紅外熱像技術在體育訓練領域的應用-體育論文

1. 先進的技術基礎

運動成績的提升離不開科學技術的支撐，科學技術的不斷更新為各行各業(yè)的向前發(fā)展提供技術基礎與保障，因為科學技術與效率的息息相關，所以對于紅外熱像技術在體育領域的應用，我們不得不要從紅外熱像技術的長足發(fā)展來討論其在體育領域中的發(fā)展前景，利用先進的技術檢測運動員在運動過程中存在的問題，談后利用最優(yōu)化的技術改革方案，讓運動員本身反復觀看視頻和動畫模擬運動資料掌握運動技巧，改變運動員在運動中的運動方式，提高運動效率。

1.1 紅外熱像技術的發(fā)展

紅外熱像技術首先在軍事領域獲得應用,德國在第二次世界大戰(zhàn)中率先裝備了紅外夜視儀、紅外通訊設備等。世界上第一臺商用紅外熱像儀于20世紀60年代由瑞典的AGA公司研制,美國是目前紅外熱像技術最為先進的國家,絕大多數(shù)的紅外熱像儀器供應商也集中在美國。紅外熱像技術的應用研究美國最為活躍,其次是瑞典、英國和日本等國家。

紅外熱像技術在我國起步較晚，國內(nèi)最早紅外熱像儀——HWX-Ⅰ型醫(yī)用紅外熱像儀研制于1975年，由上海率先成立科研制協(xié)作組研制，在1976年試制成功第一臺樣機并投人臨床試用(訖今仍在服役)，紅外熱像儀的研制與使用，填補了我國醫(yī)學上的空白，開啟了紅外熱像技術的新領域，為我國生物醫(yī)學開展紅外診斷和科學研究奠定了物質(zhì)基礎。自此以后，紅外熱像技術引起了國內(nèi)各學界研究領域的廣泛關注，在之后的期間，不論在熱像的研制和生產(chǎn)，還是在紅外熱像技術與其它領域先進的技術聯(lián)合使用或聯(lián)機使用方面都有一定的發(fā)展，取得一定的成就，大大提高了紅外熱像的使用率，尤其近年來焦平面紅外熱像儀的誕生使空間分辨率和溫度靈敏度得到大大提高，給紅外熱像技術的應用帶來了更廣闊的前景^[4]。

1.2 紅外熱像技術的特點

國際中體育教學和訓練過程中運用紅外熱像技術來監(jiān)測運動員的運動過程，利用紅外熱像技術的成像技術幫助運動員分析運動細節(jié)。當前對于紅外熱像技術應用領域的研究比較活躍，這與它自身功能特點密不可分:(1)響應速度快。傳統(tǒng)的測溫技術 (如熱電偶)的響應時間一般為秒級,而熱像儀測溫的響應時間多為毫秒甚至微秒級,因此熱像儀可以測取快速變化的溫度(場);(2)測量范圍寬。玻璃溫度計的測溫范圍為-200~600℃,熱電偶的測溫范圍為-273~2750℃,而輻射測溫的理論下限是絕對零度(即-273.16℃)以上,沒有理論上限。目前實際的輻射測溫上限可達5000~6000℃;(3)非接觸測量。由于測取的是物體表面的紅外輻射能,不用接觸被測物體,也不會干擾被測的溫度場,故紅外熱像技術非常適合于測量運動的物體、危險的物體和不易接近的物體;(4)測量結果直觀形象。紅外熱像儀以彩色或灰度圖像的方式輸出被測目標表面的溫度場,不僅比單點測溫提供更為完整、豐富的信息,且非常直觀形象。（5）技術的不斷提升：目前紅外熱像儀所達到的空間分辨率<0.1 mrad、目標斑點尺寸0.0003″、幀頻1400幀/s、溫度分辨率<0.001℃、探測元數(shù)量106個,像素>512(H)×512(V),圖像分析與處理軟件,如圖像邊緣自動檢測與增強、任意點的目標輻射率自動校正、圖像分割、紅外熱像序列圖的比較運算等都在不斷的更新。因此,除了軍事領域?qū)ζ涓叨戎匾曂?，在其它領域中,紅外熱像技術也獲得了越來越廣泛的關注^[5]。

 2.天然輻射源——人體 

天然輻射源是指的天然存在的輻射源，包括宇宙輻射和地球上的輻射源。它們產(chǎn)生的輻射稱為“天然本底輻射”。全球居民所受天然照射的年平均有效劑量約為2.4 mSv，凡是溫度高于絕對零攝氏度的物體均可發(fā)射出紅外輻射，人的體溫是37攝氏度，人體皮膚的紅外熱線發(fā)射率是0.98，而在基線溫度為37攝氏度的紅外線顯示屏上可近似為一種300K的黑色。當外界溫度低于體溫時，人體即通過皮膚發(fā)釋放肉眼看不見的紅外輻射能量，該能量的大小及分布與溫度成正比^[7]。

3.紅外熱像技術應用在監(jiān)測人體供能系統(tǒng)供能狀況的前景分析

紅外熱成像技術是利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。通過觀察不同熱成像圖形的變化和不足來調(diào)整運動員的運動技巧和技術，紅外熱像方法是將物體表面溫度以不同顏色的圖像表現(xiàn)出來的技術，因為人體是一個天然的生物紅外輻射源，運動訓練時，反復進行肌肉的拉伸與收縮訓練使得肌纖維選擇性肥大和肌肉中有關酶活性選擇性增強，人體耗能量增加，產(chǎn)熱量也隨之增加，在不同的運動形式中人體三大供能系統(tǒng)連續(xù)交替供能，依次為：磷酸原供能系統(tǒng)、糖酵解供能系統(tǒng)和有氧供能系統(tǒng)，它們所提供的能量在供給量和時間上不同，在最大供能輸出功率和速率上也不同，磷酸原供能系統(tǒng)供能時間是7.5S左右，最大供能速率或輸出功率為56J·Kg^-1·S^-1,糖酵解供能時間大約為33S左右，最大供能速率或輸出功率為29.3 J·Kg^-1·S^-1,有氧供能時間較長，最大供能速率或輸出功率為15 J·Kg^-1·S^-1,由于三個供能系統(tǒng)的最大供能功率的不同，因此在某個供能系統(tǒng)占主導地位的時候，人體散發(fā)的熱量也是不同的，體表溫度也會隨之發(fā)生變化，根據(jù)這一特點我們設想通過紅外熱像儀拍攝人體下肢相應位置在參與不同形式和不同時間的運動時的熱圖像，并記錄不同時期人體皮膚表面定位點的溫度變化。在訓練期后在重復實驗測試人體相應位置的熱像圖以及溫度變化，對比訓練期前后兩次相應時間定位點的溫度變化情況，以此對運動訓練過程中人體的訓練效果給予監(jiān)測和評價，探討與分析紅外熱像技術應用到訓練中的前景^[8-11]。

4、理想實驗設計

利用實驗設計可以有效幫助運動效能的提高，實驗設計指科學研究的一般程序的知識，它包括從問題的提出、假說的形成、變量的選擇等等一直到結果的分析、論文的寫作一系列內(nèi)容，它給研究者展示如何進行科學研究的概貌，試圖解決研究的全過程。研究者在實驗前根據(jù)研究目的擬定的實驗計劃及方法策略。其主要內(nèi)容是合理安排實驗程序，并提出將如何對實驗數(shù)據(jù)作統(tǒng)計分析、更新實驗設計的主要步驟可歸納為：根據(jù)研究目的提出假設；擬定驗證假設的方法、程序；選擇適當?shù)奶幚?、分析實驗?shù)據(jù)的統(tǒng)計方法、重新制定符合的新設計和實驗流程。

預測人體三大供能系統(tǒng)在訓練中的變化情況，我們選定徑賽項目運動員為實驗對象較為明顯，分別挑選100m、400m和5000m三個項目的專項男運動員為實驗對象，各運動員運動成績盡可能相接近，年齡、身高以及體重符合各專項特點。

實驗儀器選擇紅外熱像儀和功率自行車，利用功率自行車模擬100m、400m和5000m負荷強度使運動員的下肢骨四頭肌承受相同負荷，做功產(chǎn)熱，再利用紅外熱像儀連續(xù)拍攝其做功情況的熱像圖，并儲存數(shù)據(jù)建立實驗初期數(shù)據(jù)庫，之后運動員進入6個月的訓練期，訓練期結束后重復訓練期前的實驗，對受試者下肢骨四頭肌部位再一次連續(xù)拍攝，獲取相關熱圖像，存入數(shù)據(jù)庫，通過紅外熱像圖專用測量軟件，對受試者下肢部位按統(tǒng)一標準提取平均溫，溫度分布范圍及面積，并進行統(tǒng)計學處理，制作股四頭肌部定位點的溫度變化曲線圖。

5. 利用紅外熱像技術評價人體下肢訓練的理論效果

紅外熱像技術是根據(jù)人體運動釋放熱量來捕捉人體在運動過程中的人體下肢皮表的溫度變化，以此來判斷人體下肢股四頭肌肌肉做功狀況，并反映供能系統(tǒng)的功能情況，本文根據(jù)紅外熱像技術和人體供能系統(tǒng)供能的特點推斷理論情況下人體下肢的變化：①在實驗前測得的紅外熱像圖顯示運動過程中以短跑類項目ATP磷酸原供能系統(tǒng)釋放熱量溫度最高而且速度最快，中長跑糖酵解供能系統(tǒng)次之，有氧供能主導類長跑最低，并且在各項目中根據(jù)各項目特點，每個項目并非只依靠一種供能系統(tǒng)供能，而是交替進行的，例如：100m的主要供能系統(tǒng)是ATP磷酸原供能系統(tǒng)，還有糖酵解供能系統(tǒng)輔助供能，兩個供能系統(tǒng)所釋放能量的功率不同，因此必將會造成在測溫過程中溫度的波動。②訓練期結束后重復訓練期前的實驗步驟，依次以秒為單位連續(xù)拍攝圖像，并且將訓練期前后定點所測溫度匯成曲線圖比較，我們會發(fā)現(xiàn)經(jīng)過訓練后發(fā)現(xiàn)某一項目的運動員定位點溫度發(fā)生變化的時間延長了，這表明訓練過程中運動員對應這一項目的主導供能系統(tǒng)得到了很好的發(fā)展，從而也可以反映出訓練過程訓練手段的科學性，使得訓練過程變得透明化^[12-14]。

6.討論

實驗設計的主要功能是對變量的控制，首先是在控制條件下有效地操縱或改變自變量，使因變量(即反應變量)的變化得到觀察。利用紅外熱成像技術來監(jiān)控運動員的訓練技術是現(xiàn)代化的技術手段。在現(xiàn)代運動員訓練成績的提升依靠科學技術已經(jīng)是不爭的事實。

本實驗如果投入實驗實踐，取得理想成果，將是對整個運動訓練領域的又一拓展，通過應用紅外熱像儀可以使運動員的訓練變得更加“透明”化，使用紅外熱像儀可以觀測到訓練中人體內(nèi)部的一些變化情況，而且不會造成創(chuàng)傷，在測試過程中都是實時監(jiān)測，譬如對人體供能系統(tǒng)的評價，多數(shù)實驗的檢測都是對最終的結果給予評價，對于系統(tǒng)的變化過程無法辨別，利用紅外熱像儀可以通過溫度變化對人體供能系統(tǒng)的變化給予評價，因此說紅外熱像技術在運動領域的應用上將會有很多方面值得我們研究探討，是一項很好的研究課題。

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