足底压力分布年龄差异分析

马 越, 王子丹

(1.中国刑事警察学院刑技一系,辽宁沈阳 110035;2.舟山市公安局,浙江舟山 316000)

0 引言

足迹检验中利用行走时足迹所反映的步态特征分析留痕人人身自然特点的技术被广泛地运用到侦查办案当中。但是这一技术更多地停留在经验判断的层面上,缺乏客观的分析标准,更没有科学的理论支持。基于足迹步态特征的形成是足底与承痕客体间力的作用结果,本文试图通过科学的手段记录行走时足底压力的分布情况,在不同年龄段间进行比较,找出各年龄段之间作用力分布差异,并总结差异的形成规律与经验性的足迹分析方法之间的联系。本研究中所利用的比利时 FOOTSCAN足底压力分析系统由长度为 2m的压力采集板与分析软件构成。采集板的长度可以保证被采集人在自然行走状态下的左右足迹连续记录,且传感器工作稳定、精度与分辨率高,能够满足足迹分析的要求。

1 各年龄段人群足底压力分布数据采集

将样本人群按照年龄组划分为 20岁年龄组、30岁年龄组、40岁年龄组和 50岁年龄组,从每个年龄组中抽取身高、体重接近且没有特殊行走习惯的 10人,每人随机选取左、右脚足迹各一枚,利用 FOOTSCAN系统采集赤足行走压力数据。根据 FOOTSCAN系统预置的分区功能,将跟区、第一跖区、第二跖区、第三跖区、第四跖区和第五跖区数据分别记录,通过每个分区受力(压强)随时间变化曲线,计算每个分区受力时间 t与单足支撑作用总时间 T的比值:t/T;记录各分区最大压强值 P。将不同分区的数据按年龄组进行比较。

2 实验数据的整理和分析

在前期的工作中,我们发现足底各区压强峰值大小与受试者体重之间没有明显对应关系,在 60 kg～80 kg体重范围内压强峰值没有明显变化。由于在本研究中被采集人体重均在这一稳定范围内,所以年龄段间压强峰值比较不受体重影响。在数据采集过程中,被采集人行走速度差别不明显,且各年龄段间被比较数据为 t/T,因此也排除了行走速度的影响。

2.1 跟区数据比较

将跟区作用时间百分比 t/T及最大压强值 P这2组数据分别求平均值,得到不同年龄段分布变化图 ,如图2、图3。

跟区数据显示从 20岁年龄组到 50岁年龄组,跟区与地面作用的时间发生明显增加,作用时间大大延长,同时跟区作用的压强峰值从 20岁年龄组到50年龄组呈明显下降状态,老年人跟区收到的单位面积压力在减小,规律明显。

图1 足迹分区压强随时间变化曲线

图2 跟区不同年龄平均作用时间百分比

图3 跟区不同年龄平均最大压强值

2.2 跖区数据比较

FOOTSCAN系统按照跖骨位置将跖部划分为五个分区,分别得到不同年龄段跖区受力分布数据,将其平均值比较。

由图4至图7可以看出,20岁年龄组跖区压力主要分布在第二、第三跖趾关节处形成峰值,达到了57.98N/cm2和 61.7N/cm2,也是各年龄组中的最大值,与其他分区差别明显;30、40岁年龄组峰值均出现在第三跖区,第四、第五跖区逐渐减小,各个分区的压强值比 20岁年龄组明显减小;50岁年龄组突出表现为各分区的压强值为各年龄组中的最小值,差异显著。

图4 20岁年龄组跖区压强分布

图5 30岁年龄组跖区压强分布

图6 40岁年龄组跖区压强分布

图7 50岁年龄组跖区压强分布

3 结论和相关讨论

3.1 跟区压力分布与年龄的关系

由跟区数据的不同年龄段分布变化图可以看出,伴随年龄的变化,足跟区作用时间与足底总的作用时间比值呈递增的变化。由于比值排除了行走速度对跟区作用时间的影响,能够说明在每个支撑阶段中,跟区的支撑比例明显加大,符合我们对老年人行走特点的认识,即从足底的局部支撑逐渐向全足支撑转变。同时由于膝关节和踝关节的活动范围下降,在落地和离地阶段的足底与地面夹角将明显变小,使得接近与离去时足底与地面的接触面积增加,从而压强变小,这与数据反映的结果高度一致,也与传统经验分析中年纪越大跟区落脚阶段形成的前踏痕的面积越大的结论也是一致的。实验数据充分证明了传统分析方法对跟区受力的认识是正确的,能够从理学变化方面科学、客观地得到证明。大量的足迹分析实践中,利用跟区痕迹变化对年龄的判断准确度高,为实战提供了有力的支持。

3.2 跖区压力分布与年龄的关系

20岁年龄足跖区受力情况与其他分区的比较表明,该年龄段各部位受力明显大于其他年龄组,而且第二跖区受力仅略小于第三跖区,是受力较大的区域,这样的观察结果符合传统足迹分析理论中年轻人起脚阶段跖区内侧受力大于外侧的观点。但是,30岁、40岁甚至 50岁年龄组的各分区受力变化并没有对传统理论提供客观数据支持,没有出现受力向外侧转移的现象。本实验中所应用的设备精确度较高,设备的误差不会对结论产生影响,实验设计也比较合理,但设备只能对法向垂直压力产生反映,离地阶段后蹬作用的切向分力得不到记录,效果无从观察,是造成结论与传统分析理论产生差异的原因之一。同时在足迹分析的实践中,发现确定跖区蹬痕位置时不能单纯用接触部位受力的大小来衡量,痕迹表面的擦蹭痕迹尤为重要,相对应的鞋底部位磨损效果产生的主要原因应该是磨砺磨损,主要是由切向力造成的,不能以痕迹凹陷程度为确定的唯一标准。另外,跖区各部位在支撑阶段,受力情况仅是在 20岁年龄组有较弱的内侧受力大的反映,各年龄组的压强峰值均在第三跖区,说明在蹬地动作下,跖区的前横弓下降明显,对地面有明显的作用过程。

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