基于Footscan的足底力學特征與行走速度相關(guān)關(guān)系的研究

吳燁鐸 中國刑事警察學院

引言

在傳統(tǒng)足跡步態(tài)特征檢驗的基礎(chǔ)上[1]研究足底壓力的形成、分布以及所反映的規(guī)律，對分析步態(tài)特征有著重要的意義。通過Footscan足底壓力分布測試系統(tǒng)測量足底壓力[2]，由此對步法特征中主體特征和伴生特征的可靠性和價值做進一步探討，可以為步態(tài)識別工作提供有利支撐，使步態(tài)識別更趨準確，有助于公安工作中理解和應(yīng)用基于足底力學特征對犯罪嫌疑人的身份識別及認定。

行走是以人體為載體的一種動態(tài)平衡過程，其中維持這種動態(tài)平衡需要復(fù)雜的力的作用，而這種復(fù)雜的力又是有規(guī)律的，其中足底力學特征作為足跡形成的重要因素，其對地面的反作用力[3]影響足跡的凹凸結(jié)構(gòu)形象（三維特征）和客體表面介質(zhì)的變化，對其展開研究具有重要意義。步態(tài)特征也稱足的力的效應(yīng)特征，其中足底力學特征對起足、落足和支撐三個階段出現(xiàn)主體特征及可能出現(xiàn)的伴生特征有著直接的影響。傳統(tǒng)足跡檢驗鑒定工作更多的是對足跡予以定性的研究，存在人為經(jīng)驗的影響，不利于從定量的角度研究足跡，而系統(tǒng)可以精確記錄足底壓力隨時間的變化，為研究步態(tài)特征提供了極大便利。

本文中，筆者以青年男性作為研究對象，分析在不同速度行走條件下個體的足底力學特征的穩(wěn)定性和特異性。本文利用比利時RSscan公司生產(chǎn)的Footscan足底壓力分布測試系統(tǒng)（以下稱系統(tǒng)），50名青年警校學員作為受試者以三種速度自然行走各十次，系統(tǒng)實時記錄在不同速度狀態(tài)下左右足足底峰值壓力、足底峰值壓強、接觸面積[4]和壓力-時間積分、負荷沖量等數(shù)據(jù)。利用最小二乘法可以對足底壓力與時間的數(shù)據(jù)做非線性擬合，求出其高次多項式來近似表示函數(shù)并求出其R平方值（趨勢線擬合程度的指標，范圍在0～1之間，當R平方值越接近1時，趨勢線可靠性越高），通過觀察這些函數(shù)表達式及圖像，發(fā)現(xiàn)在不同速度下各區(qū)域的壓力變化具有一定的規(guī)律性。另外，針對足底各區(qū)域與地面接觸時間百分比值的分析，發(fā)現(xiàn)足底各區(qū)域與地面接觸時間占全足接觸時間的比例在某一固定區(qū)間浮動，保持整體穩(wěn)定的分布。綜合受試者行走時足底壓力與時間的關(guān)系和足底各區(qū)域與地面接觸時間百分比，說明個體以不同速度行走足底力學特征仍具有穩(wěn)定性和特異性。

一、對象和方法

時間及地點：于2019年3月/2019年7月在中國刑事警察學院足跡綜合實驗室完成。

對象： 50名適齡的男性在讀本科生和研究生，年齡20至26歲。其具體信息見表1。

images/BZ_54_296_1457_340_1487.pngimages/BZ_54_368_1457_460_1487.pngimages/BZ_54_461_1457_553_1487.pngimages/BZ_54_556_1457_585_1486.pngimages/BZ_54_892_1514_946_1541.pngimages/BZ_54_1130_1566_1188_1587.png

納入標準：所有受試者身體條件必須符合《公安機關(guān)錄用人民警察體檢項目和標準》。

排除標準：有足踝急性或慢性損傷、足踝脫位和足踝骨折病史的警校學員。

衣著條件：上下裝為夏季執(zhí)勤服，鞋為訂制無鞋底花紋運動鞋。

主要儀器：比利時RSscan公司生產(chǎn)的Footscan足底壓力分布測試系統(tǒng)，F(xiàn)ootscan壓力平板由低磁滯的壓阻式傳感器構(gòu)成，傳感器呈矩陣排列，密度為4個/cm2。本次實驗數(shù)據(jù)單足采樣頻率為126.01赫茲。

受試者行走速度劃分標準：使用音樂節(jié)拍器自定義，慢速行走75步/分鐘、中速行走95步/分鐘、快速行走115步/分鐘。

受試者足底壓力動態(tài)分析：所有受試者穿訂制無鞋底花紋運動鞋在系統(tǒng)中檢測，以上述三種速度自然行走，記錄腳踩在足底壓力測試板上前兩步左右足的動態(tài)足底壓力。其中，三種速度各進行十次記錄，每十次分別包含左足先記錄和右足先記錄各五次，即單個受試者采集三十組數(shù)據(jù)。測量指標為足底峰值壓力、足底各區(qū)域接觸地面時間、足底峰值壓強、接觸面積和沖量（如圖1），提取的特征指標為足底壓力-時間曲線、足底各區(qū)域與地面接觸時間百分比值[5]。

數(shù)據(jù)采集與分析采用Footscan配套軟件Footscan 7 gait 2nd generation。軟件將足底自動分為十個區(qū)域：第一趾骨、第二至第五趾骨、第一跖區(qū)、第二跖區(qū)、第三跖區(qū)、第四跖區(qū)、第五跖區(qū)、足弓區(qū)、足跟內(nèi)側(cè)區(qū)和足跟外側(cè)區(qū)，如圖2。

主要分析指標：足底壓力-時間曲線，足底各區(qū)域與地面接觸時間百分比值。

數(shù)據(jù)分析：首先數(shù)據(jù)應(yīng)用Footscan自帶配套軟件Footscan 7 gait 2nd generation進行分析，得到需要分析的原始數(shù)據(jù)及特征曲線。所有數(shù)據(jù)使用MATLAB和EXCEL軟件處理。

二、實驗結(jié)果與分析

本實驗采集了三種速度狀態(tài)下50名青年男性的足底壓力分布情況。

（一）足底壓力-時間曲線

足底壓力是人體靜止或動態(tài)行走時地面給予人足的反作用力[3]，足底壓力傳感器將壓力記錄下來，經(jīng)過軟件分析，得到足底壓力與時間的關(guān)系曲線即足底壓力-時間曲線。其中每一名受試者有效數(shù)據(jù)為三十組，軟件將足底分為十區(qū)，每區(qū)都有不同的代表色，部分曲線如圖3所示。針對實驗數(shù)據(jù)，繪制出所有受試者足不同分區(qū)壓力時間曲線，分析受試者以三種速度行走，足底十個分區(qū)的壓力變化隨時間的變化呈一定的規(guī)律分布。

1. 個人壓力-時間曲線

對個人的各區(qū)域足底壓力變化進行縱向?qū)Ρ?，結(jié)果表明每名受試者足底十個區(qū)域的壓力-時間變化曲線大致呈相同的走勢，多項式非線性擬合后的曲線均存在一定的相關(guān)性。例如，圖4顯示了某受試者慢、中、快速各兩次的第一趾區(qū)壓力-時間變化曲線，受試者在不同速度狀態(tài)下行走，第一趾骨壓力隨時間的變化規(guī)律為到一定時間壓力突增又突降，圖像成“單峰狀”，對數(shù)據(jù)進行六次多項式非線性數(shù)據(jù)擬合后，各曲線呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系。其中，每條擬合曲線的R平方值均超過了0.77，說明擬合曲線的可靠性較強。

2. 不同人壓力-時間曲線

對不同人的各區(qū)域足底壓力變化進行橫向?qū)Ρ?，結(jié)果表明不同青年男性足底十個區(qū)域的壓力-時間變化曲線走勢有所差異，多項式非線性擬合后的曲線也存在明顯差異，說明不同青年男性的足底壓力變化不同。例如，圖5顯示了四名受試者的足跟外側(cè)區(qū)慢、中、快速行走的足底壓力-時間曲線，直觀上四名受試者的足底壓力變化明顯不同。對數(shù)據(jù)進行五次多項式非線性數(shù)據(jù)擬合后，R平方值均超過0.90，四名受試者的多項式存在明顯差異。

（二）足底各區(qū)域與地面接觸時間百分比值

成趟足跡中，單個足跡的形成與地面有一定的接觸時間，利用系統(tǒng)記錄足底各區(qū)域與測試板接觸時間，通過EXCEL軟件計算各分區(qū)占接觸時間的比例并畫出扇形圖進行分析，如圖6。

1. 第二至第五趾區(qū)與地面接觸時間百分比值

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，同一名受試者以相同或不同速度行走，第二至第五趾區(qū)接觸時間百分比值各不相同，第二至第五趾區(qū)與地面接觸時間無明顯規(guī)律性。結(jié)合受試者普通行走狀態(tài)分析，他們在行走過程中足部著力點主要集中在第一趾區(qū)、足跖區(qū)、足弓區(qū)和足跟區(qū)，由于實驗條件或引申到自然走路時存在外在條件及心理因素的干預(yù)，實際行走狀態(tài)會產(chǎn)生細微的變化，而這些變化主要影響于第二至第五趾區(qū)的足底壓力。綜合來看，第二至第五趾區(qū)與地面接觸時間在本實驗條件下無規(guī)律性，故在計算足底各區(qū)域與地面接觸時間百分比值時排除了本區(qū)的數(shù)據(jù)。

2. 其余足底九個區(qū)域與地面接觸時間百分比值

研究發(fā)現(xiàn)，受試者足底第一趾區(qū)、第一跖區(qū)、第二跖區(qū)、第三跖區(qū)、第四跖區(qū)、第五跖區(qū)、足弓區(qū)、足跟內(nèi)側(cè)區(qū)和足跟外側(cè)區(qū)九個區(qū)域，在占整個接觸時間的比例非常穩(wěn)定。

以上述九個區(qū)域接觸地面時間作為整體，對五十名受試者足底九個區(qū)域與地面接觸時間百分比數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，第一趾區(qū)占總體3%~9%、第一跖區(qū)7%~11%、第二跖區(qū)12%~14%、第三跖區(qū)9%~14%、第四跖區(qū)13%~15%、第五跖區(qū)13%~16%、足弓區(qū)12%~14%、足跟內(nèi)側(cè)區(qū)8%~13%和足跟外側(cè)區(qū)7%~13%。不同受試者時間百分比各不相同，且每個受試者足底各區(qū)域的接觸地面時間所占百分比可以穩(wěn)定在某一區(qū)間。以某受試者為例，抽取三十趟足跡中慢、中、快速的足跡各兩趟左足與地面接觸時間數(shù)據(jù)，制成扇形示意圖（如圖7），從圖中可以發(fā)現(xiàn)各區(qū)域接觸地面時間比具有穩(wěn)定性。示例很好地反映了五十名受試者的整體情況，說明不同速度情況下個體足底力學特征具有穩(wěn)定性。

3. 不同人其余足底九個區(qū)域與地面接觸時間百分比值

對不同受試者其余足底九個區(qū)域與地面接觸時間數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)不同受試者其余足底九個區(qū)域與地面接觸時間有明顯差異。以這九段時間為整體繪制扇形圖差異愈加明顯，據(jù)統(tǒng)計不同人第一趾區(qū)、足跟內(nèi)側(cè)及足跟外側(cè)與地面接觸時間百分比差異最大，這直接印證了步態(tài)特征中起足蹬痕、落足踏痕和磕痕、支撐坐痕個體的穩(wěn)定性和差異性。從數(shù)據(jù)庫中隨機抽取四名受試者為例，四名受試者其余足底九個區(qū)域與地面接觸時間百分比值明顯不同（如圖8）。示例很好地反映了五十名受試者的整體情況，說明不同速度情況下個體足底力學特征具有特異性。

三、結(jié)語

通過統(tǒng)計并分析青年男性的足底壓力數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)青年男性以不同速度行走足底各分區(qū)壓力隨時間變化均有一定的規(guī)律性，其中第一趾區(qū)、第一跖區(qū)、足弓區(qū)、足跟內(nèi)側(cè)區(qū)及足跟外側(cè)區(qū)的規(guī)律變化均相對穩(wěn)定，并且不同青年男性足底壓力隨時間變化情況差異較大。說明青年男性不同速度狀態(tài)下行走足底壓力變化呈現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性和特異性。趾區(qū)的壓力直接影響起足階段的蹬痕，跖區(qū)的壓力直接影響起足階段的抬痕、落足階段的蹌痕、支撐階段的壓痕，跟區(qū)壓力直接影響落足階段的踏痕、支撐階段的坐痕。通過實驗證明，第一趾區(qū)、足跖區(qū)、足弓區(qū)、足跟內(nèi)側(cè)區(qū)及足跟外側(cè)區(qū)足底壓力變化的穩(wěn)定性和特異性不受個體行走速度的影響，在偵查實踐過程中可以減少速度對足跡檢驗的影響。同時，根據(jù)足底壓力變化的特異性可以就某區(qū)域的足底壓力反映的有價值的主體特征或伴生特征進行著重分析，為同一認定提供可靠的依據(jù)。

本實驗中分析五十名受試者足底第二至第五趾區(qū)與地面接觸時間數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)同一人或不同人此項數(shù)據(jù)在本實驗條件下無法發(fā)現(xiàn)規(guī)律，則行走速度的變化對青年男性足底第二至第五趾區(qū)與地面接觸時間無規(guī)律性。在足跡檢驗實踐中，應(yīng)注意青年男性足底第二至第五趾區(qū)由于與地面接觸時間不定而形成的壓痕或摳痕等特征可以不作為足跡認定過程中的本質(zhì)符合特征，以免影響足跡檢驗的準確性。

足底十個分區(qū)中第一趾骨、第一跖區(qū)、第二跖區(qū)、第三跖區(qū)、第四跖區(qū)、第五跖區(qū)、足弓區(qū)、足跟內(nèi)側(cè)區(qū)及足跟外側(cè)區(qū)九個區(qū)域占整個足底接觸地面時間的比例非常穩(wěn)定。另外，不同青年男性足底各區(qū)域與地面接觸時間百分比值均不同，可以很好地說明人體足底壓力的特異性。青年男性中，足趾區(qū)尤其是第二至第五趾區(qū)由于速度、客觀條件及心理等因素的干擾和行走時地面與足或鞋接觸的多種情況，導(dǎo)致第二至第五趾區(qū)與地面接觸時間隨機變化；第一跖區(qū)、第二跖區(qū)、第三跖區(qū)、第四跖區(qū)、足弓區(qū)及足跟內(nèi)側(cè)區(qū)六個區(qū)域的時間占比最為穩(wěn)定，體現(xiàn)出青年男性行走動力定型的穩(wěn)定性和特異性，為足跡檢驗理論的科學性提供依據(jù)。