选择不同年龄阶段、不同地区的健康成年人20名, 且足部健康均无明显畸形, 遵循罗宾斯采集足迹步骤^[3]分别提取实验对象左右足穿袜足迹。

选择平整的硬质地面环境, 以薄层粉尘作为痕迹形成的介质。实验设备包括一部照相机, 一个三脚架, 两个L型黑白比例尺, 一个节拍器, 一个BTGD型LED匀光手电, 一个长为5 m的试验跑道, 由专人负责, 在每次试验前均需整理实验场地, 确保实验环境相同。首先, 在行走之前统计每位实验对象的身高、体重、鞋号、年龄。其中测量体重是在电子秤上测量。测量身高是定点之间的垂直距离, 即实验者需穿袜靠墙站立, 且手悬空下垂, 双足平行或稍微分展, 实验者头部须在法兰克福平面^[4]上, 用标准计量方式标记测量。其次, 规定实验者穿袜在预先设定的环境中分别按照不同速度（站立、慢走、正常行走、快走、跑步五种状态）进行实验。最后, 在每位实验者每次实验状态下均取左右足各10枚足迹, 逐一编号并依次拍照提取。其中实验规定的五种状态如下所示（利用节拍器：慢速80/min, 正常100/min, 快速120/min, 跑步140/min）。1）站立状态：垂直落足, 依次滚动足跟、足弓、足跖、足趾, 然后垂直起足, 此状态行进速度为0。2）慢走状态：实验者适应节拍器80/min后, 在跑道上慢速行走。3）正常行走：实验者以平时的行走状态适应节拍器100/min正常行走。4）快走状态：实验者适应节拍器120/min后, 在跑道上快速行走。5）跑步状态：实验者适应节拍器140/min后, 在跑道上跑步。

在行走过程中穿袜足迹抬痕形态特征在足迹上表现为一条具有较好反映性、稳定性和特定性的“ 曲线状” 抬痕（见图1）。从整体角度看落足到起足的过程中, 因足底粘附的粉尘在重力作用下与空气负压作用^[5], 形成了抬痕特征。

图1

Fig.1

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	图1 穿袜足迹抬痕形态特征合成图（a：无标记穿袜足迹抬痕形态特征; b：已标记穿袜足迹抬痕形态特征）Fig.1 Morphological characteristics of footprints from uplifting sock-worn feet ( a: feet wearing unpainted socks; b: feet wearing ink-painted socks)

本文主要研究穿袜足迹的行走特征规律, 现将此种形态特征的形成过程描述如下：

首先足跟区接触、离开粉尘地面阶段（图2-a、d）。当足跟骨结节开始接触承痕体时, 大腿肌肉群在髋关节处屈, 小腿肌肉群在膝关节带动下拉伸, 足在踝关节处伸, 大腿的后侧肌肉群被动拉长。此时, 人体重心位于着地足的后上方, 身体的重力和肌力随着足跟接触地面而作用于前下方^[6]。不同人的足跟骨结节位于足跟骨的位置差异及力的大小等因素使反映的落足痕迹重压部位、力度有所不同。当足底腱膜及其对应表皮由后向前逐步滚压时, 足跟施力通过足跟边缘软组织表面皮肤作用于粉尘地面, 使得足跟与地面接触紧密, 将其间的空气推挤出去, 形成了空气负压区。在足跟离开地面时, 黏附的粉尘借助重力作用会从足底上掉落下来, 与此同时与被推挤出去的空气迅速向中间的负压区流动, 将粉尘向足迹中间推挤汇聚形成足跟区抬痕形态痕迹反映。

图2

Fig.2

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	图2 穿袜足迹抬痕形态特征剖析图（ a：足跟区接触粉尘地面; b：足弓区接触粉尘地; c：足跖区接触粉尘地面; d; 足跟区、足弓区离开粉尘地面; e：足跖区离开粉尘地面; f：足趾区离开粉尘地面）Fig.2 Morphological characteristics of footprints from uplifting feet wearing ink-painted socks during a continuous walk (a, b, c: the heel/arch/metatarsus area to get down to ground; d, e, f: the heel plus the arch/ankle/toe area to leave ground. The ground was covered with dusty powders)

接着足弓区接触、离开粉尘地面阶段（图2-b、d）。足跗骨之距骨、足舟骨、楔骨两骨之间形成较平的、可滑动的平面关节, 外面有强韧的韧带限制运动。当足弓接触承痕体时, 足跟骨结节凸点作为杠杆支撑点, 在力的作用下足纵弓由后向前接触地面。足纵弓之外纵弓是足的支撑部分, 由外侧足骨连接而成, 弧度较小, 弹性较弱。足弓外侧皮肤组织被挤压作用于地面形成足弓外侧痕迹。内纵弓由内侧足骨组成, 弧度较大, 弹性较强, 该区域的皮肤组织基本上不会被挤压。当足弓部位瞬间离开粉尘地面时, 弓区内外侧存在较大空隙, 瞬间抬起足弓时负压气流使掉落下来的黏附粉尘聚集于足弓区形成弓区抬痕形态痕迹。最后足跖趾区接触、离开粉尘地面阶段（图2-c、e、f）。这一阶段有一时相是双足站立状态, 当双足站立时, 双足配合形成一个完整的后横弓, 保持身体平衡状态。之后当支撑足在向前运动时, 内外纵弓和后横弓始终保持弓状结构, 前横弓保持弓状。随着身体重心的横向移动和受对侧摆动腿的牵制, 在粉尘地面上足跖区软组织对周围粉尘产生力的作用发生位移变化。人体足部运动受肌系统相互协调影响, 其中足跖屈时韧带拉长积聚能量, 复位时韧带缩短, 释放的能量作用于粉尘地面产生该区域的足迹抬痕特征。当足跖区与地面分离瞬间, 跖趾骨的排列关系和分布位置决定了遗留的足跖区足迹抬痕形态及位置关系。此外, 在该特征形成过程中, 足底受力的大小及方向、行为人的起足方式等因素也会影响遗留的足迹抬痕形态。

同一人穿同样质地的袜子在粉尘地面上行走时, 以稳定的速度行走产生的穿袜足迹抬痕形态特征变化规律具有一致性。同一人若以不同速度状态行走, 产生的穿袜足迹抬痕形态特征反映的清晰度有差异, 行走速度快的特征反映清晰明显, 说明随着行走速度的增加, 穿袜足迹抬痕形态特征反映越好; 在不同状态下穿袜足迹抬痕形态特征在快速行走和正常行走中反映较好, 尽管在跖区部分存在微小差异, 但从整体角度分析该特征具有鉴别价值; 在慢速行走中, 足底被推挤出去的空气向中间的负压区流动速度小, 作用在足底掉落下来的粉尘介质上的能力弱, 形成的穿袜足迹抬痕形态特征和其他状态下形成的特征符合度较低。比较不同人（足型特征相似）在同阶段下穿袜足迹抬痕形态特征的各个区域分布位置及其组合关系, 发现特征之间存在较大差异。

抬痕的出现与年龄、行走速度、起足高低、袜子种类及地面条件有直接关系^[2]。此实验在其他影响因素均保持一致的前提下, 研究同一人不同状态和不同人不同状态下形成的穿袜足迹抬痕形态特征的变化。针对同一人而言行走速度快时易出现抬痕。此外穿细小花纹的袜子易出现抬痕; 在较干燥细腻的粉尘地面上易出现抬痕。

当每位实验者在地面上或站立、或跑步、或其他行走方式, 通过直观观察形成的穿袜足迹, 可以看出穿袜足迹抬痕形态特征均会出现。认真比较拍照提取的穿袜足迹, 可发现该特征存在且具有一定的规律性。这表征该特征具有反映性。

首先, 将实验者在五种速度状态下多次实验采集的照片置于Photoshop软件中, 进行重叠比对分析。随机抽取足长相同实验者的实验图像进行重叠比对。经对每位实验者穿袜足迹逐份比对分析如下：表1是同一实验者的穿袜足迹抬痕形态特征图像重叠比对效果表。可直观看出同一状态下同一人两枚穿袜足迹抬痕形态特征可以重合, 同样方法比对其他实验者的特征重合效果。此过程分析得出该特征具有稳定性。表2是同一实验者在不同速度下形成该特征图像重叠比对效果表, 选择较好图像作为每种状态代表, 两两状态下穿袜足迹抬痕形态特征重叠比对, 观察分析不同速度对穿袜足迹抬痕形态特征的影响。在图像比较过程中发现同一人形成的抬痕形态特征整体上具有一致性。在承痕体及介质相同的条件下, 造痕体足的第一、五跖骨及跟骨的着力点位置具有稳定的组合关系, 使得产生的痕迹存在一定的规律。在图像分析中没有将行走状态和跑状态作以比较, 原因在于跑运动中有一个身体不与地面接触的阶段, 即身体腾空阶段, 单脚承受身体, 受到冲力较大, 足的丰满程度差异造成承压面不同, 产生的痕迹边缘特征与其他状态不同。但将同一人在该种状态下穿袜足迹抬痕形态特征形象比较和长度比较分析也会发现穿袜足迹抬痕形态特征具有一定的稳定性, 可通过此差异为技术人员分析运动状态提供线索。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 同一人的穿袜足迹抬痕形态特征图像效果比对表 Table 1 Comparison of the morphological characteristics of footprints from same person uplifting his sock-worn feet walking in five speeds

表1 同一人的穿袜足迹抬痕形态特征图像效果比对表 Table 1 Comparison of the morphological characteristics of footprints from same person uplifting his sock-worn feet walking in five speeds

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 同一人两两状态下穿袜足迹抬痕形态特征图像效果比对表 Table 2 Overlapping comparison of the morphological characteristics of footprints from same person uplifting his sock-worn feet walking in two speeds

表2 同一人两两状态下穿袜足迹抬痕形态特征图像效果比对表 Table 2 Overlapping comparison of the morphological characteristics of footprints from same person uplifting his sock-worn feet walking in two speeds

表3是选择足长相同的多位实验者较好的实验图像作为每位实验者在每种状态下的代表, 比较不同人在五种状态下穿袜足迹抬痕形态特征, 可直观看出不同人在相同速度下穿袜足迹抬痕形态特征之间具有差异性。其次, 为了更加直观描述此特征效果, 在借助Photoshop软件使用增强对比度、增加反差的功能分析穿袜足迹抬痕形态特征后, 对以上的重叠比对图建立效果重合度评判等级体系见表4。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同人（足长相近）五种状态下穿袜足迹抬痕形态特征图像效果比对表 Table 3 Footprint morphological characteristic comparison among different subjects (of length-similar foot) uplifting their sock-worn feet walking in five speeds

表3 不同人（足长相近）五种状态下穿袜足迹抬痕形态特征图像效果比对表 Table 3 Footprint morphological characteristic comparison among different subjects (of length-similar foot) uplifting their sock-worn feet walking in five speeds

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 效果重合度评判等级体系 Table 4 Superposition levels of the morphological characteristics from uplifting sock-worn different feet 重合效果等级 穿袜足迹抬痕形态特征重合评判标准 3 在四个区域分布位置、长度的80%~100%重合 2 在四个区域分布位置、长度的60%~80%重合 1 在四个区域分布位置、长度的30%~60%重合 0 在四个区域分布位置、长度的0%~30%重合

表4 效果重合度评判等级体系 Table 4 Superposition levels of the morphological characteristics from uplifting sock-worn different feet

百分比表示不同足迹照片中对应的穿袜足迹抬痕形态特征之间重合长度占该痕迹特征全长的比值。使用穿袜足迹抬痕形态特征作为一种鉴别特征, 需要在足长相同、足型整体相近的情况下比较该形象特征。经等大足迹照片在测量软件中测量计算, 得出如下评价结果：

1）同一人在相同状态下的效果。同一人在同状态下穿袜足迹抬痕形态特征重合度较高, 说明该特征具有稳定性。实验效果评价等级依次为：站立3, 慢速2, 正常3, 快速3, 跑步2。

2）同一人在不同状态下的效果。经大量实验结果重叠比对发现同一人不同状态下穿袜足迹抬痕形态特征存在相符率较高的状态依次是正常行走、快速状态、慢速状态。经分析认为站立和慢走状态的抬痕形态特征之间的差异性主要因为站立状态时动作的约束, 即垂直落足、垂直起足, 来自周围空气负压作用积聚于足弓区。而同一人的快速状态、正常行走与慢速状态的差异是行走速度, 同一造痕体在不同速度下形成的痕迹特征具有效果清晰度的差异。在实验环境相同、实验对象条件相同的前提下, 速度会影响足底空气负压作用, 继而影响痕迹特征反映效果。快速行走时在足弓区及后跟前缘部位多会出现长条状痕迹, 在足跖区和足跟区出现星芒状痕迹, 且呈现效果清晰。与快速状态下痕迹呈现效果相比, 正常行走的效果也是清晰且稳定的; 慢速状态下的足跖区清晰, 而足弓区效果相比之下可见但不十分清晰。在正常行走、慢速状态与快速状态比较时依据各区域痕迹特征依次测量长度的搭配组合关系评价特征符合程
度。

3）不同人在每种状态下的效果, 若足型整体特征不同的人可直接排除; 若足型整体特征相似的不同人在同阶段下比较穿袜足迹抬痕形态特征的各个区域分布位置及其组合关系, 发现存在较大的差异（见表5）。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 不同人（足长相同）五种状态下穿袜足迹抬痕形态特征图像比对效果评价表 Table 5 Superposition evaluation of footprint morphological characteristics among different subjects (of length-similar foot) uplifting their sock-worn feet walking in five speeds 不同人五种状态 站立 慢速 正常 快速 跑步 实验效果评价等级 0 1 0 1 0

表5 不同人（足长相同）五种状态下穿袜足迹抬痕形态特征图像比对效果评价表 Table 5 Superposition evaluation of footprint morphological characteristics among different subjects (of length-similar foot) uplifting their sock-worn feet walking in five speeds