足迹跟压痕步态特征稳定性研究

高　毅,　肖文强，　刘家栋，　林筑瑶

(1.中国刑警学院痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室， 辽宁沈阳　110035；2.伊利哈萨克自治州公安局刑侦支队， 新疆伊利　835000)



足迹跟压痕步态特征稳定性研究

高毅1,肖文强2，刘家栋1，林筑瑶1

(1.中国刑警学院痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室， 辽宁沈阳110035；2.伊利哈萨克自治州公安局刑侦支队， 新疆伊利835000)

摘要利用足迹的步态特征进行年龄分析是足迹检验的重要内容。从足迹跟压痕的形成机理入手，利用足底压力测量系统对不同年龄阶段人群的足底分布特点及力学参数统计研究，得到跟压痕与人年龄的相关性和稳定性，为利用步态特征分析足迹遗留人的年龄提供理论参考。

关键词跟压痕迹； 年龄分析； 稳定性

0引言

步态特征是人在行走运动中足的各个部位与承痕客体相互接触定型动作的反映，是行走运动特征在单个足迹中的综合反映形式。当全足着地，身体重心主要位于足底第一、第五跖趾关节和跟骨结节3个支撑点上方，在这一垂直支撑阶段过程中，与地面相互作用所表现的主要特征则是压痕。

在人行走时，因重力、足型和行走姿势不同会形成不同压痕。根据压痕在足迹中出现的位置，可将其划分为：趾压痕、跖压痕、弓压痕和跟压痕。因为跟压痕的位置和形状具有一定稳定和特殊性，并能较好地反映出力的作用点，所以本文主要研究跟压痕迹。跟压痕的反映包括跟压周边形状、深浅、长宽、直径大小、浓淡等。根据其所在的位置，跟压痕可分为跟中心压、跟外侧压、跟偏外侧压、跟偏内侧压和跟全压。

1不同年龄阶段足迹跟压痕特点

随着年龄不断改变，人体的生理机能也会不断变化，导致足部肌肉、韧带的机能逐年减弱，弹性下降，各软组织渐渐板结，足弓降低。造成步态特征特别是跟压特征变化明显，跟压痕逐渐由骨结节向周围扩散，达到一定限度后，则加快向足弓处延伸，加长，直至与跖外侧压痕相连接而重叠。各个时期的跟压表现为：青年时期，掌压痕明显重于跟压痕。壮年时期，压痕比较均匀，重压点不突出，跟压多呈椭圆形。中年时期，掌压重压面向外靠近并后移，跟压面积大而明显，掌压轻于跟压。老年时期，起落足较低，跟压明显重于掌压，外侧压重于内侧压。总之，随着年龄的增长，足承重部位由前重后轻，到前后平均，再到前轻后重，由内重外轻，到内外平均，再到内轻外重；跟压由轻到重，由小圆向大圆、椭圆、卵圆、长卵圆逐渐向弓部延伸。常用跟压痕分析年龄统计公式为：足迹跟压痕纵向直径L*5=年龄。因此足迹跟压痕分析年龄的可靠性可以从跟压痕与年龄之间相关性和稳定性两个方面进行研究。

2利用足底步态分析系统对跟压痕的研究

2.1步态分析系统的介绍

比利时的footscan足底压力步态分析系统已广泛应用于生物力学、临床医学、康复医学等领域。目前公安部痕迹检验重点实验室主要利用该系统开展静态、动态足底压力分布研究；足底压力随年龄的变化规律研究；足底压力和性别、体态等关系研究，开辟了该足底压力步态分析系统在足迹检验理论基础研究领域的先河。

footscan平板系统包括一个footscan box、一个测力平板和一套软件,可用于赤足或穿鞋时的走、跑等不同运动的分析。该系统的技术指标为：传感器大小为0.5 cm×0.7 cm，密度为4个/cm2，2 m型平板分布16 384个传感器；采样频率受介面盒box影响，最高可达500 Hz，本次实验采用125 Hz，系统构成如图1所示。功能主要有行走静、动态测试、足迹压力

图形二维、三维分析、左右足同步足底压强分析等。压力通过扫描成像，传送给计算机并显示出颜色不同的足迹，如红色部分为主要受力区域，兰色部分为非主要受力区域，如图2所示。本实验是在测得压力数据的基础上，结合传统足迹检验学知识进行步态分析。

图1　Footscan足底压力测量系统

图2　footscan系统中足底受力情况示意图

2.2实验对象和内容

将学院40名受试者按照年龄段分成4组，每组10人，分别为组1(20～29岁)，组2(30～39岁)，组3(40～49岁)，组4(50～59岁)。所接受测试人员均身体健康，行走姿态正常。试验中强调对每一名受测试者采集充足数量的样本，每位受测试者以正常步态走过2 m压强测量板10趟，分别收集数据,采集左右脚足迹各1枚。利用Footscan足底压强测量系统测出每个人足跟区峰值压强值，然后对足底跟区峰值压强值与年龄参数进行统计并做相关分析得出结论，结合测试者所穿用鞋的鞋底磨损情况和足底压力图形做参考比对。

3实验数据采集与分析

3.1跟压痕特征与年龄相关性分析

本文将足底跟区分为两个区域：(1)足跟内侧

区(Heel Medial)；(2) 足跟外侧区(Heel Lateral),分别进行研究。对每组的10名测试者的左右足迹足跟内外侧压强峰值进行统计分析数据如表1所示。

根据表1数据，对各年龄组段的足底压强峰值与年龄相关性进行统计见表2～5所示。

表2中反映出左脚跟区内、外侧峰值压强与年龄相关系数为r=-0.389(-0.417)，即0.3≤|r|<0.5，表明左脚跟区内外侧峰值压强与年龄有相关性。同样，右脚跟区内、外侧峰值压强与年龄相关系数为r=-0.322(-0.466)，即0.3≤|r|<0.5，表明右脚跟区内外侧峰值压强与年龄有相关性。

表3中反映出左脚跟区内、外侧峰值压强与年龄相关系数为r=0.512(0.396)，即0.3≤|r|<0.5，表明左脚跟区内外侧峰值压强与年龄有相关性。同理,右脚跟区内、外侧峰值压强与年龄相关系数为r=0.412(0.443)，即0.3≤|r|<0.5，表明右脚跟区内外侧峰值压强与年龄有相关性。

同理，表4所反映出左、右脚跟区内外侧峰值压强与年龄相关系数均为0.3≤|r|<0.5，因此，表明该年龄组段足跟区峰值压强与年龄有相关性。

表5所反映出左脚跟区内、外侧峰值压强与年龄相关系数为r=0.735(0.838)，即0.5≤|r|<0.8，表明左脚跟区内外侧峰值压强与年龄有显著相关性。同理，右脚跟区内外侧峰值压强与年龄相关系数为r=0.553(0.657)，即0.5≤|r|<0.8，表明右脚跟区内外侧峰值压强与年龄有显著相关性。因此，表明该年龄组段足跟区峰值压强与年龄有显著相关性。

表1　足跟区压强均值数据统计总表　单位N/cm2

表2　20～29岁组跟区压强与年龄的相关性统计表

表3　30～39岁组跟区压强与年龄的相关性统计表

表4　40～49岁组跟区压强与年龄的相关性统计表

表5　50～59岁组跟区压强与年龄的相关性统计表

3.2跟压痕特征随年龄变化规律特点分析

以上在说明跟压痕与年龄相关性的同时，为了更好地利用本系统反映出跟压特征随年龄的变化规律特点，通过多次实验，对上述样本人群进行重新分组，即20～29岁，30～39岁，40～59岁，以期得到跟压特征随年龄变化更好的区分度。对每个年龄组跟区的平均压强，平均作用时间，平均接触面积3类数据汇总后进行统计学描述，结果用均值x±s表示，并计算95%的置信区间，各类数据统计见表6。

从上表可见，与20～29岁年龄组相比，40～55岁年龄组足跟部位的压强呈现出明显的下降趋势，这是由于随年龄增长，行走速度逐渐减慢，落脚对地面的冲击力变小导致；而随着年龄的增长，足跟与地面的接触面积呈现出明显的增大趋势，这是因为随着人的年龄增长,维持足弓结构的各系统机能也逐渐下降,导致弓部触地面积变宽,使得足跟部压力分布面积增大，并且与地面的接触时间也呈现出明显的增长趋势，此均与步法特征理论相符。

表6　　　　不同年龄段人群足跟部位压强、

为了更直观地表示跟压随年龄变化的规律特点，我们随机抽取各年龄组段身高、体态相近样本的穿鞋足迹压力分布图形和曲线(红色曲线代表跟区内侧，蓝色曲线代表跟区外侧)，如图3～5所示。并配以各年龄段所穿用鞋鞋跟磨损情况样本，如图6所示。

图3　29岁足底压强峰值分布图

图4　39岁足底压强峰值分布图

图5　50岁足底压强峰值分布图

图6　各年龄组段鞋跟磨损情况对比

从图形上看，足跟部作为足底主要受力支撑点，反映出足跟生理结构强度大，表现为压力分布面积较大，并且随着年龄的增长，足跟压力有增大的趋势。这是因为随着年龄的增长，人体重心逐渐向后移动，这样有可能导致分配在足跟区的压力增大。从跟内外侧受力曲线来看，跟外侧压力曲线相对于跟内侧曲线也有增长，这是因为随着年龄增长，跟区的利用率由内高外低，逐渐达到内外均衡及外高内低。由此可见，跟区外侧利用率也明显提高。图6中各年龄组段鞋跟磨损情况对比也可直观看出，随着年龄增大，鞋跟区磨损面积逐渐增大并且跟区外侧磨损严重程度加重。

4结论与讨论

(1)从实验数据的不同年龄段分布变化可以看出，随着年龄的增长，跟区压强逐渐减小，这是由于落脚和起脚阶段足底与地面的接触面积增加所导致的。这与传统经验分析中年龄越大，踏痕面积越大也相符合。

(2)实验数据显示，随着年龄的增长，足跟支撑面积和时间均成递增趋势，说明随着年龄增长，足弓高度降低，弓部接触面积变大，有可能和跟压痕重叠。从足底的局部支撑向全足支撑转变。致使足跟作用时间上升。并且，从跟区压力变化图可以看出，随着年龄的的增长，跟区的压力分布从内高外低到内外均衡，逐渐达到外高内低。说明随着年龄增长，足底外侧支撑的参与度增加，这也符合我们对老年人行走特点和生理变化的认识。

(3)由统计结果分析可知，不同年龄人群跟压痕特征与年龄具有相关性，年龄越大，相关性越显著。并且压力分布，接触面积大小等数据呈规律性

变化，说明跟压痕步态特征是比较稳定可靠的，这为足迹的年龄分析提供了理论基础和科学依据。

本实验中所应用的设备精确度较高，实验设计合理，将大大减低由此产生的实验误差。但形成足迹的动作，心理状态，地面条件等也会对步态特征造成一定影响。从力学角度来看，这些因素都将直接影响足底与地面的作用方式，最终导致步态特征的变化和足迹的形成。因此，在利用步态特征进行足迹检验和分析时，应充分考虑以上因素综合细致分析，以期提高足迹分析的可靠性。

参考文献

[1]吴剑，李建设.青少年女性穿不同鞋行走时足底压强分布研究[J].体育科学，2006,26(6):67-69.

[2]马越，王子丹.足底压力分布年龄差异分析[J].中国人民公安大学学报：自然科学版，2010(2).

[3]钱竞光,宋雅伟，等.步行动作的生物力学原理及其步态分析[J].南京体育学院学报，2006(4).

(责任编辑陈小明)

中图分类号D918.91

作者简介高毅(1978—)，男，吉林人，硕士，副教授。主要从事足迹检验方面的教学、科研和办案工作。

基金项目公安部重点实验室痕迹检验鉴定技术2015年开放课题项目、2015年公安院校大学生创新训练计划项目“足迹特征稳定性及在侦查破案中利用价值的研究”阶段性成果。