基于生物力学的踏痕形成与特点研究

汤澄清 和焕胤 佟苏洋 高 鹏 李佳宁

（中国刑事警察学院痕迹检验技术系 辽宁 沈阳 110035）

1 引言

足迹是犯罪现场最常见的痕迹物证之一，其中蕴藏着大量与犯罪活动及其形成主体相关的信息[1]。然而，足迹分析所依据的特征既有直观、形象的形态结构特征，也有与行走运动密切相关的步法特征，由于受到足迹形成过程中各种主客观因素的影响，足迹步态特征的变化多、识别的难度大，一线刑侦技术人员常常很难全面深入理解、掌握并熟练应用于实际办案中，造成了现场足迹的提取率高，而利用率低的窘境。随着测量技术的发展及相关设备的引入，对人体行走运动的规律及形成足迹的特点能够进行定量描述[2]，但是对足迹步态特征中踏痕的分析和应用，仍然停留在人工肉眼观察的阶段，对踏痕形成机理、反映特点以及变化规律的客观、量化研究也鲜见报道。

2 研究方法

一方面，踏痕是利用足迹分析犯罪嫌疑人年龄、步态等生理结构特点和习惯动作特点的重要痕迹特征，另一方面，踏痕反映又极易受客体性质、现场环境、犯罪心理等主客观因素影响而发生变化。本文旨在借助生物力学的成熟理论、实用技术和测量方法及先进的实验设备和手段，采集人体行走的时间、空间和力学参数，从运动学和动力学角度对踏痕的形成过程、足地接触力的相互作用进行动态的定量化分析。

2.1 测试对象

35名成年男性参与了本实验研究并分为2组，其中青年组18人，中年组17人。所有测试对象的身体健康状况良好，无运动系统的任何疾病和行走障碍，也没有接受过任何手术，个人信息见表1。

表1 测试对象个人信息

2.2 实验器材

足底压力数据使用Footscan2m板（比利时，RSscan）采集，采样频率126Hz，ATMI三维测力台则安装在测力平板的下方，并与RSscan 3D-box同步。在足迹实验室的沙土地面采集行走成趟立体足迹样本。

2.3 实验方案

测试对象首先了解实验目的和程序，之后在实验室8米长的步道（测力台和压力板置于中间，上方及两端铺有薄的EVA垫）上来回行走几次，熟悉和适应实验环境。然后，每个人以正常速度和自然状态走过压力板和测力台，采集15组左右左足数据（三步法[3]）以及10组左足二步数据。之后，再在立体足迹实验室的沙土地面以同样的方式行走，留下10枚左右的穿袜成趟立体足迹。

图1 ATMI测力台和footscan足底压力系统显示步态界面

2.4 统计分析

采集的时间、空间和力学参数由系统软件导出为Excel文件，利用Microsoft Excel和SPSS 15.0 软件进行数据统计分析，组间数据的差异性水平选择P<0.05显著差异和p<0.01极其显著。

3 结果与讨论

3.1 时间参数

步行是使人体位移的一种复杂的随意运动[4]，从一侧足跟着地开始到该足跟再次着地构成一个步态周期，分为支撑时期和摆动时期。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。摆动时期分为加速、摆动和减速阶段。实验中2组典型的支撑时期和各个时相如图2所示，主要步态时间参数如表2所示，其中中年人的单足支撑时期（LFC）长，跖着地和支撑中期开始时间（IMC和IFFFC占足支撑的百分比）早，而足跟离地（HO占支撑的百分比）晚，青年与中年的差异显著（p<0.01），与[5]的结果一致。反映出中年人行走与平衡能力降低，这些都直接影响落足的部位和角度，也将引起踏痕落足点和范围的变化。

图2 步态时相对照图

表2 步态时间参数

3.2 空间参数

行走运动遗留的成趟足迹所反映出来的左右足空间搭配关系可以用步幅特征表述，具体来说就是步长、步宽和步角（通常分左右）。其中步长与步态周期决定了步速和步频，是步态特征变化的主要影响因素。2组测试对象的测量数据如表3所示，随着年龄的增长，步长、步速和步频都呈下降的趋势，青年与中年的差异显著（p<0.01），与[6]的研究成果相近。反映出中年人生理机能和运动能力下降，这些都直接决定足的能量与落足对地面的冲击作用，也将造成踏痕形态和反映的差异。

表3 步态空间参数

3.3 力学参数

足-地接触力通常可以分为垂直力、前后和内外剪力。其中前后方向的剪力对踏痕的影响最大，青年与中年组典型的前后剪力变化（向前为正，向后为负；水平轴对支撑时间归一化，即支撑时相百分比，垂直轴对体重归一化，即体重百分比）如图3所示。力的作用点、大小和方向，落足的快慢以及运动能力都会影响踏痕的位置、形状、大小等痕迹反映。

图3 前后剪切力对照图

由图可见，足结束摆动后足跟触地并迅速外翻完成足初始着地，同时形成前踏痕，向前剪力达到第一个极值；青年人落足瞬间均出现不同程度的后磕而伴生磕痕，而大部分中年人（接近60%）则表现为向前的拖动而易形成擦痕。随着足跖的着地，剪力略有降低，之后随着人体重心的前移，向前剪力达到峰值，而后全足着地，剪力逐渐回落；青年人前足着地和剪力达到峰值的时间明显迟于中年人（p<0.01），反映出中年人运动和平衡能力的衰减，这也同样反映在中年人的支撑相与双支撑相时间明显增长。进入缓冲阶段，人体重心转移至支撑足，剪力归零；之后支撑足足跟、足弓相继离地，进入蹬伸阶段，剪力向后并逐渐增大，当对侧足初始着地后，剪力在相反方向达到另一个峰值；青年人后蹬力与向前制动力的比值高于中年人（p<0.05），反映出中年人肌肉力量明显减弱。随着对侧足进入支撑阶段，剪力降低，当足趾离地再次进入摆动时期，剪力重新归零。

3.4 痕迹反映

踏痕是足由摆动时期过渡到支撑时期与地面初始接触（IFC）所形成，最先接触的部位称为落足点，随着能量的释放与缓冲完成前踏动作，如果足停止不动，地面会反映出踏痕的起止缘与作用范围。然而，人体的运动使足继续滚动并进入垂直支撑阶段，踏痕止缘被压力作用形成的压力面覆盖，但同时又在重叠区域形成交汇的痕迹反映，称为踏痕的跃变点。

测试对象在沙土地面自然行走，留下成趟足迹如图4所示。青年人足迹整体反映出的变形大，边缘轮廓清晰，足迹后部踏痕区域堆土较中年人明显，与落足后磕力大相符（见图3；青年人都出现不同程度的磕痕，中年人则不到1/3）。青年人踏痕两端点（跃变点）处缺口痕迹明显，反映出落足有力，角度大，与支撑时相动作和痕迹特点形成鲜明对比。

图4 踏痕反映对照图

4 结论

基于生物力学的人体步态分析和踏痕形成机理研究，有助于全面、深入理解和细致把握足迹踏痕的形成动作和条件，从而透过现象抓住本质，准确确定踏痕落足点、跃变点及作用范围，从而有效利用踏痕与年龄的相关关系和经验公式，准确刻画遗留足迹人的人身特点。本文对踏痕形成和特点的基础性研究，为足迹检验技术从少数专家经验型向普及客观标准型发展的方向上做出了有意的探索和尝试。