蹬痕形成和變化的生物力學(xué)基礎(chǔ)研究

湯澄清, 桑偉波, 姬瑞軍, 張慶時(shí)

(1.中國刑事警察學(xué)院, 遼寧沈陽 110035; 2.佛山市公安局, 廣東佛山 528000)

0 引言

足跡在犯罪現(xiàn)場(chǎng)的出現(xiàn)率和提取率很高，足跡反映犯罪嫌疑人的個(gè)人信息也最豐富[1]。然而，實(shí)際辦案中利用足跡形象特征以及行走運(yùn)動(dòng)特征特別是步態(tài)特征，分析和刻畫嫌疑人人身特點(diǎn)的實(shí)踐應(yīng)用相對(duì)較少。究其原因，主要是足跡形成過程中各種主客觀影響因素多，導(dǎo)致痕跡特征的變化大、識(shí)別的難度大。目前，對(duì)足跡運(yùn)動(dòng)特征的識(shí)別仍處于經(jīng)驗(yàn)積累階段，即憑借刑偵技術(shù)人員自身積累的經(jīng)驗(yàn)來認(rèn)識(shí)足跡特征，這就需要嚴(yán)格和長期的訓(xùn)練，通過由淺入深、由己及人的訓(xùn)練，最終達(dá)到對(duì)足跡運(yùn)動(dòng)特征的有效識(shí)別和應(yīng)用。但是劉玉文[2]提出的4步識(shí)別訓(xùn)練方法主要是對(duì)照人足的骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行，對(duì)足跡特征的認(rèn)識(shí)依靠主觀定性分析和比對(duì)觀察，同時(shí)引入了一些非標(biāo)準(zhǔn)、不規(guī)范的概念，主觀性強(qiáng)，不利于理解和掌握。楊航等[3]從人體生理狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)機(jī)能的變化角度闡述了通過蹬痕等步態(tài)特征分析年齡的原理以及實(shí)踐中分析年齡的諸多方法。作者通過對(duì)典型足跡圖例的特征觀察和標(biāo)畫說明蹬痕，特別是趾蹬痕的痕跡反映及其與年齡的相關(guān)關(guān)系，但是對(duì)蹬痕隨年齡變化的機(jī)理并沒有做細(xì)致的研究。實(shí)際操作中主要是根據(jù)蹬痕的位置、形態(tài)(介質(zhì)濃淡或堆土、拋土)劃分年齡段。史力民等[4]針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)殘缺足跡，提出首先判斷留痕部位，進(jìn)而結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)足跡的遺留和反映情況，分別闡述平面足跡和立體足跡蹬痕的觀測(cè)方法，并利用蹬痕隨年齡變化的趨勢(shì)和規(guī)律特點(diǎn)推算犯罪嫌疑人的年齡特征。隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，對(duì)人體行走運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及形成足跡的特點(diǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了定量描述[5]。但是對(duì)蹬痕形成機(jī)理、反映特點(diǎn)以及變化規(guī)律的定量化研究仍很少。開展蹬痕等步態(tài)特征量化、客觀的基礎(chǔ)性研究，提高其利用率和分析的準(zhǔn)確性成為刑事科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域里的重要課題。

1 研究方法

蹬痕是蹬伸(也稱為后蹬、起足、推進(jìn))階段的主體痕跡，是人體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)功能、行為與心理活動(dòng)在足跡中的綜合表現(xiàn)之一。蹬痕反映取決于承受客體的結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)，易受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件、行走速度、犯罪嫌疑人心理、年齡、鞋子種類等諸多因素的影響。本文旨在從生物力學(xué)的角度，運(yùn)用先進(jìn)的測(cè)量儀器和科學(xué)的技術(shù)手段，采集人體行走的時(shí)間、空間和力學(xué)參數(shù)，定量分析蹬痕的形成過程及足- 地接觸力的相互作用。

1.1 測(cè)試對(duì)象

35名成年男性志愿者參與了本實(shí)驗(yàn)研究，將其分為青年(18人)和中年(17人)2組。所有測(cè)試對(duì)象身體健康，無行走障礙和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的任何疾病，也都沒有因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)損傷等接受過任何手術(shù)，測(cè)試對(duì)象的年齡和體重信息見表1。

表1 測(cè)試對(duì)象個(gè)人信息

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

足底壓力等數(shù)據(jù)使用比利時(shí)RSscan公司的Footscan?2 m板采集，采樣頻率126 Hz，并與RSscan 3D-box同步。ATMI三維測(cè)力臺(tái)安裝在壓力平板的下方，壓力平板上表面與地面水平。成趟立體足跡樣本則在足跡實(shí)驗(yàn)室的沙土地面上遺留和收集。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

測(cè)試對(duì)象首先了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮筒襟E，之后在研究室8米長的步道(壓力平板和測(cè)力臺(tái)置于中間，上方及兩端鋪有薄的EVA墊)上往返行走數(shù)次，熟悉并適應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程環(huán)境。然后，每個(gè)人以正常速度自然行走經(jīng)過壓力平板和測(cè)力臺(tái)，采集10組左足二步數(shù)據(jù)以及15組左右左足數(shù)據(jù)(三步法[6])。之后，再在立體足跡實(shí)驗(yàn)室的沙土地面上以同樣的方式行走，留下大約10枚左右的穿襪成趟立體足跡。Footscan足底壓力系統(tǒng)顯示的步態(tài)時(shí)空界面如圖1所示。

圖1 footscan足底壓力系統(tǒng)顯示步態(tài)時(shí)空界面

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采集的時(shí)間、空間和力學(xué)參數(shù)經(jīng)由系統(tǒng)軟件導(dǎo)出并存儲(chǔ)為Excel文件，利用Microsoft Excel2010和SPSS 15.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，組間數(shù)據(jù)的差異性水平選擇顯著差異P<0.05和極其顯著p<0.01。

2 結(jié)果與討論

2.1 時(shí)間參數(shù)

行走是人體通過與地面的相互作用，在一定空間里經(jīng)歷一定時(shí)間的機(jī)械運(yùn)動(dòng)[7]。一個(gè)步態(tài)周期分為支撐和擺動(dòng)兩個(gè)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)期分成加速、擺動(dòng)和減速3個(gè)階段。本實(shí)驗(yàn)中2組測(cè)試對(duì)象支撐時(shí)期的主要步態(tài)時(shí)間參數(shù)如表2所示，其中中年人單足支撐時(shí)期(LFC)長，而跖著地和支撐中期開始時(shí)間(即IMC和IFFFC占足支撐時(shí)期的百分比)早，足跟離地(即HO占足支撐時(shí)期的百分比)晚，與青年差異極其顯著(p<0.01)。趙芳等[8]對(duì)比青年人步態(tài)周期單雙支撐時(shí)相發(fā)現(xiàn)，中老年人隨著身體機(jī)能下降，肌肉收縮能力衰退，動(dòng)作變得緩慢，呈現(xiàn)行走時(shí)求穩(wěn)不求快的現(xiàn)象。可見中年人通過增加支撐時(shí)間來補(bǔ)償平衡能力的降低，這些都直接決定了起足蹬伸力的作用時(shí)間，也將引起蹬痕特征反映的變化。

表2 步態(tài)時(shí)間參數(shù)

2.2 空間參數(shù)

行走運(yùn)動(dòng)中，左右下肢(包括足)交替的支撐與擺動(dòng)的空間搭配關(guān)系通常用左右步長、步寬和步角來描述。步速(行走速度)取決于步長和步頻的結(jié)合，是步態(tài)特征變化的主要影響因素。實(shí)驗(yàn)中2組測(cè)試對(duì)象的步長、步頻和步速如表3所示，三者均隨年齡增長而下降，中年與青年差異極其顯著(p<0.01)。伍勰等[9]分析老年人行走速度隨年齡增大下降的原因主要是由于步長減少造成的。由此可見，中年人生理機(jī)能和運(yùn)動(dòng)能力下降明顯，這些都影響蹬地足骨杠杠的作用與力矩平衡關(guān)系，也將引起蹬痕部位和形態(tài)的差異。

2.3 力學(xué)參數(shù)

表3 步長、步頻和步速

外剪力，其中對(duì)蹬痕起主要作用的是前后方向剪力。支撐時(shí)期地面支撐反力(水平分力即為足對(duì)地面前后剪力的反作用力)方向和大小的變化如圖2所示。

圖2 地面支撐反力變化示意圖

本實(shí)驗(yàn)中青年組與中年組前后剪力的典型變化(向前為正，向后為負(fù)；水平軸對(duì)支撐時(shí)間歸一化，即占支撐時(shí)相的百分比，垂直軸對(duì)體重歸一化，即占體重的百分比)如圖3所示。力的作用點(diǎn)、大小和方向，作用時(shí)間，起足的快慢以及運(yùn)動(dòng)能力都會(huì)影響蹬痕的位置、形態(tài)等特征。

圖3 前后剪切力對(duì)照?qǐng)D

由圖可見，進(jìn)入緩沖階段，人體重心逐漸轉(zhuǎn)移至對(duì)側(cè)支撐足，剪力下降至零；期間支撐足足跟、足弓相繼離地，足掌、足趾陸續(xù)進(jìn)入蹬伸階段，剪力轉(zhuǎn)而向后并逐漸增大；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；青年人后蹬力略高于中年人，后蹬力與向前制動(dòng)力的比值高于中年人(p<0.05)，反映出中年人的肌肉力量減弱明顯。隨著對(duì)側(cè)足進(jìn)入全足支撐階段，剪力降低，而當(dāng)足趾離地再次進(jìn)入擺動(dòng)時(shí)期時(shí)，剪力重新歸零。

兩組測(cè)試對(duì)象前后剪力圖的末端時(shí)刻均有不同程度的翻轉(zhuǎn)，根據(jù)剪力的作用力方向可知青年人和中年人起足時(shí)都有挑擦的動(dòng)作，即形成了挑痕。挑痕位于足跡前邊緣的前面，是由于起足低，在足尖離開地面時(shí)挑擦前上方的地面形成的痕跡。挑痕與年齡、身體機(jī)能、鞋種及地面條件有密切關(guān)系。通常中老年及駝背的人起足低，易出現(xiàn)挑痕，另外，鞋子的合腳程度、負(fù)重及地面松軟或附著物偏厚都可能形成挑痕。本實(shí)驗(yàn)中青年人起足挑痕的出現(xiàn)率為15.4%，中年人的出現(xiàn)率略高，分析其原因，可能是由于在步道上行走速度相對(duì)較慢所致。

2.4 痕跡反映

蹬痕亦可稱為后蹬痕，分為跖后蹬痕和趾后蹬痕兩部分，簡稱跖蹬痕和趾蹬痕。通常趾蹬痕易受介質(zhì)、伴生痕跡等影響形態(tài)模糊，所以起足蹬痕主要觀察跖蹬痕。在立體足跡中，跖蹬痕從跖前緣到掌區(qū)后方的變形由深變淺，常有堆土或拋土反映，形成向后的弧凸或“倒三角”狀。平面足跡中多表現(xiàn)為介質(zhì)的轉(zhuǎn)移形成的堆積或擦劃痕跡。

測(cè)試對(duì)象在沙土地面自然行走，留下的立體足跡如圖4所示，足跡左側(cè)為同一足足底壓力分布圖。青年人足跡整體反映出的邊緣輪廓清晰，掌區(qū)蹬地變形大，而作用范圍小，反映出青年人起足動(dòng)作干凈利索，持續(xù)時(shí)間短。中年人跟區(qū)、弓區(qū)外側(cè)壓偏重，掌區(qū)壓力分布均勻，蹬地位置向外側(cè)偏移。對(duì)青年人與中年人足底不同區(qū)域壓力分布、壓力中心(COP)形態(tài)研究表明，隨著年齡增長，掌外側(cè)重壓區(qū)、重壓點(diǎn)逐漸后移，跟區(qū)、弓區(qū)重壓點(diǎn)越來越靠外[10]。

圖4 蹬痕反映對(duì)照?qǐng)D

3 案例應(yīng)用

2015年2月13日，某市白山鄉(xiāng)蔬菜大棚著火案現(xiàn)場(chǎng)提取犯罪嫌疑人在來去路線上遺留的足跡多枚，該市刑警大隊(duì)委托我院對(duì)現(xiàn)場(chǎng)足跡進(jìn)行分析，刻畫犯罪嫌疑人的體貌特征。經(jīng)檢驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)足跡系土地面上的穿鞋足跡，正常行走遺留，鞋底平整，輪廓清晰完整，如圖5所示。鞋印整體壓力面外重內(nèi)輕，掌區(qū)蹬痕在中心線偏外側(cè)近三趾處，有向后堆土反映，鞋印前尖挑痕明顯。綜合踏痕及跟壓痕等其他步態(tài)特征，分析犯罪嫌疑人年齡應(yīng)在35～40歲之間，破案后證實(shí)犯罪嫌疑人39歲。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)穿鞋足跡及分析特征標(biāo)畫

4 結(jié)論

蹬痕作為步態(tài)特征的主體痕跡之一，是利用足跡分析犯罪嫌疑人年齡、行走姿勢(shì)等生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和習(xí)慣動(dòng)作特點(diǎn)的重要特征。本文通過對(duì)蹬痕形成動(dòng)作和機(jī)制的生物力學(xué)基礎(chǔ)研究，深刻揭示其痕跡特點(diǎn)和變化規(guī)律。通過對(duì)比青年人和中年人行走時(shí)間、空間和力學(xué)參數(shù)可知二者的蹬痕具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

(1)青年人行走速度快，肌力大，蹬痕明顯，而中年人則通過作用時(shí)間(沖量)和范圍來補(bǔ)償肌肉力量的減弱，因此蹬痕的面積大；

(2)隨著年齡增長，掌區(qū)、弓區(qū)和跟區(qū)外側(cè)壓偏大，無論是COP還是壓力分布向外側(cè)偏移明顯；

(3)青年人足跡反映積極步態(tài)特征的伴生痕跡抬痕的出現(xiàn)率高，而中年人反映消極，步態(tài)特征的伴生痕跡挑痕等的出現(xiàn)率高。

實(shí)際應(yīng)用中，要全面考慮痕跡形成過程中主客觀因素的影響，綜合分析踏、壓、蹬痕的相關(guān)關(guān)系，才能不斷提高分析的準(zhǔn)確率和足跡的利用率。