基于X光影像学检验的赤足迹特征稳定性分析

马 越 杨明阳 郭 勇 高 毅

（1 中国刑事警察学院痕迹检验技术系 辽宁 沈阳 110035；2 痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室 辽宁 沈阳 110035；3 广州市公安局增城分局 广东 广州 511300；4 四川警察学院刑事科学技术系 四川 泸州 646000）

1 引言

赤足足迹同一检验所依据的特征必须有明确的特殊性和稳定性，能够支持同一检验的结论。目前，对赤足细节特征的研究主要集中在局部边缘结构的观察与统计上，通过频度分布来评估特征的特殊性。如测量统计趾区不同长度类型和关系类型的出现频度[1]，来确定特征的特殊性和检验价值。此类研究对样本人群特点和特征形成的关键因素没有进行探讨。

对赤足足迹的特征研究，不能脱离造痕的足，它是由26块足骨、33个关节、126条韧带及肌肉和神经所组成的复杂结构，此外还可能有数量不等的籽骨和额外骨。足作为重要的运动肢体结构，承受体重和运动冲击，其结构必与功能相适应，是人体结构最稳定、承重能力最强的部分[2]，足骨是这个结构的核心。在行走中，足部所承受的地面反作用力可以达到体重的1.5倍；跑步时则能达到体重的2～3倍；而在跳跃的落地动作中足部所承受的地面反作用力更能高达体重的7倍[3]。在日常活动中，平均每人每天大概要走8000～10000步[4]，每一步足骨都在承受力的同时形成支撑，结合肌肉和皮肤，以一定运动状态在地面形成痕迹。

在足踝外科领域，有研究利用北京地区120个正常人和115个拇外翻病人的足正位X光片数据进行男女差异比较，对利用赤足足迹进行性别分析有一定的指导意义，对于病态足遗留的足迹检验也有参考价值。在国外，对于赤足足迹特征的研究报道也集中在足踝外科领域。将国内外对成年男性足骨骼的测量数据进行对照，发现大多数国外报道的数据与国内有一定的区别。数据显示，足的形态受种族、性别、地区、遗传因素、生活方式、劳动形式等诸多因素影响，这种影响也体现在骨骼和印痕等方面。骨骼形态既有种类差异，也存在个体差异，因此，对骨骼的观察既可以对人群进行推测，又可以说明个体足型差异的结构基础，还能够揭示足迹特征变化的原因。

2 足骨X射线影像的研究

2.1 研究方法

为了明确行走行为中能够处于较稳定状态的足骨结构和对应的足迹特征，研究中利用X光影像学检验对足骨基本形态和负重状态下的结构变化进行了测量和分析，并着重从足骨与赤足结构的对应性、足骨结构与赤足迹特征的稳定性等角度进行了讨论。

拍照中球管指向第二跖骨轴线中点，在人体矢状面内与纵轴夹角20°，球管距感光片盒100cm。利用1.5倍体重负重，可以有效模拟行走在足部产生的负荷变化，因此负重量定为30kg。研究关注的不是站立与负重之间的结构差别，而是确定运动状态不同情况下足骨骨骼结构的变化情况。

2.2 足骨特征

研究将能够从特定性角度对足型进行区分并对与赤足足迹有明显对应关系的特征进行筛选，从足迹鉴定的经典特征和稳定的足骨结构关系分析中确定以下指标进行观察：

（1）足骨长度（SPCL）。为了适应足迹长度研究的需要，足骨长度测量采用第二趾骨远端点与跟骨后凸中心点连线作为足骨中轴线，选取拇趾或二趾之中较长趾骨远端在中轴线上投影到跟骨后凸点之间的距离作为足骨长度。

（2）拇外展角（HVA）。拇趾的第一、二趾骨轴线夹角。第一趾骨轴线由远、近端关节面中点确定，第二趾骨轴线由骨干远端点及近端关节面中点确定。

（3）五趾内收角（FPVA）。第五跖骨与近节趾骨轴线夹角。第五跖骨与近节趾骨轴线均由远、近端关节面中点确定。

（4）一二跖骨长度差（DBML1-2）。第一、二跖骨远端关节面中点在第二跖骨轴线上的距离。第二跖骨轴线由远、近端关节面中点确定。

（5）二四跖骨长度差（DBML2-4）。第二、四跖骨远端关节面中点在第二跖骨轴线上的距离。第二跖骨轴线由远、近端关节面中点确定。

（6）足骨宽度（MW1-5）。第一跖骨远端关节面内侧凸点与第五跖骨远端关节面外侧凸点在足骨长轴线的垂线距离。

2.3 数据的测量方法

拍摄20名自愿者正常站立状态下，右足骨骼正位像和30kg右足单足负重站立的正位像，两组对照影像连续拍摄，控制其他条件不变。采用中国刑事警察学院与大连恒锐科技股份有限公司联合开发的足迹检验辅助软件（以下简称软件）对本文2.2中特征进行测量，记录相对照的两组数据。采用软件测量法避免在X光片上手工绘线测量可重复性差、精度受观察光线影响的弊端。该软件可以方便的调整图像长度、大小和位置等，通过设置比例尺，精确测量长度、角度等并能自动返回测量值。测量可精确到0.01cm，满足足迹检验需求，如图所示。

图 足骨（模型）特征测量方法示意图

3 实验结果分析

对自由站立和负重站立两种情况下足骨长度、宽度、拇外展角、五趾内收角、一二跖骨长度差和二四跖骨长度差数据进行配对t检验，分析负重因素对上述特征的影响情况，并观察两种状态下的数据差值。

统计值t：

3.1 对足骨长度变化的结果分析

用excel对两组数据进行配对T检验，p＜0.05具有统计学显著差异，如表1。

结果表明，在两种不同的运动和负荷条件下，两组数据相关系数为0.81，统计值t＞临界值，P＜0.05，拒绝H0。在封闭实验系统里两组数据高度相关，且存在显著差异，即负重可以使足骨长度增加。

对两组数据的差值即行走负荷下足迹长度变化值进行描述统计，得到表2。

表2 对两组SPCL的差值的描述统计

足部骨骼在行走负荷下平均长度增加0.74cm，标准差为0.46，峰值为1.61，99.9%覆盖率下，x+3s=2.12cm。

在负荷进一步增加的时候，足弓可以进一步变化，带来足迹长度的改变，直至第五跖骨粗隆完全进入支撑，足弓变形达到极限。在这种情况下，足迹长度变化范围可以达到2.12cm以上，应引起鉴定人员的充分重视。

3.2 对较稳定结构数据的结果分析

（1）对拇外展角的配对T检验结果为表3。

在两组样本高度相关的情况下，统计值t＜临界值，P＞0.1，即便在更高的风险水平上，负荷也并没有体现出其对拇外翻角的影响。因为实验条件受到充分控制，带来数据差异的因素更多的来自测量环节。

对两组数据的差值即行走负荷下拇外展角的变化值进行描述统计，得到表4。

表4 对两组HVA的差值的描述统计

拇外展角平均增加0.3°，标准差为1.0，峰值为2.5，99.9%覆盖率下，x+3s=3.3°。两组样本的拇外展角平均数分别是168.5°和168.2°，最大变化率约为2%，在实际检验中不构成足迹特征的本质差异。

（2）分别对足骨宽度、一二跖骨长度差和二四跖骨长度差的组间差值进行统计描述，如表5。

由表5可知，足骨宽度、一二跖骨长度差和二四跖骨长度差的组间变化均值都小于0.2cm，在特征变化可以接受的范围。一是由于数据测量控制精细，所有数据均由一人依据细节反映定位测量，保证了除加载的负荷以外的其他测量条件一致；二是该部分与功能相适应的结构稳定性强，在相当于行走的负荷下变形很小，可以在同一检验中作为依据，描述统计结果充分支持了以上判断。

表5 对MW1-5、DBML1-2、DBML2-4的差值的描述统计

3.3 对五趾内收角数据的结果分析

用excel对两组数据进行配对T检验，p＜0.05具有统计学显著差异，如表6。

表6 T检验FPVA成对双样本均值分析

在两组样本高度相关的情况下，统计值t＜临界值，P＞0.1，即便在更高的风险水平上，负荷也并没有体现出其对五趾内收角的影响。

表7中统计均值为0.94，标准差为3.2，最大值为10.8。虽然两组对照数据配对统计没有本质差异，平均差值为0.94°，但差值最大值为10.8°，99.9%覆盖率下x+3s=10.5°，变化率超过6%，超出了测量误差的范围。最大值为小于0.1%的小概率事件，系加载负荷后身体重心外移调整造成足部整体内翻，致使X射线影像角度变化，应为动作变化引起的改变。

表7 对两组FPVA的差值的描述统计

4 结论

（1）自由站立与加载30kg负荷两种情况下，所测得足骨长度存在显著差异，表现为足迹长度明显变化。99.9%覆盖率下，变化值为2.12cm，同一检验中检材和样本间2cm差异不能作为否定同一的主要依据。

（2）自由站立与加载30kg负荷两种情况下，足骨宽度、一二跖骨长度差和二四跖骨长度差不存在明显变化，相对应跖区宽度和前缘凸凹结构为较稳定特征。在受力较大情况下前足横弓会出现下降从而带来宽度变化，但正常的行走负荷不会对跖趾关节排列形成的跖区宽度带来明显影响。由于软组织的参与，也可出现跖区宽度和前缘形态的微小变化，在检验鉴定的实践中应注意区分。

（3）自由站立与加载30kg负荷两种情况下，拇外展角未存在明显变化，为较稳定特征。99.9%覆盖率下，拇外展角变化3.3°，在实际检验中不构成足迹特征的本质差异。

（4）自由站立与加载30kg负荷两种情况下，五趾内收角虽不存在统计学意义的显著差异，但由于易受动作因素影响，可出现较大变化，不能作为否定同一的主要依据。