紅外熱像技術(shù)在體育訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用-體育論文

1. 先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)

運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提升離不開(kāi)科學(xué)技術(shù)的支撐，科學(xué)技術(shù)的不斷更新為各行各業(yè)的向前發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)與保障，因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)與效率的息息相關(guān)，所以對(duì)于紅外熱像技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用，我們不得不要從紅外熱像技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展來(lái)討論其在體育領(lǐng)域中的發(fā)展前景，利用先進(jìn)的技術(shù)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在的問(wèn)題，談后利用最優(yōu)化的技術(shù)改革方案，讓運(yùn)動(dòng)員本身反復(fù)觀看視頻和動(dòng)畫(huà)模擬運(yùn)動(dòng)資料掌握運(yùn)動(dòng)技巧，改變運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)方式，提高運(yùn)動(dòng)效率。

1.1 紅外熱像技術(shù)的發(fā)展

紅外熱像技術(shù)首先在軍事領(lǐng)域獲得應(yīng)用,德國(guó)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(shè)備等。世界上第一臺(tái)商用紅外熱像儀于20世紀(jì)60年代由瑞典的AGA公司研制,美國(guó)是目前紅外熱像技術(shù)最為先進(jìn)的國(guó)家,絕大多數(shù)的紅外熱像儀器供應(yīng)商也集中在美國(guó)。紅外熱像技術(shù)的應(yīng)用研究美國(guó)最為活躍,其次是瑞典、英國(guó)和日本等國(guó)家。

紅外熱像技術(shù)在我國(guó)起步較晚，國(guó)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(tái)樣機(jī)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(bǔ)了我國(guó)醫(yī)學(xué)上的空白，開(kāi)啟了紅外熱像技術(shù)的新領(lǐng)域，為我國(guó)生物醫(yī)學(xué)開(kāi)展紅外診斷和科學(xué)研究奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。自此以后，紅外熱像技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)各學(xué)界研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)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(shù)與其它領(lǐng)域先進(jìn)的技術(shù)聯(lián)合使用或聯(lián)機(jī)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(lái)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(shù)的應(yīng)用帶來(lái)了更廣闊的前景^[4]。

1.2 紅外熱像技術(shù)的特點(diǎn)

國(guó)際中體育教學(xué)和訓(xùn)練過(guò)程中運(yùn)用紅外熱像技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，利用紅外熱像技術(shù)的成像技術(shù)幫助運(yùn)動(dòng)員分析運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)。當(dāng)前對(duì)于紅外熱像技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究比較活躍，這與它自身功能特點(diǎn)密不可分:(1)響應(yīng)速度快。傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù) (如熱電偶)的響應(yīng)時(shí)間一般為秒級(jí),而熱像儀測(cè)溫的響應(yīng)時(shí)間多為毫秒甚至微秒級(jí),因此熱像儀可以測(cè)取快速變化的溫度(場(chǎng));(2)測(cè)量范圍寬。玻璃溫度計(jì)的測(cè)溫范圍為-200~600℃,熱電偶的測(cè)溫范圍為-273~2750℃,而輻射測(cè)溫的理論下限是絕對(duì)零度(即-273.16℃)以上,沒(méi)有理論上限。目前實(shí)際的輻射測(cè)溫上限可達(dá)5000~6000℃;(3)非接觸測(cè)量。由于測(cè)取的是物體表面的紅外輻射能,不用接觸被測(cè)物體,也不會(huì)干擾被測(cè)的溫度場(chǎng),故紅外熱像技術(shù)非常適合于測(cè)量運(yùn)動(dòng)的物體、危險(xiǎn)的物體和不易接近的物體;(4)測(cè)量結(jié)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(cè)目標(biāo)表面的溫度場(chǎng),不僅比單點(diǎn)測(cè)溫提供更為完整、豐富的信息,且非常直觀形象。（5）技術(shù)的不斷提升：目前紅外熱像儀所達(dá)到的空間分辨率<0.1 mrad、目標(biāo)斑點(diǎn)尺寸0.0003″、幀頻1400幀/s、溫度分辨率<0.001℃、探測(cè)元數(shù)量106個(gè),像素>512(H)×512(V),圖像分析與處理軟件,如圖像邊緣自動(dòng)檢測(cè)與增強(qiáng)、任意點(diǎn)的目標(biāo)輻射率自動(dòng)校正、圖像分割、紅外熱像序列圖的比較運(yùn)算等都在不斷的更新。因此,除了軍事領(lǐng)域?qū)ζ涓叨戎匾曂?，在其它領(lǐng)域中,紅外熱像技術(shù)也獲得了越來(lái)越廣泛的關(guān)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(duì)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(dāng)外界溫度低于體溫時(shí)，人體即通過(guò)皮膚發(fā)釋放肉眼看不見(jiàn)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(shù)應(yīng)用在監(jiān)測(cè)人體供能系統(tǒng)供能狀況的前景分析

紅外熱成像技術(shù)是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)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(chǎng)相對(duì)應(yīng)。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像。通過(guò)觀察不同熱成像圖形的變化和不足來(lái)調(diào)整運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)技巧和技術(shù)，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(lái)的技術(shù)，因?yàn)槿梭w是一個(gè)天然的生物紅外輻射源，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，反復(fù)進(jìn)行肌肉的拉伸與收縮訓(xùn)練使得肌纖維選擇性肥大和肌肉中有關(guān)酶活性選擇性增強(qiáng)，人體耗能量增加，產(chǎn)熱量也隨之增加，在不同的運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間較長(zhǎng)，最大供能速率或輸出功率為15 J·Kg^-1·S^-1,由于三個(gè)供能系統(tǒng)的最大供能功率的不同，因此在某個(gè)供能系統(tǒng)占主導(dǎo)地位的時(shí)候，人體散發(fā)的熱量也是不同的，體表溫度也會(huì)隨之發(fā)生變化，根據(jù)這一特點(diǎn)我們?cè)O(shè)想通過(guò)紅外熱像儀拍攝人體下肢相應(yīng)位置在參與不同形式和不同時(shí)間的運(yùn)動(dòng)時(shí)的熱圖像，并記錄不同時(shí)期人體皮膚表面定位點(diǎn)的溫度變化。在訓(xùn)練期后在重復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試人體相應(yīng)位置的熱像圖以及溫度變化，對(duì)比訓(xùn)練期前后兩次相應(yīng)時(shí)間定位點(diǎn)的溫度變化情況，以此對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中人體的訓(xùn)練效果給予監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，探討與分析紅外熱像技術(shù)應(yīng)用到訓(xùn)練中的前景^[8-11]。

4、理想實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以有效幫助運(yùn)動(dòng)效能的提高，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指科學(xué)研究的一般程序的知識(shí)，它包括從問(wèn)題的提出、假說(shuō)的形成、變量的選擇等等一直到結(jié)果的分析、論文的寫(xiě)作一系列內(nèi)容，它給研究者展示如何進(jìn)行科學(xué)研究的概貌，試圖解決研究的全過(guò)程。研究者在實(shí)驗(yàn)前根據(jù)研究目的擬定的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃及方法策略。其主要內(nèi)容是合理安排實(shí)驗(yàn)程序，并提出將如何對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)分析、更新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要步驟可歸納為：根據(jù)研究目的提出假設(shè)；擬定驗(yàn)證假設(shè)的方法、程序；選擇適當(dāng)?shù)奶幚怼⒎治鰧?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法、重新制定符合的新設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)流程。

預(yù)測(cè)人體三大供能系統(tǒng)在訓(xùn)練中的變化情況，我們選定徑賽項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員為實(shí)驗(yàn)對(duì)象較為明顯，分別挑選100m、400m和5000m三個(gè)項(xiàng)目的專項(xiàng)男運(yùn)動(dòng)員為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，各運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)成績(jī)盡可能相接近，年齡、身高以及體重符合各專項(xiàng)特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)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(fù)荷強(qiáng)度使運(yùn)動(dòng)員的下肢骨四頭肌承受相同負(fù)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(chǔ)存數(shù)據(jù)建立實(shí)驗(yàn)初期數(shù)據(jù)庫(kù)，之后運(yùn)動(dòng)員進(jìn)入6個(gè)月的訓(xùn)練期，訓(xùn)練期結(jié)束后重復(fù)訓(xùn)練期前的實(shí)驗(yàn)，對(duì)受試者下肢骨四頭肌部位再一次連續(xù)拍攝，獲取相關(guān)熱圖像，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)紅外熱像圖專用測(cè)量軟件，對(duì)受試者下肢部位按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提取平均溫，溫度分布范圍及面積，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，制作股四頭肌部定位點(diǎn)的溫度變化曲線圖。

5. 利用紅外熱像技術(shù)評(píng)價(jià)人體下肢訓(xùn)練的理論效果

紅外熱像技術(shù)是根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)釋放熱量來(lái)捕捉人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的人體下肢皮表的溫度變化，以此來(lái)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(shù)和人體供能系統(tǒng)供能的特點(diǎn)推斷理論情況下人體下肢的變化：①在實(shí)驗(yàn)前測(cè)得的紅外熱像圖顯示運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以短跑類項(xiàng)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(zhǎng)跑糖酵解供能系統(tǒng)次之，有氧供能主導(dǎo)類長(zhǎng)跑最低，并且在各項(xiàng)目中根據(jù)各項(xiàng)目特點(diǎn)，每個(gè)項(xiàng)目并非只依靠一種供能系統(tǒng)供能，而是交替進(jìn)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(gè)供能系統(tǒng)所釋放能量的功率不同，因此必將會(huì)造成在測(cè)溫過(guò)程中溫度的波動(dòng)。②訓(xùn)練期結(jié)束后重復(fù)訓(xùn)練期前的實(shí)驗(yàn)步驟，依次以秒為單位連續(xù)拍攝圖像，并且將訓(xùn)練期前后定點(diǎn)所測(cè)溫度匯成曲線圖比較，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)某一項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員定位點(diǎn)溫度發(fā)生變化的時(shí)間延長(zhǎng)了，這表明訓(xùn)練過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員對(duì)應(yīng)這一項(xiàng)目的主導(dǎo)供能系統(tǒng)得到了很好的發(fā)展，從而也可以反映出訓(xùn)練過(guò)程訓(xùn)練手段的科學(xué)性，使得訓(xùn)練過(guò)程變得透明化^[12-14]。

6.討論

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要功能是對(duì)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(yīng)變量)的變化得到觀察。利用紅外熱成像技術(shù)來(lái)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練技術(shù)是現(xiàn)代化的技術(shù)手段。在現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練成績(jī)的提升依靠科學(xué)技術(shù)已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)。

本實(shí)驗(yàn)如果投入實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，取得理想成果，將是對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域的又一拓展，通過(guò)應(yīng)用紅外熱像儀可以使運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練變得更加“透明”化，使用紅外熱像儀可以觀測(cè)到訓(xùn)練中人體內(nèi)部的一些變化情況，而且不會(huì)造成創(chuàng)傷，在測(cè)試過(guò)程中都是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，譬如對(duì)人體供能系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，多數(shù)實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)都是對(duì)最終的結(jié)果給予評(píng)價(jià)，對(duì)于系統(tǒng)的變化過(guò)程無(wú)法辨別，利用紅外熱像儀可以通過(guò)溫度變化對(duì)人體供能系統(tǒng)的變化給予評(píng)價(jià)，因此說(shuō)紅外熱像技術(shù)在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用上將會(huì)有很多方面值得我們研究探討，是一項(xiàng)很好的研究課題。

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