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(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(guò)穿用增高鞋墊升高鞋跟高度，使現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，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(guò)重心并與地面保持垂直。這時(shí)人體自身的質(zhì)量與地面對(duì)足底的反作用力是一對(duì)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(shí)，身體重心前移，髖、膝、踝關(guān)節(jié)連線的平行線超過(guò)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(duì)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(dòng)過(guò)程中足底動(dòng)力形態(tài)特征的變化，反映在現(xiàn)場(chǎng)足跡中就是起足、落足、支撐過(guò)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(lái)的位置、形態(tài)、大小、性狀等步態(tài)特征相關(guān)信息，與個(gè)體穿著正常（慣用）跟高的鞋行走時(shí)反映出來(lái)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(dòng)力面和動(dòng)力點(diǎn)。其中，動(dòng)力面即石膏模型上的凸起部位；動(dòng)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(lái)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(duì)嫌疑人特征的分析也不一定準(zhǔn)確，致使劃定錯(cuò)誤的偵查范圍、誤導(dǎo)偵查方向。因此，有必要對(duì)穿用增高鞋墊前后行走時(shí)足底動(dòng)力形態(tài)特征變化進(jìn)行探索和總結(jié)。

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

2 材料與方法

2.1 研究對(duì)象

為保證全部受試者身體健康，足部無(wú)臨床病史，無(wú)運(yùn)動(dòng)功能性障礙，本研究測(cè)試對(duì)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(shí)內(nèi)無(wú)劇烈運(yùn)動(dòng)。參加實(shí)驗(yàn)前，受試者均已多次熟悉運(yùn)動(dòng)負(fù)荷檢測(cè)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(cè)試系統(tǒng)

此系統(tǒng)可精確測(cè)試靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力，由比利時(shí)公司RSscan生產(chǎn)，可用于赤足或穿鞋的不同運(yùn)動(dòng)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(guó)Novel公司設(shè)計(jì)的一套精確的鞋墊式足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)。

2.2.3 鞋襪與鞋墊

鞋號(hào)40至42運(yùn)動(dòng)鞋；一次性衛(wèi)生襪若干；跟高4cm，適用于不同鞋號(hào)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(dòng)鞋來(lái)回自由走動(dòng)，使足部充分適應(yīng)，并記錄穿鞋時(shí)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(shí)的步幅、步速、步頻）在Footscan測(cè)力臺(tái)上行走，測(cè)量置入Novel鞋墊系統(tǒng)后的運(yùn)動(dòng)鞋行走數(shù)據(jù)，并分10次測(cè)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(shí)的步幅、步速、步頻）在Footscan測(cè)力臺(tái)上行走，測(cè)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(dòng)鞋行走數(shù)據(jù)，分10次測(cè)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(gè)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(shí)間及穩(wěn)定極限。再利用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)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(guò)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(shí)，足底動(dòng)力形態(tài)特征受環(huán)境、時(shí)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(duì)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(gè)作用過(guò)程量化數(shù)據(jù)如表1、表2所示。另外，經(jīng)過(guò)單樣本K-S檢驗(yàn)，所有測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)

表2 穿用增高鞋墊后各分區(qū)測(cè)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(duì)于不加增高鞋墊的實(shí)驗(yàn)用運(yùn)動(dòng)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(dòng)鞋（跟高4cm）時(shí)，趾、跖區(qū)域承重馬上增加（圖2）。經(jīng)對(duì)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(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

圖1 Footscan足底壓力測(cè)試系統(tǒng)顯示

圖2 有無(wú)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(dòng)力形態(tài)特征方式變異。在運(yùn)動(dòng)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(wú)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(shì)，這與受試者穿著增高鞋墊后感覺(jué)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(shí)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(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

表3 有無(wú)增高鞋墊情況下峰值壓強(qiáng)比較

圖3 有無(wú)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(shí)間的乘積，反映在足底壓力上就是地面對(duì)足底的沖擊力在接觸時(shí)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(shí)間長(zhǎng)短，可以通過(guò)對(duì)足底沖量的對(duì)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^(guò)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(shuō)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(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

3.1.4 足底壓力中心

人在測(cè)力臺(tái)上行走時(shí)，地面作用于足底的力是由垂直力及沿測(cè)力臺(tái)平面作用的兩個(gè)剪力分量組成的三維矢量。測(cè)力臺(tái)上的兩個(gè)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(guò)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(cè)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(dòng)至前上方，這必然導(dǎo)致步幅特征的改變：例如步長(zhǎng)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(shí)間變化

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

表5 穿增高鞋墊前后接觸時(shí)間的對(duì)比

穿用增高鞋墊后接觸時(shí)間變長(zhǎng)，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(shí)間增長(zhǎng)。接觸時(shí)間增加最多的為跟外區(qū)，因?yàn)樽愀鳛樾凶哌\(yùn)動(dòng)過(guò)程中最先觸地的部位，受到最大的沖擊力同時(shí)增加了鞋墊變形量，緩沖這些形變需要更多的時(shí)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(dòng)力的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)[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(dòng)力形態(tài)特征發(fā)生變化。下面依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)行走運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的三個(gè)階段分別討論：

4.1 落足階段

落足階段是指由擺動(dòng)腿轉(zhuǎn)變?yōu)橹瓮纫粋?cè)的足最先著地時(shí)的階段，與落足階段足底動(dòng)力形態(tài)特征有密切關(guān)系的是足跟區(qū)的動(dòng)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(shí)間加長(zhǎng)，這些變化會(huì)使得落足階段動(dòng)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(dòng)力面、動(dòng)力點(diǎn)的反映均有所差異，比如落足時(shí)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(duì)于性別、年齡的分析可能產(chǎn)生影響。且由于行走過(guò)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(shí)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(gè)足底垂直向下擠壓地面的瞬間。垂直支撐階段動(dòng)力形態(tài)特征與足底總體動(dòng)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(duì)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)均減小；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(shì)；穩(wěn)定性降低，機(jī)體為保證相對(duì)平衡，足底壓力中心由跟區(qū)移向弓區(qū)；接觸時(shí)間加長(zhǎng)。

這一系列的變化會(huì)導(dǎo)致垂直支撐階段的足底動(dòng)力形態(tài)特征產(chǎn)生差異，尤其是對(duì)垂直支撐階段壓痕的影響。如相比樣本足跡，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(méi)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(guò)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(shí)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(shí)與地面相互作用獲取行走運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的階段。與起足階段的動(dòng)力形態(tài)特征有密切關(guān)系的是趾跖區(qū)域動(dòng)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(shí)間增長(zhǎng)；穩(wěn)定性減弱。

起足階段動(dòng)力參數(shù)的變異對(duì)足底動(dòng)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(shí)蹬痕形態(tài)甚至發(fā)生改變，“倒三角”形態(tài)被破壞。行走過(guò)程穩(wěn)定性的減弱，還會(huì)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(duì)嫌疑人的身高、年齡、體態(tài)等個(gè)體信息的識(shí)別失誤。

5 結(jié)論

本文基于人體解剖學(xué)、足跡動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的相關(guān)理論，將增高鞋墊對(duì)足底動(dòng)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(gè)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(shí)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)域壓力有所減小；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(shí)間增長(zhǎng)，接觸時(shí)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(dòng)力形態(tài)特征會(huì)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(gè)體特征存在不確定性時(shí)，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。