蹬痕形成和变化的生物力学基础研究

2019-08-03汤澄清桑伟波姬瑞军张庆时

中国人民公安大学学报（自然科学版） 2019年2期

汤澄清, 桑伟波, 姬瑞军, 张庆时

(1.中国刑事警察学院, 辽宁沈阳 110035; 2.佛山市公安局, 广东佛山 528000)

0 引言

足迹在犯罪现场的出现率和提取率很高，足迹反映犯罪嫌疑人的个人信息也最丰富[1]。然而，实际办案中利用足迹形象特征以及行走运动特征特别是步态特征，分析和刻画嫌疑人人身特点的实践应用相对较少。究其原因，主要是足迹形成过程中各种主客观影响因素多，导致痕迹特征的变化大、识别的难度大。目前，对足迹运动特征的识别仍处于经验积累阶段，即凭借刑侦技术人员自身积累的经验来认识足迹特征，这就需要严格和长期的训练，通过由浅入深、由己及人的训练，最终达到对足迹运动特征的有效识别和应用。但是刘玉文[2]提出的4步识别训练方法主要是对照人足的骨骼结构进行，对足迹特征的认识依靠主观定性分析和比对观察，同时引入了一些非标准、不规范的概念，主观性强，不利于理解和掌握。杨航等[3]从人体生理状态和运动机能的变化角度阐述了通过蹬痕等步态特征分析年龄的原理以及实践中分析年龄的诸多方法。作者通过对典型足迹图例的特征观察和标画说明蹬痕，特别是趾蹬痕的痕迹反映及其与年龄的相关关系，但是对蹬痕随年龄变化的机理并没有做细致的研究。实际操作中主要是根据蹬痕的位置、形态(介质浓淡或堆土、抛土)划分年龄段。史力民等[4]针对现场经常出现残缺足迹，提出首先判断留痕部位，进而结合现场足迹的遗留和反映情况，分别阐述平面足迹和立体足迹蹬痕的观测方法，并利用蹬痕随年龄变化的趋势和规律特点推算犯罪嫌疑人的年龄特征。随着现代测量技术及设备的发展，对人体行走运动的规律及形成足迹的特点已经实现了定量描述[5]。但是对蹬痕形成机理、反映特点以及变化规律的定量化研究仍很少。开展蹬痕等步态特征量化、客观的基础性研究，提高其利用率和分析的准确性成为刑事科学技术领域里的重要课题。

1 研究方法

蹬痕是蹬伸(也称为后蹬、起足、推进)阶段的主体痕迹，是人体结构与运动功能、行为与心理活动在足迹中的综合表现之一。蹬痕反映取决于承受客体的结构及物理性质，易受现场环境条件、行走速度、犯罪嫌疑人心理、年龄、鞋子种类等诸多因素的影响。本文旨在从生物力学的角度，运用先进的测量仪器和科学的技术手段，采集人体行走的时间、空间和力学参数，定量分析蹬痕的形成过程及足- 地接触力的相互作用。

1.1 测试对象

35名成年男性志愿者参与了本实验研究，将其分为青年(18人)和中年(17人)2组。所有测试对象身体健康，无行走障碍和运动系统的任何疾病，也都没有因为运动损伤等接受过任何手术，测试对象的年龄和体重信息见表1。

表1 测试对象个人信息

1.2 实验器材

足底压力等数据使用比利时RSscan公司的Footscan®2 m板采集，采样频率126 Hz，并与RSscan 3D-box同步。ATMI三维测力台安装在压力平板的下方，压力平板上表面与地面水平。成趟立体足迹样本则在足迹实验室的沙土地面上遗留和收集。

1.3 实验方案

测试对象首先了解实验目的和步骤，之后在研究室8米长的步道(压力平板和测力台置于中间，上方及两端铺有薄的EVA垫)上往返行走数次，熟悉并适应实验过程环境。然后，每个人以正常速度自然行走经过压力平板和测力台，采集10组左足二步数据以及15组左右左足数据(三步法[6])。之后，再在立体足迹实验室的沙土地面上以同样的方式行走，留下大约10枚左右的穿袜成趟立体足迹。Footscan足底压力系统显示的步态时空界面如图1所示。

图1 footscan足底压力系统显示步态时空界面

1.4 统计分析

采集的时间、空间和力学参数经由系统软件导出并存储为Excel文件，利用Microsoft Excel2010和SPSS 15.0 软件进行统计分析，组间数据的差异性水平选择显著差异P<0.05和极其显著p<0.01。

2 结果与讨论

2.1 时间参数

行走是人体通过与地面的相互作用，在一定空间里经历一定时间的机械运动[7]。一个步态周期分为支撑和摆动两个时期。支撑时期分为足跟着地(IFC)、跖着地(IMC)、支撑中期(IFFFC)、足跟离地(HO)、蹬离期(FP)和趾离地(TO)等动作阶段。摆动时期分成加速、摆动和减速3个阶段。本实验中2组测试对象支撑时期的主要步态时间参数如表2所示，其中中年人单足支撑时期(LFC)长，而跖着地和支撑中期开始时间(即IMC和IFFFC占足支撑时期的百分比)早，足跟离地(即HO占足支撑时期的百分比)晚，与青年差异极其显著(p<0.01)。赵芳等[8]对比青年人步态周期单双支撑时相发现，中老年人随着身体机能下降，肌肉收缩能力衰退，动作变得缓慢，呈现行走时求稳不求快的现象。可见中年人通过增加支撑时间来补偿平衡能力的降低，这些都直接决定了起足蹬伸力的作用时间，也将引起蹬痕特征反映的变化。

表2 步态时间参数

2.2 空间参数

行走运动中，左右下肢(包括足)交替的支撑与摆动的空间搭配关系通常用左右步长、步宽和步角来描述。步速(行走速度)取决于步长和步频的结合，是步态特征变化的主要影响因素。实验中2组测试对象的步长、步频和步速如表3所示，三者均随年龄增长而下降，中年与青年差异极其显著(p<0.01)。伍勰等[9]分析老年人行走速度随年龄增大下降的原因主要是由于步长减少造成的。由此可见，中年人生理机能和运动能力下降明显，这些都影响蹬地足骨杠杠的作用与力矩平衡关系，也将引起蹬痕部位和形态的差异。

2.3 力学参数

表3 步长、步频和步速

外剪力，其中对蹬痕起主要作用的是前后方向剪力。支撑时期地面支撑反力(水平分力即为足对地面前后剪力的反作用力)方向和大小的变化如图2所示。

图2 地面支撑反力变化示意图

本实验中青年组与中年组前后剪力的典型变化(向前为正，向后为负；水平轴对支撑时间归一化，即占支撑时相的百分比，垂直轴对体重归一化，即占体重的百分比)如图3所示。力的作用点、大小和方向，作用时间，起足的快慢以及运动能力都会影响蹬痕的位置、形态等特征。

图3 前后剪切力对照图

由图可见，进入缓冲阶段，人体重心逐渐转移至对侧支撑足，剪力下降至零；期间支撑足足跟、足弓相继离地，足掌、足趾陆续进入蹬伸阶段，剪力转而向后并逐渐增大；当对侧足初始着地后，剪力在相反方向达到另一个峰值；青年人后蹬力略高于中年人，后蹬力与向前制动力的比值高于中年人(p<0.05)，反映出中年人的肌肉力量减弱明显。随着对侧足进入全足支撑阶段，剪力降低，而当足趾离地再次进入摆动时期时，剪力重新归零。

两组测试对象前后剪力图的末端时刻均有不同程度的翻转，根据剪力的作用力方向可知青年人和中年人起足时都有挑擦的动作，即形成了挑痕。挑痕位于足迹前边缘的前面，是由于起足低，在足尖离开地面时挑擦前上方的地面形成的痕迹。挑痕与年龄、身体机能、鞋种及地面条件有密切关系。通常中老年及驼背的人起足低，易出现挑痕，另外，鞋子的合脚程度、负重及地面松软或附着物偏厚都可能形成挑痕。本实验中青年人起足挑痕的出现率为15.4%，中年人的出现率略高，分析其原因，可能是由于在步道上行走速度相对较慢所致。

2.4 痕迹反映

蹬痕亦可称为后蹬痕，分为跖后蹬痕和趾后蹬痕两部分，简称跖蹬痕和趾蹬痕。通常趾蹬痕易受介质、伴生痕迹等影响形态模糊，所以起足蹬痕主要观察跖蹬痕。在立体足迹中，跖蹬痕从跖前缘到掌区后方的变形由深变浅，常有堆土或抛土反映，形成向后的弧凸或“倒三角”状。平面足迹中多表现为介质的转移形成的堆积或擦划痕迹。

测试对象在沙土地面自然行走，留下的立体足迹如图4所示，足迹左侧为同一足足底压力分布图。青年人足迹整体反映出的边缘轮廓清晰，掌区蹬地变形大，而作用范围小，反映出青年人起足动作干净利索，持续时间短。中年人跟区、弓区外侧压偏重，掌区压力分布均匀，蹬地位置向外侧偏移。对青年人与中年人足底不同区域压力分布、压力中心(COP)形态研究表明，随着年龄增长，掌外侧重压区、重压点逐渐后移，跟区、弓区重压点越来越靠外[10]。

图4 蹬痕反映对照图

3 案例应用

2015年2月13日，某市白山乡蔬菜大棚着火案现场提取犯罪嫌疑人在来去路线上遗留的足迹多枚，该市刑警大队委托我院对现场足迹进行分析，刻画犯罪嫌疑人的体貌特征。经检验，现场足迹系土地面上的穿鞋足迹，正常行走遗留，鞋底平整，轮廓清晰完整，如图5所示。鞋印整体压力面外重内轻，掌区蹬痕在中心线偏外侧近三趾处，有向后堆土反映，鞋印前尖挑痕明显。综合踏痕及跟压痕等其他步态特征，分析犯罪嫌疑人年龄应在35～40岁之间，破案后证实犯罪嫌疑人39岁。