穿增高鞋墊后的足底動力形態(tài)特征分析

俞 文 馬曉贇

（1 甘肅政法學(xué)院公安技術(shù)學(xué)院 甘肅 蘭州 730070；2 中國刑事警察學(xué)院痕跡檢驗(yàn)技術(shù)系 遼寧 沈陽 110035）

1 引言

足跡檢驗(yàn)實(shí)踐中，常遇到作案人偽裝作案鞋的情況，其中通過穿用增高鞋墊升高鞋跟高度，使現(xiàn)場穿鞋足跡不完全同于嫌疑人真實(shí)情況是常出現(xiàn)的一種。此類偽裝理論上可能造成足跡特征的變化，但還未有科學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究。

人在正常站立時，為使身體站穩(wěn)平衡，軀干需略微前傾，使髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)連線的平行線通過重心并與地面保持垂直。這時人體自身的質(zhì)量與地面對足底的反作用力是一對同一直線上、等大反向的平衡力。依據(jù)足的解剖結(jié)構(gòu)，可將這一合力分解為足趾、足跖、足弓、足跟處的受力。當(dāng)鞋跟增高時，身體重心前移，髖、膝、踝關(guān)節(jié)連線的平行線超過足支撐面前界，為保證身體平衡，軀干傾斜角度加大、肌肉加強(qiáng)收縮，胸部后挺、腰部前凸。足作為支撐器官，為緩解這種不平衡態(tài)，力的分布情況亦有所改變，重心前移導(dǎo)致在總作用力不變的基礎(chǔ)上趾跖受力增大、弓跟受力減小，足底壓力中心由足弓部前移，足弓對壓力的緩沖作用降低，相關(guān)力學(xué)參數(shù)也發(fā)生改變。足與地面間作用力的改變，必然導(dǎo)致行走運(yùn)動過程中足底動力形態(tài)特征的變化，反映在現(xiàn)場足跡中就是起足、落足、支撐過程中蹬、踏、壓等主體痕跡與相應(yīng)的伴生痕跡所表現(xiàn)出來的位置、形態(tài)、大小、性狀等步態(tài)特征相關(guān)信息，與個體穿著正常（慣用）跟高的鞋行走時反映出來的步態(tài)特征不盡相同。在足跡立體石膏模型中，足底與地面之間作用不同表現(xiàn)為向上的凸起程度不同，形成不同的動力面和動力點(diǎn)。其中，動力面即石膏模型上的凸起部位；動力點(diǎn)即石膏模型上的趾、跖、弓、跟等區(qū)域的最凸出點(diǎn)[1]。在平面足跡中，是以中間介質(zhì)數(shù)量和性狀的不同來反映足底與地面之間相互作用的大小和方向改變。這些變化就使檢材與樣本之間的同一認(rèn)定陷入困境，對嫌疑人特征的分析也不一定準(zhǔn)確，致使劃定錯誤的偵查范圍、誤導(dǎo)偵查方向。因此，有必要對穿用增高鞋墊前后行走時足底動力形態(tài)特征變化進(jìn)行探索和總結(jié)。

足底動力形態(tài)特征受到足底壓力分布、壓強(qiáng)、接觸時間以及沖量、足底壓力中心等相關(guān)參數(shù)波動的影響較大。因此，本文使用Footscan足底壓力測試系統(tǒng)與Novel鞋分別統(tǒng)計30名警校學(xué)員穿運(yùn)動鞋及穿有增高鞋墊的同款運(yùn)動鞋行走時“鞋-地”、“足-鞋”間的壓力參數(shù)，比較前后足底7個分區(qū)的壓力分布、峰值壓強(qiáng)、沖量、足底壓力中心以及接觸時間變化，說明穿用增高鞋墊前后機(jī)體在足底動力形態(tài)特征上的差異。

2 材料與方法

2.1 研究對象

為保證全部受試者身體健康，足部無臨床病史，無運(yùn)動功能性障礙，本研究測試對象選擇某公安院校30名在校男性學(xué)員，年齡在20至30周歲之間，足的大小均為40至42碼，身高170至180cm，體重60至70kg，受試前36小時內(nèi)無劇烈運(yùn)動。參加實(shí)驗(yàn)前，受試者均已多次熟悉運(yùn)動負(fù)荷檢測方法和相關(guān)實(shí)驗(yàn)要求。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

2.2.1 Footscan USB2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不同運(yùn)動分析，并配有多種科學(xué)研究軟件。

2.2.2 Novel Pedar-X鞋墊

Novel鞋墊是由德國Novel公司設(shè)計的一套精確的鞋墊式足底壓力檢測系統(tǒng)。

2.2.3 鞋襪與鞋墊

鞋號40至42運(yùn)動鞋；一次性衛(wèi)生襪若干；跟高4cm，適用于不同鞋號的商用硅膠增高鞋墊若干。

2.3 研究方法

2.3.1 樣本收集

首先，受試者提前穿著實(shí)驗(yàn)用運(yùn)動鞋來回自由走動，使足部充分適應(yīng)，并記錄穿鞋時的感受，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性；然后，令實(shí)驗(yàn)者以正常速度（自然行走時的步幅、步速、步頻）在Footscan測力臺上行走，測量置入Novel鞋墊系統(tǒng)后的運(yùn)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；再次，令實(shí)驗(yàn)者以正常速度（自然行走時的步幅、步速、步頻）在Footscan測力臺上行走，測量置入Novel鞋墊系統(tǒng)后并放置了實(shí)驗(yàn)用增高鞋墊的運(yùn)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。

2.3.2 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)壓力分布具有一致性，因此只選用受試者的左足壓力數(shù)據(jù)[2]。分析壓力相關(guān)參數(shù)包括壓力分布、峰值壓強(qiáng)、沖量、足底壓力中心、接觸時間及穩(wěn)定極限。再利用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件檢驗(yàn)各參數(shù)的正態(tài)性，若滿足正態(tài)分布條件，則通過t檢驗(yàn)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(xué)知識，足底動力形態(tài)特征受環(huán)境、時間、心理、體態(tài)等主客觀因素影響較多，導(dǎo)致本次實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)誤差增加，所以將顯著性設(shè)為P＜0.05。

3 結(jié)果

由于實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)量較大，限于篇幅，僅列出一名實(shí)驗(yàn)對象在穿用增高鞋墊前后的數(shù)據(jù)，其足跟著地到腳尖離地的整個作用過程量化數(shù)據(jù)如表1、表2所示。另外，經(jīng)過單樣本K-S檢驗(yàn)，所有測得數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布。

表1 穿用增高鞋墊前各分區(qū)測試數(shù)據(jù)

表2 穿用增高鞋墊后各分區(qū)測試數(shù)據(jù)

3.1 足底壓力變化

3.1.1 壓力分布

受試者穿用硅膠增高鞋墊后，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（圖1）。對于不加增高鞋墊的實(shí)驗(yàn)用運(yùn)動鞋（跟高0cm），只有28%的身體重量由趾、跖區(qū)域承載，而當(dāng)穿著有增高鞋墊的實(shí)驗(yàn)用運(yùn)動鞋（跟高4cm）時，趾、跖區(qū)域承重馬上增加（圖2）。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)：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。兩組實(shí)驗(yàn)之間存在顯著差異，具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

圖1 Footscan足底壓力測試系統(tǒng)顯示

圖2 有無增高鞋墊情況下足底壓力分布變化

3.1.2 峰值壓強(qiáng)

壓強(qiáng)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(qiáng)與穿著舒適度有著緊密的關(guān)聯(lián)，壓強(qiáng)越大，穿著舒適度越差，易導(dǎo)致足底動力形態(tài)特征方式變異。在運(yùn)動鞋中放入增高鞋墊后，發(fā)現(xiàn)足底各分區(qū)的壓強(qiáng)值均減小，僅在足跖區(qū)較為平穩(wěn)，無明顯改變。在趾區(qū)及后跟外側(cè)處有顯著差異，整體峰值壓強(qiáng)有降低的明顯趨勢，這與受試者穿著增高鞋墊后感覺更為舒適相符（表3）。究其原因，是由于硅膠增高鞋墊質(zhì)地較軟，在彈性形變影響下導(dǎo)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(qiáng)（圖3）。兩組實(shí)驗(yàn)之間存在顯著差異，具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表3 有無增高鞋墊情況下峰值壓強(qiáng)比較

圖3 有無增高鞋墊情況下峰值壓強(qiáng)比較

3.1.3 沖量

沖量指的是力與其作用時間的乘積，反映在足底壓力上就是地面對足底的沖擊力在接觸時間內(nèi)的累積[3]。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)的理論，沖量的影響因素為沖擊力大小和時間長短，可以通過對足底沖量的對比研判，分析足部各區(qū)域的負(fù)荷變化率（表4）。Load rate是表示壓強(qiáng)的變化快慢的變化率，比率越高，足底區(qū)域可接受壓強(qiáng)值越大，減震性越強(qiáng)[4]。

表4 穿增高鞋墊前后沖量變化的比較

圖4 穿增高鞋墊前后沖量的比較

從圖5表4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)。穿后趾跖區(qū)沖量被分散到其他足底區(qū)域，沖量增大最多的為跟外側(cè)（圖4），這是因?yàn)樾凶哌^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，依據(jù)上文，沖量是負(fù)荷率的反映，則說明負(fù)荷率受穿增高鞋墊的影響不大，只是足底壓力的部分負(fù)荷率從趾跖區(qū)域轉(zhuǎn)移至跟區(qū)。兩組實(shí)驗(yàn)之間存在顯著差異，具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

3.1.4 足底壓力中心

人在測力臺上行走時，地面作用于足底的力是由垂直力及沿測力臺平面作用的兩個剪力分量組成的三維矢量。測力臺上的兩個剪力分量通常被分解為前后方向和左右方向，標(biāo)定掌外緣切線和跟后緣落足點(diǎn)切線的交點(diǎn)為(0,0)，掌內(nèi)緣切線和跟后緣落足點(diǎn)切線的交點(diǎn)為(x,0)，第一跖骨中心點(diǎn)為(x,z)，掌外緣切線與起足點(diǎn)垂直于足跡中心線的切線交點(diǎn)為(0,z)，則Fy=F00+Fx0+Fxz+F0z，通過這4點(diǎn)上傳感器各自的垂直力即可確定足底壓力中心的位置（圖5所示）。

經(jīng)測試，受試者穿增高鞋墊前后，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，壓力中心從足跟部前移到足中部（圖6），足底壓力中心的變化實(shí)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(dǎo)致步幅特征的改變：例如步長變短、步寬變大、步角變小[5]。

圖5 足底壓力中心的確定

圖6 穿增高鞋墊后壓力中心的變化

3.2 接觸時間變化

穿增高鞋墊前后接觸時間的對比如表5。兩組實(shí)驗(yàn)之間存在顯著差異，具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表5 穿增高鞋墊前后接觸時間的對比

穿用增高鞋墊后接觸時間變長，由于增高鞋墊質(zhì)地柔軟，易發(fā)生彈性形變，導(dǎo)致穿后接觸時間增長。接觸時間增加最多的為跟外區(qū)，因?yàn)樽愀鳛樾凶哌\(yùn)動過程中最先觸地的部位，受到最大的沖擊力同時增加了鞋墊變形量，緩沖這些形變需要更多的時間。

4 討論

行走是在大腦中樞神經(jīng)統(tǒng)一調(diào)節(jié)支配下，以骨骼為杠桿，關(guān)節(jié)為樞紐，骨骼肌為動力的有規(guī)律的運(yùn)動[6]。但增加鞋跟高度在一定程度上改變了身體的固有平衡，使鞋底印痕所反映的動力形態(tài)特征發(fā)生變化。下面依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對行走運(yùn)動一個周期的三個階段分別討論：

4.1 落足階段

落足階段是指由擺動腿轉(zhuǎn)變?yōu)橹瓮纫粋?cè)的足最先著地時的階段，與落足階段足底動力形態(tài)特征有密切關(guān)系的是足跟區(qū)的動力參數(shù)變化。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，穿用增高鞋墊后，足跟區(qū)域壓力分布減小、壓強(qiáng)減小、跟區(qū)外側(cè)沖量大幅增加、足底壓力中心由跟區(qū)前移、接觸時間加長，這些變化會使得落足階段動力形態(tài)特征發(fā)生明顯變化，在立體足跡和平面足跡中動力面、動力點(diǎn)的反映均有所差異，比如落足時的方向、角度發(fā)生改變，導(dǎo)致踏痕范圍擴(kuò)大，踏痕半徑增加，位置有所差異等，對于性別、年齡的分析可能產(chǎn)生影響。且由于行走過程的穩(wěn)定性減弱，容易出現(xiàn)假伴生痕跡，如推痕、蹌痕，實(shí)際檢驗(yàn)鑒定時要特別注意。

4.2 垂直支撐階段

垂直支撐階段是指落足階段結(jié)束后，全足著地，支撐腿與地面基本垂直，整個足底垂直向下擠壓地面的瞬間。垂直支撐階段動力形態(tài)特征與足底總體動力參數(shù)有聯(lián)系[7]。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，穿用增高鞋墊后，壓力分布由跟區(qū)向趾、跖、弓轉(zhuǎn)移，且主要集中于趾跖區(qū)域；對于壓強(qiáng)，除跖區(qū)壓強(qiáng)較為穩(wěn)定外，其他區(qū)域壓強(qiáng)均減??；趾跖區(qū)域壓力沖量轉(zhuǎn)移至跟區(qū)外側(cè)，總體壓強(qiáng)呈減小趨勢；穩(wěn)定性降低，機(jī)體為保證相對平衡，足底壓力中心由跟區(qū)移向弓區(qū)；接觸時間加長。

這一系列的變化會導(dǎo)致垂直支撐階段的足底動力形態(tài)特征產(chǎn)生差異，尤其是對垂直支撐階段壓痕的影響。如相比樣本足跡，現(xiàn)場檢材趾跖區(qū)壓痕相較弓、跟區(qū)重，其中拇趾和第一跖骨最為明顯，但趾、跖區(qū)域壓痕總體分布均勻。又或者現(xiàn)場成趟立體或平面足跡中，出現(xiàn)印痕均不清晰，光度、亮度、濕度、密度、散度、麻紗度、凸度均與樣本足跡產(chǎn)生差異，沒有樣本足跡的深淺分明、明暗反差、密度不同的現(xiàn)象。且由于行走過程的穩(wěn)定性減弱，容易出現(xiàn)假伴生痕跡，如迫痕、擰痕，檢驗(yàn)鑒定時要注意區(qū)分。

4.3 起足階段

起足階段是指身體重心在支撐面的前上方足趾跖部蹬離地面的瞬間，是人行走時與地面相互作用獲取行走運(yùn)動動力的階段。與起足階段的動力形態(tài)特征有密切關(guān)系的是趾跖區(qū)域動力參數(shù)的變化。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，穿用增高鞋墊后，壓力分布由弓、跟區(qū)域轉(zhuǎn)移至趾跖區(qū)域，使其壓力分布增加；跖區(qū)壓強(qiáng)變化不大，但趾區(qū)壓強(qiáng)顯著減??；趾跖區(qū)域壓力沖量被分散；接觸時間增長；穩(wěn)定性減弱。

起足階段動力參數(shù)的變異對足底動力形態(tài)特征的影響主要反映在蹬痕上，如壓力分布變化導(dǎo)致蹬痕的位置轉(zhuǎn)移至實(shí)際位置內(nèi)前方，趾區(qū)壓強(qiáng)減小，使得趾蹬痕反映不明顯，立體足跡中拋土、堆土痕跡消失，平面足跡中足跡前后的表面附著物反差減弱。變化嚴(yán)重時蹬痕形態(tài)甚至發(fā)生改變，“倒三角”形態(tài)被破壞。行走過程穩(wěn)定性的減弱，還會產(chǎn)生抬痕、挑痕、劃痕等伴生痕跡。這些變化容易導(dǎo)致足跡分析中對嫌疑人的身高、年齡、體態(tài)等個體信息的識別失誤。

5 結(jié)論

本文基于人體解剖學(xué)、足跡動力學(xué)、運(yùn)動生物力學(xué)的相關(guān)理論，將增高鞋墊對足底動力形態(tài)特征的影響做了研究嘗試。結(jié)果表明，穿增高鞋墊后，足底7個分區(qū)的壓力分布、峰值壓強(qiáng)、沖量、足底壓力中心以及接觸時間均發(fā)生變化，如趾區(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??；足底各分區(qū)的峰值壓強(qiáng)值均減小，僅在足跖區(qū)較為平穩(wěn)；趾跖區(qū)沖量被分散到其他足底區(qū)域，沖量增大最多的為跟外側(cè)；足底壓力中心從足跟部前移到足中部，重心亦有所偏移；接觸時間增長，接觸時間增加最多的為跟外區(qū)。這一系列因素的變化必然導(dǎo)致足底動力形態(tài)特征會與穿用增高鞋墊前產(chǎn)生差異。因此，在足跡檢驗(yàn)實(shí)踐中，當(dāng)同一認(rèn)定或推斷嫌疑人個體特征存在不確定性時，不能主觀臆斷，應(yīng)充分考慮鞋墊、跟高可能產(chǎn)生的影響，排除偽裝，綜合考量。