足底壓力分布年齡差異分析

馬 越, 王子丹

(1.中國刑事警察學(xué)院刑技一系,遼寧沈陽 110035;2.舟山市公安局,浙江舟山 316000)

0 引言

足跡檢驗(yàn)中利用行走時(shí)足跡所反映的步態(tài)特征分析留痕人人身自然特點(diǎn)的技術(shù)被廣泛地運(yùn)用到偵查辦案當(dāng)中。但是這一技術(shù)更多地停留在經(jīng)驗(yàn)判斷的層面上,缺乏客觀的分析標(biāo)準(zhǔn),更沒有科學(xué)的理論支持?；谧阚E步態(tài)特征的形成是足底與承痕客體間力的作用結(jié)果,本文試圖通過科學(xué)的手段記錄行走時(shí)足底壓力的分布情況,在不同年齡段間進(jìn)行比較,找出各年齡段之間作用力分布差異,并總結(jié)差異的形成規(guī)律與經(jīng)驗(yàn)性的足跡分析方法之間的聯(lián)系。本研究中所利用的比利時(shí) FOOTSCAN足底壓力分析系統(tǒng)由長度為 2m的壓力采集板與分析軟件構(gòu)成。采集板的長度可以保證被采集人在自然行走狀態(tài)下的左右足跡連續(xù)記錄,且傳感器工作穩(wěn)定、精度與分辨率高,能夠滿足足跡分析的要求。

1 各年齡段人群足底壓力分布數(shù)據(jù)采集

將樣本人群按照年齡組劃分為 20歲年齡組、30歲年齡組、40歲年齡組和 50歲年齡組,從每個(gè)年齡組中抽取身高、體重接近且沒有特殊行走習(xí)慣的 10人,每人隨機(jī)選取左、右腳足跡各一枚,利用 FOOTSCAN系統(tǒng)采集赤足行走壓力數(shù)據(jù)。根據(jù) FOOTSCAN系統(tǒng)預(yù)置的分區(qū)功能,將跟區(qū)、第一跖區(qū)、第二跖區(qū)、第三跖區(qū)、第四跖區(qū)和第五跖區(qū)數(shù)據(jù)分別記錄,通過每個(gè)分區(qū)受力(壓強(qiáng))隨時(shí)間變化曲線,計(jì)算每個(gè)分區(qū)受力時(shí)間 t與單足支撐作用總時(shí)間 T的比值:t/T;記錄各分區(qū)最大壓強(qiáng)值 P。將不同分區(qū)的數(shù)據(jù)按年齡組進(jìn)行比較。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析

在前期的工作中,我們發(fā)現(xiàn)足底各區(qū)壓強(qiáng)峰值大小與受試者體重之間沒有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系,在 60 kg～80 kg體重范圍內(nèi)壓強(qiáng)峰值沒有明顯變化。由于在本研究中被采集人體重均在這一穩(wěn)定范圍內(nèi),所以年齡段間壓強(qiáng)峰值比較不受體重影響。在數(shù)據(jù)采集過程中,被采集人行走速度差別不明顯,且各年齡段間被比較數(shù)據(jù)為 t/T,因此也排除了行走速度的影響。

2.1 跟區(qū)數(shù)據(jù)比較

將跟區(qū)作用時(shí)間百分比 t/T及最大壓強(qiáng)值 P這2組數(shù)據(jù)分別求平均值,得到不同年齡段分布變化圖 ,如圖2、圖3。

跟區(qū)數(shù)據(jù)顯示從 20歲年齡組到 50歲年齡組,跟區(qū)與地面作用的時(shí)間發(fā)生明顯增加,作用時(shí)間大大延長,同時(shí)跟區(qū)作用的壓強(qiáng)峰值從 20歲年齡組到50年齡組呈明顯下降狀態(tài),老年人跟區(qū)收到的單位面積壓力在減小,規(guī)律明顯。

圖1 足跡分區(qū)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線

圖2 跟區(qū)不同年齡平均作用時(shí)間百分比

圖3 跟區(qū)不同年齡平均最大壓強(qiáng)值

2.2 跖區(qū)數(shù)據(jù)比較

FOOTSCAN系統(tǒng)按照跖骨位置將跖部劃分為五個(gè)分區(qū),分別得到不同年齡段跖區(qū)受力分布數(shù)據(jù),將其平均值比較。

由圖4至圖7可以看出,20歲年齡組跖區(qū)壓力主要分布在第二、第三跖趾關(guān)節(jié)處形成峰值,達(dá)到了57.98N/cm2和 61.7N/cm2,也是各年齡組中的最大值,與其他分區(qū)差別明顯;30、40歲年齡組峰值均出現(xiàn)在第三跖區(qū),第四、第五跖區(qū)逐漸減小,各個(gè)分區(qū)的壓強(qiáng)值比 20歲年齡組明顯減小;50歲年齡組突出表現(xiàn)為各分區(qū)的壓強(qiáng)值為各年齡組中的最小值,差異顯著。

圖4 20歲年齡組跖區(qū)壓強(qiáng)分布

圖5 30歲年齡組跖區(qū)壓強(qiáng)分布

圖6 40歲年齡組跖區(qū)壓強(qiáng)分布

圖7 50歲年齡組跖區(qū)壓強(qiáng)分布

3 結(jié)論和相關(guān)討論

3.1 跟區(qū)壓力分布與年齡的關(guān)系

由跟區(qū)數(shù)據(jù)的不同年齡段分布變化圖可以看出,伴隨年齡的變化,足跟區(qū)作用時(shí)間與足底總的作用時(shí)間比值呈遞增的變化。由于比值排除了行走速度對(duì)跟區(qū)作用時(shí)間的影響,能夠說明在每個(gè)支撐階段中,跟區(qū)的支撐比例明顯加大,符合我們對(duì)老年人行走特點(diǎn)的認(rèn)識(shí),即從足底的局部支撐逐漸向全足支撐轉(zhuǎn)變。同時(shí)由于膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍下降,在落地和離地階段的足底與地面夾角將明顯變小,使得接近與離去時(shí)足底與地面的接觸面積增加,從而壓強(qiáng)變小,這與數(shù)據(jù)反映的結(jié)果高度一致,也與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)分析中年紀(jì)越大跟區(qū)落腳階段形成的前踏痕的面積越大的結(jié)論也是一致的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分證明了傳統(tǒng)分析方法對(duì)跟區(qū)受力的認(rèn)識(shí)是正確的,能夠從理學(xué)變化方面科學(xué)、客觀地得到證明。大量的足跡分析實(shí)踐中,利用跟區(qū)痕跡變化對(duì)年齡的判斷準(zhǔn)確度高,為實(shí)戰(zhàn)提供了有力的支持。

3.2 跖區(qū)壓力分布與年齡的關(guān)系

20歲年齡足跖區(qū)受力情況與其他分區(qū)的比較表明,該年齡段各部位受力明顯大于其他年齡組,而且第二跖區(qū)受力僅略小于第三跖區(qū),是受力較大的區(qū)域,這樣的觀察結(jié)果符合傳統(tǒng)足跡分析理論中年輕人起腳階段跖區(qū)內(nèi)側(cè)受力大于外側(cè)的觀點(diǎn)。但是,30歲、40歲甚至 50歲年齡組的各分區(qū)受力變化并沒有對(duì)傳統(tǒng)理論提供客觀數(shù)據(jù)支持,沒有出現(xiàn)受力向外側(cè)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)中所應(yīng)用的設(shè)備精確度較高,設(shè)備的誤差不會(huì)對(duì)結(jié)論產(chǎn)生影響,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也比較合理,但設(shè)備只能對(duì)法向垂直壓力產(chǎn)生反映,離地階段后蹬作用的切向分力得不到記錄,效果無從觀察,是造成結(jié)論與傳統(tǒng)分析理論產(chǎn)生差異的原因之一。同時(shí)在足跡分析的實(shí)踐中,發(fā)現(xiàn)確定跖區(qū)蹬痕位置時(shí)不能單純用接觸部位受力的大小來衡量,痕跡表面的擦蹭痕跡尤為重要,相對(duì)應(yīng)的鞋底部位磨損效果產(chǎn)生的主要原因應(yīng)該是磨礪磨損,主要是由切向力造成的,不能以痕跡凹陷程度為確定的唯一標(biāo)準(zhǔn)。另外,跖區(qū)各部位在支撐階段,受力情況僅是在 20歲年齡組有較弱的內(nèi)側(cè)受力大的反映,各年齡組的壓強(qiáng)峰值均在第三跖區(qū),說明在蹬地動(dòng)作下,跖區(qū)的前橫弓下降明顯,對(duì)地面有明顯的作用過程。

[1] 高以群,吳旭芒.足跡學(xué)[M].北京:警官教育出版社,1995.

[2] 李烽.對(duì)現(xiàn)有足跡檢驗(yàn)技術(shù)的綜合研究[J].湖北警官學(xué)院學(xué)報(bào),2002(1):68-73.

[3] 李正.正常人足底壓力分布及其影響因素分析[J].中華物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)雜志,2004,26(3):21-24.