서론
개인의 체력수준을 평가할 때 가장 중요한 요소는 건강과 밀접한 관계가 있는 심폐기능이며 이를 대변하는 변인은 최대산소섭취량이다. 최대산소섭취량은 개인 또는 그룹을 비교할 때 , 대상자의 분류가 같을 때, 그리고 운동의 다른 형태를 사용할 때 생리학적으로 상당히 중요하다(Duncan, 1997).
최대산소섭취량은 인간이 해수면 수준에서 운동을 수행할 때 섭취할 수 있는 산소량의 단위 시간당 최대치를 의미하는 것으로서 산소운반능력과 최대유산소능력에 대한 유용한 정보를 제공한다. 즉, 인체가 에너지 생성을 목적으로 산소를 이용할 수 있는 최대량을 말하며 최대산소섭취량은 유산소성 운동의 부하를 견디어 내는 최고 상한선 이다. 최대산소섭취량이라고 하는 용어를 누가 언제부터 사용했는가는 명확하지는 않지만 이 용어가 세계적으로 알려지게 된 것은 Robinson의 논문에 의해서이다.
이러한 최대산소섭취량의 측정 방법은 직접 측정 방법과 하는 간접 측정 방법이 있다. 본 실험은 자전거 에르고미터로 점증 부하운동을 했을 때, 심박수 변화를 관찰하여 최대산소섭취량을 간접 측정하는 방법을 선택하였고, 실험 목적은 최대산소섭취량 예측을 통해 피험자의 체력수준 및 심폐기능을 간접적으로 측정하는 것에 목적을 두었다.
참여대상
본 실험의 피험자는 실험에 참여하는 학생들 가운데 자발적으로 지원한 학생을 대상으로 실험하였다. 피험자는 정상적인 데이터를 위해 충분한 휴식을 취했으며, 편한 운동 복장으로 실험에 참여 하였다.
| 성명 | 성별 | 나이 | 체중 |
| 홍길동 | 남 | 22세 | 64kg |
자세 변화에 따른 심박수 반응 비교
완전한 휴식을 취한 상태에서 가장 낮은 심박수가 안정시 심박수이다. 체력수준이 향상될 경우 안정시 심박수는 감소한다. 이것은 꾸준한 지구성 운동이 안정시의 심박수 감소에 영향을 미치기 때문인 것으로 여겨진다(Carter et al., 2003; Leicht et al., 2003b; Mourot et al., 2004; Tulppo et al., 2003). 조금 더 자세히 살펴보면 심박출량은 1회 박출량과 심박수의 곱인데, 운동을 통한 체력향상은 1회 박출량의 증대를 야기 시키고, 심박수가 적어져도 인체에 필요한 혈액량을 충분히 공급할 수 있기 때문이다.
본 실험에서 피험자가 최대한 안정을 느낄 수 있도록 하기위해 측정자들을 제외한 실험 참여자는 약간의 거리를 두고 측정하였다. 피험자의 안정시 자세변화 에 따른 심박수 변화는 앉은 자세 79beat/min, 누운 자세 72beat/min, 선 자세 90beat/min으로 측정되었으며, 앉은 자세와 누운 자세에서는 유의한 차이가 없었고, 선 자세와 다른 두 자세 간에 유의한 차이가 나타났다.
주기적인 운동을 참여하지 않는 일반인 의 안정시 심박수는 72.62±6.24beat/min로 측정되었고, 장거리 운동선수의 경우 안정시 심박수가 61.42±6.25beat/min로 측정되었다(강영석, 1989). 본 실험의 피험자는 일반인의 안정시 심박수와 비슷한 수치를 보이고 있다.
운동 강도에 따른 심박수 변화 비교
검사방법은 ACSM 자전거 에르고미터 최대부하 검사를 참고하였으며, 심박수 측정 도구는 Polar을 사용하였다. ACSM 자전거 에르고미터 최대부하 검사방법은 A, B, C 로 분류하여 각 군별에 맞는 시작하는 파워와 점증되는 파워의 차이를 두어 총 4단계에 걸쳐 측정하는 방법이다. A군은 첫 번째 단계에서 25W(150kpm/min)로 시작하여 25W씩 점증하는 방법이고, B군은 첫 번째 단계에서 25W로 시작하여 25W를 증가시키고 3단계부터 50W를 증가시키는 방법이다. 마지막으로 C군은 50W로 시작하여 점증적으로 50W를 증가시키는 방법이다.
| 검사방법 | 검사 단계(분) | |||
| Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | |
| A | 25 | 50 | 75 | 100 |
| B | 25 | 50 | 100 | 150 |
| C | 50 | 100 | 150 | 200 |
| 체중(kg) | 매우 활동적이다 | |
| 아니다 | 그렇다 | |
| <73 | A | A |
| 74-90 | A | B |
| >91 | B | C |
| 연령(세) | 심박수(beat/min) |
| <20 | 140 |
| 20-29 | 135 |
| 30-39 | 130 |
| 40-49 | 120 |
| 50-59 | 115 |
| 60-65 | 110 |
본 실험의 피험자는 지난 3개월동안 최소한 15분이상 주당 3일 이상 격렬한 운동을 한 사람으로 매우 활동적인 사람이며, 체중은 73kg의 이하로 A군에 속하지만, 실제 실험은 준비운동 후 50RPM속도로 1KP, 2KP, 3KP 부하의 강도로 각 단계별 2분씩 운동을 한 후 심박수를 측정하라는 지시에 따라 실행하였다.
피험자는 적절한 준비운동 후 플라이휠 저항 1KP부터 시작하여 순차적으로 2KP, 3KP까지 점증부하운동을 하였으며, 분당 회전수는 48~51RPM 수준으로 지속적으로 유지했고, 시간 기록자와 심박수 기록자, BIKE 장력 조절자를 제외한 조원들은 피험자의 심리적 부담을 줄이기 위해 약간 떨어진 곳에서 관찰하며 실험을 진행하였다. 본 측정의 목적은 운동 강도에 따른 심박수의 변화를 비교하는 것이며 피험자의 수치는 다음과 같다.
가. 플라이휠 저항 1.0kp
페달속도 = 50회/분
운동시간 = 2분
회전당 이동거리 = 6m
총 회전수 = 2min * 50rev = 100rev
전체 일 = 1.0kp * (6m/min * 100rev)
= 600kpm
파워 = 600kpm ÷ 2min = 300kpm/min = 49.0196 W
파워에 따른 심박수 = 127beat/min
→ 플라이 휠 저항 1.0kp으로 운동을 진행하였을 때, 운동 강도는 300kpm/min로 환산할 수 있으며 그에 따른 피험자의 심박수는 127beat/min으로 측정 되었다.
나. 플라이휠 저항 2.0kp
페달속도 = 50회/분,
운동시간 = 2분
회전당 이동거리 = 6m
총 회전수 = 2min * 50rev = 100rev
전체 일 = 2.0kp * (6m/min * 100rev)
= 1200kpm
파워 = 1200kpm ÷ 2min = 600kpm/min = 98.03921 W
파워에 따른 심박수 = 151beat/min
→ 플라이 휠 저항 2.0kp으로 운동을 진행하였을 때, 운동 강도는 600kpm/min로 환산할 수 있으며 그에 따른 피험자의 심박수는 151beat/min으로 측정 되었다.
다. 플라이휠 저항 3.0kp페달속도 = 50회/분
운동시간 = 2분
회전당 이동거리 = 6m
총 회전수 = 2min * 50rev = 100rev
전체 일 = 3.0kp * (6m/min * 100rev)
= 1800kpm
파워 = 1800kpm ÷ 2min = 900kpm/min = 147.0588 W
파워에 따른 심박수 = 175beat/min
→ 플라이 휠 저항 3.0kp으로 운동을 진행하였을 때, 운동 강도는 900kpm/min로 환산할 수 있으며 그에 따른 피험자의 심박수는 175beat/min으로 측정 되었다.
위의 그래프는 운동 강도에 따른 피험자의 심박수 변화이며, 이 그래프의 공식은 (심박수 값) = 0.08* (운동 강도) + 103이다. 이 값은 피험자의 최대운동강도를 추측하는데 사용되며, 피험자의 최대운동강도를 구함으로써 피험자의 최대산소섭취량을 추측하고 피험자의 체력수준 및 심폐기능을 간접적으로 측정할 수 있다.
피험자의 체력수준과 종목별 엘리트선수와 비교
운동 강도에 따른 심박 수 변화는 피험자의 최대 운동 강도 및 최대 산소 섭취량을 예측할 수 있다. 최대 운동 강도를 알기 위해서는 운동 강도에 따른 심박수 변화와 피험자의 최대 심박수를 파악해야 하고, 최대 산소 섭취량은 최대 운동 강도와 피험자의 체중을 알면 예측할 수 있다.
최대 운동 강도를 측정하는 방법은 최대 심박수(220 - age)를 구한 후, 그래프를 이용하여 최대 심박수일 때 파워를 알 수 있다. 본 실험 피험자의 나이는 22세이므로 최대 심박수는 220 - 22 = 198beat/min으로 추측할 수 있다. 그 후 운동 강도에 따른 심박수 변화 그래프 에 대입하여 최대 심박수에서 최대 운동 강도를 추측 할 수 있다. 본 실험 피험자의 운동 강도에 따른 심박수 변화는 (심박수값) = 0.08* (운동강도) + 103이다. 심박수 값에 198beat/min을 대입하면 최대 운동 강도 값을 구할 수 있다. 198beat/min=0.08*(최대운동강도) + 103이며, 최대운동강도는 1187.5kpm/min 으로 추측할 수 있다.
최대 산소 섭취량을 추측 할 수 있는 공식(최대운동강도)*2㎖/kpm+3.5㎖*체중/kg/min 이다. 피험자의 수치를 대입하면 1187.5kpm/min*2㎖/kpm+3.5㎖*64kg/kg/min 이다. 이 값은 2375㎖/min + 224㎖*kg/kg/min = 2599㎖/min 이다. 단위를 체중단위로 바꾸면 2599㎖/min ÷64kg = 40.6093㎖/kg/min 이라는 최대 산소 섭취량을 측정 할 수 있다. 이 값은 MET단위로 환산하면 11.6026MET이 나온다.
엘리트 스포츠 선수들의 경연장인 올림픽에서 100m를 9초대에 달리거나 42.195km를 2시간 약간 넘는 시간에 주파하는 선수들을 보고 있으면, 우리와는 유전적으로 어떤 차이가 있다는 생각이 든다. 실제로 일반인보다 월등한 운동 능력을 가진 선수는 타고 난다는 점이 많은 연구에서 밝혀지고 있다(Alvarez et al, 2000; Simpson et al., 1993; Weimann, 2002). 하지만 대부분 운동의 중요 요소인 최대산소섭취량은 올바른 트레이닝의 방법으로 향상 시킬 수 있다. 본 실험의 피험자와 종목별 엘리트 선수들의 체력수준을 최대산소섭취량을 기준으로 비교 하고자 한다.
외국 우수 선수들을 살펴보면 미국의 마라톤 및 중거리 국가대표 선수들의 최대산소섭취량은 74.1∼78.8㎖/kg/min으로 보고 되었고(Pollock, 1977), 축구선수는 64.58㎖/kg/min, 야구선수군은 47.92㎖/ kg/min, 체조선수군은 42.11㎖/kg/min로 보고되었다(유승희 등, 1994). 마지막으로 중장거리선수군이 72.75±3.85㎖/kg/min의 수치로, 축구선수군이 64.00±3.21㎖/kg/min의 수치로 야구선수군이 53.00±4.14㎖/kg/min 체조선수군이 51.75±6.39㎖/kg/min의 수치로 보고하였다.(위승두, 1996)
국가대표선수들도 종목별 최대산소섭취량의 차이를 보이는데, 이와 같은 이유는 트레이닝 방법의 차이 때문이다. 또한 본 실험 피험자의 최대산소섭취량은 국가대표 선수들에 비해 비교적 낮은 수치를 보이고 있다. 하지만 국가대표와 피험자의 최대산소섭취량 측정방법은 서로 다른 방법을 이용하였으므로 신뢰도와 타당도는 떨어진다.
최대산소섭취량 간접 추정방법의 기본가정 및 그 신뢰성 문제
기본가정 4가지는 정규성, 등분산성, 독립성 및 랜덤성이 있다. 실험결과 이들 가정 중 하나라도 성립하지 않으면 원칙적으로 실험을 재검토하고, 다시 실험을 해야 한다. 실험에서 구한 최적조건으로 확인실험을 10회 내외 실시하여 구한 값과 최적조건에서 예측된 값을 비교하여 차이가 없으면, 실험을 마무리 짓는다. 검사를 두 번 시행하여 측정된 검사 점수 간 상관이 높으면 그 검사의 신뢰도가 높은 것으로 받아들이고, 기존의 검사와 새로운 검사 점수 간 상관이 높으면 두 검사가 동일한 것을 측정하는 것으로 판단되어 새로운 검사의 타당도가 높은 것을 의미하기도 한다(유종관, 2009). 본 실험의 측정은 1회의 실험만 진행하였으므로 피험자의 최대산소섭취량 간접측정의 신뢰도는 파악하기 힘들다. 하지만 본 실험 이후에 진행한 최대산소섭취량의 직접측정과의 상관관계파악과 타당도는 파악이 가능하다.
Astrand(1960)는 20-69세의 129명 남성들을 측정한 결과 직접 측정된 최대산소섭취량과 자전거 에르고미터를 이용하여 간접측정을 한 최대산소섭취량과의 상관계수가 0.709로 나타난다고 보고하였으며, Dotson과 Caprarola(1984)는 24명의 남자 대학생들을 대상으로 측정한 결과 0.82~0.84의 상관계수를 나타내서 자전거 에르고미터를 이용한 간접측정은 최대산소섭취량을 예측하는 타당성 있는 검사방법이라고 하였다. 그러나 에르고미터는 트레드밀 검사에 비하여 국부적인 근육만을 사용하기 때문에 하지의 근력에 많은 영향을 주게 되고 연령과 인종에 따른 차이가 있으므로 직접 측정된 최대산소섭취량과의 오차범위가 넓은 편이며, 에르고미터 검사는 트레드밀 검사에 비해 최대산소섭취량 값이 5~25% 정도 낮게 나올 수 있다(ACSM, 2010).
결론
본 실험은 목적은 에르고미터를 이용하여 최대산소섭취량을 간접적으로 파악한 후, 피험자의 체력수준을 파악하는 것이다.
본 실험의 피험자 신체적 특성은 22세의 64kg 체중이 나가는 남성이었다.
피험자의 안정시 심박수는 72beat/min, 선 자세 90beat/min으로 측정되었으며, 앉은 자세와 누운 자세에서는 유의한 차이가 없었고, 선 자세와 다른 두 자세 간에 유의한 차이가 나타났다.
피험자는 300kpm/min의 파워로 운동을 한 경우 127beat/min, 600kpm/min의 파워로 운동을 한 경우 151beat/min, 900kpm/min의 파워로 운동을 한 경우 175beat/min의 심박수 변화를 측정 할 수 있었다. 위의 자료들을 토대로 최대심박수는 198beat/min으로, 최대운동강도는 1187.5kpm/min, 최대산소섭취량은 40.6093㎖/kg/min로 추측 할 수 있었다. 피험자는 국가대표선수들에 비해 낮은 최대산소섭취량이 측정되었지만, 측정방법이 다르므로 신뢰도와 타당도는 떨어진다.
최대산소섭취량 간접 추정방법은 최대산소섭취량 직접 측정방법과의 상관계수는 0.709 수준으로 신뢰성과 타당성이 있는 검사방법이지만, 에르고미터는 국부적인 근육만을 사용하기 때문에 하지의 근력에 많은 영향을 주게 되고 연령과 인종에 따른 차이가 있으므로 직접 측정된 최대산소섭취량과의 오차범위가 넓은 편이며 트레드밀 검사에 비해 최대산소섭취량 값이 5~25% 정도 낮게 나올 수 있다(Astrand, 1960; ACSM, 2010).
본 실험에서 측정한 안정시의 심박수와 최대산소섭취량을 모두 고려했을 때, 피험자의 체력수준 및 심폐기능은 일반 성인 남성의 체력수준과 심폐기능에 유의한 차이가 나지 않는 것으로 잠정적인 결론을 내릴 수 있었다.
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