鞋跟高度對(duì)足跡動(dòng)、靜態(tài)特征影響的研究

周祥松，張萬松

（1．信陽(yáng)市商城縣公安局，河南 信陽(yáng) 465350；2．河南省公安廳刑事技術(shù)總隊(duì)，河南 鄭州 450003）

行走運(yùn)動(dòng)是人類最基本、最簡(jiǎn)單的活動(dòng)方式，是一種左右足交替向前重復(fù)進(jìn)行的周期性運(yùn)動(dòng)，足在行走位移過程中起著至關(guān)重要的作用。足由26塊足骨、33個(gè)足關(guān)節(jié)、20多條肌肉和100多條韌帶組成。每個(gè)人的足骨組成盡管基本一致，但因其骨骼的形態(tài)并不完全相同，再加上受到生活習(xí)慣、勞動(dòng)條件、生活環(huán)境、疾病或損傷以及遺傳等多種因素的影響，不同人其足的形態(tài)結(jié)構(gòu)有著各自的特殊性，這也是足跡檢驗(yàn)的客觀依據(jù)之一。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代制鞋理念發(fā)生了深刻的變革，男女鞋的鞋跟高度都在不斷增加，穿著中、高跟鞋日漸成為時(shí)尚的象征，這類足跡在犯罪現(xiàn)場(chǎng)也時(shí)有出現(xiàn)。利用傳統(tǒng)足跡檢驗(yàn)技術(shù)分析這類足跡遺留人的人身特點(diǎn)出現(xiàn)了困難，檢驗(yàn)鑒定結(jié)果的科學(xué)性受到不斷質(zhì)疑，原因在于鞋跟的增高，使足部承擔(dān)的人體壓力產(chǎn)生了前移，鞋底各部分的壓痕分布也產(chǎn)生了變化[1]。為了探索提高中、高跟足跡分析能力和量化檢驗(yàn)水平，研究穿高跟鞋引起的足跡步法特征和足底壓力分布變化規(guī)律，為不同鞋跟高度的足跡檢驗(yàn)提供理論依據(jù)、實(shí)用可靠的經(jīng)驗(yàn)公式和方法，從而提高足跡檢驗(yàn)的科學(xué)水平，拓寬足跡檢驗(yàn)范圍。

1 材料與方法

1.1 儀器

本實(shí)驗(yàn)所用儀器為刑警學(xué)院足跡教研室現(xiàn)有的Footscan足底壓力測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由2 m長(zhǎng)的壓力采集板與配套的分析軟件構(gòu)成。采集板的長(zhǎng)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，能夠滿足高跟鞋足跡分析的要求[2]。

1.2 對(duì)象

選取刑警學(xué)院50名男性學(xué)生作為研究對(duì)象，這50名學(xué)生年齡在20～25歲之間，體型適中，無過瘦過胖者，無X或O型腿，且下肢沒有任何疾病、殘疾、損傷、骨折等手術(shù)造成步態(tài)異常的歷史，同時(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)象要有經(jīng)常穿高跟鞋（增高鞋）的習(xí)慣，從而提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3 方法

鞋跟高度是相對(duì)鞋底腰部厚度而言，即鞋跟的整體高度。為達(dá)到不同鞋跟高度的目的，本次實(shí)驗(yàn)特制不同厚度的高跟鞋墊墊在高幫鞋內(nèi)，從而滿足高跟鞋的實(shí)驗(yàn)的要求，同時(shí)，考慮到鞋跟高度變化范圍較小，穿著時(shí)步幅類型區(qū)分度不明顯等的情況，實(shí)驗(yàn)過程中，只選取平跟30、50、70mm4款高跟鞋。要求實(shí)驗(yàn)對(duì)象分別穿這4款高跟鞋，從Footscan足底壓力測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)力平臺(tái)上正常行走5次，每次均在測(cè)力平臺(tái)上遺留3枚有效足跡，步態(tài)周期、足底壓力等數(shù)據(jù)則采集并存儲(chǔ)在Footscan足底壓力測(cè)試系統(tǒng)軟件中。同時(shí)捺印對(duì)應(yīng)的穿不同高跟鞋的油墨樣本足跡。為避免實(shí)驗(yàn)過程中穿鞋順序、穿鞋時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)的影響，要求實(shí)驗(yàn)對(duì)象每穿一種鞋時(shí)有幾分鐘的行走適應(yīng)過程。

1.4 數(shù)據(jù)分析

選擇每名實(shí)驗(yàn)對(duì)象中間3次行走的足底壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所有數(shù)據(jù)均用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行處理，P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 步態(tài)周期分析

步態(tài)周期，是指從一側(cè)足的足跟著地起，到同一側(cè)足跟再次著地為止的連續(xù)過程，是步行的時(shí)間參數(shù)。根據(jù)腿部的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)特征，將步態(tài)周期分為支撐階段和擺動(dòng)階段。其中，支撐階段是指足接觸地面和承受重力的時(shí)間段，約占步態(tài)周期的60%；擺動(dòng)階段是指足在空中向前擺動(dòng)的時(shí)間段，約占步態(tài)周期的40%[3]。

Footscan足底壓力測(cè)試系統(tǒng)獲得的實(shí)驗(yàn)對(duì)象穿不同鞋跟高度鞋的步態(tài)周期變化情況，如表1所示。 其中，在 P＜0.05 的情況下，穿 30、50、70 mm 跟高的鞋正常行走時(shí)步態(tài)周期略大于穿著平跟鞋，穿30、50 mm跟高的鞋正常行走時(shí)步態(tài)周期顯著小于穿70mm跟高的鞋。隨著鞋后跟高度的增加，支撐階段所占步態(tài)周期比例減小，相對(duì)應(yīng)的擺動(dòng)階段所占比例增加，穿平跟鞋正常行走時(shí)擺動(dòng)階段所占比例小于穿30、50、70mm跟高的鞋。同時(shí)，雙足支撐階段所占步態(tài)周期比例也隨著鞋跟高度的增加而減小，穿30、50、70mm跟高的鞋正常行走時(shí)雙足支撐階段所占百分比均顯著小于穿平跟鞋。

表1 穿不同鞋跟高度鞋的步態(tài)周期表

2.2 動(dòng)態(tài)足跡特征分析

人體在行走運(yùn)動(dòng)過程中，依靠自身重力作用，足跟最先與地面接觸過渡到前掌蹬離地面，身體前移這一過程，所受到承痕客體上的反作用力，即為足底壓力。由于不同人的足在解剖結(jié)構(gòu)方面的差異以及年齡、身高、體態(tài)、行走習(xí)慣的不同，足底與地面的接觸面積、接觸時(shí)間、相互作用力的大小等也不盡相同，從而在足跡上形成的特征也不同。同時(shí)，當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，足底壓力反映在承痕客體上的痕跡特征都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，因此，測(cè)試、分析不同狀態(tài)下的足底壓力分布情況，獲取人體相對(duì)應(yīng)的生理力學(xué)參數(shù)和機(jī)能參數(shù)，這對(duì)足跡檢驗(yàn)理論研究具有重要意義。

Footscan步態(tài)分析系統(tǒng)獲得的實(shí)驗(yàn)對(duì)象穿不同鞋跟高度鞋的足底壓力特征變化情況，壓力面，壓強(qiáng)曲線如圖1～4所示，正常行走時(shí)足底各區(qū)域壓強(qiáng)值，如表2、表3所示。由以上數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)對(duì)象穿不同跟高的鞋正常行走時(shí)，左、右足各部位壓強(qiáng)相似，壓力分布基本相同，說明正常人站立或行走時(shí)步態(tài)正常，雙足承受壓力對(duì)稱，從而可以避免異常高足底壓力出現(xiàn)[4]，保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

對(duì)表中數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：在P＜0.05的情況下，鞋跟高度對(duì)足底各部位壓強(qiáng)有顯著影響。穿30、50、70 mm跟高的鞋時(shí)拇趾部位、第2跖、第3跖的壓強(qiáng)值均顯著大于穿平跟鞋，穿30、50 mm跟高的鞋時(shí)拇趾部位、第2跖、第3跖的壓強(qiáng)值均顯著小于穿70 mm跟高的鞋，說明隨著鞋跟高度的增加，跖趾區(qū)部位的壓強(qiáng)值增加。穿30、50、70mm跟高的鞋時(shí)弓區(qū)壓強(qiáng)值變化不顯著。穿30、50、70mm跟高的鞋時(shí)跟區(qū)內(nèi)側(cè)和外側(cè)部位的壓強(qiáng)值均顯著小于穿70mm跟高的鞋，穿70mm跟高的鞋時(shí)跟區(qū)的壓強(qiáng)值均顯著小于穿30、50 mm跟高的鞋，說明隨著鞋跟高度的增加，跟區(qū)部位壓強(qiáng)值降低。同時(shí)，隨著鞋跟高度的增加，弓區(qū)部位壓強(qiáng)值變化不明顯。

圖1 某實(shí)驗(yàn)對(duì)象穿平跟鞋正常行走足底壓力面、壓強(qiáng)曲線

圖2 某實(shí)驗(yàn)對(duì)象穿30mm跟高鞋正常行走足底壓力面、壓強(qiáng)曲線

圖3 某實(shí)驗(yàn)對(duì)象穿50mm跟高鞋正常行走足底壓力面、壓強(qiáng)曲線

圖4 某實(shí)驗(yàn)對(duì)象穿70mm跟高鞋正常行走足底壓力面、壓強(qiáng)曲線

表2 正常行走左足足底各區(qū)域壓強(qiáng)值表 （N/cm2）

表3 正常行走右足足底各區(qū)域壓強(qiáng)值表 （N/cm2）

2.3 靜態(tài)足跡特征分析

2.3.1 步幅特征

步幅特征，是指在成趟足跡中反映人行走時(shí)左右足跡在空間中的協(xié)調(diào)搭配關(guān)系特征，是行走運(yùn)動(dòng)習(xí)慣特征在成趟足跡中的一種反映形式，它蘊(yùn)含著人行走運(yùn)動(dòng)中的內(nèi)在規(guī)律，是分析行走人運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)的客觀依據(jù)，也是成趟足跡中的重要種屬特征[5]。實(shí)驗(yàn)中，用油墨白紙捺印實(shí)驗(yàn)對(duì)象穿不同跟高的鞋正常行走時(shí)的成趟樣本足跡，依據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)成趟足跡樣本的步長(zhǎng)、步寬、步角測(cè)量，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表4、表5所示。

對(duì)表中數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：在P＜0.05的情況下，鞋跟高度對(duì)步幅特征有顯著影響。穿30、50、70 mm跟高的鞋時(shí)步長(zhǎng)值顯著小于穿平跟鞋，穿30、50 mm跟高的鞋時(shí)步長(zhǎng)值顯著大于穿70 mm跟高的鞋，說明隨著鞋跟高度的增加，步長(zhǎng)值變小。穿70 mm跟高的鞋時(shí)步寬值顯著大于穿平跟鞋，說明鞋跟高度增加，步寬值有所增加，但增加趨勢(shì)較小。同時(shí)，穿50mm跟高的鞋時(shí)步角值顯著小于穿平跟鞋，說明鞋跟高度增加，步寬值有所較小，當(dāng)鞋跟高度增加至50mm以上，步角值趨于穩(wěn)定。

表4 正常行走左足步幅特征參數(shù)值表

表4 正常行走左足步幅特征參數(shù)值表

2.3.2 步態(tài)特征

步態(tài)特征，是指足接觸地面各部位習(xí)慣動(dòng)作所形成的痕跡，在行走運(yùn)動(dòng)過程中，隨著人體姿勢(shì)的變化和身體重心的移動(dòng)，足與承痕客體接觸的先后順序和作用力的大小、方向等導(dǎo)致承痕客體產(chǎn)生與之適應(yīng)的痕跡，它反映留痕人的人身特點(diǎn)及習(xí)慣行走動(dòng)作。

穿30mm高跟鞋與穿平跟鞋正常行走時(shí)，起落足階段步態(tài)特征無明顯變化。穿50、70 mm高跟鞋與穿平跟鞋正常行走步態(tài)特征相比較：落足階段，后跟后緣部位壓力略有較少，踏痕減輕但面積稍有增加，當(dāng)鞋跟高度增加至70mm時(shí)，步幅減小，步頻降低，有擦痕出現(xiàn)；支撐階段，足跡壓痕長(zhǎng)度減少，跖趾部位壓力增加，后跟部位壓力稍有下降，因而，跖趾部位接觸地面較充分，對(duì)地面的沖擊作用明顯。同時(shí)，跖壓的壓力面稍微向足跡四周擴(kuò)展，足跡趾壓前緣向前延伸；起足階段，跖區(qū)的蹬痕向趾區(qū)轉(zhuǎn)移，稍有加重，作用范圍略并向足跡趾區(qū)外側(cè)延伸，出現(xiàn)第二、第三趾蹬，捺印的成趟足跡樣本中可見明顯向后蹬地所產(chǎn)生的擦劃線條狀痕跡，當(dāng)鞋跟高度增加至70mm時(shí)，有伴生挑痕出現(xiàn)。

3 討論

3.1 步態(tài)周期分析

隨著鞋跟高度的增加，步態(tài)周期增大，這與吳劍，李建設(shè)通過研究青少年女性穿不同鞋行走時(shí)步態(tài)的動(dòng)力學(xué)中發(fā)現(xiàn)“穿高跟鞋比穿平跟鞋平地行走步態(tài)周期更長(zhǎng)”的結(jié)果一致[6]。由于人體行走運(yùn)動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程，隨著鞋跟高度的增加，可以推斷人體穩(wěn)定性必然會(huì)降低，實(shí)驗(yàn)對(duì)象在行走過程中為了獲取更大的穩(wěn)定性必然會(huì)降低步速，從而導(dǎo)致步態(tài)周期時(shí)間延長(zhǎng)。同時(shí)，跟高的增加，支撐階段和雙足支撐階段所占步態(tài)周期的比例減小，擺動(dòng)階段所占比例增加，這與時(shí)會(huì)娟等[7]的研究結(jié)果“隨著高度的增加，支撐階段和雙足支撐階段所占步態(tài)周期的比例降低”一致。雙足支撐階段是指身體從一個(gè)靜態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)整成動(dòng)態(tài)的不穩(wěn)定位置的運(yùn)足邁步過程，其所占步態(tài)周期比例降低，表明運(yùn)動(dòng)過程中身體重心轉(zhuǎn)移的工作還沒有徹底完成，而足已經(jīng)邁了出去，這樣的狀態(tài)若持續(xù)下去，身體會(huì)因失衡而摔倒，再加上擺動(dòng)相的穩(wěn)定性不如支撐相，因此，支撐相的減小表明鞋跟高度的增加會(huì)使身體的穩(wěn)定性降低[8]。因此，在對(duì)高跟鞋足跡檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)考慮鞋跟高度可能對(duì)步態(tài)周期造成的影響，對(duì)差異點(diǎn)作出科學(xué)合理的解釋，以確保足跡鑒定意見的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

3.2 動(dòng)態(tài)足跡特征分析

有關(guān)足底壓力的分布情況，目前生物力學(xué)領(lǐng)域的研究結(jié)果普遍表明：正常人在步態(tài)周期支撐相中，足底壓力中心在足跟著地后，逐漸移到第2跖骨，在趾離地前的瞬間，移到第1趾骨頭和拇趾；同時(shí)，足的5趾壓力分布中，以拇趾最大，外側(cè)4趾壓力分布成比例的減小[9]；但5個(gè)跖骨的壓力分布一致存在爭(zhēng)議。在以往依靠專家經(jīng)驗(yàn)積累的足跡檢驗(yàn)中，也以這個(gè)研究成果為基礎(chǔ)對(duì)磨損特征和足跡動(dòng)力形態(tài)特征進(jìn)行定性研究。

通過對(duì)比分析可知：隨鞋跟高度的增加，跟區(qū)的壓強(qiáng)值減少，跖趾區(qū)的第2跖、第3跖的壓強(qiáng)值顯著增加，足底壓力由后向前轉(zhuǎn)移。這與王立平[10]通過對(duì)女性赤足、平跟鞋、中跟鞋和高跟鞋步態(tài)進(jìn)行了全足底壓力分布研究的結(jié)果“穿高跟鞋行走時(shí)，足前掌受力明顯增加，足跟受力減小”一致。但與JOANNE等[11]通過研究女性穿不同跟高的鞋行走時(shí)的足底壓力的結(jié)果：“與赤足狀態(tài)下相比，隨著鞋后跟的增高，第五跖骨端的壓強(qiáng)明顯的降低”不一致，這可能與性別或?qū)嶒?yàn)用鞋有關(guān)，JOANNE等研究的是女性高跟鞋，而本實(shí)驗(yàn)研究側(cè)重的是男性高跟鞋（增高鞋），雖然都是鞋跟高度的增加，但男性鞋后跟部位的面積、鞋身的寬肥度要普遍大于女性高跟鞋。同時(shí)，JOANNE等的研究還指出鞋跟高度和跟區(qū)面積對(duì)足底壓力特征具有重要影響，因此，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)足跡進(jìn)行分析、檢驗(yàn)時(shí)還應(yīng)注意鞋跟高度和跟區(qū)面積的影響。

鞋跟高度對(duì)足弓壓強(qiáng)值變化均無顯著影響，這與王志彬等[12]的研究結(jié)果“足弓墊可以改變足底壓力分布，使足底壓力的57.1%集中在足弓墊下，有利于增加足弓的支撐力，緩解跖鍵膜的牽引力，減輕足跟的負(fù)重”相符合。足弓主要起到傳遞力和緩沖力的作用，同時(shí)鞋腰可以有效改變足底壓力的分布情況，因此，在穿鞋足跡檢驗(yàn)中，一定要注意鞋腰部位對(duì)足底壓力特征造成的影響以及足跡中弓區(qū)特征的變化情況；同時(shí)，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(xì)分析，可推斷犯罪嫌疑人有可能穿增高鞋的可能，從而為縮小排查范圍。

3.3 靜態(tài)足跡特征分析

3.3.1 步幅特征

步幅特征是一組隨機(jī)變量，然而隨著鞋跟高度的增加，這組變量卻表現(xiàn)出了一定的規(guī)律性：整體步幅特征參數(shù)值滿足“步長(zhǎng)變小，步寬變大，步角變小”的規(guī)律。這與LEE等[13]通過研究穿高跟鞋和負(fù)重對(duì)青年女性正常行走時(shí)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)的影響發(fā)現(xiàn)“隨著鞋跟高度增加，步長(zhǎng)變小，步寬略微變大”的結(jié)果基本一致。雖然跟高的增高，步寬、步角特征變化幅度較小，單從這兩種特征進(jìn)行步幅檢驗(yàn)時(shí)，區(qū)分不同人的能力不夠強(qiáng)，但如果把步長(zhǎng)和其他特征結(jié)合起來加以考查，就可以把一個(gè)人的步幅從許多人中區(qū)別開來，至少可以把某一類型的步幅特征從眾多的步幅特征中區(qū)別出來。

3.3.2 步態(tài)特征

鞋跟高度增加，身體前傾，重心前移且略有增高，導(dǎo)致跖趾部位壓力增加，后跟部位壓力減少。跟高繼續(xù)增加，身體處于失衡狀態(tài)，行走無法繼續(xù)，在此狀態(tài)之前由于鞋的作用，落足階段會(huì)出現(xiàn)擦痕、起足階段會(huì)出現(xiàn)挑痕等伴生痕跡，在檢驗(yàn)鑒定過程中應(yīng)特別注意。由于實(shí)驗(yàn)對(duì)象均有穿高跟鞋的習(xí)慣，決定了步態(tài)特征規(guī)律具有一定的穩(wěn)定性，這種穩(wěn)定的步態(tài)特征是高跟鞋足跡檢驗(yàn)的基礎(chǔ)。然而，實(shí)驗(yàn)中，由于測(cè)力平板及通道條件的限制，實(shí)驗(yàn)對(duì)象在在穿不同跟高的鞋時(shí)經(jīng)常為了能在儀器上行走而被動(dòng)調(diào)整自己的行走動(dòng)作，使得足跡步態(tài)特征發(fā)生不規(guī)律的變化[14]，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的誤差。

4 結(jié)論

隨著鞋跟高度的增加，步態(tài)周期增加，步幅特征中步長(zhǎng)變小，步寬變大，步角變??；足底壓力分布發(fā)生變化，跟區(qū)壓力較小，跖趾區(qū)壓力增加；鞋跟高度對(duì)步態(tài)特征影響較大，落足階段踏痕減輕，有時(shí)伴有擦痕出現(xiàn)，支撐階段跖趾部位與地面接觸充分，沖擊作用明顯，起足階段趾區(qū)的蹬痕加重且向足跡趾區(qū)外側(cè)延伸，有時(shí)伴有挑痕出現(xiàn)。因此，當(dāng)犯罪現(xiàn)場(chǎng)穿鞋足跡存在上述變化，利用傳統(tǒng)的步法特征推斷嫌疑人人身特點(diǎn)存在不確定性時(shí)，不能主觀臆斷、強(qiáng)加分析，應(yīng)結(jié)合其它證據(jù)線索、多方面多角度進(jìn)行系統(tǒng)化檢驗(yàn)，才能得到客觀正確的檢驗(yàn)鑒定結(jié)論。本研究的結(jié)果有助于深入了解鞋跟高度對(duì)動(dòng)、靜態(tài)足跡特征的影響和規(guī)律，同時(shí)也為案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)利用高跟鞋足跡分析犯罪嫌疑人人身特點(diǎn)和作案過程提供可靠的理論依據(jù)和實(shí)用方法。