La misura della febbre che ha cambiato la scienza

Storia del termometro, probabilmente il più usato dei dispositivi medici. Tra il '600 e l'800 contribuì a rendere la medicina una disciplina scientifica più oggettiva. Ecco come si è evoluto: dal primo prototipo di Galileo agli ormai famosi termoscanner disseminati in aeroporti e supermercati. *Dal numero 177 del magazine

Termometro

Ci sono cose che diamo per scontate ma che alle spalle hanno lunghe storie. Come i termoscanner, che oggi, ai tempi della Covid-19, dopo pochi secondi rilevano la temperatura corporea e forniscono il lasciapassare persino per fare la spesa.

Sono serviti secoli per mettere a punto lo strumento anche banale che tutti abbiamo a casa, per capire quale scala usare e per mettere in relazione una variazione della temperatura con uno stato patologico del corpo. Soprattutto, come racconta Vittorio A. Sironi, storico della medicina e direttore del Centro studi sulla Storia del pensiero biomedico dell’Università degli studi di Milano Bicocca, il termometro è stato uno di quegli strumenti che ha permesso di oggettivare la medicina e renderla se non una scienza (“perché l’equivoco che la medicina sia una scienza c’è ancora oggi”, puntualizza) per lo meno una pratica che utilizza saperi scientifici – dalla fisica, alla chimica e biologia e così via.

“Il termometro è uno strumento importante – aggiunge Sironi – perché come altri, più o meno nello stesso periodo, entra nella mentalità sviluppatasi tra la fine del Seicento e inizio Ottocento, quando nasce la cosiddetta ‘clinica’.È in questo periodo che si cerca di far diventare la medicina sempre più oggettiva, andando oltre la soggettività del medico che analizza il paziente. Non basta più dire che c’è un rialzo della temperatura, ma è importante anche misurarlo”.

Ancora, nel 2002 sulla rivista Association of physicians, John Pearce, neurologo emerito di Anlaby nel Regno Unito, scrisse che dei tanti strumenti considerati essenziali per l’esame clinico nessuno ha avuto l’ampia applicazione e diffusione del termometro.

“Ai tempi di Ippocrate per misurare la temperatura del corpo si usavano solo le mani, sebbene febbre e brividi fossero conosciuti come segni di una malattia” racconta Pearce. “Nella medicina Alessandrina, il battito cardiaco era osservato e considerato come un indice di malattia che superava la valutazione grezza della temperatura.

Mentre nel Medioevo i quattro umori erano assegnati a quattro qualità: caldo, freddo, secco e umido, il che, di nuovo, fece acquistare alla febbre importanza”. Ma prima di arrivare al piccolo termometro clinico usato per misurare la febbre, o all’ormai famoso termoscanner, tornato in auge ovunque, dagli aeroporti ai supermercati, da quando il Sars-Cov-2 ha fatto le sue prime apparizioni agli inizi del 2020, la strada è stata molto lunga, costellata da alcuni precursori piuttosto ingombranti, che hanno sfruttato materiali via via più funzionali e scale più comode.

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Il termoscopio di Galileo

Il primo prototipo lo inventò Galileo Galilei, che nel 1592 mise a punto un termoscopio, uno strumento ad aria, che era in grado di rilevare le temperature ambientali ma senza una scala di riferimento. L’idea di Galileo si basava in realtà sugli studi compiuti nel I secolo d.C. dal matematico e ingegnere greco Erone di Alessandria, il quale intuì che l’aria si dilatava con il calore del sole e ne descrisse il principio nella sua opera Pneumatica.

Il concetto fu ripreso da Galileo che si fece costruire da Giovanni Francesco Sagredo un termoscopio ad aria, composto da un lungo tubo di vetro, verticale, riempito parzialmente di acqua, con un bulbo d’aria nell’estremità superiore, e la parte inferiore immersa in un recipiente d’acqua. In questo modo dimostrò che il calore e il freddo agivano sull’espansione e la contrazione dell’aria nel bulbo, influenzando il livello dell’acqua. Lo strumento però rifletteva solo i cambiamenti di calore, inoltre risentiva della pressione atmosferica. Il moderno concetto di temperatura doveva ancora sorgere.

La scientifizzazione della medicina

Il primo termometro clinico (a bocca), fu inventato da Santorio Santorio un medico e docente a Padova che riprese il lavoro di Galileo ma per primo nel 1612 introdusse una scala nel dispositivo, motivo per cui finalmente si poteva parlare di termometro.

Santorio mise a punto diversi strumenti, tutti molto ingombranti e che impiegavano molto tempo per misurare la temperatura corporea. Fu uno dei primi, però, ad applicare le proprietà fisiche per definire il funzionamento e il malfunzionamento dell’organismo umano, nell’ambito della scientifizzazione della medicina, come ricorda Sironi. “È uno dei rappresentanti della iatrofisica, cioè una medicina che usa il sapere scientifico della fisica, un sapere esatto, per oggettivare le variazioni di un comportamento del corpo umano, che è considerato come una macchina” sottolinea.

“Tra il ‘500 e il ‘600 scienziati e medici del tempo fanno ricorso sempre più a fisica, matematica e chimica e per spiegare il funzionamento del corpo umano si rifanno a modelli idraulici, termici e meccanici. Proprio su questa spinta, grazie alla iatromeccanica, William Harvey scoprirà la circolazione del sangue, usando un modello idraulico per spiegare il funzionamento del cuore che agisce come una pompa e del sangue che circola nelle arterie intese come strutture cave”. In questo contesto Sartorio è il primo che si rende conto che il termometro può essere un sistema scientifico preciso per misurare la temperatura corporea, le sue variazioni e la febbre, che insorge durante un processo patologico. Sironi ricorda ancora che già con la rivoluzione anatomica di Andrea Vesalio a metà 500, la medicina aspira a diventare una scienza.

È in questo periodo che s’inizia a capire che non è possibile conoscere i meccanismi del corpo umano e le alterazioni patologiche studiando solo i testi antichi, ma che occorre, soprattutto per il medico, conoscere de visu con osservazione diretta com’è fatto e come funziona il corpo umano.

Il percorso ha inizio proprio con Vesalio che con la dissezione anatomica indaga la forma del corpo e dei suoi organi interni e solo in seguito si andrà oltre alla forma, cercando di capire anche la funzione degli organi.

“Harvey è l’emblema di questo modo di procedere” puntualizza Sironi. “Da una parte la trasformazione dell’alchimia in chimica e dall’altro le conoscenze fisiche che sempre più emergono in questi secoli fanno sì che questi saperi scientifici siano usati come criteri interpretativi della realtà, compresa quella relativa al funzionamento del corpo umano”.

La scala di Fahrenheit

La parola “termometro” (che ha ori-gine dal termine greco therme ossia “calore” e metron “misura” e indica quindi quello strumento che serve a misurare la temperatura basandosi sul principio della dilatazione dei corpi per effetto del calore), apparve invece per la prima volta nella sua forma francese, nel 1624, in “La Récréation Mathématique” del gesuita francese Jean Leurechon, che ne descrisse uno con una scala di otto gradi.

Un altro passaggio fondamentale si ebbe nel 1654 con il termometro fiorentino non più ad aria ma ad alcol e quindi indipendente dalla pressione dell’aria. “Si trattava di una sorta di grossa spirale suddivisa in una cinquantina di gradi (ancora visibile a Firenze al museo delle Scienze) – racconta Sironi – che venne costruita da un artigiano per il gran Duca di Toscana Ferdinando II de’ Medici”.

Tuttavia, benché gli strumenti iniziassero a diventare più sofisticati, non vi era ancora una scala di misura. “Sarà solo successivamente che nascerà, nel 1714, il termometro a mercurio in vetro, a opera dello scienziato olandese, Gabriel Daniel Fahrenheit – continua Sironi – il quale scoprì che questo metallo si espandeva e contraeva più rapidamente”. Fahrenheit inoltre, nel 1724, introdusse anche una nuova scala di misurazioni (tutt’oggi usata, leggermente aggiustata e costruita sul lavoro dell’astronomo danese Ole Rømer): determinò il punto zero ponendo il termometro in una miscela di ghiaccio e di cloruro di ammonio o di sale marino.

Combinazione che forma un sistema eutettico che stabilizza automaticamente la sua temperatura. Il secondo punto, 96 gradi, era approssimativamente la temperatura del corpo umano. Fahrenheit aggiustò la scala in modo che il punto di fusione del ghiaccio fosse 32 gradi e la tempera- tura corporea 96 gradi, per facilitare l’utilizzo del termometro, perché i numeri chiave dei due punti fissi erano divisibili per quattro.

Verso il termometro moderno

Il termometro però non entrò nella pratica clinica di routine finché – come scrive ancora Pearce – Hermann Boerhaave e il suo studente Gerard Van Swieten, fondatori della Scuola viennese di medicina e Anton de Haen e George Martine iniziarono a usarlo al capezzale dei malati agli inizi del ‘700.

De Haen in particolare studiò i cambiamenti diurni di temperatura nelle persone sane, osservò le variazioni con i brividi di febbre e annotò l’accelerazione del battito cardiaco all’aumentare della temperatura. In questo modo capì che la temperatura era un prezioso indicatore del progresso della malattia.

Nonostante tutto, le sue scoperte non impressionarono particolarmente i suoi contemporanei che continuarono a non usare il termometro. Qualche decennio dopo Fahrenheit, nel 1742 l’astronomo svedese Anders Celsius definì una nuova scala di temperatura che andava dal punto di congelamento dell’acqua – indicato come 100 – a quello di ebollizione – indicato con zero. Due anni dopo Carl Linnaeus suggerì di invertirla in modo che andasse da zero a cento.

“Tempo dopo Carl Wunderlich realizzò un termometro a mercurio più corto, lungo circa 30 cm, che richiedeva una quantità di tempo abbastanza importante per rilevare la temperatura corporea” riferisce Sironi. Nonostante questo, il medico tedesco lo utilizzò, per pubblicare nel 1868, la registrazione di più di un milione di letture di temperature, rilevate dalla misurazione ascellare di oltre 25 mila pazienti. Stabilì anche che il range di temperatura corporea considerato nella norma, andava da 36,3 °C a 37,5 °C, mentre oltre era indicativo di uno stato patologico.

La nuova medicina clinica

Proprio nella seconda metà del XVII secolo, iniziano a vacillare i fondamenti della patologia umoraista ippocratico-galenica, processo aiutato dalle scoperte ottenute con il microscopio e la iatromeccanica e maturano le premesse per una nuova patologia fondata sulla comprensione dei fenomeni su base fisiologica. Nasce l’esigenza di identificare meglio le varie malattie e si capisce per esempio che la febbre non è una patologia a sé stante, come si credeva no a quel momento, ma un sintomo. Per lunghissimo tempo il sintomo, soprattutto quello dominante del quadro morboso, aveva coinciso con la malattia stessa, secondo anche l’insegnamento di Galeno.

A metà del Seicento, però, grazie all’empirismo sistematico del medico inglese Thomas Sydenham sono poste le basi per lo sviluppo della moderna medicina clinica. Sydenham infatti introdusse il concetto ontologico della malattia e propose di stabilire la storia naturale di tutte le patologie. Per poterlo fare però, era necessario distinguerle e conoscerle singolarmente, raccogliendo il maggior numero possibile di sintomi e osservandone il decorso clinico.

Nella sua opera Observationes medicae circa morborum acutorum historiam et curationem, Sydenham afferma anche un’interpretazione della malattia come fenomeno reattivo, contrapposta alla concezione galenica di affezione passiva: “Per quanto dannosa possa essere per il corpo, la malattia non è altro che uno sforzo vigoroso della Natura per liberarsi dalla materia morbifica”.

Un meccanismo di difesa

Concetto che, per esempio, viene confermato dal ruolo della febbre, un meccanismo che l’evoluzione non ha abolito, come precisa Sironi, proprio perché è intrinseco della difesa dell’organismo.

“La variazione della temperatura corporea è un sintomo più spiccato nelle malattie infettive, soprattutto in presenza di virus patogeni, perché quando l’organismo supera di una discreta quantità la temperatura corporea media, inibisce la replicazione virale. È una strategia utilizzata anche contro i batteri, anche se in misura minore”.

L’evoluzione insomma non avrebbe eliminato questo comportamento dell’organismo umano perché utile per la guarigione. “Nell’ambito di una visione evoluzionistica della medicina – continua Sironi – questo elemento ci deve fare riflttere sul perché in condizioni di infezioni banali (non di certo in presenza di un’infezione come quella attuale da Covid-19) l’abolizione immediata della temperatura non è di aiuto.

La febbre, paradossalmente, è qualcosa che favorisce la risoluzione più rapida del processo infettivo virale e l’organismo la usa in senso positivo per guarire. Ovviamente se resta in condizioni tali da non disturbare il paziente più di tanto e per pochi giorni. È importante che l’impostazione medico-terapeutica tenga presente questo elemento e quindi, senza esagerare né da un lato né dall’altro, consenta a questo meccanismo naturale di svolgere la sua funzione”.

Verso il futuro

Per arrivare al termometro che tutti conosciamo, si dovrà aspettare Thomas Clifford Allbutt, che nel 1866 inventò un termometro portatile e più comodo, lungo circa 15 cm e in grado di leggere la temperatura corporea in cinque minuti anziché venti. Utilizzato praticamente per oltre un secolo. Da quel momento in poi la misura della temperatura sarebbe diventata una routine imprescindibile.

Dal 2009 il mercurio usato fino a quel momento nel termometro classico, perché tossico, fu sostituito con un’altra lega di metalli. Inoltre negli anni, sono arrivati termometri digitali, elettronici, a infrarossi frontali e auricolari. “Nessuno dei quali privo di problemi” come riferisce ancora Pearce.

Nel 1964 il medico tedesco Theodor Benzinger inventò il termometro auricolare. A quel tempo, stava cercando un modo per ottenere una lettura più prossima possibile alla temperatura del cervello, poiché l’ipotalamo regola la temperatura corporea. Lo fece usando i vasi sanguigni del timpano, che sono condivisi con l’ipotalamo.

Il termometro timpanico è composto da una sporgenza (protetta da una guaina igienica monouso) che contiene la sonda a infrarossi. Questa viene posizionata delicatamente nel condotto uditivo e viene rilevata la temperatura, letta e visualizzata entro circa un secondo. Esistono però alcuni fattori che possono interferire nella lettura, come il posizionamento errato nel condotto uditivo esterno da parte dell’operatore e il blocco della cera sul canale.

Nel 1998 Francesco Pompei, fondatore della Exergen Corporation, depositò il brevetto per il primo termometro dell’arteria temporale, nato, come dirà lo stesso Pompei: “dall’esigenza dei pediatri di trovare un’alternativa alla termometria dell’orecchio, inesatta, e a quella rettale, per la scomodità del metodo”.

L’arteria temporale inoltre, fu scelta per la vicinanza con il cuore, per il flusso sanguigno elevato e relativamente costante, e per la sua accessibilità. “Cuore, polmoni e cervello sono organi vitali per la nostra stessa esistenza, quindi il loro apporto di sangue è alto e continua a esserlo anche in presenza di gravi malattie, a differenza di altre aree del corpo” scriveva Pompei nella presentazione del termometro.

Nel 2004 inoltre pubblicò un articolo (Non-invasive temporal artery thermometry: Physics, physiology, and clinical accuracy) su Proceedings of Spie ( e International Society for Optical Engineering) in cui ne evidenziava l’utilità proprio per lo screening di massa nell’ottica di contenimento della Sars (Severe acute respiratory syndrome, sindrome provocata dal coronavirus Sars- Cov).

Proprio a causa dell’epidemia di Sars del 2003, la Defense Science and Technology Agency (Dsta) di Singapore e la Singapore Technologies Electronics, nello stesso anno misero a punto l’Infrared fever screening system (Ifss), il primo sistema a infrarossi utilizzato per lo screening della febbre di grandi gruppi di persone.

“Statistica, fisica e fisiologia umana sono stati gli input chiave nella progettazione dell’Ifss” come scrivevano gli autori di un lavoro pubblicato sempre su Proceedings of Spie nel 2004 (Development and deployment of infrared fever screening systems).

“Oggi gli strumenti sono ancora più sofisticati” conclude Sironi. “I termoscanner per esempio utilizzano il principio dell’infrarosso per misurare la temperatura delle arterie temporali. Sono strumenti meno invasivi e più pratici”. Se non ce n’è uno che possa essere considerato migliore di un altro, senza dubbio la scelta di quale strumento usare deve ricadere sulla situazione.

Le misurazioni eseguite con i termometri delle arterie temporali, per esempio, possono presentare problemi di precisione e, in misura minore, accuratezza, a causa della variabilità della tecnica e delle considerazioni ambientali.

È stato riscontrato infatti che i termometri temporali hanno una bassa sensibilità, di circa il 60-70%, ma un’altissima specificità del 97-100% per il rilevamento di febbre e ipotermia. Il che significa che non dovrebbero essere utilizzati in contesti di cura acuta, come la terapia intensiva o in pazienti con un forte sospetto di squilibrio di temperatura. Mentre per la praticità e velocità di uso, sono più utili in situazioni in cui si vuole evitare il contatto e rilevare la temperatura in fretta. Come, purtroppo, la recente attualità insegna.