鞋跟高度对足迹动、静态特征影响的研究

周祥松，张万松

（1．信阳市商城县公安局，河南 信阳 465350；2．河南省公安厅刑事技术总队，河南 郑州 450003）

行走运动是人类最基本、最简单的活动方式，是一种左右足交替向前重复进行的周期性运动，足在行走位移过程中起着至关重要的作用。足由26块足骨、33个足关节、20多条肌肉和100多条韧带组成。每个人的足骨组成尽管基本一致，但因其骨骼的形态并不完全相同，再加上受到生活习惯、劳动条件、生活环境、疾病或损伤以及遗传等多种因素的影响，不同人其足的形态结构有着各自的特殊性，这也是足迹检验的客观依据之一。

随着经济的发展，现代制鞋理念发生了深刻的变革，男女鞋的鞋跟高度都在不断增加，穿着中、高跟鞋日渐成为时尚的象征，这类足迹在犯罪现场也时有出现。利用传统足迹检验技术分析这类足迹遗留人的人身特点出现了困难，检验鉴定结果的科学性受到不断质疑，原因在于鞋跟的增高，使足部承担的人体压力产生了前移，鞋底各部分的压痕分布也产生了变化[1]。为了探索提高中、高跟足迹分析能力和量化检验水平，研究穿高跟鞋引起的足迹步法特征和足底压力分布变化规律，为不同鞋跟高度的足迹检验提供理论依据、实用可靠的经验公式和方法，从而提高足迹检验的科学水平，拓宽足迹检验范围。

1 材料与方法

1.1 仪器

本实验所用仪器为刑警学院足迹教研室现有的Footscan足底压力测试系统，该系统由2 m长的压力采集板与配套的分析软件构成。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，能够满足高跟鞋足迹分析的要求[2]。

1.2 对象

选取刑警学院50名男性学生作为研究对象，这50名学生年龄在20～25岁之间，体型适中，无过瘦过胖者，无X或O型腿，且下肢没有任何疾病、残疾、损伤、骨折等手术造成步态异常的历史，同时实验对象要有经常穿高跟鞋（增高鞋）的习惯，从而提高了实验结果的准确性。

1.3 方法

鞋跟高度是相对鞋底腰部厚度而言，即鞋跟的整体高度。为达到不同鞋跟高度的目的，本次实验特制不同厚度的高跟鞋垫垫在高帮鞋内，从而满足高跟鞋的实验的要求，同时，考虑到鞋跟高度变化范围较小，穿着时步幅类型区分度不明显等的情况，实验过程中，只选取平跟30、50、70mm4款高跟鞋。要求实验对象分别穿这4款高跟鞋，从Footscan足底压力测试系统的测力平台上正常行走5次，每次均在测力平台上遗留3枚有效足迹，步态周期、足底压力等数据则采集并存储在Footscan足底压力测试系统软件中。同时捺印对应的穿不同高跟鞋的油墨样本足迹。为避免实验过程中穿鞋顺序、穿鞋时间对数据的影响，要求实验对象每穿一种鞋时有几分钟的行走适应过程。

1.4 数据分析

选择每名实验对象中间3次行走的足底压力数据进行分析，所有数据均用SPSS19.0统计分析软件进行处理，P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 步态周期分析

步态周期，是指从一侧足的足跟着地起，到同一侧足跟再次着地为止的连续过程，是步行的时间参数。根据腿部的动作和运动特征，将步态周期分为支撑阶段和摆动阶段。其中，支撑阶段是指足接触地面和承受重力的时间段，约占步态周期的60%；摆动阶段是指足在空中向前摆动的时间段，约占步态周期的40%[3]。

Footscan足底压力测试系统获得的实验对象穿不同鞋跟高度鞋的步态周期变化情况，如表1所示。 其中，在 P＜0.05 的情况下，穿 30、50、70 mm 跟高的鞋正常行走时步态周期略大于穿着平跟鞋，穿30、50 mm跟高的鞋正常行走时步态周期显著小于穿70mm跟高的鞋。随着鞋后跟高度的增加，支撑阶段所占步态周期比例减小，相对应的摆动阶段所占比例增加，穿平跟鞋正常行走时摆动阶段所占比例小于穿30、50、70mm跟高的鞋。同时，双足支撑阶段所占步态周期比例也随着鞋跟高度的增加而减小，穿30、50、70mm跟高的鞋正常行走时双足支撑阶段所占百分比均显著小于穿平跟鞋。

表1 穿不同鞋跟高度鞋的步态周期表

2.2 动态足迹特征分析

人体在行走运动过程中，依靠自身重力作用，足跟最先与地面接触过渡到前掌蹬离地面，身体前移这一过程，所受到承痕客体上的反作用力，即为足底压力。由于不同人的足在解剖结构方面的差异以及年龄、身高、体态、行走习惯的不同，足底与地面的接触面积、接触时间、相互作用力的大小等也不尽相同，从而在足迹上形成的特征也不同。同时，当人体运动状态发生变化时，足底压力反映在承痕客体上的痕迹特征都会发生相应的改变，因此，测试、分析不同状态下的足底压力分布情况，获取人体相对应的生理力学参数和机能参数，这对足迹检验理论研究具有重要意义。

Footscan步态分析系统获得的实验对象穿不同鞋跟高度鞋的足底压力特征变化情况，压力面，压强曲线如图1～4所示，正常行走时足底各区域压强值，如表2、表3所示。由以上数据可知，实验对象穿不同跟高的鞋正常行走时，左、右足各部位压强相似，压力分布基本相同，说明正常人站立或行走时步态正常，双足承受压力对称，从而可以避免异常高足底压力出现[4]，保证了实验的准确性。

对表中数据对比分析可知：在P＜0.05的情况下，鞋跟高度对足底各部位压强有显著影响。穿30、50、70 mm跟高的鞋时拇趾部位、第2跖、第3跖的压强值均显著大于穿平跟鞋，穿30、50 mm跟高的鞋时拇趾部位、第2跖、第3跖的压强值均显著小于穿70 mm跟高的鞋，说明随着鞋跟高度的增加，跖趾区部位的压强值增加。穿30、50、70mm跟高的鞋时弓区压强值变化不显著。穿30、50、70mm跟高的鞋时跟区内侧和外侧部位的压强值均显著小于穿70mm跟高的鞋，穿70mm跟高的鞋时跟区的压强值均显著小于穿30、50 mm跟高的鞋，说明随着鞋跟高度的增加，跟区部位压强值降低。同时，随着鞋跟高度的增加，弓区部位压强值变化不明显。

图1 某实验对象穿平跟鞋正常行走足底压力面、压强曲线

图2 某实验对象穿30mm跟高鞋正常行走足底压力面、压强曲线

图3 某实验对象穿50mm跟高鞋正常行走足底压力面、压强曲线

图4 某实验对象穿70mm跟高鞋正常行走足底压力面、压强曲线

表2 正常行走左足足底各区域压强值表 （N/cm2）

表3 正常行走右足足底各区域压强值表 （N/cm2）

2.3 静态足迹特征分析

2.3.1 步幅特征

步幅特征，是指在成趟足迹中反映人行走时左右足迹在空间中的协调搭配关系特征，是行走运动习惯特征在成趟足迹中的一种反映形式，它蕴含着人行走运动中的内在规律，是分析行走人运动姿势的客观依据，也是成趟足迹中的重要种属特征[5]。实验中，用油墨白纸捺印实验对象穿不同跟高的鞋正常行走时的成趟样本足迹，依据统一的标准，对成趟足迹样本的步长、步宽、步角测量，统计分析结果如表4、表5所示。

对表中数据对比分析可知：在P＜0.05的情况下，鞋跟高度对步幅特征有显著影响。穿30、50、70 mm跟高的鞋时步长值显著小于穿平跟鞋，穿30、50 mm跟高的鞋时步长值显著大于穿70 mm跟高的鞋，说明随着鞋跟高度的增加，步长值变小。穿70 mm跟高的鞋时步宽值显著大于穿平跟鞋，说明鞋跟高度增加，步宽值有所增加，但增加趋势较小。同时，穿50mm跟高的鞋时步角值显著小于穿平跟鞋，说明鞋跟高度增加，步宽值有所较小，当鞋跟高度增加至50mm以上，步角值趋于稳定。

表4 正常行走左足步幅特征参数值表

表4 正常行走左足步幅特征参数值表

2.3.2 步态特征

步态特征，是指足接触地面各部位习惯动作所形成的痕迹，在行走运动过程中，随着人体姿势的变化和身体重心的移动，足与承痕客体接触的先后顺序和作用力的大小、方向等导致承痕客体产生与之适应的痕迹，它反映留痕人的人身特点及习惯行走动作。

穿30mm高跟鞋与穿平跟鞋正常行走时，起落足阶段步态特征无明显变化。穿50、70 mm高跟鞋与穿平跟鞋正常行走步态特征相比较：落足阶段，后跟后缘部位压力略有较少，踏痕减轻但面积稍有增加，当鞋跟高度增加至70mm时，步幅减小，步频降低，有擦痕出现；支撑阶段，足迹压痕长度减少，跖趾部位压力增加，后跟部位压力稍有下降，因而，跖趾部位接触地面较充分，对地面的冲击作用明显。同时，跖压的压力面稍微向足迹四周扩展，足迹趾压前缘向前延伸；起足阶段，跖区的蹬痕向趾区转移，稍有加重，作用范围略并向足迹趾区外侧延伸，出现第二、第三趾蹬，捺印的成趟足迹样本中可见明显向后蹬地所产生的擦划线条状痕迹，当鞋跟高度增加至70mm时，有伴生挑痕出现。

3 讨论

3.1 步态周期分析

随着鞋跟高度的增加，步态周期增大，这与吴剑，李建设通过研究青少年女性穿不同鞋行走时步态的动力学中发现“穿高跟鞋比穿平跟鞋平地行走步态周期更长”的结果一致[6]。由于人体行走运动是一个动态平衡的过程，随着鞋跟高度的增加，可以推断人体稳定性必然会降低，实验对象在行走过程中为了获取更大的稳定性必然会降低步速，从而导致步态周期时间延长。同时，跟高的增加，支撑阶段和双足支撑阶段所占步态周期的比例减小，摆动阶段所占比例增加，这与时会娟等[7]的研究结果“随着高度的增加，支撑阶段和双足支撑阶段所占步态周期的比例降低”一致。双足支撑阶段是指身体从一个静态的相对稳定状态调整成动态的不稳定位置的运足迈步过程，其所占步态周期比例降低，表明运动过程中身体重心转移的工作还没有彻底完成，而足已经迈了出去，这样的状态若持续下去，身体会因失衡而摔倒，再加上摆动相的稳定性不如支撑相，因此，支撑相的减小表明鞋跟高度的增加会使身体的稳定性降低[8]。因此，在对高跟鞋足迹检验时，应考虑鞋跟高度可能对步态周期造成的影响，对差异点作出科学合理的解释，以确保足迹鉴定意见的科学性和准确性。

3.2 动态足迹特征分析

有关足底压力的分布情况，目前生物力学领域的研究结果普遍表明：正常人在步态周期支撑相中，足底压力中心在足跟着地后，逐渐移到第2跖骨，在趾离地前的瞬间，移到第1趾骨头和拇趾；同时，足的5趾压力分布中，以拇趾最大，外侧4趾压力分布成比例的减小[9]；但5个跖骨的压力分布一致存在争议。在以往依靠专家经验积累的足迹检验中，也以这个研究成果为基础对磨损特征和足迹动力形态特征进行定性研究。

通过对比分析可知：随鞋跟高度的增加，跟区的压强值减少，跖趾区的第2跖、第3跖的压强值显著增加，足底压力由后向前转移。这与王立平[10]通过对女性赤足、平跟鞋、中跟鞋和高跟鞋步态进行了全足底压力分布研究的结果“穿高跟鞋行走时，足前掌受力明显增加，足跟受力减小”一致。但与JOANNE等[11]通过研究女性穿不同跟高的鞋行走时的足底压力的结果：“与赤足状态下相比，随着鞋后跟的增高，第五跖骨端的压强明显的降低”不一致，这可能与性别或实验用鞋有关，JOANNE等研究的是女性高跟鞋，而本实验研究侧重的是男性高跟鞋（增高鞋），虽然都是鞋跟高度的增加，但男性鞋后跟部位的面积、鞋身的宽肥度要普遍大于女性高跟鞋。同时，JOANNE等的研究还指出鞋跟高度和跟区面积对足底压力特征具有重要影响，因此，在对现场足迹进行分析、检验时还应注意鞋跟高度和跟区面积的影响。

鞋跟高度对足弓压强值变化均无显著影响，这与王志彬等[12]的研究结果“足弓垫可以改变足底压力分布，使足底压力的57.1%集中在足弓垫下，有利于增加足弓的支撑力，缓解跖键膜的牵引力，减轻足跟的负重”相符合。足弓主要起到传递力和缓冲力的作用，同时鞋腰可以有效改变足底压力的分布情况，因此，在穿鞋足迹检验中，一定要注意鞋腰部位对足底压力特征造成的影响以及足迹中弓区特征的变化情况；同时，若发现足迹趾跖区域压痕相较弓跟区域较重，并在趾跖区域分布均匀，就要综合各方面因素仔细分析，可推断犯罪嫌疑人有可能穿增高鞋的可能，从而为缩小排查范围。

3.3 静态足迹特征分析

3.3.1 步幅特征

步幅特征是一组随机变量，然而随着鞋跟高度的增加，这组变量却表现出了一定的规律性：整体步幅特征参数值满足“步长变小，步宽变大，步角变小”的规律。这与LEE等[13]通过研究穿高跟鞋和负重对青年女性正常行走时下肢运动学的影响发现“随着鞋跟高度增加，步长变小，步宽略微变大”的结果基本一致。虽然跟高的增高，步宽、步角特征变化幅度较小，单从这两种特征进行步幅检验时，区分不同人的能力不够强，但如果把步长和其他特征结合起来加以考查，就可以把一个人的步幅从许多人中区别开来，至少可以把某一类型的步幅特征从众多的步幅特征中区别出来。

3.3.2 步态特征

鞋跟高度增加，身体前倾，重心前移且略有增高，导致跖趾部位压力增加，后跟部位压力减少。跟高继续增加，身体处于失衡状态，行走无法继续，在此状态之前由于鞋的作用，落足阶段会出现擦痕、起足阶段会出现挑痕等伴生痕迹，在检验鉴定过程中应特别注意。由于实验对象均有穿高跟鞋的习惯，决定了步态特征规律具有一定的稳定性，这种稳定的步态特征是高跟鞋足迹检验的基础。然而，实验中，由于测力平板及通道条件的限制，实验对象在在穿不同跟高的鞋时经常为了能在仪器上行走而被动调整自己的行走动作，使得足迹步态特征发生不规律的变化[14]，给实验结果造成一定的误差。

4 结论

随着鞋跟高度的增加，步态周期增加，步幅特征中步长变小，步宽变大，步角变小；足底压力分布发生变化，跟区压力较小，跖趾区压力增加；鞋跟高度对步态特征影响较大，落足阶段踏痕减轻，有时伴有擦痕出现，支撑阶段跖趾部位与地面接触充分，冲击作用明显，起足阶段趾区的蹬痕加重且向足迹趾区外侧延伸，有时伴有挑痕出现。因此，当犯罪现场穿鞋足迹存在上述变化，利用传统的步法特征推断嫌疑人人身特点存在不确定性时，不能主观臆断、强加分析，应结合其它证据线索、多方面多角度进行系统化检验，才能得到客观正确的检验鉴定结论。本研究的结果有助于深入了解鞋跟高度对动、静态足迹特征的影响和规律，同时也为案发现场利用高跟鞋足迹分析犯罪嫌疑人人身特点和作案过程提供可靠的理论依据和实用方法。