio A. Carvajal, and Nelson D. Vargas. 2020. “DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS CLÍNICOS INFRARROJOS DE OÍDO”. MOMENTO, no. 60 (January):41-54. https://doi.org/10.15446/mo.n60.79074.

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Bohórquez, A. J., Sánchez, C. A., Carvajal, S. A. and Vargas, N. D. (2020) “DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS CLÍNICOS INFRARROJOS DE OÍDO”, MOMENTO, (60), pp. 41–54. doi: 10.15446/mo.n60.79074.

IEEE

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A. J. Bohórquez, C. A. Sánchez, S. A. Carvajal, and N. D. Vargas, “DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS CLÍNICOS INFRARROJOS DE OÍDO”, Momento, no. 60, pp. 41–54, Jan. 2020.

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Bohórquez, A. J., C. A. Sánchez, S. A. Carvajal, and N. D. Vargas. “DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS CLÍNICOS INFRARROJOS DE OÍDO”. MOMENTO, no. 60, Jan. 2020, pp. 41-54, doi:10.15446/mo.n60.79074.

Turabian

Bohórquez, Andrés J., Ciro A. Sánchez, Sergio A. Carvajal, and Nelson D. Vargas. “DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS CLÍNICOS INFRARROJOS DE OÍDO”. MOMENTO, no. 60 (January 1, 2020): 41–54. Accessed January 27, 2022. https://revistas.unal.edu.co/index.php/momento/article/view/79074.

Vancouver

1.
Bohórquez AJ, Sánchez CA, Carvajal SA, Vargas ND. DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE TERMÓMETROS CLÍNICOS INFRARROJOS DE OÍDO. Momento [Internet]. 2020Jan.1 [cited 2022Jan.27];(60):41-54. Available from: https://revistas.unal.edu.co/index.php/momento/article/view/79074

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