基于運(yùn)動(dòng)捕捉的持刀砍擊距離和砍擊所需空間的特征分析

袁書芳，李上校，楊超朋，倪彬，郭文霞，石屹，王冬梅，潘嘉慧，王明直，郝衛(wèi)亞

1.國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所，北京 100061；2.公安部鑒定中心，北京 100038；3.北京體育大學(xué)，北京 100084；4.北京化工大學(xué)，北京 100029

由于砍器方便易得，便于揮動(dòng)，且揮動(dòng)速度快、力量大，導(dǎo)致砍擊的傷害性和威脅性較強(qiáng)[1]，是暴力傷人、殺人案件中最常見的方式之一。

砍擊傷害案件中致傷工具的推斷和傷害過(guò)程的重建[2]，如作案人性別、被害人體位、傷害部位等是重現(xiàn)作案過(guò)程的要素[3]。推斷行兇時(shí)作案人與被害人間的水平距離可為判斷兩人間的位置關(guān)系以及在距離上能否完成砍擊提供重要線索。整個(gè)砍擊過(guò)程中，砍器的運(yùn)動(dòng)軌跡及所需空間對(duì)于推斷砍擊發(fā)生的空間大小具有重要提示作用。因此，作案人與被害人間的水平距離和砍擊所需空間這兩個(gè)參數(shù)反映了完成砍擊行為所需的距離和空間，該距離和空間是否和案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)相符是確定第一案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)和案件性質(zhì)的重要依據(jù)。

三維運(yùn)動(dòng)捕捉為砍擊過(guò)程重建提供了新方法，在法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要作用[4]。近年來(lái)，TRINH 等[5]使用Qualisys 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)探究了不同質(zhì)量和長(zhǎng)度的鐵質(zhì)棍棒對(duì)受試者最大打擊速度的影響，為評(píng)估鈍性打擊的傷害風(fēng)險(xiǎn)提供了參考依據(jù)。MUGGENTHALER 等[6]探究了不同打擊方式（雙手和單手持鐵質(zhì)棍棒打擊）與打擊速度的關(guān)系，對(duì)傷害動(dòng)作模式與損傷風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系進(jìn)行了初步探索。針對(duì)砍擊案件，有學(xué)者使用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)砍擊假人的關(guān)節(jié)速度和刀速進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[7]；也有學(xué)者對(duì)砍擊前臂的過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，探究了砍器鋒利程度對(duì)前臂損傷的影響[8]，為砍創(chuàng)的形成機(jī)制研究提供了依據(jù)。

研究結(jié)果顯示，以殺人為目的的砍擊多發(fā)生在頭部、頸部和胸部[9-10]，一些被害人會(huì)在失去意識(shí)的狀態(tài)下（如醉酒、熟睡）受到致命砍擊傷害，其損傷部位多為頸部[11-13]。本研究擬通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)獲得不同性別受試者使用廚刀砍擊不同體位假人和假人不同部位的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，分析作案人性別、被害人體位、砍擊部位和人體測(cè)量參數(shù)與砍擊距離和砍擊所需空間的關(guān)系，為此類案件的調(diào)查和研判提供參考依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

隨機(jī)選取青年男女各12 名為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，受試者均為右利手，身體狀況良好且心理素質(zhì)穩(wěn)定。男性年齡（24.2±1.1）歲，身高（173.9±3.0）cm，體質(zhì)量（73.2±9.1）kg；女性年齡（23.6±1.2）歲，身高（162.6±3.1）cm，體質(zhì)量（55.0±5.5）kg。本研究由國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所倫理委員會(huì)審批（審批文號(hào)：20210709），在實(shí)驗(yàn)開始前受試者均簽署知情同意書。

1.2 數(shù)據(jù)采集

砍擊對(duì)象為硅膠材質(zhì)假人（170 cm×65 cm）。實(shí)驗(yàn)刀具為家用廚刀[11，14-15]（質(zhì)量1.17 kg，18.3 cm×9.0 cm），用貼布包裹刀刃以防止受試者受傷。為模擬被害人仰臥位被砍擊[11]，使用折疊床（185 cm×60 cm×36 cm）輔助。

依據(jù)Qualisys PAF Running 模型在受試者身上粘貼反光標(biāo)志點(diǎn)[16]，根據(jù)實(shí)際需要在假人頭部、肩部、胸部、髖部以及刀具遠(yuǎn)端、近端粘貼反光標(biāo)志點(diǎn)。

測(cè)試流程：（1）受試者穿著短袖或無(wú)袖緊身衣。（2）熱身后，測(cè)試人員向受試者講解并演示砍擊動(dòng)作，以手持刀具置于身體一側(cè)作為揮刀砍擊的開始和結(jié)束。假人處于站立位時(shí)，砍擊頸部和胸部[17-18]，假人處于仰臥位時(shí)砍擊頸部?？硴魰r(shí)受試者可調(diào)整與假人間的角度和距離以便能夠發(fā)揮出最大力量。（3）受試者理解砍擊要求后，盡全力依次砍擊站立位假人的頸部、胸部和仰臥位假人的頸部。

使用8 鏡頭Oqus700 三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（瑞典Qualisys 公司）采集砍擊動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，采樣頻率為250 Hz，配套反光標(biāo)志點(diǎn)直徑為14 mm。每個(gè)砍擊動(dòng)作采集3次有效數(shù)據(jù)，取數(shù)據(jù)點(diǎn)采集最全的1次進(jìn)行4階巴特沃斯低通濾波去噪聲處理，截?cái)囝l率為25 Hz。

1.3 數(shù)據(jù)處理

砍擊過(guò)程界定為受試者揮刀開始到刀具接觸假人瞬時(shí)的動(dòng)作階段。揮刀開始時(shí)刻為刀尖反光標(biāo)志點(diǎn)（圖1 中A點(diǎn)）坐標(biāo)軸Z軸方向速度大于零的瞬時(shí)，刀具接觸假人時(shí)刻為假人胸骨反光標(biāo)志點(diǎn)速度大于零的瞬時(shí)。反光標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)、速度和受試者的身高、臂長(zhǎng)、腿長(zhǎng)人體測(cè)量參數(shù)從三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的分析軟件Qualisys Track Manager（QTM）中獲得?？硴艟嚯x和砍擊所需空間界定如下：

圖1 砍擊所需空間示意圖Fig.1 Schematic diagram of space required for slashing

（1）砍擊距離（L）：作案人和被害人之間的水平距離能直觀地反映兩者之間的位置關(guān)系，因此砍擊距離界定為刀具接觸假人瞬時(shí)受試者與假人雙側(cè)髂前上棘連線中點(diǎn)間的水平距離（圖2）。為排除受試者身高對(duì)砍擊距離的影響，將砍擊距離除以受試者身高作為相對(duì)砍擊距離（l）。

圖2 砍擊距離示意圖Fig.2 Schematic diagram of slashing distance

①受試者雙側(cè)髂前上棘的水平面坐標(biāo)分別為[Xl，Yl]、[Xr，Yr]，假人雙側(cè)髂前上棘的水平面坐標(biāo)分別為[xl，yl]、[xr，yr]。[Xc，Yc]和[xc，yc]分別為刀具接觸假人瞬時(shí)受試者和假人雙側(cè)髂前上棘中點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算公式為：

②刀具接觸假人瞬時(shí)受試者和假人之間的砍擊距離（L）為：

（2）砍擊所需空間：對(duì)受試者實(shí)施砍擊行為時(shí)非持刀側(cè)和持刀側(cè)的最大水平半徑（LH）和最大垂直距離（LV）進(jìn)行界定（圖1）。非持刀側(cè)水平距離（LHL）為非持刀側(cè)（第二掌指關(guān)節(jié)點(diǎn)B）的運(yùn)動(dòng)軌跡圍繞受試者雙側(cè)髂前上棘中點(diǎn)在水平面上的最大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，除以受試者身高標(biāo)準(zhǔn)化為相對(duì)水平距離（lHL）；非持刀側(cè)垂直距離（LVL）為非持刀側(cè)（第二掌指關(guān)節(jié)點(diǎn)B）的運(yùn)動(dòng)軌跡在垂直方向上的最大距離，除以受試者身高標(biāo)準(zhǔn)化為相對(duì)垂直距離（lVL）；持刀側(cè)水平距離（LHR）為持刀側(cè)（刀尖A）的運(yùn)動(dòng)軌跡圍繞受試者雙側(cè)髂前上棘中點(diǎn)在水平面上的最大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，除以受試者身高標(biāo)準(zhǔn)化為相對(duì)水平距離（lHR）；持刀側(cè)垂直距離（LVR）為持刀側(cè)（刀尖A）的運(yùn)動(dòng)軌跡在垂直方向上的最大距離，除以受試者身高標(biāo)準(zhǔn)化為相對(duì)垂直距離（lVR）。

①受試者雙側(cè)髂前上棘的動(dòng)態(tài)水平坐標(biāo)分別為[Xl（t），Yl（t）]、[Xr（t），Yr（t）]，[Xc（t），Yc（t）]為受試者雙側(cè)髂前上棘中點(diǎn)的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)，計(jì)算公式為：

②[Xk（t），Yk（t），Zk（t）]為刀尖A或非持刀側(cè)第二掌指關(guān)節(jié)點(diǎn)B在X、Y和Z軸方向上的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)，刀尖A或非持刀側(cè)第二掌指關(guān)節(jié)點(diǎn)B運(yùn)動(dòng)軌跡圍繞受試者雙側(cè)髂前上棘中點(diǎn)運(yùn)動(dòng)半徑的動(dòng)態(tài)變化值[LH（t）]為：

③水平距離LH為公式（8）中LH（t）的最大值，垂直距離LV為Zk（t）的最大值。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Shapiro-Wilk 檢驗(yàn)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，采用兩因素重復(fù)測(cè)量方差分析（2×2）分別對(duì)作案人性別-被害人體位（站立位和仰臥位假人的頸部）、作案人性別-砍擊部位（站立位假人的頸部和胸部）的砍擊距離及砍擊所需空間的絕對(duì)值和相對(duì)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。使用Pearson 相關(guān)分析對(duì)人體測(cè)量參數(shù)（身高、臂長(zhǎng)和腿長(zhǎng)）與砍擊距離和砍擊所需空間的絕對(duì)值進(jìn)行檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)用±s表示，所有統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 20.0 軟件（美國(guó)IBM 公司）中進(jìn)行，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 砍擊不同體位的比較

本研究中男女性的砍擊距離和砍擊所需空間均符合正態(tài)分布。兩因素重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果顯示，性別和體位對(duì)砍擊距離、砍擊所需空間均無(wú)交互作用（P＞0.05，表1）。

在砍擊距離方面，性別對(duì)砍擊距離絕對(duì)值和相對(duì)值的影響無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；體位對(duì)砍擊距離絕對(duì)值和相對(duì)值的影響有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，砍擊站立位假人的砍擊距離大于砍擊仰臥位假人（P＜0.05）。詳見表1。

在砍擊所需空間方面，性別對(duì)持刀側(cè)水平距離絕對(duì)值和垂直距離絕對(duì)值的影響有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，男性大于女性（P＜0.05），男女性間非持刀側(cè)水平距離的絕對(duì)值和相對(duì)值、非持刀側(cè)垂直距離的絕對(duì)值和相對(duì)值、持刀側(cè)水平距離相對(duì)值和垂直距離相對(duì)值差異的均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；體位對(duì)持刀側(cè)垂直距離的絕對(duì)值和相對(duì)值的影響有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，仰臥位大于站立位（P＜0.05），站立位和仰臥位間非持刀側(cè)水平距離的絕對(duì)值和相對(duì)值、非持刀側(cè)垂直距離的絕對(duì)值和相對(duì)值、持刀側(cè)水平距離的絕對(duì)值和相對(duì)值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。詳見表1。

表1 砍擊不同體位假人的砍擊距離和砍擊所需空間Tab.1 Distance and space required for slashing the mannequins at different positions（n=12，±s）

表1 砍擊不同體位假人的砍擊距離和砍擊所需空間Tab.1 Distance and space required for slashing the mannequins at different positions（n=12，±s）

注：1）與相同性別站立位相比，P＜0.05；2）與男性相同體位相比，P＜0.05。

2.2 砍擊不同部位的比較

兩因素重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果顯示，性別和部位對(duì)砍擊距離、砍擊所需空間的交互作用均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，表2）。

在砍擊距離方面，性別對(duì)砍擊距離絕對(duì)值有影響，男性大于女性（P＜0.05），男女性間砍擊距離相對(duì)值的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；砍擊部位對(duì)砍擊距離的絕對(duì)值和相對(duì)值有影響，砍擊胸部大于砍擊頸部（P＜0.05）。詳見表2。

表2 砍擊站立位假人不同部位的砍擊距離和砍擊所需空間Tab.2 Distance and space required for slashing the different parts of the standing mannequins（n=12±s）

表2 砍擊站立位假人不同部位的砍擊距離和砍擊所需空間Tab.2 Distance and space required for slashing the different parts of the standing mannequins（n=12±s）

注：1）與相同性別砍擊頸部相比，P＜0.05；2）與男性砍擊相同部位相比，P＜0.05。

在砍擊所需空間方面，性別對(duì)持刀側(cè)水平距離的絕對(duì)值和相對(duì)值、持刀側(cè)垂直距離絕對(duì)值的影響有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，男性大于女性（P＜0.05），男女性間非持刀側(cè)水平距離的絕對(duì)值和相對(duì)值、非持刀側(cè)垂直距離的絕對(duì)值和相對(duì)值、持刀側(cè)垂直距離相對(duì)值的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；砍擊部位對(duì)持刀側(cè)垂直距離的絕對(duì)值和相對(duì)值有影響，砍擊頸部大于砍擊胸部（P＜0.05），砍擊胸部和頸部非持刀側(cè)水平距離的絕對(duì)值和相對(duì)值、非持刀側(cè)垂直距離的絕對(duì)值和相對(duì)值、持刀側(cè)水平距離絕對(duì)值和相對(duì)值的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。詳見表2。

2.3 人體測(cè)量參數(shù)與砍擊距離和砍擊所需空間的相關(guān)性

Pearson 相關(guān)分析結(jié)果（表3）顯示：砍擊站立位假人頸部時(shí)，身高與砍擊距離、持刀側(cè)水平距離和持刀側(cè)垂直距離呈正相關(guān)，臂長(zhǎng)與砍擊距離和持刀側(cè)水平距離呈正相關(guān)；砍擊站立位假人胸部時(shí)，身高與砍擊距離、持刀側(cè)水平距離和持刀側(cè)垂直距離呈正相關(guān)，臂長(zhǎng)和腿長(zhǎng)與持刀側(cè)垂直距離呈正相關(guān)；砍擊仰臥位假人頸部時(shí)，身高和臂長(zhǎng)與持刀側(cè)水平距離呈正相關(guān)。

表3 人體測(cè)量參數(shù)與砍擊距離和砍擊所需空間的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients of anthropometric parameters with distance and space required for slashing（n=24）

3 討論

刀具是兇殺案件的主要作案工具，占36.7%[11]。在家庭激情兇殺案件中，作案刀具以廚刀為主，傷害動(dòng)作形式以砍擊為主，案發(fā)地點(diǎn)多在家中[11]，由于缺乏獨(dú)立目擊證人和監(jiān)控視頻資料，給案件偵查造成一定困難。因此，正確推斷砍擊所需空間與案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)是否相符，對(duì)于重現(xiàn)案件過(guò)程非常重要。隨著法醫(yī)學(xué)和其他學(xué)科的交叉融合，采用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)模擬砍擊過(guò)程，量化砍擊動(dòng)作活動(dòng)空間范圍，可以顯示砍擊行為與現(xiàn)場(chǎng)空間的關(guān)聯(lián)性，為分析作案過(guò)程提供幫助。

本研究結(jié)果顯示，砍擊站立位假人頸部的砍擊距離大于砍擊仰臥位假人頸部，砍擊所需空間小于砍擊仰臥位假人頸部。被害人處于仰臥位時(shí)，砍擊距離較小，持刀側(cè)垂直距離較大，其原因可能是砍擊站立位被害人頸部時(shí)，砍擊部位在受試者前方，受試者主要向后方引臂揮刀，增加了砍擊距離?？硴粞雠P位被害人時(shí)，砍擊部位低于受試者，受試者呈站立位向后上方引臂揮刀，增加了揮刀的高度，使持刀側(cè)垂直距離增大。相對(duì)于站立位，砍擊仰臥位被害人具有更大的砍擊勢(shì)能，造成的傷害有可能更加嚴(yán)重。通常來(lái)說(shuō)，被害人在站立位受到砍擊傷害大多是臨時(shí)起意的激情傷人或者殺人，被害人在仰臥位受到砍擊傷害多為預(yù)謀犯罪[19]。本研究結(jié)果可為判斷作案人犯罪行為（激情犯罪或預(yù)謀犯罪）提供輔助線索。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，砍擊站立位假人頸部的砍擊距離小于砍擊站立位假人胸部，所需空間大于砍擊站立位假人胸部。頸部和胸部是銳器傷害案件中最常被攻擊的部位[20]，頸部有氣管和重要血管，無(wú)骨組織和衣物保護(hù)，受到砍擊傷害會(huì)造成呼吸困難或者急性失血性休克，因此，頸部受到砍擊傷害更加致命。本研究結(jié)果顯示，砍擊部位為站立位頸部時(shí)，作案人和被害人距離較近，垂直距離較大。

本研究結(jié)果表明，不同性別間的砍擊距離、持刀側(cè)水平距離和持刀側(cè)垂直距離差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，男性砍擊距離和砍擊所需空間大于女性，但將指標(biāo)相對(duì)身高標(biāo)準(zhǔn)化后，僅發(fā)現(xiàn)砍擊站立位被害人頸部和胸部時(shí)男性持刀側(cè)相對(duì)水平距離大于女性，即性別對(duì)砍擊距離和持刀側(cè)垂直距離的影響主要由身高造成，而造成不同性別間持刀側(cè)水平距離差異的原因可能與其他因素有關(guān)。推測(cè)性別間持刀側(cè)水平距離的差異可能來(lái)自力量的差異，男性上肢力量大于女性，導(dǎo)致性別間的砍擊動(dòng)作模式有所不同，男性上肢肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)伸展更加充分，增加了砍擊時(shí)的旋轉(zhuǎn)水平半徑。因此，對(duì)持刀側(cè)水平距離的研究還需要后續(xù)進(jìn)一步探討。

另外，本研究結(jié)果顯示，人體測(cè)量參數(shù)身高和臂長(zhǎng)與砍擊距離和砍擊所需空間呈正相關(guān)，而腿長(zhǎng)對(duì)砍擊距離和砍擊所需空間影響不大。即隨著身高和臂長(zhǎng)的增加，砍擊距離和砍擊所需空間會(huì)不斷增加，提示作案活動(dòng)所需距離和空間與作案人身高和臂長(zhǎng)等個(gè)體特征相關(guān)。因此，在推斷案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)和砍擊所需距離和空間是否相符時(shí)還應(yīng)考慮作案人的體格特征。

本研究中男女性受試者使用相同刀具進(jìn)行測(cè)試，并未根據(jù)身高、體質(zhì)量進(jìn)行刀具長(zhǎng)度和質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化，可能對(duì)受試者砍擊動(dòng)作產(chǎn)生一定影響。此外，本研究中男性受試者平均身高高于假人，而女性平均身高低于假人，也可能會(huì)影響砍擊時(shí)肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的伸展角度，提示作案人與被害人的身高差可能會(huì)影響砍擊動(dòng)作模式。當(dāng)作案人的身高高于被害人時(shí)，砍擊的水平空間范圍可能較大，反之，作案人的身高低于被害人時(shí)，砍擊所需的水平空間可能較小。因此，分析作案人砍擊的水平空間范圍是否與現(xiàn)場(chǎng)空間相符，還應(yīng)結(jié)合作案人和被害人的身高差距進(jìn)行推定。

本研究中砍擊所需空間是在實(shí)驗(yàn)室不受限制的空間環(huán)境下完成砍擊的最小空間范圍，即作案人盡全力完成砍擊動(dòng)作所需的最小空間值。若空間范圍受限，受試者的砍擊動(dòng)作模式可能發(fā)生較大改變，如上臂不能充分外展、后伸，所造成的砍擊傷害可能會(huì)有較大差異?？臻g環(huán)境大于砍擊所需空間的，該處有可能是案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)；若空間環(huán)境小于砍擊所需空間，不能直接排除案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的可能，還需結(jié)合空間中是否存在砍器揮動(dòng)痕跡進(jìn)一步判斷是否為案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)。

本研究基于案件研判的實(shí)際需求，獲得砍擊傷害所需距離和空間的定量指標(biāo)，為案件研判和法庭庭審提供了新的支撐依據(jù)。但由于條件的限制，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)未能選取砍擊案件中其他常見的傷害部位和體位進(jìn)行研究。此外，實(shí)際案件中還常伴有被害人躲閃、抵抗等行為，而本研究中的假人為靜態(tài)對(duì)象，不能完全模擬動(dòng)態(tài)砍擊傷害過(guò)程，在后續(xù)的研究中可增加相關(guān)內(nèi)容。