馬曉贇， 姚 力

(中國刑事警察學院， 遼寧沈陽 110035)

不同跟高的增高鞋墊對人體足底壓力和穩(wěn)定極限的影響研究

馬曉贇， 姚 力

(中國刑事警察學院， 遼寧沈陽 110035)

在足跡檢驗過程中，常遇到嫌疑人偽裝作案鞋的情況，其中穿著增高鞋墊升高鞋跟高度，使鞋底壓痕不完全同于真實情況是其中一種。由于基層技術人員的時間、經(jīng)驗不足等主客觀原因，不真實的步法特征非但無法提供有價值的線索，還會誤導偵查。針對這種情況，通過使用Footscan足底壓力測試系統(tǒng)與Novel鞋墊系統(tǒng)統(tǒng)計30名某公安院校學員穿運動鞋及穿有增高鞋墊的運動鞋行走時的壓力參數(shù)，比較二者在足底7個分區(qū)的壓力分布、峰值壓強、沖量、足底壓力中心、接觸時間以及穩(wěn)定極限，說明穿用增高鞋墊前后機體在足底壓力分布和穩(wěn)定極限上的差異。以此為精確刻畫嫌疑人特點提供途徑，為公安機關偵查破案提供幫助。

增高鞋墊； 足跡檢驗； 鞋跟高度； 足底壓力分布； 穩(wěn)定極限

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展以及人們審美觀念的提升，為了視覺上的美感，越來越多女性選擇穿著高跟鞋出行。據(jù)美國足部醫(yī)療學會(APMA)的調(diào)查，39%～69%女性每天會穿著高跟鞋[1]。一個主要原因是跟高的鞋可以通過縮小步長、增加臀部扭動而使女性的步態(tài)顯得婀娜多姿，由此增加她們的自信與吸引力。但穿著高跟鞋時，身體重量不正常轉(zhuǎn)移易導致足部疼痛和腫脹，甚至扭傷腳踝。并且由于高跟鞋風格、型號多為女性設計，很難滿足有增高需求的男性，這使得更多的人青睞于選擇具有隱形增高功能的增高鞋墊?，F(xiàn)如今隨著人們法制意識提升的同時，犯罪嫌疑人的反偵查意識也有所提升。在許多案件中，嫌疑人為了掩飾自己的步法信息，常采用穿著高跟鞋或增高鞋墊的方法誤導偵查，使得赤足或穿鞋足跡印痕并不能完全真實、客觀反映人體特征。因此分析研究增高鞋墊對人體足底壓力分布和穩(wěn)定極限的影響，可以有效解決嫌疑人偽裝步法、干擾偵查的問題，使其充分暴露，精確刻畫信息，為偵查提供方向。

本實驗使用專業(yè)的足底壓力測試系統(tǒng)Footscan與Novel測試鞋墊，分別收集不穿用增高鞋墊和穿用不同跟高的增高鞋墊時“鞋- 地”“足- 鞋”之間的壓力數(shù)據(jù)，對照其關聯(lián)與區(qū)別，進而分析討論穿增高鞋墊前后人體足底壓力和穩(wěn)定極限的變化。

1 實驗材料與方法

1.1 研究對象

選擇某公安院校30名20～30歲間的學員作為本次研究的受試者，其中男生10名， 體重(62.3±2.5)kg，身高(175.0±1.5)cm，鞋號均41號；女生20名，體重(48.7±3.4)kg，身高(162.8±2.5)cm，鞋號均37號。所有的受試人員都已證明無任何足部疾病和下肢損傷，且穿著增高鞋墊不會產(chǎn)生疼痛以致影響行走。男女生受試者的樣本容量不同是由于受試者均為警校學員，很難找到更多長期穿著增高鞋墊的男性學員。

1.2 實驗材料

(1)FootscanUSB2平板式足底壓力測試系統(tǒng)

此系統(tǒng)可精確測試靜態(tài)和動態(tài)壓力，由比利時公司RSscan生產(chǎn)，可用于赤足或穿鞋的走、跑等不同運動的分析，并配有多種科學研究的軟件。有效壓力感應區(qū)域總長2 m，高質(zhì)量、防水濺，系統(tǒng)采樣頻率最高達500 Hz，每平方厘米有4個傳感器，共有16 384個傳感單元。Footscan分析系統(tǒng)擁有足夠大的測試平面，有較完善的穩(wěn)定分析功能，能精準分析動態(tài)足底壓力。

(2)Novel Pedar-X鞋墊系統(tǒng)

由德國Novel公司設計的一套精確高質(zhì)量的鞋墊式足底壓力檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采樣頻率為100 Hz，傳感器覆蓋整個足部，且通過軟件可任意選擇傳感單元的數(shù)量及配置。Novel Pedar-X鞋墊放置在鞋內(nèi)部測量“足-鞋”界面的壓力參數(shù)，掃描速度為每秒20 000個傳感器。

(3)鞋襪與鞋墊

361°牌男運動鞋，鞋號41；361°牌女運動鞋，鞋號37；一次性衛(wèi)生襪30雙，跟高分別為2 cm和4 cm的實驗用硅膠增高鞋墊，如圖1所示。

圖1 實驗用硅膠增高鞋墊

1.3 研究方法

(1)樣本收集

樣本收集分四步進行。第一步，受試者提前穿著實驗用運動鞋來回走動，使足部充分適應，并記錄穿鞋時的感受，以保證實驗結果的準確性[2]；第二步，令實驗者以常規(guī)速度在Footscan系統(tǒng)中行走，測量置入Novel鞋墊系統(tǒng)后的運動鞋行走數(shù)據(jù)， 并分10次測量“足- 鞋”“鞋- 地”兩受力面之間的壓力數(shù)據(jù)，取其平均值；第三步，令實驗者以常規(guī)速度在Footscan系統(tǒng)中行走，測量置入Novel鞋墊系統(tǒng)后并放置了實驗用增高鞋墊(2 cm)的運動鞋行走數(shù)據(jù)，分10次測量“足- 鞋”“鞋- 地”兩受力面之間的壓力數(shù)據(jù)，取其平均值；第四步，令實驗者以常規(guī)速度在Footscan系統(tǒng)中行走，測量置入Novel鞋墊系統(tǒng)后并放置了實驗用增高鞋墊(4 cm)的運動鞋行走數(shù)據(jù)，分10次測量“足- 鞋”“鞋- 地”兩受力面之間的壓力數(shù)據(jù)，取其平均值。

最后，通過穩(wěn)定極限測試來測量每個受試者穿增高鞋墊前后穩(wěn)定性的變化。受試者在不滑跌、不失衡、無需協(xié)助的前提下，在給定方向能轉(zhuǎn)移的最大距離反映了穩(wěn)定極限。在穩(wěn)定極限測試中，計算機屏幕顯示一個中央平臺及其周圍順時針排列的8個對象，分別為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°以及315°。在測試中，受試者被要求將重心超出支撐平面朝任意對象移動。當他們聽到指揮信號時，被要求盡可能快速、準確地向發(fā)亮對象方向移動重心，并在該處保持動作至少10 s。由此最大距離估計出受試者的穩(wěn)定極限參數(shù)。

(2)特征選取

將足(鞋)底分為7個區(qū)域：第一趾、第二～五趾、第一跖骨、第五跖骨、足弓、足跟內(nèi)側(cè)和足跟外側(cè)。根據(jù)已知研究，左右足雙側(cè)的壓力分布有一致性[3]，因此只選用受試者的左足壓力數(shù)據(jù)。分析壓力參數(shù)包括壓力分布、峰值壓強、沖量、足底壓力中心、接觸時間及穩(wěn)定極限。由于此次試驗男女性樣本體重不同，需要先數(shù)據(jù)標準化后再比對分析，因此所得參數(shù)均先除以各自體重。分析采用Windows 10操作系統(tǒng)下的SPSS 19.0統(tǒng)計學分析軟件，并t檢驗分析穿用增高鞋墊前后的足底壓力數(shù)據(jù)。根據(jù)已知的足跡學知識，足跡步法特征受環(huán)境、時間、心理、體態(tài)等主客觀因素影響較多，導致本次實驗的隨機誤差增加，所以將顯著性選擇為P<0.05。

2 結果分析

2.1 足底壓力變化

(1)壓力分布

受試者穿著硅膠增高鞋墊前后，在足趾、足跖、足弓、足跟各區(qū)域的壓力分布產(chǎn)生了明顯的變化如圖2所示。增高鞋墊改變了從足跟、足弓直到趾、跖區(qū)域的壓力分布如圖3所示，對于不加增高鞋墊的實驗用運動鞋(鞋跟高度為0 cm)，只有28%的身體重量由趾、跖區(qū)域承載，當穿著有增高鞋墊的實驗用運動鞋(跟高為2 cm)時，趾、跖區(qū)域承重增加；當穿著跟高4 cm的增高鞋墊時，壓力分布產(chǎn)生顯著變化。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)：隨著跟高的增加，趾區(qū)、第一跖骨的壓力有明顯增加，足弓區(qū)域壓力有增加，而足跟區(qū)域壓力有所減小。3組實驗之間存在顯著差異，具有統(tǒng)計學意義，經(jīng)t檢驗，P值<0.05。

(2)峰值壓強

圖2 Footscan足底壓力測試系統(tǒng)顯示

圖3 有無增高鞋墊情況下足底壓力分布變化

壓強是力在單位面積內(nèi)的作用情況，反映在本次研究里，足底峰值壓強與穿著舒適度有著緊密的關聯(lián)，壓強越大，穿著舒適度越差，易導致鞋底印痕與步法特征產(chǎn)生變異。在運動鞋中放入增高鞋墊后，實驗發(fā)現(xiàn)足底各分區(qū)的壓強值均減小，僅在足跖區(qū)較為平穩(wěn)，無明顯改變[4]。隨著跟高的增大，在趾區(qū)及后跟外側(cè)處有顯著性差異，明顯有降低足底整體峰值壓強的趨勢，這與受試者穿著增高鞋墊后感覺更加舒適相符，如表1所示。仔細對比分析，由于硅膠增高鞋墊質(zhì)地較軟，在彈性形變影響下導致鞋墊與足之間的接觸面較大，有效增加了接觸時間，并降低了峰值壓強，如圖4所示。3組實驗之間存在顯著差異，具有統(tǒng)計學意義，經(jīng)t檢驗，P值<0.05。

(3)沖量

沖量指的是力與其作用時間的乘積，反映在足底壓力方面就是足底沖擊在接觸時間內(nèi)的累積。根據(jù)經(jīng)典力學的理論，沖量的影響因素為受壓力大小和作用時間長短。我們可以通過對足底沖量的對比研判，分析足部各區(qū)域的負荷率如表2所示。3組實驗之間存在顯著差異，具有統(tǒng)計學意義，經(jīng)t檢驗，P值<0.05。Load rate是表示壓強的變化快慢的變化率，應用于足跡學就是足底各區(qū)域的壓強變化快慢。比率越高，足底區(qū)域可接受壓強值越大，足跟的減震性越強[5]。

從圖表中可以清晰地看出：相較于穿增高鞋墊之后，穿增高墊前沖量集中于趾跖區(qū)。穿后隨著跟高的增加，趾跖區(qū)沖量被分散到其他足底區(qū)域，沖量減少最多的為第2～5趾區(qū)，增大最多的為跟外側(cè)區(qū)，如圖5所示，這是因為行走過程中，跟外側(cè)最先接觸地面，沖擊力增大的原因。此外還發(fā)現(xiàn)前后總沖量均約為2.4 N·S,由于沖量是負荷率的反映，這說明穿增高鞋墊與否對負荷率的影響不大，只是足底壓力的部分負荷率從趾跖區(qū)域轉(zhuǎn)移至足跟區(qū)。

表1 穿增高鞋墊前后峰值壓強比較

圖4 穿增高鞋墊前后峰值壓強比較

表2 穿增高鞋墊前后沖量變化的比較

圖5 穿增高鞋墊前后沖量的比較

(4)足底壓力中心

經(jīng)測試，受試者穿4 cm跟高增高鞋墊前后，足底壓力中心在橫軸和縱軸方向上均發(fā)生了明顯的改變(P<0.05)。隨著跟高的增加，壓力中心從足跟前移到足中部(圖6)，足底壓力中心的變化實際上是人身體重心的變化，增高鞋墊使人的重心移動至前上方，這必然導致步幅特征的改變：例如步長變短、步寬變大、步角變小[6]。而穿用2 cm跟高的增高鞋墊時足底壓力中心位置沒有明顯的改變(P>0.05)。

圖6 穿4 cm增高鞋墊后壓力中心的變化(圓- 無增高鞋墊；方塊- 有增高鞋墊)

2.2 接觸時間變化

穿增高鞋墊前后接觸時間的情況如表3。3組實驗之間存在顯著差異，具有統(tǒng)計學意義，經(jīng)t檢驗，P值<0.05。

從圖表中我們可知，穿用增高鞋墊前后接觸時間變化較大，如圖7所示。由于增高鞋墊質(zhì)地柔軟，易發(fā)生彈性形變，導致穿后接觸時間增長。隨著鞋跟高度增加，接觸時間增長最多的為足跟外區(qū)，是因為足跟作為行走運動過程中最先觸地的部位，受到?jīng)_擊力最大，這增大鞋墊變形量，緩沖這些形變需要更多的時間。人體為抵消這些變形需要耗費一定量的機能，所以長期穿著增高鞋墊易使下肢疲勞，這與長期穿著增高鞋墊的受試者主觀感受一致。

2.3 穩(wěn)定極限的影響

由于數(shù)據(jù)較多、分析過程較為復雜，本文略去穩(wěn)定極限分析過程。結果顯示：當受試者穿增高鞋墊后，除去反應時間外，所有的穩(wěn)定極限數(shù)據(jù)都存在顯著差異。經(jīng)反復試驗分析，同一個體多次行走所選取的特征能夠重復出現(xiàn)[6]。并發(fā)現(xiàn)隨著跟高的增加，受試者的移動速度減緩、方向控制力削弱，如圖8所示。

表3 穿增高鞋墊前后接觸時間

圖7 穿增高鞋墊前后接觸時間的對比

圖8 穿增高鞋墊前后對穩(wěn)定極限的影響

3組實驗之間存在顯著差異，具有統(tǒng)計學意義，經(jīng)t檢驗，P值<0.05。長期穿著增高鞋墊的人可能表現(xiàn)出的方向控制力和移動速度較好，不平衡感較小，感覺筆直站立時足夠舒適與安全，已經(jīng)克服了恐懼心理，因此消除跟高的影響。

3 討論

步行是人類生產(chǎn)生活中必然產(chǎn)生的活動，人類文明經(jīng)過長期的發(fā)展進化，才學會了直立行走。它是在大腦中樞神經(jīng)統(tǒng)一調(diào)節(jié)支配下，以骨骼為杠桿，關節(jié)為樞紐，骨骼肌為動力的有規(guī)律的運動[7]。步行時產(chǎn)生的鞋底印痕和步法特征受到多種主客觀因素的影響。

由于穿著增高鞋墊，使得身體重心前移，受試者為了保持站立平衡，身體自主地改變了足底壓力分布，這是機體的本能反應。因此，壓力由足跟和足弓區(qū)域轉(zhuǎn)移至趾跖區(qū)域。在分析現(xiàn)場足跡時，若發(fā)現(xiàn)足跡趾跖區(qū)域壓痕相較弓跟區(qū)域較重，并在趾跖區(qū)域分布均勻，就要綜合各方面因素仔細分析，可推斷犯罪嫌疑人有可能穿著增高鞋墊，很可能是位身材不高的年輕女性，從而縮小了排查范圍。

壓強方面，首先足弓作為足部的重要部位，是人體降低運動震動，減弱足底壓力的重要部位。隨著硅膠增高鞋墊的緩沖，除趾跖區(qū)壓強變化不大外，足底各區(qū)域的壓強均減小，趾跖區(qū)及足跟區(qū)有顯著性差異，而整個足底都呈現(xiàn)出明顯的峰值力變化，說明增高鞋墊能通過增加接觸面積，明顯降低足底大部分區(qū)域的峰值壓強?，F(xiàn)場足跡檢材，尤其是成趟足跡若是印痕均不清晰，沒有正常足跡印痕的深淺分明、輕重明顯。并經(jīng)過分析推斷得出嫌疑人有高大、偏重等特征信息，則可以推斷嫌疑人有可能穿著了增高鞋墊。

隨著跟高增加，足底壓力分布的改變導致受試者壓力中心由足跟處向足中部明顯前移。然而，壓力中心轉(zhuǎn)移至足中部，可能會導致突然滑跌或腳踝扭傷。因此，足跡步態(tài)特征中落足階段有時伴隨著擦痕、磕痕、蹌痕；垂直支撐階段有可能出現(xiàn)坐痕、擰痕等伴生痕跡。在檢驗鑒定過程中應特別注意。

當鞋跟增高時，移動速度、方向控制及穩(wěn)定性會顯著變差，而反應時間沒有明顯的變化。因為本次研究中的受試者均為健康的警校學員，而反應時間變緩主要與錯誤的認知程序和運動神經(jīng)疾病等有關聯(lián)。移動速度表示移動能力的強弱，而方向控制力代表著朝向目標和離開目標移動量的比較。更快、更敏捷的直線移動說明了更好的平衡控制。隨著鞋跟的增高，身體重心也隨之增高，導致更不穩(wěn)定的姿勢使得行走過程并不舒適。若在檢驗中發(fā)現(xiàn)嫌疑人步法特征異常，且移動速度較慢，無法控制好前進方向，容易滑倒受傷，排除嫌疑人為年老體弱、身體殘疾、負重前行或恐懼心理外，可以推斷嫌疑人可能還不習慣穿著增高鞋墊。穿著跟高的鞋還會增加滑跌的風險，研究發(fā)現(xiàn)跟高的鞋對于身體平衡是不利的。平衡性是機體的一種能力，在身體在大腦操控下進行各種動作時，將壓力中心放置在支撐平面上，這是人類日常生產(chǎn)生活的重要能力之一。跳躍、旋轉(zhuǎn)、攀爬、負重等動作都需要將身體的壓力中心置于支撐平面上。穩(wěn)定性的功能限制，是在不失去平衡的條件下身體可以移動的最遠距離。

隨著穿著增高鞋墊的時間增加，使得穿鞋者越來越有經(jīng)驗，研究長期穿著增高鞋墊會帶來哪些變化是有必要的。通過這些研究，我們可以得出增高鞋墊對于嫌疑人的步幅特征和步態(tài)特征究竟會產(chǎn)生哪些影響，比如步長、步寬、步角的變化以及各種特定伴生痕跡的產(chǎn)生。這一系列的特征都將為技術人員檢驗鑒定提供重要的依據(jù)。

4 結論

本文利用人體動力學、運動學的相關知識，將增高鞋墊對人體行走運動的影響做一研究嘗試。實驗表明，穿增高鞋墊前后，人體的足底壓力分布、峰值壓強、沖量、足底壓力中心、接觸時間及穩(wěn)定極限都是有較大變化的。這些變化亦導致了人體行走的步法特征發(fā)生改變。因此，在進行足跡分析檢驗時，當現(xiàn)場足跡存在上述異常，利用步法特征推斷嫌疑人身體特征存在不確定性時，不能主觀臆斷、強加分析，應該在結合案情、充分考量的基礎上，把握實事求是的原則，從多方面、多角度進行系統(tǒng)化檢驗，才能得到客觀正確的檢驗鑒定結論。

[1] American Podiatric Medical Association. High heels survey [R].Bethesda: American Podiatric Medical Association,2013.

[2] 熊樹平,哈德海薇. 不同鞋跟高度對人體足底壓力分布和穩(wěn)定極限的影響研究[EB/OL]. (2013-06-11) [2014-01-22].http:∥www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201401-1013.

[3] 張慶來,孟站領. 正常青年人左右足底壓力分布特征的對比分析[J]. 中國組織工程研究與臨床康復，2007(5):889-892.

[4] 張先熠,李悅,李羅浩,李波. 增高鞋墊對足底壓力分布及后跟平衡的影響[J]. 皮革科學與工程，2013(1):56-59.

[5] 李立,陳玉娟,翟鳳鳴,崔巴特爾. 老年人與青年人足底壓力分布特征比較[J]. 中國老年學雜志，2011(23):4574-4576.

[6] 史力民,馬建平. 足跡學[M]. 北京：中國人民公安大學出版社，2014.

[7] 王海軍. 25～27歲肥胖青年自然行走時運動生物力學研究[D]. 長春:東北師范大學,2010.

(責任編輯于瑞華)

D918.91

馬曉贇(1993—)，男，甘肅武威人，2016級在讀碩士研究生。研究方向為痕跡檢驗。