穿增高鞋垫后的足底动力形态特征分析

俞 文 马晓贇

（1 甘肃政法学院公安技术学院 甘肃 兰州 730070；2 中国刑事警察学院痕迹检验技术系 辽宁 沈阳 110035）

1 引言

足迹检验实践中，常遇到作案人伪装作案鞋的情况，其中通过穿用增高鞋垫升高鞋跟高度，使现场穿鞋足迹不完全同于嫌疑人真实情况是常出现的一种。此类伪装理论上可能造成足迹特征的变化，但还未有科学的实验研究。

人在正常站立时，为使身体站稳平衡，躯干需略微前倾，使髋关节、膝关节、踝关节连线的平行线通过重心并与地面保持垂直。这时人体自身的质量与地面对足底的反作用力是一对同一直线上、等大反向的平衡力。依据足的解剖结构，可将这一合力分解为足趾、足跖、足弓、足跟处的受力。当鞋跟增高时，身体重心前移，髋、膝、踝关节连线的平行线超过足支撑面前界，为保证身体平衡，躯干倾斜角度加大、肌肉加强收缩，胸部后挺、腰部前凸。足作为支撑器官，为缓解这种不平衡态，力的分布情况亦有所改变，重心前移导致在总作用力不变的基础上趾跖受力增大、弓跟受力减小，足底压力中心由足弓部前移，足弓对压力的缓冲作用降低，相关力学参数也发生改变。足与地面间作用力的改变，必然导致行走运动过程中足底动力形态特征的变化，反映在现场足迹中就是起足、落足、支撑过程中蹬、踏、压等主体痕迹与相应的伴生痕迹所表现出来的位置、形态、大小、性状等步态特征相关信息，与个体穿着正常（惯用）跟高的鞋行走时反映出来的步态特征不尽相同。在足迹立体石膏模型中，足底与地面之间作用不同表现为向上的凸起程度不同，形成不同的动力面和动力点。其中，动力面即石膏模型上的凸起部位；动力点即石膏模型上的趾、跖、弓、跟等区域的最凸出点[1]。在平面足迹中，是以中间介质数量和性状的不同来反映足底与地面之间相互作用的大小和方向改变。这些变化就使检材与样本之间的同一认定陷入困境，对嫌疑人特征的分析也不一定准确，致使划定错误的侦查范围、误导侦查方向。因此，有必要对穿用增高鞋垫前后行走时足底动力形态特征变化进行探索和总结。

足底动力形态特征受到足底压力分布、压强、接触时间以及冲量、足底压力中心等相关参数波动的影响较大。因此，本文使用Footscan足底压力测试系统与Novel鞋分别统计30名警校学员穿运动鞋及穿有增高鞋垫的同款运动鞋行走时“鞋-地”、“足-鞋”间的压力参数，比较前后足底7个分区的压力分布、峰值压强、冲量、足底压力中心以及接触时间变化，说明穿用增高鞋垫前后机体在足底动力形态特征上的差异。

2 材料与方法

2.1 研究对象

为保证全部受试者身体健康，足部无临床病史，无运动功能性障碍，本研究测试对象选择某公安院校30名在校男性学员，年龄在20至30周岁之间，足的大小均为40至42码，身高170至180cm，体重60至70kg，受试前36小时内无剧烈运动。参加实验前，受试者均已多次熟悉运动负荷检测方法和相关实验要求。

2.2 实验材料

2.2.1 Footscan USB2平板式足底压力测试系统

此系统可精确测试静态和动态压力，由比利时公司RSscan生产，可用于赤足或穿鞋的不同运动分析，并配有多种科学研究软件。

2.2.2 Novel Pedar-X鞋垫

Novel鞋垫是由德国Novel公司设计的一套精确的鞋垫式足底压力检测系统。

2.2.3 鞋袜与鞋垫

鞋号40至42运动鞋；一次性卫生袜若干；跟高4cm，适用于不同鞋号的商用硅胶增高鞋垫若干。

2.3 研究方法

2.3.1 样本收集

首先，受试者提前穿着实验用运动鞋来回自由走动，使足部充分适应，并记录穿鞋时的感受，以保证实验结果的准确性；然后，令实验者以正常速度（自然行走时的步幅、步速、步频）在Footscan测力台上行走，测量置入Novel鞋垫系统后的运动鞋行走数据，并分10次测量“足-鞋”、“鞋-地”两受力面之间的压力数据，取其平均值；再次，令实验者以正常速度（自然行走时的步幅、步速、步频）在Footscan测力台上行走，测量置入Novel鞋垫系统后并放置了实验用增高鞋垫的运动鞋行走数据，分10次测量“足-鞋”、“鞋-地”两受力面之间的压力数据，取其平均值。

2.3.2 特征选取

将足（鞋）底分为7个区域：第一趾、第二～五趾、第一跖骨、第五跖骨、足弓、足跟内侧和足跟外侧。根据已知研究，左、右足双侧压力分布具有一致性，因此只选用受试者的左足压力数据[2]。分析压力相关参数包括压力分布、峰值压强、冲量、足底压力中心、接触时间及稳定极限。再利用SPSS 19.0统计分析软件检验各参数的正态性，若满足正态分布条件，则通过t检验分析穿用增高鞋垫前后的足底压力数据。根据已知的足迹学知识，足底动力形态特征受环境、时间、心理、体态等主客观因素影响较多，导致本次实验的随机误差增加，所以将显著性设为P＜0.05。

3 结果

由于实验所得数据量较大，限于篇幅，仅列出一名实验对象在穿用增高鞋垫前后的数据，其足跟着地到脚尖离地的整个作用过程量化数据如表1、表2所示。另外，经过单样本K-S检验，所有测得数据满足正态分布。

表1 穿用增高鞋垫前各分区测试数据

表2 穿用增高鞋垫后各分区测试数据

3.1 足底压力变化

3.1.1 压力分布

受试者穿用硅胶增高鞋垫后，足趾、足跖、足弓、足跟各区域的压力分布产生了明显的变化（图1）。对于不加增高鞋垫的实验用运动鞋（跟高0cm），只有28%的身体重量由趾、跖区域承载，而当穿着有增高鞋垫的实验用运动鞋（跟高4cm）时，趾、跖区域承重马上增加（图2）。经对比发现：趾区、第一跖骨的压力有明显增加，足弓区域压力有增加，而足跟区域压力有所减小。两组实验之间存在显著差异，具有统计学意义（P＜0.05）。

图1 Footscan足底压力测试系统显示

图2 有无增高鞋垫情况下足底压力分布变化

3.1.2 峰值压强

压强是力在单位面积内的作用情况，反映在本次研究里，足底峰值压强与穿着舒适度有着紧密的关联，压强越大，穿着舒适度越差，易导致足底动力形态特征方式变异。在运动鞋中放入增高鞋垫后，发现足底各分区的压强值均减小，仅在足跖区较为平稳，无明显改变。在趾区及后跟外侧处有显著差异，整体峰值压强有降低的明显趋势，这与受试者穿着增高鞋垫后感觉更为舒适相符（表3）。究其原因，是由于硅胶增高鞋垫质地较软，在弹性形变影响下导致鞋垫与足之间的接触面较大，有效增加了接触时间，并降低了峰值压强（图3）。两组实验之间存在显著差异，具有统计学意义（P＜0.05）。

表3 有无增高鞋垫情况下峰值压强比较

图3 有无增高鞋垫情况下峰值压强比较

3.1.3 冲量

冲量指的是力与其作用时间的乘积，反映在足底压力上就是地面对足底的冲击力在接触时间内的累积[3]。根据经典力学的理论，冲量的影响因素为冲击力大小和时间长短，可以通过对足底冲量的对比研判，分析足部各区域的负荷变化率（表4）。Load rate是表示压强的变化快慢的变化率，比率越高，足底区域可接受压强值越大，减震性越强[4]。

表4 穿增高鞋垫前后冲量变化的比较

图4 穿增高鞋垫前后冲量的比较

从图5表4中可以清晰地看出：相较于穿增高鞋垫之后，穿增高垫前冲量集中于趾跖区。穿后趾跖区冲量被分散到其他足底区域，冲量增大最多的为跟外侧（图4），这是因为行走过程中，跟外侧最先接触地面，冲击力增大的原因。此外还发现前后总冲量均约为2.4 N·S，依据上文，冲量是负荷率的反映，则说明负荷率受穿增高鞋垫的影响不大，只是足底压力的部分负荷率从趾跖区域转移至跟区。两组实验之间存在显著差异，具有统计学意义（P＜0.05）。

3.1.4 足底压力中心

人在测力台上行走时，地面作用于足底的力是由垂直力及沿测力台平面作用的两个剪力分量组成的三维矢量。测力台上的两个剪力分量通常被分解为前后方向和左右方向，标定掌外缘切线和跟后缘落足点切线的交点为(0,0)，掌内缘切线和跟后缘落足点切线的交点为(x,0)，第一跖骨中心点为(x,z)，掌外缘切线与起足点垂直于足迹中心线的切线交点为(0,z)，则Fy=F00+Fx0+Fxz+F0z，通过这4点上传感器各自的垂直力即可确定足底压力中心的位置（图5所示）。

经测试，受试者穿增高鞋垫前后，足底压力中心在横轴和纵轴方向上均发生了明显的改变（P＜0.05）。随着跟高的增加，压力中心从足跟部前移到足中部（图6），足底压力中心的变化实际上是人身体重心的变化，增高鞋垫使人的重心移动至前上方，这必然导致步幅特征的改变：例如步长变短、步宽变大、步角变小[5]。

图5 足底压力中心的确定

图6 穿增高鞋垫后压力中心的变化

3.2 接触时间变化

穿增高鞋垫前后接触时间的对比如表5。两组实验之间存在显著差异，具有统计学意义（P＜0.05）。

表5 穿增高鞋垫前后接触时间的对比

穿用增高鞋垫后接触时间变长，由于增高鞋垫质地柔软，易发生弹性形变，导致穿后接触时间增长。接触时间增加最多的为跟外区，因为足跟作为行走运动过程中最先触地的部位，受到最大的冲击力同时增加了鞋垫变形量，缓冲这些形变需要更多的时间。

4 讨论

行走是在大脑中枢神经统一调节支配下，以骨骼为杠杆，关节为枢纽，骨骼肌为动力的有规律的运动[6]。但增加鞋跟高度在一定程度上改变了身体的固有平衡，使鞋底印痕所反映的动力形态特征发生变化。下面依据实验结果，对行走运动一个周期的三个阶段分别讨论：

4.1 落足阶段

落足阶段是指由摆动腿转变为支撑腿一侧的足最先着地时的阶段，与落足阶段足底动力形态特征有密切关系的是足跟区的动力参数变化。由实验结果可知，穿用增高鞋垫后，足跟区域压力分布减小、压强减小、跟区外侧冲量大幅增加、足底压力中心由跟区前移、接触时间加长，这些变化会使得落足阶段动力形态特征发生明显变化，在立体足迹和平面足迹中动力面、动力点的反映均有所差异，比如落足时的方向、角度发生改变，导致踏痕范围扩大，踏痕半径增加，位置有所差异等，对于性别、年龄的分析可能产生影响。且由于行走过程的稳定性减弱，容易出现假伴生痕迹，如推痕、跄痕，实际检验鉴定时要特别注意。

4.2 垂直支撑阶段

垂直支撑阶段是指落足阶段结束后，全足着地，支撑腿与地面基本垂直，整个足底垂直向下挤压地面的瞬间。垂直支撑阶段动力形态特征与足底总体动力参数有联系[7]。由实验结果可知，穿用增高鞋垫后，压力分布由跟区向趾、跖、弓转移，且主要集中于趾跖区域；对于压强，除跖区压强较为稳定外，其他区域压强均减小；趾跖区域压力冲量转移至跟区外侧，总体压强呈减小趋势；稳定性降低，机体为保证相对平衡，足底压力中心由跟区移向弓区；接触时间加长。

这一系列的变化会导致垂直支撑阶段的足底动力形态特征产生差异，尤其是对垂直支撑阶段压痕的影响。如相比样本足迹，现场检材趾跖区压痕相较弓、跟区重，其中拇趾和第一跖骨最为明显，但趾、跖区域压痕总体分布均匀。又或者现场成趟立体或平面足迹中，出现印痕均不清晰，光度、亮度、湿度、密度、散度、麻纱度、凸度均与样本足迹产生差异，没有样本足迹的深浅分明、明暗反差、密度不同的现象。且由于行走过程的稳定性减弱，容易出现假伴生痕迹，如迫痕、拧痕，检验鉴定时要注意区分。

4.3 起足阶段

起足阶段是指身体重心在支撑面的前上方足趾跖部蹬离地面的瞬间，是人行走时与地面相互作用获取行走运动动力的阶段。与起足阶段的动力形态特征有密切关系的是趾跖区域动力参数的变化。由实验结果可知，穿用增高鞋垫后，压力分布由弓、跟区域转移至趾跖区域，使其压力分布增加；跖区压强变化不大，但趾区压强显著减小；趾跖区域压力冲量被分散；接触时间增长；稳定性减弱。

起足阶段动力参数的变异对足底动力形态特征的影响主要反映在蹬痕上，如压力分布变化导致蹬痕的位置转移至实际位置内前方，趾区压强减小，使得趾蹬痕反映不明显，立体足迹中抛土、堆土痕迹消失，平面足迹中足迹前后的表面附着物反差减弱。变化严重时蹬痕形态甚至发生改变，“倒三角”形态被破坏。行走过程稳定性的减弱，还会产生抬痕、挑痕、划痕等伴生痕迹。这些变化容易导致足迹分析中对嫌疑人的身高、年龄、体态等个体信息的识别失误。

5 结论

本文基于人体解剖学、足迹动力学、运动生物力学的相关理论，将增高鞋垫对足底动力形态特征的影响做了研究尝试。结果表明，穿增高鞋垫后，足底7个分区的压力分布、峰值压强、冲量、足底压力中心以及接触时间均发生变化，如趾区、第一跖骨的压力有明显增加，足弓区域压力有增加，而足跟区域压力有所减小；足底各分区的峰值压强值均减小，仅在足跖区较为平稳；趾跖区冲量被分散到其他足底区域，冲量增大最多的为跟外侧；足底压力中心从足跟部前移到足中部，重心亦有所偏移；接触时间增长，接触时间增加最多的为跟外区。这一系列因素的变化必然导致足底动力形态特征会与穿用增高鞋垫前产生差异。因此，在足迹检验实践中，当同一认定或推断嫌疑人个体特征存在不确定性时，不能主观臆断，应充分考虑鞋垫、跟高可能产生的影响，排除伪装，综合考量。