The contribution of Infrared Thermal Imaging to Designing a "Winter Rifle"- An Observational Study

Aleksandr L. Urakov 1,2, Kurt Ammer3, Vyacheslav B. Dementiev2, Natalya A. Urakova1, Albina A. Gadelshina1

1 Izhevsk State Medical Academy, Izhevsk, Russia
² Udmurt Federal Research Centre Ural Branch of the RAS, Izhevsk, Russia
³ School of Computing and Mathematics, University of South Wales, Pontypridd, UK

SUMMARY

BACKGROUND: Under outdoor conditions in winter, a local hypothermia on the index finger of shooters may indicate forced and strong cooling. Such local hypothermia arises from environmental conditions such as cold air convection andheat loss due to conduction upon contact with cold rifle parts made from materials of high thermal conductivity. Because thermography provides a map of the surface temperature of objects, thermal images can help reveal the cooling effect of different elements of the rifle.

AIM OF THE STUDY: To explore the possibility of preventing cooling of the index finger of shooters in frosty weather with a novel rifle design, and document less cooling with infrared imaging. METHOD: Using infrared thermography, we studied in cold environments the temperature dynamics on the hands and fingers of 10 healthy, male, adult volunteers before, during and after aiming with a toy rifle. The aiming with the rifle lasted 3 minutes and the outside temperature was -13 ° C. Thermal images were taken before and after targeting under three different conditions: 1.) unprotected bare hand, 2.) hand protected by a fur shell 3.) bare hand with a rifle, the trigger of which was coated with a layer of foam. Another series of observations was conducted at an outdoor temperature of -3°C with the same cooling conditions for the hand, but a different protocol of image recording was used. Immediately after completing the aiming, the participants put their hands into fur gloves and entered a room with 24°C ambient temperature, where 10 thermal images were recorded at an interval of 1 minute. Thermal images were evaluated qualitatively and quantitatively using spot temperature measurements at the fingertip and the contact site with the rifle trigger.

RESULTS: We observed that at an outdoor temperature of -13º, the tip of the index finger of a shooter can drop below 0º. However, such a critical reduction of finger temperature never occurred at an ambient temperature of -3°C. On a frosty day, after 3-minute targeting with a rifle, the local temperature of the index finger dropped in all volunteers. The coldest zone was found at the contact point of the finger with the trigger of the rifle. Using a fur sleeve or a rifle with a trigger coated with foam resulted in less reduction of finger temperature. Infrared thermography provides information about the grade of finger cooling that can occur when shooting with a rifle during winter weather. This technique can also be used to evaluate the effectiveness of rifle modifications in order to prevent cold injuries of the fingers. Cold air, air convection and conductive heat loss by parts of the rifle, especially the cold trigger, all contribute to local hypothermia of the fingers. These components of heat loss from the hands should be considered when designing protective adjustments of rifles with intended use in a cold environment.

CONCLUSION: Infrared thermography appears to be a promising method of defining the risk of developing cold injuries in the hand when shooting in cold weather.

KEY WORDS: thermal image, winter rifle, modification of design, cold injury.

DER BEITRAG DER INFRAROTTHERMOGRAPHIE ZUR GESTALTUNG EINES "WINTERGEWEHRS" - EINE BEOBACHTUNGSSTUDIE

HINTERGRUND: Unter winterlichen Außenbedingungen kann eine lokale Hypothermie auf dem Zeigefinger von Schützen auf eine erzwungene und starke Kühlung hindeuten. Eine solche lokale Hypothermie entsteht aus Umgebungsbedingungen wie Kaltluft Konvektion und Wärmeverlust durch Leitung bei Kontakt mit kalten Gewehrteilen, die aus Materialien hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt sind. Da die Thermografie eine Karte der Oberflächentemperatur von Objekten liefert, können Wärmebilder helfen, die kühlende Wirkung verschiedener Elemente des Gewehrs aufzudecken.

ZIEL DER STUDIE: Die Möglichkeit zu erforschen, die Abkühlung des Zeigefingers von Schützen bei frostigem Wetterdurch ein neuartiges Gewehrdesign zu verhindern und mit Infrarotaufnahmen weniger Kühlung zu dokumentieren

METHODE: Mit Hilfe der Infrarot-Thermografie untersuchten wir in kalter Umgebung die Temperaturdynamik an Händen und Fingern von 10 gesunden, männlichen, freiwilligen Erwachsenen vor, während und nach dem Zielen mit einem Spielzeuggewehr. Das Zielen mit dem Gewehr dauerte 3 Minuten und die Außentemperatur betrug-13 ° C. Wärmebilder wurden vor und nach dem Anvisieren unter drei verschiedenen Bedingungen aufgenommen: 1.) ungeschützte nackte Hand, 2.) Hand durch einer Pelzhülle geschützt 3.) nackte Hand mit einem Gewehr, dessen Auslöser mit Isolierschaum beschichtet ist. Eine weitere Beobachtungsreihe wurde bei einer Außentemperatur von-3°C mit den gleichen Kühlungsbedingungen für die Hand, aber geänderter Methode der Wärmebilderfassung durchgeführt. Unmittelbar nach Abschluss des Zielens, zogen die Teilnehmer Pelzhandschuhe an und betraten einen Raum mit 24°C Umgebungstemperatur, in dem 10 Wärmebilder in einem Intervall von 1 Minute aufgenommen wurden. Die Wärmebilder wurden qualitativ und quantitativ mittels punktförmigen Temperaturmessungen an der Fingerspitze und der Kontaktstelle mit dem Gewehrauslöser ausgewertet.

ERGEBNISSE: Wir haben beobachtet, dass bei einer Außentemperatur von-13 ° C die Spitze des Zeigefingers eines Schützen unter 0 ° C fallen kann. Eine solche kritische Reduzierung der Fingertemperatur trat jedoch bei einer Umgebungstemperatur von-3 ° nie auf. An einem frostigen Tag sank nach 3-minütigen Zielen mit einem Gewehr die lokale Temperatur des Zeigefingers bei allen Freiwilligen ab. Die kälteste Zone wurde an der Kontaktstelle des Fingers mit dem Auslöser des Gewehrs gefunden. Die Verwendung einer Pelzhülle oder eines Gewehres mit einem mit Schaum beschichteten Auslöser führte zu einer geringeren Reduzierung der Fingertemperatur. Die Infrarot-Thermographie gibt Auskunft über den Grad der Fingerkühlung, die beim Schießen mit einem Gewehr bei Winterwetter auftreten können. Mit dieser Technik kann auch die Wirksamkeit von Gewehrmodifikationen bewertet werden, um Kälteschäden der Finger zu verhindern. Kalte Luft, Luftkonvektion und konduktiver Wärmeverlust durch Teile des Gewehrs, insbesondere des kalten Auslösers, tragen alle zur lokalen Hypothermie der Finger bei. Diese Komponenten des Wärmeverlustes von den Händen sollten bei der Entwicklung von Schutzanpassungen von Gewehren mit beabsichtigtem Einsatz in einer kalten Umgebung berücksichtigt werden. FAZIT: Die Infrarot-Thermografie scheint eine vielversprechende Methode sein, um das Risiko zu definieren, beim Schießen bei kaltem Wetter Kälteschäden an der Hand zu entwickeln.

SCHLÜSSELWÖRTER: Wärmebild, "Wintergewehr", Design-Änderung, Kälteschaden.

Thermology international 2019, 29(1) 40-46