红外热像技术在体育训练领域的应用-体育论文

1. 先进的技术基础

运动成绩的提升离不开科学技术的支撑，科学技术的不断更新为各行各业的向前发展提供技术基础与保障，因为科学技术与效率的息息相关，所以对于红外热像技术在体育领域的应用，我们不得不要从红外热像技术的长足发展来讨论其在体育领域中的发展前景，利用先进的技术检测运动员在运动过程中存在的问题，谈后利用最优化的技术改革方案，让运动员本身反复观看视频和动画模拟运动资料掌握运动技巧，改变运动员在运动中的运动方式，提高运动效率。

1.1 红外热像技术的发展

红外热像技术首先在军事领域获得应用,德国在第二次世界大战中率先装备了红外夜视仪、红外通讯设备等。世界上第一台商用红外热像仪于20世纪60年代由瑞典的AGA公司研制,美国是目前红外热像技术最为先进的国家,绝大多数的红外热像仪器供应商也集中在美国。红外热像技术的应用研究美国最为活跃,其次是瑞典、英国和日本等国家。

红外热像技术在我国起步较晚，国内最早红外热像仪——HWX-Ⅰ型医用红外热像仪研制于1975年，由上海率先成立科研制协作组研制，在1976年试制成功第一台样机并投人临床试用(讫今仍在服役)，红外热像仪的研制与使用，填补了我国医学上的空白，开启了红外热像技术的新领域，为我国生物医学开展红外诊断和科学研究奠定了物质基础。自此以后，红外热像技术引起了国内各学界研究领域的广泛关注，在之后的期间，不论在热像的研制和生产，还是在红外热像技术与其它领域先进的技术联合使用或联机使用方面都有一定的发展，取得一定的成就，大大提高了红外热像的使用率，尤其近年来焦平面红外热像仪的诞生使空间分辨率和温度灵敏度得到大大提高，给红外热像技术的应用带来了更广阔的前景^[4]。

1.2 红外热像技术的特点

国际中体育教学和训练过程中运用红外热像技术来监测运动员的运动过程，利用红外热像技术的成像技术帮助运动员分析运动细节。当前对于红外热像技术应用领域的研究比较活跃，这与它自身功能特点密不可分:(1)响应速度快。传统的测温技术 (如热电偶)的响应时间一般为秒级,而热像仪测温的响应时间多为毫秒甚至微秒级,因此热像仪可以测取快速变化的温度(场);(2)测量范围宽。玻璃温度计的测温范围为-200~600℃,热电偶的测温范围为-273~2750℃,而辐射测温的理论下限是绝对零度(即-273.16℃)以上,没有理论上限。目前实际的辐射测温上限可达5000~6000℃;(3)非接触测量。由于测取的是物体表面的红外辐射能,不用接触被测物体,也不会干扰被测的温度场,故红外热像技术非常适合于测量运动的物体、危险的物体和不易接近的物体;(4)测量结果直观形象。红外热像仪以彩色或灰度图像的方式输出被测目标表面的温度场,不仅比单点测温提供更为完整、丰富的信息,且非常直观形象。（5）技术的不断提升：目前红外热像仪所达到的空间分辨率<0.1 mrad、目标斑点尺寸0.0003″、帧频1400帧/s、温度分辨率<0.001℃、探测元数量106个,像素>512(H)×512(V),图像分析与处理软件,如图像边缘自动检测与增强、任意点的目标辐射率自动校正、图像分割、红外热像序列图的比较运算等都在不断的更新。因此,除了军事领域对其高度重视外，在其它领域中,红外热像技术也获得了越来越广泛的关注^[5]。

 2.天然辐射源——人体 

天然辐射源是指的天然存在的辐射源，包括宇宙辐射和地球上的辐射源。它们产生的辐射称为“天然本底辐射”。全球居民所受天然照射的年平均有效剂量约为2.4 mSv，凡是温度高于绝对零摄氏度的物体均可发射出红外辐射，人的体温是37摄氏度，人体皮肤的红外热线发射率是0.98，而在基线温度为37摄氏度的红外线显示屏上可近似为一种300K的黑色。当外界温度低于体温时，人体即通过皮肤发释放肉眼看不见的红外辐射能量，该能量的大小及分布与温度成正比^[7]。

3.红外热像技术应用在监测人体供能系统供能状况的前景分析

红外热成像技术是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。通过观察不同热成像图形的变化和不足来调整运动员的运动技巧和技术，红外热像方法是将物体表面温度以不同颜色的图像表现出来的技术，因为人体是一个天然的生物红外辐射源，运动训练时，反复进行肌肉的拉伸与收缩训练使得肌纤维选择性肥大和肌肉中有关酶活性选择性增强，人体耗能量增加，产热量也随之增加，在不同的运动形式中人体三大供能系统连续交替供能，依次为：磷酸原供能系统、糖酵解供能系统和有氧供能系统，它们所提供的能量在供给量和时间上不同，在最大供能输出功率和速率上也不同，磷酸原供能系统供能时间是7.5S左右，最大供能速率或输出功率为56J·Kg^-1·S^-1,糖酵解供能时间大约为33S左右，最大供能速率或输出功率为29.3 J·Kg^-1·S^-1,有氧供能时间较长，最大供能速率或输出功率为15 J·Kg^-1·S^-1,由于三个供能系统的最大供能功率的不同，因此在某个供能系统占主导地位的时候，人体散发的热量也是不同的，体表温度也会随之发生变化，根据这一特点我们设想通过红外热像仪拍摄人体下肢相应位置在参与不同形式和不同时间的运动时的热图像，并记录不同时期人体皮肤表面定位点的温度变化。在训练期后在重复实验测试人体相应位置的热像图以及温度变化，对比训练期前后两次相应时间定位点的温度变化情况，以此对运动训练过程中人体的训练效果给予监测和评价，探讨与分析红外热像技术应用到训练中的前景^[8-11]。

4、理想实验设计

利用实验设计可以有效帮助运动效能的提高，实验设计指科学研究的一般程序的知识，它包括从问题的提出、假说的形成、变量的选择等等一直到结果的分析、论文的写作一系列内容，它给研究者展示如何进行科学研究的概貌，试图解决研究的全过程。研究者在实验前根据研究目的拟定的实验计划及方法策略。其主要内容是合理安排实验程序，并提出将如何对实验数据作统计分析、更新实验设计的主要步骤可归纳为：根据研究目的提出假设；拟定验证假设的方法、程序；选择适当的处理、分析实验数据的统计方法、重新制定符合的新设计和实验流程。

预测人体三大供能系统在训练中的变化情况，我们选定径赛项目运动员为实验对象较为明显，分别挑选100m、400m和5000m三个项目的专项男运动员为实验对象，各运动员运动成绩尽可能相接近，年龄、身高以及体重符合各专项特点。

实验仪器选择红外热像仪和功率自行车，利用功率自行车模拟100m、400m和5000m负荷强度使运动员的下肢骨四头肌承受相同负荷，做功产热，再利用红外热像仪连续拍摄其做功情况的热像图，并储存数据建立实验初期数据库，之后运动员进入6个月的训练期，训练期结束后重复训练期前的实验，对受试者下肢骨四头肌部位再一次连续拍摄，获取相关热图像，存入数据库，通过红外热像图专用测量软件，对受试者下肢部位按统一标准提取平均温，温度分布范围及面积，并进行统计学处理，制作股四头肌部定位点的温度变化曲线图。

5. 利用红外热像技术评价人体下肢训练的理论效果

红外热像技术是根据人体运动释放热量来捕捉人体在运动过程中的人体下肢皮表的温度变化，以此来判断人体下肢股四头肌肌肉做功状况，并反映供能系统的功能情况，本文根据红外热像技术和人体供能系统供能的特点推断理论情况下人体下肢的变化：①在实验前测得的红外热像图显示运动过程中以短跑类项目ATP磷酸原供能系统释放热量温度最高而且速度最快，中长跑糖酵解供能系统次之，有氧供能主导类长跑最低，并且在各项目中根据各项目特点，每个项目并非只依靠一种供能系统供能，而是交替进行的，例如：100m的主要供能系统是ATP磷酸原供能系统，还有糖酵解供能系统辅助供能，两个供能系统所释放能量的功率不同，因此必将会造成在测温过程中温度的波动。②训练期结束后重复训练期前的实验步骤，依次以秒为单位连续拍摄图像，并且将训练期前后定点所测温度汇成曲线图比较，我们会发现经过训练后发现某一项目的运动员定位点温度发生变化的时间延长了，这表明训练过程中运动员对应这一项目的主导供能系统得到了很好的发展，从而也可以反映出训练过程训练手段的科学性，使得训练过程变得透明化^[12-14]。

6.讨论

实验设计的主要功能是对变量的控制，首先是在控制条件下有效地操纵或改变自变量，使因变量(即反应变量)的变化得到观察。利用红外热成像技术来监控运动员的训练技术是现代化的技术手段。在现代运动员训练成绩的提升依靠科学技术已经是不争的事实。

本实验如果投入实验实践，取得理想成果，将是对整个运动训练领域的又一拓展，通过应用红外热像仪可以使运动员的训练变得更加“透明”化，使用红外热像仪可以观测到训练中人体内部的一些变化情况，而且不会造成创伤，在测试过程中都是实时监测，譬如对人体供能系统的评价，多数实验的检测都是对最终的结果给予评价，对于系统的变化过程无法辨别，利用红外热像仪可以通过温度变化对人体供能系统的变化给予评价，因此说红外热像技术在运动领域的应用上将会有很多方面值得我们研究探讨，是一项很好的研究课题。

参考文献：

[1] 张栋，王淑友，马惠敏，等.红外热像技术进行运动训练效果检测和评价的研究[J].体育科学，2008，28（2）：37-41.

[2] 张栋，王淑友，马惠敏，等. 红外热像监测和评价运动训练效果的观察[J].中国康复医学杂志，2008，23（10）：888-891.

[3] 马惠敏，张栋，李顺月，等.正常人体背部温度分布及红外热像

分析[J].生物医学工程与临床,2006,10（4）：238—241.

[4] 姚鼎山.红外热像技术的临场应用[J].技术论坛，2001，7（2）38-41.

[5] 郑烽礼.红外线热像对膝关节骨性关节炎（OA）诊断价值的研究[D].福建.泉州第一医院.2007.

[6] 吕少文，赵丽君，李红，等.人体红外热像分析技术的应用原理和意义[J]中国体视学与图像分析，2002，7(7):150-152.

[7] 张丽华，陈志宏，江国泰. 评估人体糖代谢功能的红外热像分析法[J].放射免疫学杂志，2003，16（6）：381-382.

[8] 张立新,张志强,苑秀华. 红外热像图在诊断末端血管病变中的应用性研究[J].中国医科大学学报，2005,34(4):375-376.

[9] HongTing Zheng,WeiChen,Hua CongDeng. Evaluation of thera-peutic effectiveness and prognosis in pateentswith diabetes compli-cated with lover linbal vascular pathological changes by thermal in-frared image technique[J]. Chin JClin Reha, 2004, 8(6): 1176-1177.

[10] 李晓伟,郭立萍,宫彦军,等.图像处理方法在红外热像仪性能测试中的应用[J].烟台大学学报（自然科学与工程版），2001，14（3）：164-167.

[11] 张东胜,王霞,安里千. 一种红外热像文件及其图像的处理方法[J].光学技术，2003，29（3）：334-337.

[12] 武建民，虞学军，张新颖，等.红外热像技术在运动病研究中的应用[J].激光与红外，1998，2（4）：107-109.

[13] 孟殿怀,王红星,励建安. 健康青年男性下肢红外热像特征分析[J].中华物理医学与康复杂志，2006，28（6）：415-417.

[14] 王蓬，姜媛媛. 气压变换疗法对运动疲劳后肢体血流量、血乳酸和肌肉硬度的影响[J].科技创新导刊，2008，4.