基于足底壓力分析系統(tǒng)對(duì)青年人行走步態(tài)特征穩(wěn)定性的研究

（中國(guó)刑事警察學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110035）

人的行走運(yùn)動(dòng)是一種受大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)支配的，以骨骼為杠桿，骨骼肌為動(dòng)力，與人的生理、心理狀態(tài)均密切相關(guān)的一種特殊的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。它通過(guò)左、右足交替作用于地面，是一種始終處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)。在日常生活和學(xué)習(xí)中，人會(huì)自然地建立起受自身生理特征和心理特征影響的行走動(dòng)力定型，它決定了人的行走運(yùn)動(dòng)形態(tài)，同時(shí)通過(guò)行走姿勢(shì)控制下的足與地面等承痕客體發(fā)生接觸而形成的足跡表現(xiàn)出部分特征，我們稱這部分特征為足跡的行走運(yùn)動(dòng)特征。

人的出生、成長(zhǎng)到死亡是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，其身體總體結(jié)構(gòu)形態(tài)，包括足的結(jié)構(gòu)形態(tài)在一定時(shí)間范圍內(nèi)的變化是極其細(xì)微的，具有一定的穩(wěn)定性，尤其是當(dāng)人的骨骼停止生長(zhǎng)后，其足底結(jié)構(gòu)形態(tài)的穩(wěn)定性可高達(dá)十幾年甚至幾十年。而作為一個(gè)人在一定生活壞境下由多次重復(fù)相同條件運(yùn)動(dòng)的反射而形成的大腦皮層動(dòng)力定型，則更難改變。穩(wěn)定的足的結(jié)構(gòu)與反復(fù)學(xué)習(xí)實(shí)踐形成的神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力定型，使人的行走動(dòng)力形態(tài)具有穩(wěn)定性，形成了穩(wěn)定的行走運(yùn)動(dòng)足跡特征，為足跡的分析研究提供可能[1]。

近年來(lái)，在基層實(shí)際辦案中，足跡的采集率大幅下降，利用足跡認(rèn)定犯罪嫌疑人從而偵破的案件更是少之又少，由此流傳著足跡“無(wú)用論”的觀點(diǎn)，究其緣由，主要是足跡檢驗(yàn)尚處于經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知階段，需要依靠專家的經(jīng)驗(yàn)來(lái)作出認(rèn)定結(jié)論。而如果我們可以說(shuō)明用于足跡檢驗(yàn)的特征的科學(xué)性，則可以令廣大基層技術(shù)人員投入到足跡檢驗(yàn)的行列中，增強(qiáng)足跡的利用率。本研究通過(guò)Footscan足底壓力步態(tài)分析系統(tǒng)采集青年人正常行走時(shí)足底各區(qū)域壓力變化的數(shù)據(jù)，對(duì)其中的峰值壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)處理，采用SPSS20.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，找出足底峰值壓強(qiáng)變化穩(wěn)定的區(qū)域，同時(shí)通過(guò)與油墨捺印的平面足跡所反映的步態(tài)特征所在位置進(jìn)行對(duì)比分析，說(shuō)明自然行走狀態(tài)下青年人穿襪足跡步態(tài)特征的科學(xué)性。

一、材料與方法

（一）實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)選擇30名身體健康、行走姿勢(shì)正常的青年學(xué)生作為測(cè)試對(duì)象，其中男性20名、女性10名，年齡22±2歲，身高男性1.78±0.03m、女性1.63±0.03m，體重男性70±5kg、女性52±3kg。

（二）實(shí)驗(yàn)條件

1.采用由比利時(shí)RSscan Internation公司研制的Footscan足底壓力步態(tài)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括2m長(zhǎng)均勻分布16000多個(gè)傳感器的測(cè)力平板，傳感器大小為0.5cm×0.7cm，密度4個(gè)/cm2，采集頻率最高可達(dá)500Hz[2]，實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用3Dbox同步采集測(cè)試對(duì)象行走狀態(tài)下所產(chǎn)生的足底壓力數(shù)據(jù)。

采集方法：首先對(duì)測(cè)試對(duì)象說(shuō)明實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)過(guò)程，讓其在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)穿襪自由歩行，以熟悉行走環(huán)境，達(dá)到正常行走狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試對(duì)象在距Footscan平板一定距離處開(kāi)始正常行走，以此來(lái)保證測(cè)試對(duì)象踏上平板時(shí)的自然狀態(tài)，每名測(cè)試對(duì)象均采集15次正常行走的足底壓力分布數(shù)據(jù)，用于減少實(shí)驗(yàn)誤差，有助于分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.采用傳統(tǒng)油墨捺印法，捺印測(cè)試對(duì)象正常行走時(shí)的平面足跡。油墨捺印具有成本低、操作簡(jiǎn)便、圖像清晰等優(yōu)點(diǎn)，能夠穩(wěn)定、客觀、準(zhǔn)確地反映出足跡特征[3]。

采集方法：首先在實(shí)驗(yàn)室地面平鋪約5m長(zhǎng)的白紙，兩側(cè)用膠帶固定，以防采集數(shù)據(jù)過(guò)程中紙張串動(dòng)，然后對(duì)每名測(cè)試對(duì)象說(shuō)明實(shí)驗(yàn)流程。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，測(cè)試對(duì)象穿襪站立在足跡捺印盒上，使襪底均勻著墨，而后以自然行走狀態(tài)在白紙上行走，取左、右足前10枚足跡，拍照提取，同一人采集3趟數(shù)據(jù)后換下一名測(cè)試者，直至30名測(cè)試對(duì)象全部測(cè)試完畢。

二、數(shù)據(jù)處理

（一）Footscan步態(tài)分析系統(tǒng)足底壓力數(shù)據(jù)處理

根據(jù)足跡分析與檢驗(yàn)理論，F(xiàn)ootscan足底壓力步態(tài)分析系統(tǒng)將足底面分為十個(gè)部分進(jìn)行采集，分別為拇趾區(qū)（T1）、2-5 趾區(qū)（T2-5）、第一跖區(qū)（M1）、第二跖區(qū)（M2）、第三跖區(qū)（M3）、第四跖區(qū)（M4）、第五跖區(qū)（M5）、足弓區(qū)（MF）、跟內(nèi)側(cè)區(qū)（HM）和跟外側(cè)區(qū)（HL），如圖1所示，并將這十個(gè)區(qū)域的起始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間、壓強(qiáng)、沖量等采集數(shù)據(jù)導(dǎo)出形成Excel表格形式，如表1所示。

圖1 Footscan足底壓力采集圖像

表1 Footscan步態(tài)分析系統(tǒng)足底壓力數(shù)據(jù)采集表

標(biāo)準(zhǔn)偏差的定義是總體各單位標(biāo)準(zhǔn)值與其平均值之差的平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根，是個(gè)體間變異大小的指標(biāo)之一，反映了個(gè)體間數(shù)據(jù)分布的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)偏差的值越小，說(shuō)明數(shù)據(jù)越聚集，離散程度就越小，數(shù)據(jù)也就越穩(wěn)定，反之標(biāo)準(zhǔn)偏差的值越大說(shuō)明數(shù)據(jù)越離散[4]。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)將所采集的峰值壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，而后輸入SPSS20.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件，計(jì)算數(shù)據(jù)間的標(biāo)準(zhǔn)偏差，進(jìn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析。處理數(shù)據(jù)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 20名男性測(cè)試對(duì)象左、右足峰值壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)量

表3 10名女性測(cè)試對(duì)象左、右足峰值壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)量

（二）油墨捺印足跡數(shù)據(jù)處理

步態(tài)特征所反映的是人行走運(yùn)動(dòng)中足的各部位與地面等承受客體接觸時(shí)相互作用的情況以及行走動(dòng)力定型的特點(diǎn)，是足跡行走運(yùn)動(dòng)特征的一種主要反映形式。足跡中的步態(tài)特征可大致分為三種：落足特征、支撐特征和起足特征[5]。

將捺印好的足跡樣本紙展開(kāi)，在每張紙選取的10個(gè)足跡上標(biāo)注步態(tài)特征，如圖2所示，綜合每名測(cè)試對(duì)象足跡步態(tài)特征出現(xiàn)概率的大小，選擇其中相對(duì)穩(wěn)定的步態(tài)特征進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、整理成如表4、表5所示。

圖2 捺印足跡標(biāo)注步態(tài)特征

表4 20名男性測(cè)試對(duì)象正常行走左、右足穩(wěn)定步態(tài)特征出現(xiàn)率（%）

表5 10名女性測(cè)試對(duì)象正常行走左、右足穩(wěn)定步態(tài)特征出現(xiàn)率（%）

三、討論

圖3 足底壓力圖像與捺印足跡比較

從表2、表3所示數(shù)據(jù)可知，青年男性左足峰值壓強(qiáng)最穩(wěn)定的是2-5趾區(qū)和足弓區(qū)，較穩(wěn)定的是跟內(nèi)側(cè)區(qū)、外側(cè)區(qū)和拇趾區(qū)，而右足峰值壓強(qiáng)最穩(wěn)定的是2-5趾區(qū)和足弓區(qū)，較穩(wěn)定的是跟外側(cè)區(qū)、第五跖區(qū)和拇趾區(qū)。可見(jiàn)，青年男性左、右足足底壓力穩(wěn)定區(qū)域并無(wú)明顯差異。青年女性數(shù)據(jù)中，除第一、第五跖區(qū)穩(wěn)定性稍高于男性以外，其余穩(wěn)定區(qū)域并無(wú)不同。

從表4、表5所示數(shù)據(jù)可知，青年男性正常行走的左足步態(tài)特征出現(xiàn)率約為趾前蹬痕93.5%、踏痕99.2%、足跟擦痕90.3%，跖壓區(qū)前部擦痕74.7%，右足步態(tài)特征出現(xiàn)率為趾前蹬痕95.5%、踏痕99.2%、足跟擦痕90.3%，跖壓區(qū)前部擦痕75.2%，左右足無(wú)明顯差異。綜合青年女性數(shù)據(jù)，左足步態(tài)特征出現(xiàn)率約為趾前蹬痕95.3%、踏痕99.7%、足跟擦痕91.7%、第一、第五跖壓區(qū)擦痕74%，右足步態(tài)特征出現(xiàn)率約為趾前蹬痕94.7%、踏痕100%、足跟擦痕91.7%、第一、第五跖壓區(qū)擦痕72%，可見(jiàn)，青年男女在趾前蹬痕、踏痕、足跟擦痕特征的出現(xiàn)率大體相似。

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果，綜合圖3所示直觀觀察，雖然足底峰值壓強(qiáng)最穩(wěn)定的區(qū)域?yàn)?-5趾區(qū)和足弓區(qū)，但因?yàn)榕c承痕體接觸時(shí)作用力小，不易留痕，很難在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用，而穩(wěn)定性較高的拇指區(qū)、跟外側(cè)區(qū)則經(jīng)常對(duì)應(yīng)著趾前蹬痕、踏痕和足跟擦痕等步態(tài)特征，且遺留率很高。

四、結(jié)論

足跡作為現(xiàn)場(chǎng)遺留率很高的痕跡之一，在偵查破案中發(fā)揮著十分重要的作用。從Footscan足底壓力步態(tài)分析系統(tǒng)處理得到的足底峰值壓強(qiáng)變化穩(wěn)定的區(qū)域與傳統(tǒng)油墨捺印足跡所反映的步態(tài)特征所處位置的比較中，可以得出，趾前蹬痕、踏痕和足跟擦痕作為青年人正常行走狀態(tài)的穩(wěn)定的步態(tài)特征所處的位置，與足底峰值壓強(qiáng)變化的穩(wěn)定區(qū)域基本一致，體現(xiàn)出行走動(dòng)力定型的動(dòng)力特征可以通過(guò)足跡步態(tài)特征反映，從某種程度上說(shuō)明了青年人行走步態(tài)特征的科學(xué)性，為豐富足跡檢驗(yàn)理論的準(zhǔn)確性和科學(xué)性提供了依據(jù)。

[1]史力民，馬建平.足跡學(xué)[M].北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2014.

[2]湯澄清，史力民，黃愿.Footscan步態(tài)分析系統(tǒng)在足跡檢驗(yàn)中的應(yīng)用初探[J].刑事技術(shù).2008，（4）：18-20.

[3]計(jì)永林，宋佳賓，王浩波，等.穿襪負(fù)重倒行走步態(tài)特征研究[J].刑事技術(shù).2016，（5）：391-394.

[4]馬慶國(guó).應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)-數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法與SPSS應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2005.

[5]恩克吉亞，宋立偉，賴紅楠.步長(zhǎng)變化對(duì)足跡跟壓痕跡特征影響的研究[J].中國(guó)公共安全：學(xué)術(shù)版.2015,（4）：112-115.

[6]張慶來(lái)，孟站領(lǐng).正常青年人左右足底壓力分布特征的對(duì)比分析[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù).2007，(5):889－892.