基于生物力學(xué)的踏痕形成與特點(diǎn)研究

湯澄清 和煥胤 佟蘇洋 高 鵬 李佳寧

（中國(guó)刑事警察學(xué)院痕跡檢驗(yàn)技術(shù)系 遼寧 沈陽(yáng) 110035）

1 引言

足跡是犯罪現(xiàn)場(chǎng)最常見(jiàn)的痕跡物證之一，其中蘊(yùn)藏著大量與犯罪活動(dòng)及其形成主體相關(guān)的信息[1]。然而，足跡分析所依據(jù)的特征既有直觀、形象的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，也有與行走運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的步法特征，由于受到足跡形成過(guò)程中各種主客觀因素的影響，足跡步態(tài)特征的變化多、識(shí)別的難度大，一線刑偵技術(shù)人員常常很難全面深入理解、掌握并熟練應(yīng)用于實(shí)際辦案中，造成了現(xiàn)場(chǎng)足跡的提取率高，而利用率低的窘境。隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)設(shè)備的引入，對(duì)人體行走運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及形成足跡的特點(diǎn)能夠進(jìn)行定量描述[2]，但是對(duì)足跡步態(tài)特征中踏痕的分析和應(yīng)用，仍然停留在人工肉眼觀察的階段，對(duì)踏痕形成機(jī)理、反映特點(diǎn)以及變化規(guī)律的客觀、量化研究也鮮見(jiàn)報(bào)道。

2 研究方法

一方面，踏痕是利用足跡分析犯罪嫌疑人年齡、步態(tài)等生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和習(xí)慣動(dòng)作特點(diǎn)的重要痕跡特征，另一方面，踏痕反映又極易受客體性質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、犯罪心理等主客觀因素影響而發(fā)生變化。本文旨在借助生物力學(xué)的成熟理論、實(shí)用技術(shù)和測(cè)量方法及先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和手段，采集人體行走的時(shí)間、空間和力學(xué)參數(shù)，從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度對(duì)踏痕的形成過(guò)程、足地接觸力的相互作用進(jìn)行動(dòng)態(tài)的定量化分析。

2.1 測(cè)試對(duì)象

35名成年男性參與了本實(shí)驗(yàn)研究并分為2組，其中青年組18人，中年組17人。所有測(cè)試對(duì)象的身體健康狀況良好，無(wú)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的任何疾病和行走障礙，也沒(méi)有接受過(guò)任何手術(shù)，個(gè)人信息見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試對(duì)象個(gè)人信息

2.2 實(shí)驗(yàn)器材

足底壓力數(shù)據(jù)使用Footscan2m板（比利時(shí)，RSscan）采集，采樣頻率126Hz，ATMI三維測(cè)力臺(tái)則安裝在測(cè)力平板的下方，并與RSscan 3D-box同步。在足跡實(shí)驗(yàn)室的沙土地面采集行走成趟立體足跡樣本。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

測(cè)試對(duì)象首先了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮统绦?，之后在?shí)驗(yàn)室8米長(zhǎng)的步道（測(cè)力臺(tái)和壓力板置于中間，上方及兩端鋪有薄的EVA墊）上來(lái)回行走幾次，熟悉和適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。然后，每個(gè)人以正常速度和自然狀態(tài)走過(guò)壓力板和測(cè)力臺(tái)，采集15組左右左足數(shù)據(jù)（三步法[3]）以及10組左足二步數(shù)據(jù)。之后，再在立體足跡實(shí)驗(yàn)室的沙土地面以同樣的方式行走，留下10枚左右的穿襪成趟立體足跡。

圖1 ATMI測(cè)力臺(tái)和footscan足底壓力系統(tǒng)顯示步態(tài)界面

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

采集的時(shí)間、空間和力學(xué)參數(shù)由系統(tǒng)軟件導(dǎo)出為Excel文件，利用Microsoft Excel和SPSS 15.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，組間數(shù)據(jù)的差異性水平選擇P<0.05顯著差異和p<0.01極其顯著。

3 結(jié)果與討論

3.1 時(shí)間參數(shù)

步行是使人體位移的一種復(fù)雜的隨意運(yùn)動(dòng)[4]，從一側(cè)足跟著地開(kāi)始到該足跟再次著地構(gòu)成一個(gè)步態(tài)周期，分為支撐時(shí)期和擺動(dòng)時(shí)期。支撐時(shí)期分為足跟著地（IFC）、跖著地（IMC）、支撐中期（IFFFC）、足跟離地（HO）、蹬離期（FP）和趾離地（TO）等動(dòng)作階段。擺動(dòng)時(shí)期分為加速、擺動(dòng)和減速階段。實(shí)驗(yàn)中2組典型的支撐時(shí)期和各個(gè)時(shí)相如圖2所示，主要步態(tài)時(shí)間參數(shù)如表2所示，其中中年人的單足支撐時(shí)期（LFC）長(zhǎng)，跖著地和支撐中期開(kāi)始時(shí)間（IMC和IFFFC占足支撐的百分比）早，而足跟離地（HO占支撐的百分比）晚，青年與中年的差異顯著（p<0.01），與[5]的結(jié)果一致。反映出中年人行走與平衡能力降低，這些都直接影響落足的部位和角度，也將引起踏痕落足點(diǎn)和范圍的變化。

圖2 步態(tài)時(shí)相對(duì)照?qǐng)D

表2 步態(tài)時(shí)間參數(shù)

3.2 空間參數(shù)

行走運(yùn)動(dòng)遺留的成趟足跡所反映出來(lái)的左右足空間搭配關(guān)系可以用步幅特征表述，具體來(lái)說(shuō)就是步長(zhǎng)、步寬和步角（通常分左右）。其中步長(zhǎng)與步態(tài)周期決定了步速和步頻，是步態(tài)特征變化的主要影響因素。2組測(cè)試對(duì)象的測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示，隨著年齡的增長(zhǎng)，步長(zhǎng)、步速和步頻都呈下降的趨勢(shì)，青年與中年的差異顯著（p<0.01），與[6]的研究成果相近。反映出中年人生理機(jī)能和運(yùn)動(dòng)能力下降，這些都直接決定足的能量與落足對(duì)地面的沖擊作用，也將造成踏痕形態(tài)和反映的差異。

表3 步態(tài)空間參數(shù)

3.3 力學(xué)參數(shù)

足-地接觸力通?？梢苑譃榇怪绷Α⑶昂蠛蛢?nèi)外剪力。其中前后方向的剪力對(duì)踏痕的影響最大，青年與中年組典型的前后剪力變化（向前為正，向后為負(fù)；水平軸對(duì)支撐時(shí)間歸一化，即支撐時(shí)相百分比，垂直軸對(duì)體重歸一化，即體重百分比）如圖3所示。力的作用點(diǎn)、大小和方向，落足的快慢以及運(yùn)動(dòng)能力都會(huì)影響踏痕的位置、形狀、大小等痕跡反映。

圖3 前后剪切力對(duì)照?qǐng)D

由圖可見(jiàn)，足結(jié)束擺動(dòng)后足跟觸地并迅速外翻完成足初始著地，同時(shí)形成前踏痕，向前剪力達(dá)到第一個(gè)極值；青年人落足瞬間均出現(xiàn)不同程度的后磕而伴生磕痕，而大部分中年人（接近60%）則表現(xiàn)為向前的拖動(dòng)而易形成擦痕。隨著足跖的著地，剪力略有降低，之后隨著人體重心的前移，向前剪力達(dá)到峰值，而后全足著地，剪力逐漸回落；青年人前足著地和剪力達(dá)到峰值的時(shí)間明顯遲于中年人（p<0.01），反映出中年人運(yùn)動(dòng)和平衡能力的衰減，這也同樣反映在中年人的支撐相與雙支撐相時(shí)間明顯增長(zhǎng)。進(jìn)入緩沖階段，人體重心轉(zhuǎn)移至支撐足，剪力歸零；之后支撐足足跟、足弓相繼離地，進(jìn)入蹬伸階段，剪力向后并逐漸增大，當(dāng)對(duì)側(cè)足初始著地后，剪力在相反方向達(dá)到另一個(gè)峰值；青年人后蹬力與向前制動(dòng)力的比值高于中年人（p<0.05），反映出中年人肌肉力量明顯減弱。隨著對(duì)側(cè)足進(jìn)入支撐階段，剪力降低，當(dāng)足趾離地再次進(jìn)入擺動(dòng)時(shí)期，剪力重新歸零。

3.4 痕跡反映

踏痕是足由擺動(dòng)時(shí)期過(guò)渡到支撐時(shí)期與地面初始接觸（IFC）所形成，最先接觸的部位稱為落足點(diǎn)，隨著能量的釋放與緩沖完成前踏動(dòng)作，如果足停止不動(dòng)，地面會(huì)反映出踏痕的起止緣與作用范圍。然而，人體的運(yùn)動(dòng)使足繼續(xù)滾動(dòng)并進(jìn)入垂直支撐階段，踏痕止緣被壓力作用形成的壓力面覆蓋，但同時(shí)又在重疊區(qū)域形成交匯的痕跡反映，稱為踏痕的躍變點(diǎn)。

測(cè)試對(duì)象在沙土地面自然行走，留下成趟足跡如圖4所示。青年人足跡整體反映出的變形大，邊緣輪廓清晰，足跡后部踏痕區(qū)域堆土較中年人明顯，與落足后磕力大相符（見(jiàn)圖3；青年人都出現(xiàn)不同程度的磕痕，中年人則不到1/3）。青年人踏痕兩端點(diǎn)（躍變點(diǎn)）處缺口痕跡明顯，反映出落足有力，角度大，與支撐時(shí)相動(dòng)作和痕跡特點(diǎn)形成鮮明對(duì)比。

圖4 踏痕反映對(duì)照?qǐng)D

4 結(jié)論

基于生物力學(xué)的人體步態(tài)分析和踏痕形成機(jī)理研究，有助于全面、深入理解和細(xì)致把握足跡踏痕的形成動(dòng)作和條件，從而透過(guò)現(xiàn)象抓住本質(zhì)，準(zhǔn)確確定踏痕落足點(diǎn)、躍變點(diǎn)及作用范圍，從而有效利用踏痕與年齡的相關(guān)關(guān)系和經(jīng)驗(yàn)公式，準(zhǔn)確刻畫(huà)遺留足跡人的人身特點(diǎn)。本文對(duì)踏痕形成和特點(diǎn)的基礎(chǔ)性研究，為足跡檢驗(yàn)技術(shù)從少數(shù)專家經(jīng)驗(yàn)型向普及客觀標(biāo)準(zhǔn)型發(fā)展的方向上做出了有意的探索和嘗試。