热像特征

热像特征（共7篇）

热像特征 篇1

0 引言

振动红外热像无损检测是一种可视化、数字化无损检测技术, 具有单次检测面积大、速度快、可单面检测、不必拆下总装后的部件、可在外场使用等优点。特别是在金属闭合裂纹、复合材料分层、脱粘和撞击损伤等缺陷的无损检测[1,2], 较常规检测法有独特优势。但是振动红外热像检测直接获取的红外热像存在背景噪声大、边缘模糊、对比度低等不足, 需要借助有效的热像处理手段才能可靠地识别缺陷。振动热像检测的后续图像处理, 包括去噪和增强, 可沿用成熟图像处理方法, 如点运算、滤波、数学形态学等;也可采用光热激励的红外热像检测法的处理方法, 如主分量分析法PCA[3]、奇异值分解法[4]、去除拟合背景法和多项式拟合法[5]等。小波分析是近年来新发展起来的一种图像处理方法, 由于其具有良好的时频特性和多分辨率的特性, 因此, 小波分析在图像处理领域备受重视[6]。本文采用小波变换对信噪比很低的V形铝合金结构裂纹的振动红外热像进行缺陷增强, 考察小波分析在振动红外热像检测的热像序列增强效果。

1 振动热像检测实验

1.1 实验装置和试件

实验装置采用实验室自行开发的超声振动红外热像检测系统, 该系统由红外热像仪、超声电源、超声换能器、控制器、计算机、应用软件等组成, 如图1所示。红外热像仪的空间分辨率为320×240像素, 温度分辨率为0.1℃。超声激励装置的工作频率为20 k Hz, 设计功率为1 500 W, 输出功率可调。

实验试件是用于高铁机车结构制造的V形断面铝合金型材, 上面有2个自然裂纹, 从长边的边缘向V形的锥部横向延伸, 从表面看裂纹长度分别为52 mm和56 mm, 如图2所示。这里只检测第一个裂纹。为了增强红外发射率, 将重点检测的裂纹区域用水溶性黑漆涂黑。

1.2 实验及数据分析

超声激励装置的额定功率设定为500 k W, 激振头与试件之间以0.16 mm厚的硬塑料片耦合, 预紧压力约为50~150 N。用热像仪记录试件的表面温度场, 热像仪的帧频设定为60 Hz。采用脉冲式激励, 激励时间约3 s。热像采集时间为4 s, 激振前采集若干帧背景热像。设激振开始点为时间0点。

热像序列裂纹区与附近正常区的温差曲线如图3所示, 计算温度时缺陷区取3×3, 非缺陷区取25×25像素平均。由图3的温差曲线可以看出, 缺陷的最大温差△Tm发生在t=0.12 s左右, 其值约为0.25℃。因而此实验数据中t=0.12 s时的图像为最佳单帧图像, 如图4所示。

2 振动红外热像的小波处理

2.1 热像预处理

以提取过余温度图作为预处理, 即取激励前若干帧热像的平均作为背景, 使激励后每一帧热像减背景。这种处理可以去除物体表面的不均匀红外特性的干扰。这里取实验数据的前37帧为背景提取过余温度图, 该实验中t=0.12 s的过余温度图像为最佳单帧过余温度图如图4~图5所示。

将过余温度图与原始热像对比可看出, 过余温度图提高了图像的裂纹清晰度和背景均匀度, 缺陷信息在一定程度上得到增强, 为后续处理奠定基础。

2.2 图像的小波变换多分辨率分析

图像f (x, y) 的多分辨率分析公式为[7]:

其中:fJ (x, y) 是在尺度J (J=1, 2, …) 下的连续逼近;

式中:j=1, 2, …, J;φ、准为一维尺度函数和小波函数;k, m, n∈Z。式 (2) 表示f (x, y) 在尺度j下的3个方向———水平、铅直、对角线上的“细节”。

小波分解算法将一幅图像通过二维小波变换分解成一系列尺度、方向和空间局部变化的子带, 即将离散采样获得的图像信号{C0 (m, n) }分解为1个模糊子图{C1 (m, n) }和3个锐化子图{d11 (m, n) }, {d12 (m, n) }及{d13 (m, n) }。这一系列不同分辨率的子图像是进行各种图像处理的基础。

2.3 V形铝合金结构的振动红外热像小波图像增强

通过小波分解后, 图像的主要信息即轮廓由低频信息部分来表征, 其细节部分则由高频部分表征。振动热像检测的图像增强中, 为了获得缺陷和非缺陷的高对比度, 需要对低频分解系数进行增强, 对高频分解系数进行衰减处理, 从而达到图像增强的效果。振动热像小波图像增强算法的实现分为3步:

1) 小波分解。选择一个合适的小波函数和分解层次J, 将最佳过余温度图分解, 得到相应的小波分解系数ωj, i。

2) 阈值增强。在各尺度j (j=1, 2, …, J) 上, 将分解得到的各高频系数ωjh, i置0, 并采用下列表达式对低频小波系数ωjg, i进行处理。

式中T为阈值, 其范围为0~1m≤ia≤xN{ωjg, i};N为J尺度上低频小波系数的个数;k1, k2为处理系数。

3) 小波重构。利用处理后得到的小波系数ω′j, i进行图像的小波重构, 就可得到小波增强后的图像。

经过对比不同小波函数、分解层数、增强系数和阈值的处理结果可得, 对于V形铝合金结构表面裂纹振动红外最佳过余温度图像的小波增强, 当选用bior2.2小波, 分解层数为两层, 设置系数k1=1, k2=0.1, 阈值T=0.695 1m≤ia≤xN{ωjg, i}时, 能获得最佳处理结果, 处理结果如图6所示。图中可以清晰地看到缺陷, 缺陷区与非缺陷区的对比非常明显。

2.4 缺陷提取

小波增强后的振动热像质量有了明显的提高, 只是有时会有离散的噪点, 可用中值滤波去掉离散噪点, 然后用二值化把缺陷从背景中分割出来。这里采用3×3模板进行中值滤波。采用迭代最佳阈值分割法进行二值化处理, 阈值取0.03, 处理结果如图7所示。

3 处理效果评价

为了定量描述缺陷的可观测性, 需要定义一些典型的可检信号特征参数, 即信息参数, 来对处理结果进行评价。

式中: 为缺陷区表面温度; 为正常区表面温度;σN为正常区表面温度 (或过余温度) 的标准差。通过式 (5) 计算可得, V型铝合金结构的振动热像检测原始热像、减背景图像和增强后的图像的信噪比, 如表1所示。

从表1中的信噪比数据对比可明显看出, 经减背景预处理能够提高原始热像的信噪比;温度图像经小波增强后信噪比得到显著提高。小波增强后热像的信噪比约为原始热像的16倍。

4 结论

本文研究了在原始热像信噪比差的情况下, 振动热像的小波缺陷增强方法。研究结果表明:经小波分析处理并重建的振动红外热像序列可显著地提高缺陷对比度和信噪比, 从而能有效地提高振动红外热像检测缺陷检测能力。以V型铝合金结构裂纹检测为例, 小波图像增强后的信噪比约为原始热像的16倍。

参考文献

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[3]郭兴旺, 其达拉图.铝试件脉冲红外热无损检测的主分量分析[J].北京航空航天大学学报, 2009, 35 (11) :1393-1397.

[4]郭兴旺, 高功臣, 吕珍霞.基于奇异值分解的红外热图像序列处理[J].北京航空航天大学学报, 2006, 32 (8) :937-940.

[5]郭兴旺, 邵威, 郭广平, 等.红外无损检测加热不均时的图像处理方法[J].北京航空航天大学学报, 2005, 31 (11) :1204-1207, 1216.

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[7]陈武凡.小波分析及其在图像处理中的应用[M].北京:科技出版社, 2003.

FLIREx推出系列红外热像仪 篇2

Ex系列热像仪秉承人体工程学设计理念专为入门级用户量身打造, 搭载固定式免调焦镜头, 3种红外图像分辨率 (160×120;240×180;320×240) 可选, 0.1~250℃的测温范围内, “即瞄即拍”的JPEG红外图像, 囊括了所有必要的温度数据。多波段动态成像 (FLIRMSX) 专利技术可实时提供详实清晰的热图像以满足不同的热成像需求。内置的可见光数码相机镜头有助于更快速、方便地观测, 可视图像还可作为热图像的基准参考。简单操作便可快速扫描并锁定潜在问题区域所在。

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红外热像测温技术及其应用研究 篇3

自然界一切温度高于绝对零度的物体都在以电磁波的形式向外辐射能量,其中包括0.7～1 000 μm的红外光波。红外光具有很高的温度效应,这是红外热像测温技术的基础。

红外热像测温技术是当今迅速发展的高新技术之一,已广泛地应用于军事、准军事和民用等领域,并发挥着其他产品难以替代的重要作用。美国、德国、英国、法国等发达国家非常重视红外热像测温技术的研究与应用,掌握热像测温技术的发展进程、应用领域和发展趋势,有利于启发科学、合理的发展思路,为热像仪的优化发展提供方向性的支持。

1 红外热像测温原理及影响测温的因素

红外热像仪是能够实现热像测温的精密仪器,是红外热像测温的核心设备。它利用实时的扫描热成像技术进行温度分析,图1所示为目前民用市场上应用的主流热像仪,其结构简单、功能强大、测温快。

红外热像测温技术就是通过红外探测器接收被测物体的红外辐射,再由信号处理系统转变为目标的视频热图像的一种技术。它将物体的热分布转变为可视图像,并在监视器上以灰度或伪彩显示出来,从而得到被测物体的温度分布场信息。红外热像测温原理如图2所示。

由于红外热像仪属于窄带光谱辐射测温系统,使用其进行温度测量时所测得的物体表面温度,不是直接测量得到的,而是以测到的辐射能计算出来的。因此,实际测量时,测量精度受被测表面的发射率和反射率、背景辐射、大气衰减、测量距离、环境温度等因素的影响[1,2,3,4]。

仪器接收到的被测物体表面的辐射包括目标辐射、环境反射和大气辐射三部分,即:

$E{}_{\lambda }=\tau {}_{a\lambda }\epsilon {}_{\lambda }E{}_{b\lambda }({\rm T}{}_o)+\tau {}_{a\lambda }(1-\epsilon {}_{\lambda })E{}_{b\lambda }({\rm T}{}_u)+\epsilon {}_{a\lambda }E{}_{b\lambda }({\rm T}{}_a)(1)$

其中,Eλ为仪器接收到的辐射;Ebλ为黑体辐射;To为被测物体表面温度;Tu为环境温度;Ta为大气温度;ελ为表面发射率;aλ为表面吸收率;τaλ为大气的光谱透射率;εaλ为大气发射率。

1.1 发射率的影响

由式(1)等号右边第一项可知,使用红外热像仪进行温度测量,其最大的不确定因素是被测物体的发射率,该发射率是由操作者自行找出再输入红外热像仪的。确定物体发射率的难度在于影响发射率的因素很多,主要取决于材料的种类、材料表面状况和物体的表面温度等。

1.2 背景的影响

式(1)等号右边第二项为背景投向被测物体并被反射的辐射能。由该式可知,被测物体的发射率越高,背景影响越小;背景温度越高,背景影响越大;当被测物体温度与背景温度相近时,背景影响引起的误差较大。

1.3 大气的影响

物体所辐射的能量必须经过大气才能到达探测系统,在其通过大气时,会被大气中的气体分子和尘埃吸收与散射而衰减。吸收红外辐射的气体主要是CO2(有2.65～2.8 μm,4.15～4.45 μm,13.0～17.0 μm三个吸收波段)和H2O(有2.55～2.84 μm,5.6～7.6 μm,12～30 μm三个吸收波段)。因此,仪器接收到的红外辐射和仪器与被测物体的距离有关,而且大气的吸收程度与大气的温度和相对湿度也有关系。

2 红外热像测温技术应用

我国引入红外热像测温技术在工艺及生产方面最初只有电力、冶金和石化等行业的部分单位应用,在科研方面也只限于尖端技术的研究领域。作为一种通用技术,红外热成像测温技术的应用将深入各个领域。

过去所发展的红外热像测温技术仅限于常规风洞实验中的中、低温度(1 000 K以下)测量,邓建平等[5]研制了一套测温范围在1 000～3 500 K的红外热像仪及图像处理系统,该系统已完成标定并在高频等离子体风洞中进行了实验。H wang Jihong[6]采用红外成像的电荷耦合装置(CCD)测量平面磨削中工件的温度场分布。Elmahdy A H[7]采用红外热成像技术在实验室进行窗口表面的温度测量,都取得了很好的效果。

使用热成像技术探测乳腺癌在医学领域的应用已经有50多年的历史。如对乳腺癌及恶性肿瘤的早期诊断、伤口愈合的红外观察、风湿性关节炎和发病状况的诊断、牙科治疗初步研究、耳鼻喉疾病的诊断、胸部肿块的红外诊断等[8,9],可以说远红外成像技术在医学中的应用已经成为一种新的诊断手段。在发现表浅肿瘤如乳腺癌、甲状腺癌、皮肤癌等,对脉管炎以及其他炎症,对骨折、骨髓炎、挫伤、关节炎,对确定烧伤和冻伤边缘,对合理的选择截断部位,对植皮、脏器、移植后排异反应的观察,对妇产科临床如胎盘的定位、针灸的经络穴温度反应等,都表现出了日益强大的应用能力,必将促进医疗卫生事业的快速发展。

远红外成像技术首先被大量的应用于农业和环境检测是在1980年早期,他们主要是通过空中摄像技术来对所探测的目标进行宽范围的检测和分析。直到敏感摄像技术得到了发展,才开始了对植物进行单株(single plant)水平上的研究。其具有的多功能性,准确性和较高的分辨率(可达0.01)使得对单株植物叶片和幼苗的实时观测成为了可能,也因此在植物研究中的应用掀起了热潮。如在重力作用下,对植物叶片表面与周围环境之间热交换的影响的研究、通过对植物如拟南芥,大麦突变体的筛选、对植物气孔导度的研究、植物在胁迫环境中的研究、在寒冷环境中植物体内的冰核形成过程的观测研究、谷类作物由于疾病和阵风而造成的旗叶温度的差异测量、叶片蒸腾速率研究、单细胞的研究等[10]研究成果十分显著,研究对象范围也大幅度拓宽。

红外成像技术应用于农业生产方面已有很多,刚开始用于园艺产品的分析和苹果损伤的发现和植物健康状况的评估。目前,已被广泛应用于农业和园艺中的贮藏室的设计和控制以及蔬菜的保鲜贮藏、对一些敏感的生物产品进行质量评估和控制、对农作物的生理衰变的检测。在水果和蔬菜成熟时期,通过热成像对其进行热温的测定往往可以评估气候对其的胁迫。还有水果和蔬菜新鲜程度的评估、植物不同部分受虫害的影响、苹果成熟程度,糖分及种间的差异的鉴定、空气对流量的测定等。

红外热像技术还应用于材料和构件的红外热像无损检测与评价、电力和石化设备状态的红外热像诊断、构(建)物的红外热像检测与节能评价、自动测试、灾害防治、地表/海洋热分布研究[11,12,13,14]等方面。另外,红外热像技术在电子电路设计、材料内部缺陷及应力检测、热能设备的制造设计等科研领域得到了越来越广泛的应用。

红外热成像测温技术为非接触式测温,响应快、不破坏被测物体的温度场及可以检测某些不能接触或禁止接触的目标,理论上讲,可以用于任何需要温度检测的场合。

2.1 预防性维护

利用红外热像仪进行预防性维护,就是早期发现设备的异常情况,并相应地采取适当的补救措施,保证设备安全,减少损失。对大型设备,对其早期的温度异常变化情况进行监测,判断设备运行状况有重要意义。图3为船舶系统在配电设备、动力设备及供暖设备上拍摄的热图,通过热图温度显示可以快速而准确地对其运行状况进行监测。

2.2 质量监测

对船舶系统,特别是新船出厂交付使用之前,各种部件的设计和安装是否达到要求,还存在什么问题,在试乘航时利用红外热像技术可以快速而准确地达到质量监测的目的。质量监测热图如图4所示。

2.3 科学研究

在科学实验研究方面,红外热像技术显示出其在测试物体温度场方面的优势。王喜世等利用红外热像仪测量火焰温度[15],侯成刚等利用其精确测试物体的发射率,都取得了较好的效果[16]。许永华等针对高炉炉内温度场的分布及高炉布料的情况提出了一种基于红外图像处理的高炉温度场检测方法,通过红外图像处理来建立温度场分布模型,结合十字测温进行温度定标,实现了高炉温度场分布在线监视[17]。高炉红外热成像仪通过高灵敏度红外探测器,实时测温,测量数达到十万个温度点,温度分辨率可达到<0.5 ℃(200 ℃目标)。实时显示的测试数据反应了高炉内物料温度或高或低的变化,能精确测出炉顶物料的温度,直观地反应出炉内煤气流上升的高度。这样,高炉内部燃烧情况的细微变化(特别对于物料的燃烧程度)可及时反应出来,热图如图5所示。

3 结 语

发展到目前的热成像系统已是现代半导体技术、精密光学机械、微电子学、特殊红外工艺、新型红外光学材料与系统工程的产物。近年来,红外热像仪的生产已经形成了较大的产业群,应用也涵盖了几乎所有的领域。作为一种全新的检测和科研手段,红外热成像技术的应用前景十分广泛,也期待能在实际运用中发现更多的用途。

摘要：阐述红外热像测温技术的工作原理和红外热像仪的基本组成,综述了红外热像仪测温技术的发展,从技术层面剖析了红外热像仪测温存在的问题,介绍了国内外在红外热像测温技术方面的研究热点,例举了利用红外热像仪进行温度场测量的应用实例,同时展望了未来的发展方向。针对红外测温领域中的理论、仪器及应用进行了较为详细的分析和总结。

三视场红外热像仪鬼影现象分析 篇4

某型具有三视场切换能力的红外热像组件在大视场对准均匀场景或者环境能量低的情况下, 图像上有微弱光环呈现。切换至中视场与小视场时, 没有此现象。经过查询相关资料得知, 此现象被称为鬼影现象, 一般情况下红外图像的自适应非均匀性校正可能存在此类缺陷。

二、红外鬼影现象

红外热像仪作为侦察型无人机的标准配置传感器之一, 能够对地面景物实时成像并支持亮度、对比度、极性变换等在线调整。出现故障的红外热像组件在大视场对准均匀场景情况下, 图像上有微弱光环呈现, 如图1所示。

经过查询相关资料, 发现此种故障被称为红外鬼影现象, 极少出现, 且出现的原因不尽相同。为给故障排查提供条件, 记录故障发生时, 当地气候条件为地面温度约23℃, 大气湿度约80%。

三、故障排除与定位

针对此红外热像仪鬼影现象问题, 设计人员复查设计文件与加工图纸、质检人员核对各零件存档数据、检测报告及出货时的系统记录数据。从反馈的数据及复查结果来看没有发现异常, 排除粗大误差的可能性。于是围绕此问题建立故障排查树, 分析可能出现此现象的原因如图2所示。

1. 探测器的非均匀性

通过查找该探测器的出厂报告, 发现探测器的非均匀性状态良好。而装探测器之前, 如有质量问题不会转入系统装配阶段。在同一探测器的情况下, 系统只有大视场有此现象, 小视场与中视场没有出现, 可排除探测器硬件出差错, 推断探测器的非均匀性稳定。

2. 软件算法问题

此红外热像仪软件采用定型的标准程序版本, 将该主板上的程序原样移植到厂家其他相同硬件平台热像仪中运行良好, 图像中无鬼影现象, 同时该设备的软件算法在其他平台项目中都广泛运用, 运行状态良好, 且在同一算法平台下, 系统只有大视场有此现象, 小视场与中视场没有出现, 可排除算法上带来的图像异常问题。

3. 热像仪非均匀性校正的方法问题

软件中热像仪数据校正的方法可表达为式 (1) 和式 (2) 。

式中Y16———校正后的数据

K———非均匀性系数

X———探测器A/D转换后的值

*B———对快门补偿后的值

ΔB———对快门校正的值与在镜头前对均匀物体补偿值的差值

ΔB数据中包含光学系统的冷反射图像。在成像时算法直接减去ΔB数据图像, 使得图像均匀, 如图3所示。因此, 可排除非均匀性校正方法的原因, 最大可能为光学系统问题。

四、故障机理

从热像仪非均匀性校正的方法问题的推论可知, 可能为外界带来的ΔB能量变化所致。从顺序光路上分析, 像面上没有其他物体成像, 排除其可能性。因而, 能量的变化为外部杂散辐射能量到达像面。现分为两分面论证, 一方面是光学装配问题;另一方面是光学镜片镀膜工艺问题。

从装配角度来看, 光学系统图纸与质检数据没有异常与超标的记录。另外, 光学是个精密仪器。如果装配出现误差, 图像不会清晰。再有, 如果是装配中某个物体直接成像, 理应在中视场与小视场也会出现, 因而排除其可能性。

从目前镀膜检测方法来看, 几乎所有厂家都是通过检测陪镀片来判断透过率是否达标。从图像上来看, 异常图像能量低, 而且对外界场景能量低时比较明显。推想应不是直接到达像面, 而是通过某个面反射到达像面。因而, 怀疑此组件的镜片透过率不达标。现在假定镜片透过率低, 建立多次反射模型分析。追迹发现第一镜片第一面反射率低时, 像面上图像有能量聚集。仿真光照强度分布截图如图4所示, 图4中Y片 (Current Y Slice) 纵坐标为mm, 横坐标为W/mm2, X片 (Current X Slice) 纵坐标为W/mm2, 横坐标为mm。

外界杂散辐射通过第一面反射到像面成像, 其强度没有规律, 因而当设备所在环境发生变化时, 与热像仪非均匀性校正方法分析的情况相吻合。因此, 问题可定位为第一镜片的透过率低, 外界的辐射通过反射到达了像面。在不同环境下第一面反射的能量差值有变化, 而ΔB的数据还是原来环境下的数据, 红外出现图像异常。

五、维修措施

红外热像仪诊断前列腺炎护理分析 篇5

关键词：红外热像仪,诊断,前列腺炎,护理

前列腺炎属于男性较为常见的疾病之一, 发病率可高达10%左右, 其对患者生活质量可产生严重影响, 而且主要对患者的心理损害更为严重, 伴随分泌功能出现障碍, 前列腺炎会对精子产生不利作用, 造成了患者生育力下降[1,2]。目前临床上诊断前列腺炎方法较多, 以往常用的有前列腺组织穿刺活检, 但是对患者伤害较大, 医用红外热象技术属于新兴的高新技术, 通过探测人体红外辐射将不可见体表温度变化转为可视性与可定量红外热图, 根据在不同位置显现来进行诊断。为了探讨红外热像仪诊断前列腺炎的临床护理价值, 该研究选取该院2012年6月—2013年6月期间就诊的前列腺炎患者128例为研究对象, 对比分析红外热像仪诊断和经直肠B超引导下前列腺穿刺活检两种检查手段以舒适护理的应用, 报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取该院就诊的前列腺炎患者128例, 随机分成观察组与对照组, 每组各64例。观察组年龄55~82岁, 平均年龄 (65.42±5.14) 岁;对照组年龄53~84岁, 平均年龄 (65.72±5.22) 岁。两组患者基础资料比较, 差异无统计学意义 (P>0.05) 。并选择同期正常人群64例, 以便同观察组患者外生殖器周围温度较热区域同紧邻区域的温度差相比较。

1.2 干预方法

所有患者行前列腺常规检查, 观察组采用红外热象仪器诊断, 对照组采用经直肠B超引导下前列腺穿刺活检。红外热像仪器检测方法为:温度定为20~24℃, 湿度在60%, 无墙壁反射, 室内气流稳定, 无日光直射镜头和患者, 脱衣裤5 min后拍摄成像。经直肠B超引导下前列腺穿刺活检方法为:穿刺前3d予甲硝唑0.2 g Tid, 氟哌酸0.2 g Tid口服。穿刺前行清洁灌肠, 穿刺时病人取右侧卧位, 屈膝抱腿, 充分暴露肛门, 穿刺前先行指肛检查, 以了解前列腺质地及前列腺病灶及重点穿刺部位, 用0.25%碘伏局部消毒, 将超声探头外套无菌乳胶套防护, 安装穿刺架后将探头前端涂润滑剂, 将带有穿刺架的探头插入肛门, 经直肠超声扫察下观察前列腺声像图, 超声检查仪定好穿刺线, 之后于前列腺正中两侧基底部、中部及尖部沿穿刺线各穿刺1针。如在声像图上发现可疑病灶, 再加穿1~2针, 穿刺后取出组织块, 置于10%甲醛溶液中, 穿刺后撤出探头, 迅速将0.25%的碘伏纱条置于肛门内压迫止血, 保留1~1.5 h后撤出。穿刺后予静脉注入制菌必妥2 g Bid, 持续3 d。

患者接受诊断过程中对患者实施舒适护理干预: (1) 对患者实施心理护理, 前列腺患者大部分为老年人群, 患者和家属对疾病不了解因此存在一定负性情绪, 对诊断的方法存在担忧, 护士要积极了解患者心态, 通过聊天、健康教育向患者红外热像仪诊断的优势、疾病的预后与转归, 消除患者不良负性情绪; (2) 保证屋内温湿度适宜, 既不能造成对仪器影响, 又不能让患者感觉到寒冷, 避免出现感冒症状, 红外热像仪操作时要将电源线插入三孔插座, 指示灯亮起时表示可以正常使用, 指示灯黄色亮光发出表示正在升温加热, 注意不要让患者的衣物遮盖照射部位, 患者应战栗在摄像镜头前的1.2 m处, 暴露出下腹部和股部的上1/3, 待焦距到荧屏的图像清楚后再进行拍摄; (3) 拍摄完成后, 不要催促患者, 帮助患者整理好衣物, 带好随身物品, 让患者在诊室外等待结果。

1.3 观察指标

对两组患者于护理后行焦虑自评量表评分和抑郁自评量表评分, 统计两组患者临床护理满意度, 比较观察组患者外生殖器周围温度较热区域同紧邻区域的温度差同正常人的差异。

1.4 统计方法

采取SPSS l1.5软件对数据进行分析, 计量数据使用均数±标准差 (±s) 表示, 采用t检验;计数资料使用百分比表示, 使用χ2检验。

2 结果

2.1 两组患者护理后焦虑自评量表评分和抑郁自评量表评分比较

观察组患者护理后焦虑自评量表评分和抑郁自评量表评分改善幅度优于对照组, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。见表1。

[n (%) ]

2.2 两组患者临床护理满意度比较

观察组患者临床护理满意度 (93.75%) 优于对照组 (68.75%) , 差异有统计学意义 (P<0.05) 。见表2。

2.3 观察组患者外生殖器周围温度较热区域同紧邻区域的温度差同正常人比较

采用红外热像仪诊断的患者外生殖器周围温度较热区和紧邻区域的皮肤温度差为 (3.72±0.87) ℃, 同期选择的正常人群外生殖器周围温度较热区和紧邻区域的温度差为 (2.11±0.32) ℃, 经统计学分析比较, 差异有统计学意义 (t=13.894 5, P=0.000 0<0.01) 。

3 讨论

红外热像仪属于新兴的高科技, 灵敏度高, 成像直观, 信息丰富, 具有无创、简便等特点, 目前在临床诊断前列腺炎的过程中受到广泛关注。红外热像仪是通过人体作为辐射源, 运用先进的红外扫描技术探测人体的红外辐射, 同时通过一系列的信号处理将不可见体表温度变化变为可视化并且可定量红外热图, 同CT、MRI等具有本质区别。在操作过程中发现正常患者的外生殖器周围的温度基本相同, 两侧属于基本对称, 温度的差别低于2℃, 而在炎性改变的图像中, 外生殖器周围的温度特别是阴囊两册和下腹部靠近阴茎的根部可出现条状、片状或者团状的热区, 和相邻的皮肤区域的温度差可高达2~4℃。

该院在接诊前列腺炎患者中主要是老年男性居多, 由于临床症状给患者带来的不适让患者的心理和生理上出现明显的变化, 部分患者沉默寡言, 对疾病避而不谈, 思虑较重, 同时对于临床诊断的方法会产生恐惧、焦虑等不良情绪。我院在给患者进行无创红外热像仪诊断降低了患者痛苦, 同时对患者实施心理护理, 讲解了前列腺炎的发生、发展、治疗及预后, 通过聊天、健康教育等多种方式针对患者的心理特点开展心理准备工作, 减轻了患者的应激反应, 消除了患者在进行检查前的紧张情绪和操作时的不舒适感觉, 让患者能够积极地配合进行临床检查[3,4,5]。同时在检查前保证屋内温湿度适宜, 做好仪器的准备工作, 通过语言的沟通交流消除患者在检查过程中的不适感, 同时在检查结束后帮助患者整理好个人物品, 更加体现出人性化的护理, 减少了患者对疾病的顾虑和担忧, 体会到了以患者为中心的护理服务[6]。该研究显示, 观察组患者护理后焦虑自评量表评分和抑郁自评量表评分改善幅度优于对照组, 患者外生殖器周围温度较热区域同紧邻区域的温度差为 (3.72±0.87) ℃, 正常人群温度差为 (2.11±0.32) ℃, 观察组患者临床护理满意度 (92%) 优于对照组 (71%) , 差异有统计学意义 (P<0.05) 。同既往研究结果有相似之处[7,8,9], 表明对该类患者予优质护理有助于提高临床满意度。

综上所述, 红外热像仪可以作为诊断慢性前列腺炎的辅助检查手段, 对患者检查过程实施舒适护理可以减轻患者焦虑和抑郁情绪, 提高临床护理满意度, 值得在临床推广使用。

参考文献

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热像特征 篇6

一、红外热像技术的特点

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。

二、天然辐射源——人体

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。

三、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。

四、理想实验设计

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。

五、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。

六、讨论

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。

摘要：红外热像技术引入到运动训练领域进行监控与评价是对运动训练手段的拓展, 具体在体育领域中能发挥出多大的作用还亟待于研究, 本文引入红外热像技术监控评价径赛运动员下肢供能系统状况, 分析人体供能系统供能释热特点与红外热像技术工作机理两者关系, 设计猜想实验, 从理论方向追寻所应达到的理想监控效果, 分析成功的可能性, 并对该技术在体育领域中的未来应用前景给予探讨。

热像特征 篇7

疲劳 (Fatigue) 是引起工程结构和构件失效的最主要的原因。人们认识和研究疲劳问题, 已经有150多年的历史。提出来许多确定材料疲劳极限或材料寿命的方法, 但是这些方法大多以统计学为基础, 普遍存在需要大量试件、耗费众多时间来确定一种材料的疲劳极限或寿命。随着能量理论被引入到疲劳研究中, 许多学者开始尝试从能量角度对金属的疲劳行为作出解释。经过大量的理论研究和实验验证, 人们发现:金属疲劳过程中的热耗散对疲劳损伤的循环与状态特征和材料显微结构变化都有很强的描述能力, 能够反映材料的疲劳损伤特征[1]。随着近代红外技术的发展和红外系统的开发和完善, 通外红外系统测量金属疲劳过程中热耗散的方法, 即疲劳热像法开始兴起, 并逐渐成为金属疲劳研究的新兴方法之一。

由于西方国家具有先进的科学技术和完善的实验室条件, 疲劳热像法最早在欧洲和北美得到研究和应用, 进一步完善了疲劳理论, 并提出了一些利用红外技术确定疲劳极限的方法和数据处理技术。1986年Risitano[2]首先提出了采用热像法快速确定疲劳极限的方法, 该方法被命名为Risitano法 (如图1) , 并于1998年获取专利证书。随后在文献[3]中提出“温升三阶段”理论, 及在能量容限的基础上绘制出S-N曲线, 并与传统的沃勒曲线进行了对比。由此人们找到一种快速确定金属疲劳极限的新方法, 即通过一根试件, 花费一天时间便可测定金属材料或构件的疲劳极限, 为了提高测量数据的准确度, 常将三根试件的测量平均值作为该材料的疲劳极限, 进而极为显著地提高了工作效率和缩短了研究周期。M.P.Luong[4,5]等人利用红外热像仪对钢试件和其他构件疲劳破坏过程中的温度变化进行了研究。他们发现, 尽管在试验载荷低于疲劳极限时, 材料不会发生疲劳破坏, 但非塑形效应 (如黏性) 引起的热量耗散会引起温度变化, 不能忽略不计, 如图2。因此, Luong提出对测得的试验数据分别对在疲劳极限之上和疲劳极限之下的两组温度值进行线性拟合, 这两条直线的交点就是材料的疲劳极限。国内刘浩等[6]也对疲劳过程中不同的黏或/和塑性效应主导的生热机制进行了探讨。

在本文中, 利用法国CEDIP公司开发的锁相红外热像系统中的D-MODE模块对材料疲劳试验过程中含盲孔的Q235钢构件的耗散能进行了测定。 并运用Luong法对数据进行处理得出了构件的疲劳极限。

1 基本理论

1.1 锁相热像理论

Pierre Brémond与Pierre Potet [7]针对法国CEDIP公司开发的锁相红外热像系统提出了配套的数据处理模式D-MODE, 用于逐个循环地提取疲劳试验中材料的耗散效应。该模式的提出是基于Chrysochoos教授等提出的热-力耦合方程:

$\rho C\stackrel{.}{{\displaystyle {\rm T}}}-k\nabla {}^2{\rm T}=r+w{}_{ctm}´+w{}_{c^{\prime }}$ (1)

式 (1) 中k为热传导系数, ρ为物质密度, C为比热, T为温度。

1.1.1 外热源

式 (1) 右端第一项r表示容积之外的热源, 如焦耳效应、红外辐射、超声等。在无损评估中采用外部加热来显现材料内部的缺陷, 在此, 材料温度的变化取决于内部热传导系数k的值。在材料疲劳试验中一般没有外部热源。

1.1.2 热-力耦合源

式 (1) 右边第二项为热-力耦合项, 它由热-弹性耦合和热-非弹性耦合两部分组成, 其表达式为:

$w{}_{ctm}´=\rho {\rm T}\frac{\partial {}^2\psi }{\partial {\rm T}\partial \epsilon }\stackrel{.}{{\displaystyle \epsilon {}^e}}+\rho {\rm T}\frac{\partial {}^2\psi }{\partial {\rm T}\partial \alpha {}_j}\stackrel{.}{{\displaystyle \alpha }}{}_j$ (2)

式 (2) 中$\stackrel{.}{{\displaystyle \epsilon {}^e}}$为弹性应变张量, α为隐藏变量, ψ为自由能, $\frac{\partial {}^2\psi }{\partial {\rm T}\partial \epsilon }$和$\frac{\partial {}^2\psi }{\partial {\rm T}\partial \alpha {}_j}$为两个系数张量, 前一个为热弹性耦合源, 它表示物体在弹性范围内, 受压时温度升高, 受拉时温度降低;第二个代表其他形式的耦合源。

1.1.3 固有耗散能

等式右边第三项wc′表示固有耗散能的强度, 可认为是滞弹性能和阻塞能的差值:

wc′=wa′-wb′ (3)

式 (3) 中$w{}_{a^{\prime }}=\stackrel{.}{{\displaystyle \sigma \epsilon {}^p}}$为滞弹性能, $\stackrel{.}{{\displaystyle \epsilon {}^p}}$为滞弹性应变率, $w{}_{b^{\prime }}=\rho \frac{\partial \phi }{\partial \alpha {}_j}\stackrel{.}{{\displaystyle \alpha {}_j}}$为阻塞能, φ为潜在的耗散能, $\frac{\partial \phi }{\partial \alpha {}_j}$为系数张量, wc′为非线性耦合热力学效应。wc′可看作是不可逆现象的描述, 它发生在微观结构领域, 包括组织损伤、应变硬化和塑性变形等。同时也意味着滞弹性能一部分转化为热, 另一部分用来改变材料的显微组织结构。为便于进行图像处理, 假设由疲劳试验引起的温度变化对微观组织状态没有任何影响。这样, 式 (2) 和式 (3) 的第二项趋于零, 疲劳被考虑为纯耗散机制。这样我们可以得到有疲劳损伤引起的温升为:

$\text{Δ}{\rm T}{}_1=\left|{\rm T}{}_{1\exp }-{\rm T}{}_1\right|$ (4)

这里, ΔT1表示热弹性效应所引起的实际温度变化相对于其理论值的漂移值, 即我们所谓的固有耗散指标。在载荷水平逐级增高的试验程序下, 可借助于红外热像仪得到材料或构件的应力—固有耗散图。在该图中, 耗散噪声ΔT1的骤增被视为疲劳损伤机制的转变, 可通过 “Luong法”在图中直接获取材料的疲劳极限。

2 材料和疲劳试验

2.1 材料和试验测试系统

本文采用的是常见的结构钢Q235, 主要化学成分如下:0.17%碳、0.51%锰、0.23%硅、0.021%磷、0.026%硫。由于此次试验主要考虑结构件的疲劳, 所以试件为一组含盲孔的平板式样, 盲孔深度分别为:1 mm、4 mm, 其它几何尺寸如图3所示。

该试验为拉-压疲劳试验, 试验在MTS810液压伺服低频材料试验机上进行, 并采用Altair Li非接触式红外测试系统实时对数据进行采集和处理。测试系统如图4。试验尽量在绝热的条件下进行, 在试验过程中为排除环境温度的干扰, 每次加载前先对环境的温度 (初始温度) 进行记录, 然后用最后测得的温度减去环境温度作为结构净升高温度。同时在试件表面涂上一层发射率大于0.95的黑色亚光漆, 以避免发射光的干扰。

2.2 试验方法

试验参数设置如下:循环特性R=-1, 加载频率20 Hz, 采样频率为137 Hz。

试验采取载荷水平逐级增高的加载方式。加载幅值从低于材料比例极限的应力水平开始, 每循环几千个周次, 当材料表面温度达到平衡态时, 应力水平就增高一级。如此循环, 直到试件表面出现显著的热耗散现象, 试验停止。值得注意的是, 整个加载过程并不是连续的。每级应力加载结束后要有几分钟的散热时间, 以确保试件在下一级应力加载开始前能恢复到初始温度。

3 结果分析

根据上述方法采集含盲孔Q235平板试件的热像数据, 并采用Luong提出的“双线法”对数据进行分析得出 (图5, 图6) :深度为1 mm、4 mm的疲劳极限分别为152.96 MPa、146.56 MPa分析以上结果知含盲孔的Q235结构件的疲劳寿命随盲孔深度的增加, 疲劳极限降低, 即此时测得的疲劳极限为构件的疲劳极限, 而非材料的疲劳极限;深孔构件在比较低的应力水平就出现比较大的温升, 说明此时应力集中效应比较明显, 即结构效应对温升影响明显。所以在实际应用中除了考虑材料本身的材料效应外, 还需同时兼顾结构效应。

摘要：红外热像法作为一种无损、实时及非接触的测试技术, 已被广泛地应用于疲劳研究中。近年来, 提出了一些用于快速确定材料及构件疲劳极限的热像法, 并得到了很好地开发与推广。基于能量耗散理论, 借助于先进的锁相热像技术, 快速地测定含盲孔的Q235钢的疲劳极限。该研究还表明, 在测量结构的疲劳极限时应同时兼顾材料和结构两种效应。

关键词：锁相,疲劳极限,固有耗散

参考文献

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