高　毅,　肖文強，　劉家棟，　林筑瑤

(1.中國刑警學院痕跡檢驗鑒定技術(shù)公安部重點實驗室， 遼寧沈陽　110035；2.伊利哈薩克自治州公安局刑偵支隊， 新疆伊利　835000)

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足跡跟壓痕步態(tài)特征穩(wěn)定性研究

高毅1,肖文強2，劉家棟1，林筑瑤1

(1.中國刑警學院痕跡檢驗鑒定技術(shù)公安部重點實驗室， 遼寧沈陽110035；2.伊利哈薩克自治州公安局刑偵支隊， 新疆伊利835000)

摘要利用足跡的步態(tài)特征進行年齡分析是足跡檢驗的重要內(nèi)容。從足跡跟壓痕的形成機理入手，利用足底壓力測量系統(tǒng)對不同年齡階段人群的足底分布特點及力學參數(shù)統(tǒng)計研究，得到跟壓痕與人年齡的相關(guān)性和穩(wěn)定性，為利用步態(tài)特征分析足跡遺留人的年齡提供理論參考。

關(guān)鍵詞跟壓痕跡； 年齡分析； 穩(wěn)定性

0引言

步態(tài)特征是人在行走運動中足的各個部位與承痕客體相互接觸定型動作的反映，是行走運動特征在單個足跡中的綜合反映形式。當全足著地，身體重心主要位于足底第一、第五跖趾關(guān)節(jié)和跟骨結(jié)節(jié)3個支撐點上方，在這一垂直支撐階段過程中，與地面相互作用所表現(xiàn)的主要特征則是壓痕。

在人行走時，因重力、足型和行走姿勢不同會形成不同壓痕。根據(jù)壓痕在足跡中出現(xiàn)的位置，可將其劃分為：趾壓痕、跖壓痕、弓壓痕和跟壓痕。因為跟壓痕的位置和形狀具有一定穩(wěn)定和特殊性，并能較好地反映出力的作用點，所以本文主要研究跟壓痕跡。跟壓痕的反映包括跟壓周邊形狀、深淺、長寬、直徑大小、濃淡等。根據(jù)其所在的位置，跟壓痕可分為跟中心壓、跟外側(cè)壓、跟偏外側(cè)壓、跟偏內(nèi)側(cè)壓和跟全壓。

1不同年齡階段足跡跟壓痕特點

隨著年齡不斷改變，人體的生理機能也會不斷變化，導致足部肌肉、韌帶的機能逐年減弱，彈性下降，各軟組織漸漸板結(jié)，足弓降低。造成步態(tài)特征特別是跟壓特征變化明顯，跟壓痕逐漸由骨結(jié)節(jié)向周圍擴散，達到一定限度后，則加快向足弓處延伸，加長，直至與跖外側(cè)壓痕相連接而重疊。各個時期的跟壓表現(xiàn)為：青年時期，掌壓痕明顯重于跟壓痕。壯年時期，壓痕比較均勻，重壓點不突出，跟壓多呈橢圓形。中年時期，掌壓重壓面向外靠近并后移，跟壓面積大而明顯，掌壓輕于跟壓。老年時期，起落足較低，跟壓明顯重于掌壓，外側(cè)壓重于內(nèi)側(cè)壓?？傊?，隨著年齡的增長，足承重部位由前重后輕，到前后平均，再到前輕后重，由內(nèi)重外輕，到內(nèi)外平均，再到內(nèi)輕外重；跟壓由輕到重，由小圓向大圓、橢圓、卵圓、長卵圓逐漸向弓部延伸。常用跟壓痕分析年齡統(tǒng)計公式為：足跡跟壓痕縱向直徑L*5=年齡。因此足跡跟壓痕分析年齡的可靠性可以從跟壓痕與年齡之間相關(guān)性和穩(wěn)定性兩個方面進行研究。

2利用足底步態(tài)分析系統(tǒng)對跟壓痕的研究

2.1步態(tài)分析系統(tǒng)的介紹

比利時的footscan足底壓力步態(tài)分析系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于生物力學、臨床醫(yī)學、康復醫(yī)學等領(lǐng)域。目前公安部痕跡檢驗重點實驗室主要利用該系統(tǒng)開展靜態(tài)、動態(tài)足底壓力分布研究；足底壓力隨年齡的變化規(guī)律研究；足底壓力和性別、體態(tài)等關(guān)系研究，開辟了該足底壓力步態(tài)分析系統(tǒng)在足跡檢驗理論基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的先河。

footscan平板系統(tǒng)包括一個footscan box、一個測力平板和一套軟件,可用于赤足或穿鞋時的走、跑等不同運動的分析。該系統(tǒng)的技術(shù)指標為：傳感器大小為0.5 cm×0.7 cm，密度為4個/cm2，2 m型平板分布16 384個傳感器；采樣頻率受介面盒box影響，最高可達500 Hz，本次實驗采用125 Hz，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。功能主要有行走靜、動態(tài)測試、足跡壓力

圖形二維、三維分析、左右足同步足底壓強分析等。壓力通過掃描成像，傳送給計算機并顯示出顏色不同的足跡，如紅色部分為主要受力區(qū)域，蘭色部分為非主要受力區(qū)域，如圖2所示。本實驗是在測得壓力數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)足跡檢驗學知識進行步態(tài)分析。

圖1　Footscan足底壓力測量系統(tǒng)

圖2　footscan系統(tǒng)中足底受力情況示意圖

2.2實驗對象和內(nèi)容

將學院40名受試者按照年齡段分成4組，每組10人，分別為組1(20～29歲)，組2(30～39歲)，組3(40～49歲)，組4(50～59歲)。所接受測試人員均身體健康，行走姿態(tài)正常。試驗中強調(diào)對每一名受測試者采集充足數(shù)量的樣本，每位受測試者以正常步態(tài)走過2 m壓強測量板10趟，分別收集數(shù)據(jù),采集左右腳足跡各1枚。利用Footscan足底壓強測量系統(tǒng)測出每個人足跟區(qū)峰值壓強值，然后對足底跟區(qū)峰值壓強值與年齡參數(shù)進行統(tǒng)計并做相關(guān)分析得出結(jié)論，結(jié)合測試者所穿用鞋的鞋底磨損情況和足底壓力圖形做參考比對。

3實驗數(shù)據(jù)采集與分析

3.1跟壓痕特征與年齡相關(guān)性分析

本文將足底跟區(qū)分為兩個區(qū)域：(1)足跟內(nèi)側(cè)

區(qū)(Heel Medial)；(2) 足跟外側(cè)區(qū)(Heel Lateral),分別進行研究。對每組的10名測試者的左右足跡足跟內(nèi)外側(cè)壓強峰值進行統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，對各年齡組段的足底壓強峰值與年齡相關(guān)性進行統(tǒng)計見表2～5所示。

表2中反映出左腳跟區(qū)內(nèi)、外側(cè)峰值壓強與年齡相關(guān)系數(shù)為r=-0.389(-0.417)，即0.3≤|r|<0.5，表明左腳跟區(qū)內(nèi)外側(cè)峰值壓強與年齡有相關(guān)性。同樣，右腳跟區(qū)內(nèi)、外側(cè)峰值壓強與年齡相關(guān)系數(shù)為r=-0.322(-0.466)，即0.3≤|r|<0.5，表明右腳跟區(qū)內(nèi)外側(cè)峰值壓強與年齡有相關(guān)性。

表3中反映出左腳跟區(qū)內(nèi)、外側(cè)峰值壓強與年齡相關(guān)系數(shù)為r=0.512(0.396)，即0.3≤|r|<0.5，表明左腳跟區(qū)內(nèi)外側(cè)峰值壓強與年齡有相關(guān)性。同理,右腳跟區(qū)內(nèi)、外側(cè)峰值壓強與年齡相關(guān)系數(shù)為r=0.412(0.443)，即0.3≤|r|<0.5，表明右腳跟區(qū)內(nèi)外側(cè)峰值壓強與年齡有相關(guān)性。

同理，表4所反映出左、右腳跟區(qū)內(nèi)外側(cè)峰值壓強與年齡相關(guān)系數(shù)均為0.3≤|r|<0.5，因此，表明該年齡組段足跟區(qū)峰值壓強與年齡有相關(guān)性。

表5所反映出左腳跟區(qū)內(nèi)、外側(cè)峰值壓強與年齡相關(guān)系數(shù)為r=0.735(0.838)，即0.5≤|r|<0.8，表明左腳跟區(qū)內(nèi)外側(cè)峰值壓強與年齡有顯著相關(guān)性。同理，右腳跟區(qū)內(nèi)外側(cè)峰值壓強與年齡相關(guān)系數(shù)為r=0.553(0.657)，即0.5≤|r|<0.8，表明右腳跟區(qū)內(nèi)外側(cè)峰值壓強與年齡有顯著相關(guān)性。因此，表明該年齡組段足跟區(qū)峰值壓強與年齡有顯著相關(guān)性。

表1　足跟區(qū)壓強均值數(shù)據(jù)統(tǒng)計總表　單位N/cm2

表2　20～29歲組跟區(qū)壓強與年齡的相關(guān)性統(tǒng)計表

表3　30～39歲組跟區(qū)壓強與年齡的相關(guān)性統(tǒng)計表

表4　40～49歲組跟區(qū)壓強與年齡的相關(guān)性統(tǒng)計表

表5　50～59歲組跟區(qū)壓強與年齡的相關(guān)性統(tǒng)計表

3.2跟壓痕特征隨年齡變化規(guī)律特點分析

以上在說明跟壓痕與年齡相關(guān)性的同時，為了更好地利用本系統(tǒng)反映出跟壓特征隨年齡的變化規(guī)律特點，通過多次實驗，對上述樣本人群進行重新分組，即20～29歲，30～39歲，40～59歲，以期得到跟壓特征隨年齡變化更好的區(qū)分度。對每個年齡組跟區(qū)的平均壓強，平均作用時間，平均接觸面積3類數(shù)據(jù)匯總后進行統(tǒng)計學描述，結(jié)果用均值x±s表示，并計算95%的置信區(qū)間，各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表6。

從上表可見，與20～29歲年齡組相比，40～55歲年齡組足跟部位的壓強呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，這是由于隨年齡增長，行走速度逐漸減慢，落腳對地面的沖擊力變小導致；而隨著年齡的增長，足跟與地面的接觸面積呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢，這是因為隨著人的年齡增長,維持足弓結(jié)構(gòu)的各系統(tǒng)機能也逐漸下降,導致弓部觸地面積變寬,使得足跟部壓力分布面積增大，并且與地面的接觸時間也呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢，此均與步法特征理論相符。

表6　　　　不同年齡段人群足跟部位壓強、

為了更直觀地表示跟壓隨年齡變化的規(guī)律特點，我們隨機抽取各年齡組段身高、體態(tài)相近樣本的穿鞋足跡壓力分布圖形和曲線(紅色曲線代表跟區(qū)內(nèi)側(cè)，藍色曲線代表跟區(qū)外側(cè))，如圖3～5所示。并配以各年齡段所穿用鞋鞋跟磨損情況樣本，如圖6所示。

圖3　29歲足底壓強峰值分布圖

圖4　39歲足底壓強峰值分布圖

圖5　50歲足底壓強峰值分布圖

圖6　各年齡組段鞋跟磨損情況對比

從圖形上看，足跟部作為足底主要受力支撐點，反映出足跟生理結(jié)構(gòu)強度大，表現(xiàn)為壓力分布面積較大，并且隨著年齡的增長，足跟壓力有增大的趨勢。這是因為隨著年齡的增長，人體重心逐漸向后移動，這樣有可能導致分配在足跟區(qū)的壓力增大。從跟內(nèi)外側(cè)受力曲線來看，跟外側(cè)壓力曲線相對于跟內(nèi)側(cè)曲線也有增長，這是因為隨著年齡增長，跟區(qū)的利用率由內(nèi)高外低，逐漸達到內(nèi)外均衡及外高內(nèi)低。由此可見，跟區(qū)外側(cè)利用率也明顯提高。圖6中各年齡組段鞋跟磨損情況對比也可直觀看出，隨著年齡增大，鞋跟區(qū)磨損面積逐漸增大并且跟區(qū)外側(cè)磨損嚴重程度加重。

4結(jié)論與討論

(1)從實驗數(shù)據(jù)的不同年齡段分布變化可以看出，隨著年齡的增長，跟區(qū)壓強逐漸減小，這是由于落腳和起腳階段足底與地面的接觸面積增加所導致的。這與傳統(tǒng)經(jīng)驗分析中年齡越大，踏痕面積越大也相符合。

(2)實驗數(shù)據(jù)顯示，隨著年齡的增長，足跟支撐面積和時間均成遞增趨勢，說明隨著年齡增長，足弓高度降低，弓部接觸面積變大，有可能和跟壓痕重疊。從足底的局部支撐向全足支撐轉(zhuǎn)變。致使足跟作用時間上升。并且，從跟區(qū)壓力變化圖可以看出，隨著年齡的的增長，跟區(qū)的壓力分布從內(nèi)高外低到內(nèi)外均衡，逐漸達到外高內(nèi)低。說明隨著年齡增長，足底外側(cè)支撐的參與度增加，這也符合我們對老年人行走特點和生理變化的認識。

(3)由統(tǒng)計結(jié)果分析可知，不同年齡人群跟壓痕特征與年齡具有相關(guān)性，年齡越大，相關(guān)性越顯著。并且壓力分布，接觸面積大小等數(shù)據(jù)呈規(guī)律性

變化，說明跟壓痕步態(tài)特征是比較穩(wěn)定可靠的，這為足跡的年齡分析提供了理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)。

本實驗中所應(yīng)用的設(shè)備精確度較高，實驗設(shè)計合理，將大大減低由此產(chǎn)生的實驗誤差。但形成足跡的動作，心理狀態(tài)，地面條件等也會對步態(tài)特征造成一定影響。從力學角度來看，這些因素都將直接影響足底與地面的作用方式，最終導致步態(tài)特征的變化和足跡的形成。因此，在利用步態(tài)特征進行足跡檢驗和分析時，應(yīng)充分考慮以上因素綜合細致分析，以期提高足跡分析的可靠性。

參考文獻

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(責任編輯陳小明)

中圖分類號D918.91

作者簡介高毅(1978—)，男，吉林人，碩士，副教授。主要從事足跡檢驗方面的教學、科研和辦案工作。

基金項目公安部重點實驗室痕跡檢驗鑒定技術(shù)2015年開放課題項目、2015年公安院校大學生創(chuàng)新訓練計劃項目“足跡特征穩(wěn)定性及在偵查破案中利用價值的研究”階段性成果。