서론
고온 환경에서의 운동은 체온 상승[1,2], 피부 혈류량 및 발한량의 증가로 탈수, 고열, 심혈관 부담 등을 유발하고 주요 장기에 산소 공급 문제를 야기할 수 있다[3]. 열 축적은 뇌의 혈액 순환과 활동을 저하시킬 수 있으며[3,4], 발한량의 증가는 혈액을 감소시키며 동맥을 통한 산소 공급을 저하시키고 말초 피로를 유발한다[4]. 또한, 고온 환경에서 운동은 심부 체온 상승과 열적 불편함으로 운동자각도(Rating of Perceived Exertion, RPE)를 증가시킬 수 있다[3,5].
인체는 다양한 방법을 통해 체내 열을 발산하여 체온을 유지한다. 이 중 발한을 통한 증발 냉각이 주요한 열 조절 기전으로, 30℃ 이상의 환경에서 운동할 경우 전체 열 손실의 70% 정도가 증발 냉각을 통해 이루어진다[2,6]. 그러나, 높은 습도의 환경에서는 피부 표면과 환경 사이의 수분 차이가 적어, 피부에서의 발한 효과가 제한된다[7]. 상대 습도가 70% 이상일 때는 땀의 증발로 인한 열 손실이 감소하고, 열 발산을 더디게 만들어 체내에 축적되는 열의 양을 증가시킨다[8]. 특히, 사이클, 마라톤 등 고온 환경에서 장시간 경기를 진행하는 스포츠는 열 스트레스에 직접적으로 노출되어 운동 수행 능력에 부정적인 영향을 미치고, 더 큰 피로가 유발될 수 있다[9,10].
이를 예방하기 위해 현재 적용되고 있는 냉각의 대표적인 방법으로는 차가운 물 음용, 운동 수행 전 체온을 낮추는 방법(선랭), 냉각 조끼 착용, 멘톨 도포 등이 있다. 선랭(pre-cooling)을 통한 냉각 방법은 운동 수행 전 심부 온도를 미리 낮추어 열 저장 능력을 증가시키고, 심부 온도의 임계점 도달 시간을 지연시키는 방법이다[11,12]. 그러나, 운동 수행 전 침수는 현장 적용에 불편함이 있으며, 다량의 차가운 물 섭취는 참가자에게 위장 불편감을 초래할 수 있다[13]. 냉각 조끼의 착용은 심부 온도와 피부 온도를 낮추어 더위에서 긍정적인 영향을 미치지만 조끼의 무게는 약 1kg이며 충분한 냉각력과 지속적인 착용을 통해서 최적의 효과를 기대할 수 있어, 실제 경쟁 현장에서는 실용성의 한계가 보고되었다[14]. 이러한 단점을 보완하기 위해, 운동 중 열 손실을 극대화할 수 있는 방법으로는 피부 적시기를 통한 증발 냉각이 있다. 증발을 이용한 냉각은 열 손실을 증가시켜 체온을 낮추고[6,14], 운동자각도와 열감각(Thermal Sensation, TS)을 감소시켜 심박수와 운동 퍼포먼스에도 유의한 효과가 나타났다[14]. 그러나, 고온·다습한 환경에서 물 분사 처치의 효과는 미비할 수 있으며[7], 멘톨 사용은 피부를 자극시킬 수 있다는 부작용이 보고되었다[15]. 또한, 멘톨은 감각 수용체를 자극하여 감각적으로 시원함을 느끼게 하지만, 땀을 억제시켜 직장온도를 상승시킬 수 있다[16]. 이에, 본 연구에서는 비열이 낮고 휘발성이 강해 효과적인 열 손실이 가능한[17] 에탄올의 냉각효과를 관찰하 고자하였다. 에탄올은 손소독제, 구강청결제 등에 사용되는 성분으로[18], 일상생활에서 쉽게 접할 수 있으며 현장에 신속하게 적용 가능하다는 이점이 있다. 하지만 고온·다습한 환경에서 에탄올의 열 손실에 대한 연구는 미비한 실정이다.
따라서 본 연구는 고온·다습 환경에서 운동하는 성인 남성을 대상으로 에탄올과 물을 분사하여 증발열 손실 냉각 방법이 RPE, TS, 피부온도, 고막온도, 발한량에 미치는 영향을 규명하는 것을 목적으로 한다. 이를 바탕으로 고온·다습한 환경에서 장시간 스포츠 활동 중 적용 가능한 냉각 방법의 기초 자료를 제공하는 데 있다.
연구방법
1. 연구대상
본 연구의 대상자는 고온·다습한 환경에서 운동 수행이 가능하며 심혈관 및 대사기능에 이상이 없는 자로 선정하였다. 생명연구윤리위원회(IRB)의 연구 윤리 지침을 준수하여 수행하였다. 대상자에게 연구의 목적, 절차, 위험성 등을 충분히 설명한 후 자발적인 동의를 받은 후 진행하였다. 고온·다습한 환경에서 장시간 운동 수행이 요구되므로 평소 규칙적인 운동을 수행하고, 최대산소섭취량(Maximal Oxygen Consumption, VO2max)이 55ml/kg/min 이상인 건강한 20대 남성 10명을 선정하였다. 실험 과정에서 1명의 대상자는 일상생활 중 다리 부상으로 실험 수행이 어려울 것으로 판단되어 중도 탈락하였으며, 최종 9명의 데이터를 분석에 사용하였다. 대상자는 특정한 운동 프로그램이나 체계적인 훈련을 받지 않는 사람으로, 실험 전 고온 환경에서 별도의 적응 기간을 부여하지 않았다. 수분 섭취에 따른 체중 변화 오차를 최소화하고자, 실험 24시간 전 구두로 수분 섭취 지침을 대상자에게 제공하였다. 이를 통해 과도한 수분 섭취를 제한하고 평소의 수분 섭취량을 유지하도록 하였으며, 실험 1시간 전부터는 수분 섭취를 금지하였다. 또한, 실험 전에는 흡연, 카페인 및 알코올 섭취를 금하도록 했으며, 연구 대상자들의 신체적 특성은 <Table 1>과 같다.
2. 연구설계
본 연구는 고온·다습한 환경에서의 운동 수행 시 에탄올 용액 분사와 물 분사가 생리적 반응과 주관적 반응에 미치는 영향을 분석하기 위해 수행되었다. 대상자는 실험 수행 전 브루스 프로토콜(Bruce protocol)을 통한 트레드밀 운동 부하 검사를 실시하였으며, 최대산소섭취량의 70% 운동강도를 설정하였다. 운동 환경은 습구흑구온도(Wet-Bulb Globe Temperature, WBGT)를 고려하여 위험성을 최소화한 조건에서 실시되었으며, 온도 29~31℃, 상대 습도 75~85%로 조성된 챔버에서 진행되었다. 실험 조건은 무처치(Non Spray; NS), 물 분사(Water Spray; WS), 에탄올 분사(Ethanol Spray; ES)로 참여자는 세가지의 조건을 모두 수행하였다. 처치 순서는 무작위로 배정하였으며, 실험 간 최소 48시간 이상 간격을 두고 측정하였다.
3. 실험 절차 및 측정 방법
1) 실험 절차
본 연구에서는 실험 전 안정 시 상태에서 대상자의 RPE, TS, 피부온도, 고막온도, 탈의체중을 측정하였다. 운동 수 행전 뇨비중을 확인하여 대상자의 수분 상태가 정상 범위에 해당하는지 확인한 후 실험을 진행하였다. 고온 다습한 환경에서 대상자의 안전을 위해 10분간 열적응 과정을 수행하였다. 실험은 트레드밀에서 5분동안, 4회에 걸쳐 총 20분 간 수행하였다. 운동강도는 경사도 없이 속도만을 조절하여 심박수로 모니터링하였다. 운동 수행 중 5분마다 피부 온도를 측정하였으며, 측정은 1분 이내로 이루어졌다. 물과 에탄올의 분사는 운동 수행 중, 3분이 지나는 시점에 분사하였다<Figure 1>. 물과 에탄올의 분사 부위는 전면부의 목, 가슴, 팔, 허벅지로 설정하였으며, 1회 분사 시 한 부위 당 3.0~3.5ml의 용액을 사용하였다. 희석하지 않은 에탄올은 알레르기, 가려움, 발적 등을 유발할 수 있으므로[15], 선행연구를 참고하여 식물성 에탄올과 물을 1:1 비율로 혼합하여 희석된 에탄올을 사용하였다[18]. 파일럿 테스트를 통해 피부 자극 반응 및 운동 중 불편감 여부를 사전에 확인하였다. 또한, 호흡기 흡입을 최소화하고 액체의 흘러내림을 방지하기 위해 대상자의 분사 부위와 10cm 이내의 간격을 유지하여 분사하였다. 물과 에탄올 용액의 온도는 실험 환경과 유사하게 27~29℃로 설정하였다. 분사 시 써큘레이터를 풍속 4m/s로 작동시켜 물과 에탄올 용액이 원활하게 순환되도록 하였다.
4) 발한량
모든 의복을 탈의한 상태로 운동 시작 전과 운동 종료 후 총 2회 체중을 측정하였으며, 발한량은 운동 전과 후의 체중 차이 값을 산출하였다[22]. 체중은 체중계(PB-300, CAS, Korea)를 이용하여 측정하였으며, 측정 시에는 모든 옷을 탈의한 채, 수건으로 몸의 수분을 제거한 상태에서 측정하였다.
4. 자료처리
본 연구에서 통계 분석은 Windows용 통계 프로그램 SPSS 28.0(IBM, USA)을 이용하여 실시하였고, 모든 데이터는 평균과 표준편차를 산출하였다. 고온·다습한 환경에서 분사 조건(NS, WS, ES)에 따른 RPE, TS 변화를 확인하기 위해 반복측정 분산분석(Repeated Measures ANOVA)을 실시하였다. 피부온도와 고막온도, 발한량은 사전, 사후 변화량을 비교하기 위해 일원분산분석(one-way ANOVA)를 실시하였다. 통계적으로 유의한 차이가 나타난 경우 최소유의차(LSD)를 활용하여 사후 분석을 실시하였으며 유의수준은 α=0.05로 설정하였다.
결과
1. 운동자각도, 열감각
반복측정 분산분석을 실시한 결과, RPE에서 사전·사후 간 유의한 차이가 나타났으며 (F=332.52, p<0.001), 운동 종료 직후 RPE는 ES, NS, WS 순으로 낮게 나타났다. 그러나, 집단 간 유의한 차이는 나타나지 않았으며(F=6.74, p=0.595), 시간과 집단 간 상호작용 효과 또한 유의하지 않았다(F=2.07, p=0.350).
TS에서 사전, 사후 간 유의한 차이가 나타났으며(F=96.80, p<0.001), 운동 종료 직후 TS는 NS, ES, WS 순으로 낮게 나타났다. 그러나, 집단 간 유의한 차이는 나타나지 않았으며 (F=2.71, p=0.444), 시간과 집단 간 상호작용 효과 또한 유의하지 않았다(F=2.35, p=0.068) <Table 2>.
2. 피부온도, 고막온도
분사 조건에 따른 피부온도는 NS 조건에서 33.32 ± 0.80℃에서 33.28 ± 0.48℃로 -0.04% 증감율을 보였으며 WS 조건은 33.13 ± 0.65℃ 에서 33.36 ± 0.40℃으로 0.72% 증가하였다. ES 조건은 33.01 ± 0.66℃ 에서 32.18 ± 0.48℃로 가장 낮은 -2.49%의 증감율을 나타냈다. 세 집단은 집단간 유의한 차이를 보였으며 (F=4.757, p=0.018), 사후검정 결과, ES 조건이 NS, WS 조건보다 피부온도가 낮았고, 통계적으로 유의한 차이가 나타났다(p<0.05) <Table 3>.
분사 조건에 따른 고막온도의 변화는 NS 조건에서 36.63 ± 0.16℃에서 37.99 ± 0.36℃로 3.69% 증가하였고 WS 조건이 36.74 ± 0.32℃에서 38.02 ± 0.36℃로 3.48%, ES 조건에서 36.79 ± 0.17℃에서 37.74 ± 0.29℃로 2.60% 증가하였다. NS, WS 조건에 비해 ES 조건이 가장 낮은 증가율을 보였지만 집단간 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았다<Table 4>.
3. 발한량
발한량은 NS, WS, ES 조건에서 각각 0.61, 0.64, 0.50kg 결과를 나타내었으며 이를 분 단위로 변환하였다. 발한량 차이를 확인한 결과, 집단간 유의한 차이가 나타났으며 (F=5.106, p=0.014) 사후검정 결과 ES와 NS, WS 모두 통계적으로 유의한 차이가 나타났다(p<0.05) <Table 5>.
논의
본 연구는 고온·다습 환경에서 운동 시 증발 냉각 방법에 따른 RPE, TS, 피부온도, 고막온도, 발한량 변화 반응을 분석하기 위해 실시하였다. 본 연구의 논의는 다음과 같다.
더위 환경에서 지속적인 운동 수행 중, 심부 체온이 높아지면서 RPE도 상승한다. 이 때, 피부에 시원한 자극은 RPE를 감소시키고[23], 따뜻한 공기 등의 열 자극을 가할수록 RPE 상승을 유도한다[24]. 특히, 신체에 열을 가할 경우 체온이 상승하면서 중추신경계의 변화로 운동에 대한 지각이 증가하게 되고[5], 피부 혈류량 및 심박수 증가, 심박 출량 감소 등으로 인하여 심혈관에 부담을 주어, RPE를 증가시키는 주요인으로 작용한다[23]. 본 연구 결과에 따르면 RPE와 TS는 운동 전·후 통계적으로 유의한 차이를 보였으나(p<0.001), 집단과 시간 간의 상호작용 효과는 나타나지 않았다. 이러한 결과는 피부 냉각 여부와는 상관없이 RPE와 TS는 운동을 하는 동안 증가하며, 본 연구는 최대산소섭취량의 70%에 해당하는 고강도 유산소 운동을 수행하였으므로, 운동 수행 강도가 결과에 영향을 미칠 수 있다는 Flouris & Schlader(2015)의 연구 결과를 뒷받침한다[23]. 또한, 특정 국소 부위에만 용액을 분사하여 전신 냉각이 제한되었을 가능성이 있다. 선행 연구에 의하면, 멘톨과 에탄올을 혼합한 용액을 사용한 의류 혹은 쿨링 조끼 착용은 신체의 넓은 부위에 냉각을 적용하여 TS에 영향을 미쳤다[25]. 추가적으로 에탄올을 피부에 적용할 경우 ‘너무 차갑다’는 부정적인 감각과 자극이 발생할 수 있어[17], TS에 부정적인 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 이로 인해, RPE, TS 개선 효과가 미비한 것으로 사료된다.
체온 조절은 복사, 증발, 대류, 전도의 네 가지 방식으로 이루어지며[26,27], 이 중 복사, 대류, 전도는 고온 환경에서 효과적인 열 손실 메커니즘으로 작용하지 못한다. 이에 따라 발한을 통한 증발이 주요한 체온 조절 방식이 된다[28]. 그러나 상대습도가 높은 고온 환경에서는 발한을 통한 증발이 제한되어 체온 조절의 효율성이 저하된다[29,30].
본 연구 결과, 피부온도에서는 운동 후 ES 조건에서 가장 낮게 나타나(p<0.05), NS와 WS보다 우수한 냉각 효과를 보였다. 고막온도에서는 ES조건이 NS와 WS에 비해 낮았으나, 통계상 유의한 차이가 나타나지 않았다. 발한량에서는 ES(25.44±3.57ml/min) 조건이 NS(30.39±5.31ml/min)와 WS(31.94±4.47ml/min)보다 유의하게 낮은 값을 보였다. 이러한 결과는 다습한 환경에서 물의 증발이 원활하지 않은 반면, 비등점이 낮아 쉽게 증발하는 에탄올을 분사함으로써 피부 표면의 열 손실을 증가시켜 피부온도과 발한량이 감소했음을 시사한다.
Gillis et al.(2016)의 연구에서 멘톨과 에탄올을 함유한 의류 착용 시 피부 온도가 낮게 나타났으며, 이는 본 연구 결과와 유사하다[17]. 해당 연구에서는 멘톨에 의한 피부 혈류 감소가 피부온도 저하에 일부 기여할 수 있으나, 에탄올 증발 작용에 의한 피부온도 감소가 더 클 수 있다고 언급하였다. 다만, 일정 시간이 경과한 후 물과 에탄올 조건 간 유의한 차이가 사라진 것으로 보아 냉각 효과를 극대화하기 위해서는 냉각 전략의 적용 시점이 중요할 것으로 보인다.
고막온도는 심부온도를 대변할 수 있는 지표로, 특히 열에 민감한 뇌와 가까워 고온 환경에서 운동 시 열 손상 예방에 활용될 수 있다[31]. 본 연구에서 에탄올을 통한 냉각 처치가 고막온도에 미치는 영향을 확인한 결과, ES 조건이 가장 낮은 고막온도 증가율을 보였으나 통계적으로 유의한 차이는 나타나지 않았다. 한편, 선행연구[17]는 멘톨 성분 함유로 인해 열 저장 반응으로 심부온도가 상승하였지만, 본 연구에서는 에탄올만 사용하였으므로 심부온도가 상승하지 않은 것으로 사료된다. 향후 연구에서는 보다 정확한 측정을 위해 직장온도를 측정할 필요가 있다.
결론
본 연구에서는 고온 다습한 환경에서 에탄올 분사가 생리적 반응과 주관적 반응에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 고막온도과 주관적 반응인 RPE와 TS는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 그러나, 에탄올 분사는 물 분사보다 피부 온도 저하 및 발한량 감소에 효과적인 경향을 나타냈다. 이러한 결과는 고온 다습한 스포츠 환경에서 생리적 반응을 완화할 수 있는 간편한 냉각 처치 방법으로 에탄올 분사의 가능성 시사한다. 향후 연구에서는 피부 자극 및 인체 유해성을 충분히 검토 후, 넓은 부위에 냉각을 적용함으로써 보다 정밀하게 분석할 필요가 있다. 또한, 냉각 적용 시점에 대한 지속적인 연구가 필요하며, 현장 적용가능성을 높이는 것이 중요하다.
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