基于Footscan的足底力學特征與行走速度相關關系的研究

吳燁鐸 中國刑事警察學院

引言

在傳統足跡步態特征檢驗的基礎上[1]研究足底壓力的形成、分布以及所反映的規律，對分析步態特征有著重要的意義。通過Footscan足底壓力分布測試系統測量足底壓力[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，可以為步態識別工作提供有利支撐，使步態識別更趨準確，有助于公安工作中理解和應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平衡過程，其中維持這種動態平衡需要復雜的力的作用，而這種復雜的力又是有規律的，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]影響足跡的凹凸結構形象（三維特征）和客體表面介質的變化，對其展開研究具有重要意義。步態特征也稱足的力的效應特征，其中足底力學特征對起足、落足和支撐三個階段出現主體特征及可能出現的伴生特征有著直接的影響。傳統足跡檢驗鑒定工作更多的是對足跡予以定性的研究，存在人為經驗的影響，不利于從定量的角度研究足跡，而系統可以精確記錄足底壓力隨時間的變化，為研究步態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定性和特異性。本文利用比利時RSscan公司生產的Footscan足底壓力分布測試系統（以下稱系統），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，系統實時記錄在不同速度狀態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、負荷沖量等數據。利用最小二乘法可以對足底壓力與時間的數據做非線性擬合，求出其高次多項式來近似表示函數并求出其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），通過觀察這些函數表達式及圖像，發現在不同速度下各區域的壓力變化具有一定的規律性。另外，針對足底各區域與地面接觸時間百分比值的分析，發現足底各區域與地面接觸時間占全足接觸時間的比例在某一固定區間浮動，保持整體穩定的分布。綜合受試者行走時足底壓力與時間的關系和足底各區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公司生產的Footscan足底壓力分布測試系統，Footscan壓力平板由低磁滯的壓阻式傳感器構成，傳感器呈矩陣排列，密度為4個/cm2。本次實驗數據單足采樣頻率為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分析：所有受試者穿訂制無鞋底花紋運動鞋在系統中檢測，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據。測量指標為足底峰值壓力、足底各區域接觸地面時間、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、足底各區域與地面接觸時間百分比值[5]。

數據采集與分析采用Footscan配套軟件Footscan 7 gait 2nd generation。軟件將足底自動分為十個區域：第一趾骨、第二至第五趾骨、第一跖區、第二跖區、第三跖區、第四跖區、第五跖區、足弓區、足跟內側區和足跟外側區，如圖2。

主要分析指標：足底壓力-時間曲線，足底各區域與地面接觸時間百分比值。

數據分析：首先數據應用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據及特征曲線。所有數據使用MATLAB和EXCEL軟件處理。

二、實驗結果與分析

本實驗采集了三種速度狀態下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，經過軟件分析，得到足底壓力與時間的關系曲線即足底壓力-時間曲線。其中每一名受試者有效數據為三十組，軟件將足底分為十區，每區都有不同的代表色，部分曲線如圖3所示。針對實驗數據，繪制出所有受試者足不同分區壓力時間曲線，分析受試者以三種速度行走，足底十個分區的壓力變化隨時間的變化呈一定的規律分布。

1. 個人壓力-時間曲線

對個人的各區域足底壓力變化進行縱向對比，結果表明每名受試者足底十個區域的壓力-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性。例如，圖4顯示了某受試者慢、中、快速各兩次的第一趾區壓力-時間變化曲線，受試者在不同速度狀態下行走，第一趾骨壓力隨時間的變化規律為到一定時間壓力突增又突降，圖像成“單峰狀”，對數據進行六次多項式非線性數據擬合后，各曲線呈現出明顯的相關關系。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

對不同人的各區域足底壓力變化進行橫向對比，結果表明不同青年男性足底十個區域的壓力-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區慢、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。對數據進行五次多項式非線性數據擬合后，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，利用系統記錄足底各區域與測試板接觸時間，通過EXCEL軟件計算各分區占接觸時間的比例并畫出扇形圖進行分析，如圖6。

1. 第二至第五趾區與地面接觸時間百分比值

分析數據發現，同一名受試者以相同或不同速度行走，第二至第五趾區接觸時間百分比值各不相同，第二至第五趾區與地面接觸時間無明顯規律性。結合受試者普通行走狀態分析，他們在行走過程中足部著力點主要集中在第一趾區、足跖區、足弓區和足跟區，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，實際行走狀態會產生細微的變化，而這些變化主要影響于第二至第五趾區的足底壓力。綜合來看，第二至第五趾區與地面接觸時間在本實驗條件下無規律性，故在計算足底各區域與地面接觸時間百分比值時排除了本區的數據。

2. 其余足底九個區域與地面接觸時間百分比值

研究發現，受試者足底第一趾區、第一跖區、第二跖區、第三跖區、第四跖區、第五跖區、足弓區、足跟內側區和足跟外側區九個區域，在占整個接觸時間的比例非常穩定。

以上述九個區域接觸地面時間作為整體，對五十名受試者足底九個區域與地面接觸時間百分比數據進行統計，第一趾區占總體3%~9%、第一跖區7%~11%、第二跖區12%~14%、第三跖區9%~14%、第四跖區13%~15%、第五跖區13%~16%、足弓區12%~14%、足跟內側區8%~13%和足跟外側區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域的接觸地面時間所占百分比可以穩定在某一區間。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據，制成扇形示意圖（如圖7），從圖中可以發現各區域接觸地面時間比具有穩定性。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定性。

3. 不同人其余足底九個區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域與地面接觸時間數據進行橫向對比，發現不同受試者其余足底九個區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，據統計不同人第一趾區、足跟內側及足跟外側與地面接觸時間百分比差異最大，這直接印證了步態特征中起足蹬痕、落足踏痕和磕痕、支撐坐痕個體的穩定性和差異性。從數據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、結語

通過統計并分析青年男性的足底壓力數據，發現青年男性以不同速度行走足底各分區壓力隨時間變化均有一定的規律性，其中第一趾區、第一跖區、足弓區、足跟內側區及足跟外側區的規律變化均相對穩定，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下行走足底壓力變化呈現出較強的穩定性和特異性。趾區的壓力直接影響起足階段的蹬痕，跖區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、足跖區、足弓區、足跟內側區及足跟外側區足底壓力變化的穩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，根據足底壓力變化的特異性可以就某區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。

本實驗中分析五十名受試者足底第二至第五趾區與地面接觸時間數據時，發現同一人或不同人此項數據在本實驗條件下無法發現規律，則行走速度的變化對青年男性足底第二至第五趾區與地面接觸時間無規律性。在足跡檢驗實踐中，應注意青年男性足底第二至第五趾區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符合特征，以免影響足跡檢驗的準確性。

足底十個分區中第一趾骨、第一跖區、第二跖區、第三跖區、第四跖區、第五跖區、足弓區、足跟內側區及足跟外側區九個區域占整個足底接觸地面時間的比例非常穩定。另外，不同青年男性足底各區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，足趾區尤其是第二至第五趾區由于速度、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，導致第二至第五趾區與地面接觸時間隨機變化；第一跖區、第二跖區、第三跖區、第四跖區、足弓區及足跟內側區六個區域的時間占比最為穩定，體現出青年男性行走動力定型的穩定性和特異性，為足跡檢驗理論的科學性提供依據。