不同跟高的增高鞋垫对人体足底压力和稳定极限的影响研究

马晓贇， 姚 力

(中国刑事警察学院， 辽宁沈阳 110035)

不同跟高的增高鞋垫对人体足底压力和稳定极限的影响研究

马晓贇， 姚 力

(中国刑事警察学院， 辽宁沈阳 110035)

在足迹检验过程中，常遇到嫌疑人伪装作案鞋的情况，其中穿着增高鞋垫升高鞋跟高度，使鞋底压痕不完全同于真实情况是其中一种。由于基层技术人员的时间、经验不足等主客观原因，不真实的步法特征非但无法提供有价值的线索，还会误导侦查。针对这种情况，通过使用Footscan足底压力测试系统与Novel鞋垫系统统计30名某公安院校学员穿运动鞋及穿有增高鞋垫的运动鞋行走时的压力参数，比较二者在足底7个分区的压力分布、峰值压强、冲量、足底压力中心、接触时间以及稳定极限，说明穿用增高鞋垫前后机体在足底压力分布和稳定极限上的差异。以此为精确刻画嫌疑人特点提供途径，为公安机关侦查破案提供帮助。

增高鞋垫； 足迹检验； 鞋跟高度； 足底压力分布； 稳定极限

0 引言

随着社会经济的发展以及人们审美观念的提升，为了视觉上的美感，越来越多女性选择穿着高跟鞋出行。据美国足部医疗学会(APMA)的调查，39%～69%女性每天会穿着高跟鞋[1]。一个主要原因是跟高的鞋可以通过缩小步长、增加臀部扭动而使女性的步态显得婀娜多姿，由此增加她们的自信与吸引力。但穿着高跟鞋时，身体重量不正常转移易导致足部疼痛和肿胀，甚至扭伤脚踝。并且由于高跟鞋风格、型号多为女性设计，很难满足有增高需求的男性，这使得更多的人青睐于选择具有隐形增高功能的增高鞋垫。现如今随着人们法制意识提升的同时，犯罪嫌疑人的反侦查意识也有所提升。在许多案件中，嫌疑人为了掩饰自己的步法信息，常采用穿着高跟鞋或增高鞋垫的方法误导侦查，使得赤足或穿鞋足迹印痕并不能完全真实、客观反映人体特征。因此分析研究增高鞋垫对人体足底压力分布和稳定极限的影响，可以有效解决嫌疑人伪装步法、干扰侦查的问题，使其充分暴露，精确刻画信息，为侦查提供方向。

本实验使用专业的足底压力测试系统Footscan与Novel测试鞋垫，分别收集不穿用增高鞋垫和穿用不同跟高的增高鞋垫时“鞋- 地”“足- 鞋”之间的压力数据，对照其关联与区别，进而分析讨论穿增高鞋垫前后人体足底压力和稳定极限的变化。

1 实验材料与方法

1.1 研究对象

选择某公安院校30名20～30岁间的学员作为本次研究的受试者，其中男生10名， 体重(62.3±2.5)kg，身高(175.0±1.5)cm，鞋号均41号；女生20名，体重(48.7±3.4)kg，身高(162.8±2.5)cm，鞋号均37号。所有的受试人员都已证明无任何足部疾病和下肢损伤，且穿着增高鞋垫不会产生疼痛以致影响行走。男女生受试者的样本容量不同是由于受试者均为警校学员，很难找到更多长期穿着增高鞋垫的男性学员。

1.2 实验材料

(1)FootscanUSB2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走、跑等不同运动的分析，并配有多种科学研究的软件。有效压力感应区域总长2 m，高质量、防水溅，系统采样频率最高达500 Hz，每平方厘米有4个传感器，共有16 384个传感单元。Footscan分析系统拥有足够大的测试平面，有较完善的稳定分析功能，能精准分析动态足底压力。

(2)Novel Pedar-X鞋垫系统

由德国Novel公司设计的一套精确高质量的鞋垫式足底压力检测系统。系统采样频率为100 Hz，传感器覆盖整个足部，且通过软件可任意选择传感单元的数量及配置。Novel Pedar-X鞋垫放置在鞋内部测量“足-鞋”界面的压力参数，扫描速度为每秒20 000个传感器。

(3)鞋袜与鞋垫

361°牌男运动鞋，鞋号41；361°牌女运动鞋，鞋号37；一次性卫生袜30双，跟高分别为2 cm和4 cm的实验用硅胶增高鞋垫，如图1所示。

图1 实验用硅胶增高鞋垫

1.3 研究方法

(1)样本收集

样本收集分四步进行。第一步，受试者提前穿着实验用运动鞋来回走动，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[2]；第二步，令实验者以常规速度在Footscan系统中行走，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；第三步，令实验者以常规速度在Footscan系统中行走，测量置入Novel鞋垫系统后并放置了实验用增高鞋垫(2 cm)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；第四步，令实验者以常规速度在Footscan系统中行走，测量置入Novel鞋垫系统后并放置了实验用增高鞋垫(4 cm)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。

最后，通过稳定极限测试来测量每个受试者穿增高鞋垫前后稳定性的变化。受试者在不滑跌、不失衡、无需协助的前提下，在给定方向能转移的最大距离反映了稳定极限。在稳定极限测试中，计算机屏幕显示一个中央平台及其周围顺时针排列的8个对象，分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°以及315°。在测试中，受试者被要求将重心超出支撑平面朝任意对象移动。当他们听到指挥信号时，被要求尽可能快速、准确地向发亮对象方向移动重心，并在该处保持动作至少10 s。由此最大距离估计出受试者的稳定极限参数。

(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，左右足双侧的压力分布有一致性[3]，因此只选用受试者的左足压力数据。分析压力参数包括压力分布、峰值压强、冲量、足底压力中心、接触时间及稳定极限。由于此次试验男女性样本体重不同，需要先数据标准化后再比对分析，因此所得参数均先除以各自体重。分析采用Windows 10操作系统下的SPSS 19.0统计学分析软件，并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，足迹步法特征受环境、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，所以将显著性选择为P<0.05。

2 结果分析

2.1 足底压力变化

(1)压力分布

受试者穿着硅胶增高鞋垫前后，在足趾、足跖、足弓、足跟各区域的压力分布产生了明显的变化如图2所示。增高鞋垫改变了从足跟、足弓直到趾、跖区域的压力分布如图3所示，对于不加增高鞋垫的实验用运动鞋(鞋跟高度为0 cm)，只有28%的身体重量由趾、跖区域承载，当穿着有增高鞋垫的实验用运动鞋(跟高为2 cm)时，趾、跖区域承重增加；当穿着跟高4 cm的增高鞋垫时，压力分布产生显著变化。经对比发现：随着跟高的增加，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。3组实验之间存在显著差异，具有统计学意义，经t检验，P值<0.05。

(2)峰值压强

图2 Footscan足底压力测试系统显示

图3 有无增高鞋垫情况下足底压力分布变化

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，易导致鞋底印痕与步法特征产生变异。在运动鞋中放入增高鞋垫后，实验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[4]。随着跟高的增大，在趾区及后跟外侧处有显著性差异，明显有降低足底整体峰值压强的趋势，这与受试者穿着增高鞋垫后感觉更加舒适相符，如表1所示。仔细对比分析，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，如图4所示。3组实验之间存在显著差异，具有统计学意义，经t检验，P值<0.05。

(3)冲量

冲量指的是力与其作用时间的乘积，反映在足底压力方面就是足底冲击在接触时间内的累积。根据经典力学的理论，冲量的影响因素为受压力大小和作用时间长短。我们可以通过对足底冲量的对比研判，分析足部各区域的负荷率如表2所示。3组实验之间存在显著差异，具有统计学意义，经t检验，P值<0.05。Load rate是表示压强的变化快慢的变化率，应用于足迹学就是足底各区域的压强变化快慢。比率越高，足底区域可接受压强值越大，足跟的减震性越强[5]。

从图表中可以清晰地看出：相较于穿增高鞋垫之后，穿增高垫前冲量集中于趾跖区。穿后随着跟高的增加，趾跖区冲量被分散到其他足底区域，冲量减少最多的为第2～5趾区，增大最多的为跟外侧区，如图5所示，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,由于冲量是负荷率的反映，这说明穿增高鞋垫与否对负荷率的影响不大，只是足底压力的部分负荷率从趾跖区域转移至足跟区。

表1 穿增高鞋垫前后峰值压强比较

图4 穿增高鞋垫前后峰值压强比较

表2 穿增高鞋垫前后冲量变化的比较

图5 穿增高鞋垫前后冲量的比较

(4)足底压力中心

经测试，受试者穿4 cm跟高增高鞋垫前后，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[6]。而穿用2 cm跟高的增高鞋垫时足底压力中心位置没有明显的改变(P>0.05)。

图6 穿4 cm增高鞋垫后压力中心的变化(圆- 无增高鞋垫；方块- 有增高鞋垫)

2.2 接触时间变化

穿增高鞋垫前后接触时间的情况如表3。3组实验之间存在显著差异，具有统计学意义，经t检验，P值<0.05。

从图表中我们可知，穿用增高鞋垫前后接触时间变化较大，如图7所示。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。随着鞋跟高度增加，接触时间增长最多的为足跟外区，是因为足跟作为行走运动过程中最先触地的部位，受到冲击力最大，这增大鞋垫变形量，缓冲这些形变需要更多的时间。人体为抵消这些变形需要耗费一定量的机能，所以长期穿着增高鞋垫易使下肢疲劳，这与长期穿着增高鞋垫的受试者主观感受一致。

2.3 稳定极限的影响

由于数据较多、分析过程较为复杂，本文略去稳定极限分析过程。结果显示：当受试者穿增高鞋垫后，除去反应时间外，所有的稳定极限数据都存在显著差异。经反复试验分析，同一个体多次行走所选取的特征能够重复出现[6]。并发现随着跟高的增加，受试者的移动速度减缓、方向控制力削弱，如图8所示。

表3 穿增高鞋垫前后接触时间

图7 穿增高鞋垫前后接触时间的对比

图8 穿增高鞋垫前后对稳定极限的影响

3组实验之间存在显著差异，具有统计学意义，经t检验，P值<0.05。长期穿着增高鞋垫的人可能表现出的方向控制力和移动速度较好，不平衡感较小，感觉笔直站立时足够舒适与安全，已经克服了恐惧心理，因此消除跟高的影响。

3 讨论

步行是人类生产生活中必然产生的活动，人类文明经过长期的发展进化，才学会了直立行走。它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[7]。步行时产生的鞋底印痕和步法特征受到多种主客观因素的影响。

由于穿着增高鞋垫，使得身体重心前移，受试者为了保持站立平衡，身体自主地改变了足底压力分布，这是机体的本能反应。因此，压力由足跟和足弓区域转移至趾跖区域。在分析现场足迹时，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着增高鞋垫，很可能是位身材不高的年轻女性，从而缩小了排查范围。

压强方面，首先足弓作为足部的重要部位，是人体降低运动震动，减弱足底压力的重要部位。随着硅胶增高鞋垫的缓冲，除趾跖区压强变化不大外，足底各区域的压强均减小，趾跖区及足跟区有显著性差异，而整个足底都呈现出明显的峰值力变化，说明增高鞋垫能通过增加接触面积，明显降低足底大部分区域的峰值压强。现场足迹检材，尤其是成趟足迹若是印痕均不清晰，没有正常足迹印痕的深浅分明、轻重明显。并经过分析推断得出嫌疑人有高大、偏重等特征信息，则可以推断嫌疑人有可能穿着了增高鞋垫。

随着跟高增加，足底压力分布的改变导致受试者压力中心由足跟处向足中部明显前移。然而，压力中心转移至足中部，可能会导致突然滑跌或脚踝扭伤。因此，足迹步态特征中落足阶段有时伴随着擦痕、磕痕、跄痕；垂直支撑阶段有可能出现坐痕、拧痕等伴生痕迹。在检验鉴定过程中应特别注意。

当鞋跟增高时，移动速度、方向控制及稳定性会显著变差，而反应时间没有明显的变化。因为本次研究中的受试者均为健康的警校学员，而反应时间变缓主要与错误的认知程序和运动神经疾病等有关联。移动速度表示移动能力的强弱，而方向控制力代表着朝向目标和离开目标移动量的比较。更快、更敏捷的直线移动说明了更好的平衡控制。随着鞋跟的增高，身体重心也随之增高，导致更不稳定的姿势使得行走过程并不舒适。若在检验中发现嫌疑人步法特征异常，且移动速度较慢，无法控制好前进方向，容易滑倒受伤，排除嫌疑人为年老体弱、身体残疾、负重前行或恐惧心理外，可以推断嫌疑人可能还不习惯穿着增高鞋垫。穿着跟高的鞋还会增加滑跌的风险，研究发现跟高的鞋对于身体平衡是不利的。平衡性是机体的一种能力，在身体在大脑操控下进行各种动作时，将压力中心放置在支撑平面上，这是人类日常生产生活的重要能力之一。跳跃、旋转、攀爬、负重等动作都需要将身体的压力中心置于支撑平面上。稳定性的功能限制，是在不失去平衡的条件下身体可以移动的最远距离。

随着穿着增高鞋垫的时间增加，使得穿鞋者越来越有经验，研究长期穿着增高鞋垫会带来哪些变化是有必要的。通过这些研究，我们可以得出增高鞋垫对于嫌疑人的步幅特征和步态特征究竟会产生哪些影响，比如步长、步宽、步角的变化以及各种特定伴生痕迹的产生。这一系列的特征都将为技术人员检验鉴定提供重要的依据。

4 结论

本文利用人体动力学、运动学的相关知识，将增高鞋垫对人体行走运动的影响做一研究尝试。实验表明，穿增高鞋垫前后，人体的足底压力分布、峰值压强、冲量、足底压力中心、接触时间及稳定极限都是有较大变化的。这些变化亦导致了人体行走的步法特征发生改变。因此，在进行足迹分析检验时，当现场足迹存在上述异常，利用步法特征推断嫌疑人身体特征存在不确定性时，不能主观臆断、强加分析，应该在结合案情、充分考量的基础上，把握实事求是的原则，从多方面、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。

[1] American Podiatric Medical Association. High heels survey [R].Bethesda: American Podiatric Medical Association,2013.

[2] 熊树平,哈德海薇. 不同鞋跟高度对人体足底压力分布和稳定极限的影响研究[EB/OL]. (2013-06-11) [2014-01-22].http:∥www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201401-1013.

[3] 张庆来,孟站领. 正常青年人左右足底压力分布特征的对比分析[J]. 中国组织工程研究与临床康复，2007(5):889-892.

[4] 张先熠,李悦,李罗浩,李波. 增高鞋垫对足底压力分布及后跟平衡的影响[J]. 皮革科学与工程，2013(1):56-59.

[5] 李立,陈玉娟,翟凤鸣,崔巴特尔. 老年人与青年人足底压力分布特征比较[J]. 中国老年学杂志，2011(23):4574-4576.

[6] 史力民,马建平. 足迹学[M]. 北京：中国人民公安大学出版社，2014.

[7] 王海军. 25～27岁肥胖青年自然行走时运动生物力学研究[D]. 长春:东北师范大学,2010.

(责任编辑于瑞华)

D918.91

马晓贇(1993—)，男，甘肃武威人，2016级在读硕士研究生。研究方向为痕迹检验。