人体赤足形态特征接触面积与身高体质量相关性统计分析

doi:10.12307/2021.211

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (32): 5103-5108.doi: 10.12307/2021.211

• 组织构建与生物力学 tissue construction and biomechanics • 上一篇下一篇

人体赤足形态特征接触面积与身高体质量相关性统计分析

高毅1，2，3，马越1，3，赵泽宇1，3，王彪1，3

1痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室，辽宁省沈阳市 110035； 2证据科学教育部重点实验室(中国政法大学)，北京市 100088； 3中国刑事警察学院，辽宁省沈阳市 110035

收稿日期:2020-08-25 修回日期:2020-08-28 接受日期:2020-09-26 出版日期:2021-11-18 发布日期:2021-07-26
通讯作者: 高毅，副教授，痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室，辽宁省沈阳市 110035；证据科学教育部重点实验室(中国政法大学)，北京市 100088；中国刑事警察学院，辽宁省沈阳市 110035
作者简介:高毅，男，1978年生，吉林省吉林市人，汉族，副教授，主要从事足迹生物特征识别研究
基金资助:
公安部科技强警基础工作专项项目(2015GABJC08)，项目负责人：马越；辽宁省自然科学基金引导计划项目(20180550153)，项目负责人：高毅；证据科学教育部重点实验室基金项目(2019KFKH02)，项目负责人：高毅；中国刑事警察学院研究生创新能力项目(2019YCZD03)

Correlation of human barefoot morphological characteristics contact area with body height and mass: a statistical analysis

Gao Yi1, 2, 3, Ma Yue1, 3, Zhao Zeyu1, 3, Wang Biao1, 3#br#

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1Key Laboratory of Trace Inspection and Identification Technology, Ministry of Public Security, Shenyang 110035, Liaoning Province, China; 2Key Laboratory of Evidence Science, Ministry of Education (China University of Political Science and Law), Beijing 100088, China; 3Criminal Investigation Police University of China, Shenyang 110035, Liaoning Province, China

Received:2020-08-25 Revised:2020-08-28 Accepted:2020-09-26 Online:2021-11-18 Published:2021-07-26
Contact: Gao Yi, Key Laboratory of Trace Inspection and Identification Technology, Ministry of Public Security, Shenyang 110035, Liaoning Province, China; Key Laboratory of Evidence Science, Ministry of Education (China University of Political Science and Law), Beijing 100088, China; Criminal Investigation Police University of China, Shenyang 110035, Liaoning Province, China
About author:Gao Yi, Associate professor, Key Laboratory of Trace Inspection and Identification Technology, Ministry of Public Security, Shenyang 110035, Liaoning Province, China; Key Laboratory of Evidence Science, Ministry of Education (China University of Political Science and Law), Beijing 100088, China; Criminal Investigation Police University of China, Shenyang 110035, Liaoning Province, China
Supported by:
The Special Project of the Ministry of Public Security for Science and Technology Strengthening Police Basic Work, No. 2015GABJC08 (to MY); Guidance Project of Natural Science Foundation of Liaoning Province, No. 20180550153 (to GY); Key Laboratory for Evidence Science of the Ministry of Education, No. 2019KFKH02 (to GY); Project of Improvement of Graduate Student's Innovation Ability of Criminal Investigation Police University of China, No. 2019YCZD03

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
赤足形态特征接触面积：指人在正常步态情况下，赤足与地面或其他承载客体相接触形成的形态学图像面积。
身高分析：利用人体部位参数特征对身高进行推算，广泛应用于法医人类学等相关学科研究及实践工作中。

背景：当前法医人类学、人体工程学及足迹学研究均发现足部各信息(如足长、足宽等)与身高、体质量呈现出显著相关性，但国内外文献对有关赤足形态特征接触面积与人体身高、体质量的量化研究尚不完善。
目的：分析人体赤足形态特征接触面积与身高、体质量之间相关性，创新法医人类学、人体工程学等相关学科理论体系，为利用赤足足迹进行人身个体识别提供参考。
方法：采用足迹学传统平面足迹油墨捺印方法进行样本收集，再利用MATLAB数字软件对足迹对象进行图像处理。测试对象为随机抽取身高分布在165-190 cm之间健康的青壮年男性100名，记录其身高、体质量，获取正常行走步态下的赤足形态特征接触面积并进行统计分析。试验的实施符合《赫尔辛基宣言》和中国刑事警察学院对人体研究的相关伦理要求。
结果与结论：在健康青壮年男性正常弓类型(排除中断弓和膨胀弓两种弓区类型)条件下：①人体赤足形态特征接触面积与身高、体质量之间均呈显著正相关(P < 0.01)，其与人体身高之间关系可被应用于法医人类学、人体工程学、足迹学的身高分析；②身高相较于体质量而言，对人体赤足形态特征接触面积的影响更加显著，更具有直接相关性。

https://orcid.org/0000-0001-8130-1291 (高毅)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 关键词：法医人类学, 人体工程学, 足迹检验, 赤足形态特征, 接触面积, 身高分析, 图像处理

Abstract: BACKGROUND: Currently, forensic anthropology, ergonomics and footprint studies have all found that there is a significant correlation between foot information (such as foot length and foot width) and body height and mass. However, there is no enough quantitative research on barefoot morphological characteristics contact area (BMCCA) as well as human body height and mass.
OBJECTIVE: To analyze the correlation between BMCCA and body mass and height, and to innovate the theoretical systems of forensic anthropology and ergonomics, thereby providing reference for individual recognition by barefoot footprint.
METHODS: Samples were collected using traditional plane footprint ink printing method, and digital software MATLAB was then used for image processing. A total of 100 healthy young men with a height distribution between 165-190 cm were randomly selected as subjects. Body height and mass were recorded. BMCCA was obtained under normal walking for statistical analysis. The implementation of the study complied with the Declaration of Helsinki and the relevant ethical requirements of Criminal Investigation Police University of China.
RESULTS AND CONCLUSION: For healthy young men with normal arch of the foot (excluding interrupted arch of the foot and expanded arch of the foot), there is a significant positive correlation between BMCCA and height and mass (P < 0.01). The relationship between BMCCA and human body height can be applied for height analysis in forensic anthropology, ergonomics, and footprint. Compared with body mass, body height has a more significant impact on BMCCA and is more directly related.

Key words: Key words: forensic anthropology, ergonomics, footprint inspection, barefoot morphological characteristics, contact area, height analysis, image processing

中图分类号:

高毅, 马越, 赵泽宇, 王彪. 人体赤足形态特征接触面积与身高体质量相关性统计分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(32): 5103-5108.

Gao Yi, Ma Yue, Zhao Zeyu, Wang Biao. Correlation of human barefoot morphological characteristics contact area with body height and mass: a statistical analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(32): 5103-5108.

图/表（结果） 6

2.1 参与者数量分析有效的健康青壮年男性试验样本共100名，全部纳入结果分析。
2.2 基线资料分析根据100名有效统计数据，可看出此次随机选取的样本其身高分布在169-188 cm之间，涵盖常见男性身高区间，具有良好的普适性。见表1。试验前受试对象(n=100)赤足形态特征接触面积与年龄[(24.47±5.12)岁]、体质量指数[(23.45±2.97)kg/m2]数值之间相关性不显著(P > 0.05)。

2.3 参数配对检验左、右足赤足形态特征接触面积及双足赤足形态特征接触面积平均值相比，左足面积略大于双足面积平均值略大于右足面积，其之间虽存在差异，但差异性并不显著
(P > 0.05)，证明左右足之间虽存在差异，但并不明显，与足部整体间关系密切，见表2。

对身高、体质量与左、右足及双足赤足形态特征接触面积进行Pearson相关性分析，见表3。通过表3可明显看出左、右足及双足赤足形态特征接触面积均展现出与身高、体质量的显著相关性(P < 0.01)；左足赤足形态特征接触面积与身高之间相关系数(r=0.644)最高，与右足相关系数最低(r=0.481)，双足赤足形态特征接触面积适中(r=0.591)，在有关足迹不同部位与身高关系的足迹分析研究中表示[2]，大部分足迹不同部位长度测量参数与身高r值(评价模型的拟合效果)处于0.4-0.68之间(P < 0.01)。

2.4 偏相关分析将体质量参数设定为控制变量，进行偏相关分析。在剔除体质量的影响条件下，左、右足及双足赤足形态特征接触面积依然展现出与身高的显著相关性(P < 0.01)，但控制变量前后的相关系数变化，证明体质量对赤足形态特征接触面积会具有一定影响。因此，在青壮年男性正常足弓的条件下，身高相较于体质量而言，对人体赤足形态特征接触面积的影响更加显著，更具有直接相关性(P < 0.01)，体质量对利用人体赤足形态特征接触面积进行身高分析的影响较小，见表4。

2.5 回归分析根据Pearson相关性分析皆表现出左、右足及双足赤足形态特征接触面积与身高的相关性显著，呈现出具有良好的统计学意义，见表5。构建出左、右足及双足赤足形态特征接触面积与身高之间的一元线性回归方程，以获得身高分析公式。

综合得出：身高=141.220+0.144×
S双足面积；身高= 139.905+0.298×S左足面积；身高=149.048+0.225×S右足面积，见表6。

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引言

当前国内外有关法医人类学、人体工程学及足迹学的研究中指出，赤足形态特征与人体体态之间存在相关性[1-7]，并且法医人类学已利用之前研究成果进行体态分析和人身鉴定。在足迹学相关研究中指出，人在行走的过程中，因受其身高体态及行走姿态等因素影响，其足迹特征信息具有一定特定性和相对稳定性[8-11]。
同时越来越多的国内外医学临床研究发现，足底压力相关信息与患者年龄、患病情况同样存在密切联系，比如有关医学研究发现，足部压力信息可有效反映出老年人的糖尿病不同阶段病理情况[12-15]。国内法医人类学及足迹学在长期的实践中也发现，依据足部各骨骼及关节长度的测量值可进行准确的身高分析，因此对足部关键信息的研究对当前的法医人类学、人体工程学、法庭科学的研究方向延伸均具有重要意义。
查阅大量参考文献发现，研究人员尝试运用不同图像处理工具和算法优化以获取更好的图像信息及特征，将足迹数字图像与各图像处理技术(如滤波降噪、膨胀腐蚀、开、闭运算等)相结合，可显示出足迹图像中足底重磨损面的形状、大小及几何中心点，并具有测量足迹各特征的距离、角度，计算各部分的周长面积等特征的功能[16-17]。
此次研究是基于国内外大量研究的基础上[16-19]，通过MATLAB图像处理软件，将扫描后的油墨捺印足迹图像中的人体赤足形态特征接触面积以准确、有效的方法计算出来，替代传统研究中采用足长足宽相乘表达的简单方法[20]，探究真实赤足形态特征接触面积与人体之间关系，完善法医人类学、人体工程学的基础理论，减少主观经验影响，以实验数据和科学方法进行更加客观的人体分析研究。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

1.1 设计相关分析和比较观察。
1.2 时间及地点资料收集和测试于2018年8月至2019年11月在中国刑事警察学院平面足迹实验室完成。
1.3 对象在中国刑事警察学院的男性平面足迹油墨捺印数据库中，随机选取身高分布在165-190 cm的100例有效的健康青壮年(18-35岁)油墨白纸捺印足迹样本。测试记录前均向被测试者说明实验数据用途，并遵循保密协议。足迹图像如图1所示。

1.3.1 纳入标准 ①油墨捺印图像清晰、边缘明显；②正常足弓：参考足迹学弓宽定义，油墨捺印图像在弓区不出现间断缺失(中断弓类型)，弓区内缘凸点超出跖内缘凸点和跟内缘凸点连线的边界以及弓外缘凸点超出跖外缘和跟外缘凸点连线的边界(即扁平足弓和膨胀弓类型)[21-23]。
1.3.2 排除标准具有足部疾病(如：跖痛症、多趾、少趾等)及糖尿病、关节炎偏瘫等影响行走姿态及足迹的疾病。
1.3.3 测算软件采用MATLAB数字软件的图像处理功能。
1.4 方法采用主要技术为图像的波降噪、阈值分割等技术方法。首先利用图像增强、降噪进行预处理，将图片中由于纸张本身及扫描所带来的噪点清除，再运用阈值分割法将足迹和白纸背景分割开来，随之进行再一次的降噪处理，最后采取4种处理方法：开运算、闭运算、先开后闭运算及先闭后开运算，将赤足形态特征接触面积计算出来。为提高特征提取准确率，对4种方法所得面积取均值记录。
1.4.1 功能实现
(1)消除噪声：采用中值滤波技术，以非线性滤波处理图片，其原理为：在图片中确定一像素点为中心，以此周围区域固定窗口，窗口通常以奇数点组成。中值滤波的采用不仅可以消除纸张扫描过程中导致的固有噪声，还能保护图像的边缘，因此采用这项降噪处理技术。
在以往有关中值滤波研究中表明，中值滤波方法可有效地复原图像[18]。此次试验利用迭代处理中值滤波算法以达到预期的平面足迹样本的预处理效果。迭代中值滤波实现代码如下：
a=imread(‘图片所在位置’)；
a=medfilt2(a,[3 3])；
a=medfilt2(a,[3 3])；
a=medfilt2(a,[3 3])；
(2)去除图像中空白：采用开运算和闭运算的图像处理技术，以去除赤足表面花纹、伤疤、脱皮、汗孔、鸡眼等因素导致的空白。其实开运算和闭运算之间的差异就是膨胀、腐蚀的先后顺序，闭运算先进行膨胀处理，将空白的部分区域进行膨胀变胖，再经过腐蚀的处理后，可将空白填满；开运算用于去除独立的多余油墨滴溅或纸张固有的小点、足弓区部分毛刺等问题，具有部分降噪功能。
为避免开运算和闭运算的先后顺序对实验结果造成的影响，此次实验采取多种方法计算求取均值，以进一步消除误差，求得真实面积，处理后图像如图2所示。

开、闭运算实现代码如下：
se=strel(‘square’,5’)；%方型结构元素
%se=strel(‘disk’,6’)；%圆盘型结构元素
fo=imopen(a,se)；%直接开运算
fc=imclose(a,se)；%直接闭运算
foc=imclose(fo,se)；%先开后闭运算
fco=imopen(fc,se)；%先闭后开运算
%闭运算在数学上是先膨胀再腐蚀的结果
%闭运算的物理结果也是会平滑对象的轮廓，但是与闭运算不同的是开运算
%开运算一般会将狭窄的缺口连接起来形成细长的弯口，并填充比结构元素小的洞
(3)面积计算：利用阈值分割处理足迹图像，进一步将赤足与背景之间分割开。经二值化处理后的图片，再经阈值分割后的图像其像素点灰度值非0即1。在实验中主要采用根据纸张大小，利用像素点数目比值，以准确求得人体赤足形态特征接触面积。
1.4.2 受试者信息及样本收集在平面足迹实验室中进行测试，控制采集数据的地面平整度及温度、湿度条件保持一致，并在进行捺印实验前对所有的受试者进行测量、记录身高、体质量等相关信息，询问具体年龄、工作类型、生活居住地、出生地等详细信息。提前告知实验程序，要求测试者脱去鞋袜，保持全程实验以赤足状态下进行正常步态行走，在白纸上先后留下左、右双足足迹，并且避免双足足迹存在重叠或窜动、侧倾、跄痕等导致实验误差的伴生痕迹特征出现。在利用油墨白纸捺印清晰有效赤足形态特征接触面积后，对试验样本进行预处理，以筛选100例可用试验样本，运用扫描仪对样本以分辨率：400 dpi；纸张大小：A3复写纸；扫描格式：灰度格式，随之对扫描后试验样本采用MATLAB软件对图像进行科学、高效的图像处理。图像处理过程采用4种不同测量面积的程序方法，对得出的4组面积数值求取平均值，以对赤足形态特征接触面积精确、有效记录。分析过程则分为对左、右足及双足赤足形态特征接触面积与身高、体质量的分析，绘制左、右足及双足赤足形态特征接触面积与身高的一元线性回归方程，并在最后设定体质量为控制变量，以剔除体质量的影响进行偏相关分析，探究赤足形态特征接触面积与身高的相关性。
1.5 主要观察指标受试者的左、右足及双足赤足形态特征接触面积、身高、体质量参数。
1.6 统计学分析所有数据经过SPSS 21.0软件包进行统计处理。收集受试者基线资料，测量身高、体质量、双足及单足面积的全距值、最大、最小值、标准误、标准差及方差值；对左、右足及双足赤足形态特征接触面积进行两两比较，采用配对样本t检验；对身高、体质量与左、右足及双足赤足形态特征接触面积进行皮尔逊(Pearson)相关性分析，并将体质量参数设定为控制变量，进行偏相关分析；对不同赤足形态特征接触面积与身高之间进行一元回归分析。以P < 0.05或P < 0.01为差异有显著性意义和非常显著性意义。

讨论

以往研究学者关于足部测量方法的研究中指出，图像处理技术与足迹学相结合可准确测量足各部位长度、压力等参数特征，并以此可探究足部信息特征与人体之间的联系[16-17]。现依靠于图像处理技术，研究学者们发现利用MATLAB和Adobe papermaker等数字软件可对足迹图像进行合理的增强以突出主体，可对各部分面积进行高效测算。此次研究借鉴以往研究成果，并将MATLAB图像处理技术多种算法相融合作为核心，替代以往足底面积初探研究的简单估算方法[20]，对赤足形态特征接触面积进行更精确的有效测算。
此次研究创新性探究赤足形态特征接触面积与人体身高、体质量之间的关系，并揭示了：①赤足形态特征接触面积与身高呈现出显著正相关，可利用赤足形态特征接触面积进行身高分析；②身高相较于体质量而言，对人体赤足形态特征接触面积的影响更加显著，更具有直接相关性(P < 0.01)。
关于此次研究的第一个发现，赤足形态特征接触面积与身高之间呈现出显著正相关(P < 0.01)，表明赤足形态特征接触面积可作为法医人类学及足迹学进行身高分析的依据。在国内外足迹学基础研究中指出，足长足宽及其他足迹测量值与身高之间均存在相关性[24-28]，并且在人体运动姿态研究中，重心压力面积可用于评价行走姿态的稳定性[29]，以上研究结论与此次研究成果相互印证。结合以往赤足足迹与足部骨骼的高度对应的研究结果和足部检查可有效防止糖尿病足底溃烂和其他并发症[30-32]，可将赤足形态特征接触面积的变化作为临床参考指标。
此次研究中还发现左、右足赤足形态特征接触面积之间差异不显著，这与左右双足足迹各部位测量值与身高存在密切关系的实验结论相互印证，同时支持了相关足部法医解剖学理论[5，8]。在国外ROKKEDAL-LAUSCH等[33]研究学者关于左右足的足部姿态指数研究中指出，左右足部姿态并未表现出显著性差异。而在行走时，双足足底各部位接触面积是具有显著性差异的[34]，这就说明可能足底部位面积与身高之间相关性并不如完整赤足形态特征接触面积高，也可能是由于实验方法上的不同带来的差异。
在有关足与人体生理状态的研究中指出，足底压力与病理状态有着相关性，青年人与老年人的足底压力分布存在着差异[34-35]。由于老年人肌肉减少对老年人足底压力产生影响，肌肉萎缩带来的足弓塌陷导致步态变化，但压力分布是有降低有升高[36-37]，因此结合此次研究其赤足形态特征接触面积在18-35岁年龄段的差异并不显著，年轻肌肉含量较高，足底面积差异不显著，因此带来足压力分布差异的更多是肌肉萎缩导致的足弓塌陷，由于年龄段覆盖的并不全面，无法完全说明其改变的具体原因。当前有关跖痛症的研究中指出，跖前痛会带来足承重面积的变化[38]，如将此次研究的赤足形态特征接触面积与之结合，更可设想通过足部特征对人体体貌特征、病理状态的推算，为人体工程学和相关足部医学研究打下基础。
关于此次研究的第二个发现，在控制体质量变量情况下，赤足形态特征接触面积与身高仍然表现出显著相关性，证明体质量对利用赤足形态特征接触面积身高分析影响较小，同时此次研究中发现，体质量指数对赤足形态特征接触面积的影响不显著，结合钟慧敏等[39]关于体质量指数对足底压力特征影响的研究结论：随体质量指数增加，足弓高度随之降低，进而中足底面积在全足接触面积的百分比也随之增加，可得出体质量指数会对足底压力的分布具有影响，随体质量指数增加对弓区的依靠增强，但赤足形态特征接触面积并不会发生显著性改变，证明体质量增加更多是对行走姿态的影响。向其鹏等[40]在足弓结构对足底压力分布影响研究中指出，高足弓使得弓区接触面积远小于正常足，但其他区域均大于正常足。GONÇALVES等[41]报道体质量指数、年龄对青少年足部姿态影响的研究中也指出，通过体质量指数可预测得内旋倾向，但目前仍无法构建出更好的体质量指数对足部姿态的准确影响。而在REDMOND等[42]研究指出，体质量指数与足部姿态之间未发现任何关系，结合此次研究发现，可延伸得出，赤足形态特征接触面积可能在不同弓区类型中具有稳定性，结合长期以来的足迹学身高分析研究，进一步证明利用赤足形态特征接触面积进行身高分析对在法医人类学、人体工程学、足迹学等具有良好研究前景。
此次研究存在的不足之处：①对于扁平足、高足弓样本的平面赤足足迹面积的计算并不能做到大量分析，因此此次实验的结果可能对于扁平足和高足弓的适用效果并不佳，今后实验需增大实验样本，更好地构建平面赤足足迹面积与身高之间的关系；②此次实验提供方案可能对大脚小个、小脚大个的特殊人群仅用足长分析身高的方法带来的误差起到一定修正和补充作用，但数据量较小无法完整体现。
综上，在健康青壮年男性正常弓条件下，人体赤足形态特征接触面积与身高、体质量呈显著正相关，人体赤足形态特征接触面积与身高之间关系可被应用于法医学、人体工程学、足迹学的身高分析；身高相较于体质量而言，对人体赤足形态特征接触面积的影响更加显著。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

人体赤足形态特征接触面积与身高体质量相关性统计分析

Correlation of human barefoot morphological characteristics contact area with body height and mass: a statistical analysis

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