운동강도의 차이가 장내 심부온도와 대사 변인에 미치는 효과 = Effects of Exercise Intensities on Intestinal Temperature and Physiological Metabolic Variables

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The human body maintains overall homeostasis by maintaining the normal temperature range through the use of an elaborate and complex temperature control system. The purpose of this study was to investigate
the pattern of temperature change that varies in each bodypart and location, bymonitoringthe body surface temperature (Tbs) and gastrointestinal core temperature (Tgi) simultaneously upon exercise. This study also aims to comprehensively examine the patterns of variation in Tbs and Tgi upon exercise, in addition to analyzing the effects of two different intensities (ⓐ35% and 65% of target heart rate [THR]) of aerobic exercise on Tbs, Tgi, and energy metabolic regulatory factors, such as heart rate, energy consumption, metabolic equivalent, and oxygen consumption. Ten healthy young males participated in two consecutive experiments to perform treadmill running at the exercise intensity of 35% and 65% THR for 40 min. Upon exercise, the heart rate was continuously monitored using a wireless heart rate sensor (Polar S610; Polar Electro Oy, Finland), and the treadmill speed was controlled to prevent the heart rate from deviating outside a set range (±5 times heart rate). The participant changed into a light exercise outfit upon arrival at the lab, and wore the wireless heart rate sensor and an accelerometer (Triaxial ActiGraph Accelerometer, model GT3X⁺ , USA). The participant also took an e-Celsius capsule with water at room temperature for core temperature measurement. To collect blood samples (approximately 70 μL), a capillary tube (Heparinized Capillary Tube, Kimble Chase Life Science and Research Products LLC, USA) was used to puncture the tip of a finger, and blood was collected four times: pre-exercise (PreE-30), 20 min exercise (Exe-20), 40 min exercise (Exe-40), and 30 min after exercise (Rec-30) for subsequent blood biochemistry analyses. Analysis of the results of changes in energy consumption, oxygen consumption, and metabolic equivalent according to varying exercise intensities showed that all variables were at a significantly higher level for 65% THR exercise than for 35% THR exercise. The changes in Tgi and Tbs according to different exercise intensities showed that Tbs decreased as exercise continued without being influenced by exercise intensities, but Tgi increased as exercise continued so that a higher level was maintained for 65% THR exercise than for 35% THR exercise. Analysis of the results of changes in metabolic substrate concentrations in blood showed that glucose was lower, but lactic acid was higher at 65% THR than at 35% THR at Exe-20 than at any other conditions, and creatinine level was significantly higher at Exe-20 and Exe-40 than at PreE-30 and significantly lower at Rec-30 than at Exe-20. For gas components, the changes in PCO2 in blood showed that the level was significantly lower at Exe-20 and Exe-40 than at Pre-30, the level of PO2 in blood was higher at Exe-20 and Exe-40 than at Rec-30, and the level of K+ in blood revealed an overall increase as exercise continued. In summary, as far as the results from this study are concerned neither Tgi nor Tbs was significantly influenced by exercise intensities, while an increase in Tgi and decrease in Tbs was observed as the time of exercise progressed. The results are anticipated to serve as the essential basic data for elucidating the comprehensive physiological mechanisms of temperature control in the human body upon exercise. The understanding of the reciprocal relationship among various metabolic variables and body temperature according to various exercise intensities and durations will contribute to elucidating the homeostasis control mechanisms during exercise. Keywords: gastrointestinal core temperature, body surface temperature, metabolic variables, energy consumption.

국문 초록 (Abstract)

인체는 정밀하고도 복잡한 체온 조절 체계를 작동해 정상 범위의 체온을 유지함으로써 인체 전반의 생리적 항상성을 유지해간다. 운동 시에도 체온의 변화와 이에 대한 생리적 조절 작용을 이해하는 것이 중요하다는 사실은 잘 알려져 있으나, 인체에서 측정되는 체온이 신체의 위치와 부위에 따라 차이를 나타낸다는 사실을 간과하는 경향이 있다.
따라서 본 연구의 목적은 운동 시 체표온도와 장내 심부온도의 변화를 동시에 관찰함으로써 신체의 위치와 부위에 따라 나타나는 서로 다른 체온 변화의 양상을 살피고자 하였으며, 서로 다른 유산소 강도(목표심박수의 35%와 65%)의 운동이 체표 및 장내 심부온도와 에너지 대사량 조절 변인들(심박수, 에너지소비량, 대사 당량, 산소소비량 등)에 미치는 효과를 밝힘으로써 운동 시의 체표 온도와 장내 심부온도의 변화 양상을 통합생리학적으로 밝혀내는데 있다.
모든 실험 참가자는 실험 기간 중 총 2회에 걸쳐 실험에 참여하였으며, 실험 시 사전에 파악된 목표심박수(@35%HRR과 65%HRR)의 운동강도에서 40분간 트레드밀 달리기를 실시하였다. 운동 시 무선 심박수 측정계(Polar S610; Polar Electro Oy, Finland)를 이용해 지속적으로 심박수를 관찰하였으며 설정된 심박수로부터 일정 범위를(±5회) 벗어나지 않도록 트레드밀의 속도를 조절하였다. 실험 참가자가 실험실에 도착하면 가벼운 운동 복장으로 무선심박수 측정계와 가속도계(triaxial ActiGraph accelerometer, model GT3X⁺, USA)를 착용하도록 했으며, 심부온도 측정캡슐(e-Celsius)을 상온의 물과 함께 섭취하도록 하였다. 혈액 표본 채집은 손가락 끝에서 모세혈관 채혈튜브(Heparinized Capillary Tube, Kimble Chase Life Science and Research Products LLC, USA)를 사용해 총 4회에 걸쳐 소량(약70μL)의 혈액을 채집하였다.
운동강도의 차이에 따른 대사량의 변화는 에너지 소비량, 산소섭취량, 대사당량 모두 THR의 65% 운동 시에서 THR의 35% 운동 시보다 유의하게 높게 났다. 운동강도의 차이에 따른 장내 심부 및 체표온도의 변화에서는 체표온도는 운동이 지속됨에 따라 하강하는 결과를 나타냈으며 운동강도에는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 그러나 장내 심부온도는 운동이 지속됨에 따라 상승하는 결과를 나타냈으며 THR의 65% 운동 시에서 THR의 35% 운동 시보다 높게 유지되는 경향성을 나타냈다. 운동강도의 차이에 따른 대사 기질 농도 변화 중 혈중Glucose 농도는 운동시간에 대한 효과에서는 Exe-20에서 낮은 수치를 나타냈으며, 혈중 Lactate 농도는 운동강도에 있어 THR의 65%에서 THR의 35%와 비교해 높은 결과를 보였으며, 운동시간에 대한 효과에서는 Exe-20에서 보다 높게 났다. 혈중 Creatinine 농도는 운동시간대별 변화에서 Exe-20과 Exe-40에서 PreE-30과 비교해 상승한 결과를 나타냈으며 Rec-30에서는 Exe-20과 비교해 감소한 결과를 나타냈다. 운동강도의 차이에 따른 가스 성분의 변화 중 혈중 PCO2 변화를 관찰한 결과 운동시간에 대한 효과에서는 Exe-20과 Exe-40에서의 이산화탄소 분압 수치가 Pre-30에서 보다 낮은 결과를 보였다. 또한 혈중 PO2 변화는 운동시간에 대한 효과에서는 Exe-20과 Exe-40에서의 산소분압 수치가 REC-30에서 보다 높은 결과를 보였다. 운동강도의 차이에 따른 이온 농도의 변화 중 혈중 K+의 농도변화를 살핀 결과 전반적으로 운동이 지속됨에 따라 혈중 K+ 농도는 증가하는 것으로 나타났다.
본 연구의 목적을 달성하고자 수행한 결과를 종합해 보면 장내 심부의 온도는 운동이 진행됨에 따라 상승하는 양상이 나타냈으나 체표 온도의 경우에는 운동의 진행과 함께 오히려 하강하는 현상을 보였다. 또한 운동강도가 높아지면 장내 심부의 상승이 유의하게 높을 것으로 예상하였으나 실제 장내 심부온도를 살핀 결과에서는 최대 유산소 역량의 65%에서의 운동 시에서 최대 유산소 역량의 35%에서의 운동 시보다 높은 경향성만을 보였을 뿐 의미있는 통계적 결과는 확인할 수 없었다. 체표온도를 살핀 결과에서는 이와 같은 결과가 더 분명해져 두 운동강도 사이에 차이를 찾아낼 수 없었다. 운동강도의 차이가 확연한 대사량의 변화를 이끌어냈다. 대사량과 직접적으로 관련을 나타내는 산소소비량, 대사당량, 그리고 에너지소비량 등의 모든 지표에 있어 최대 유산소 역량의 65%에서 35%와 비교해 통계적으로 매우 유의한 결과를 확인할 수 있었다. 운동강도의 상승이 혈중 성분에 대해 부분적인 변화만을 유도해 냈다. 혈중 대사 기질 중 젖산 농도에 대해 통계적으로 의미있는 차이를 유발했을 뿐 포도당과 크레아티닌의 농도에는 영향을 나타내지 았았다. 혈중 가스 성분(pH, PO2, PCO2, Hct)에 대해 운동강도가 유의한 차이를 이끌어내지 못했으며, 혈중 이온 성분(Na+, K+, Ca2+, Cl-)의 경우에서도 K+와 Cl-에 대해 부분적인 운동강도의 효과가 나타났을 뿐 전반적인 운동강도의 효과는 나타나지 않았다.
이 연구의 결과를 통해 운동 시 접하는 전반적인 대사량의 상승에 따른 체내 심부 온도와 체표온도의 변화 양상을 밝힐 수 있었다. 이는 운동 시 체온 조절의 통합적 생리 기전을 밝힐 수 있는 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 생각되며, 이와 함께 운동강도의 변화에 따른 다양한 대사 관련 지표의 변화를 체온의 변화 양상과 비교-분석한 결과를 이용함으로써 인체 전반의 항상성 조절에 대한 이해도를 높일 수 있을 것으로 기대되는 바이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 필요성 1
• 2. 연구의 목적 3
• 3. 연구 가설 3
• 4. 연구의 제한점 4
• Ⅱ. 이론적 배경 5
• 1. 가속도계(accelerometer)를 이용한 신체 활동량의 측정 5
• 1) 신체활동의 개념과 정의 5
• 2) 신체 활동량 측정의 방법 5
• 3) 가속도계의 발전과 종류 6
• 4) 가속도계의 적용 원리 및 사용방법 7
• 2. 신체 활동과 체온 조절 8
• 1) 체표 및 장내 심부온도의 변화 8
• 2) 장내 심부 및 체표온도 관찰의 타당성과 신뢰성 10
• 3) 원격 심부 온도 측정 시스템(e-Celcius)의 안정성 13
• 4) 신체 활동에 따른 체온의 변화 14
• 5) 운동 시 체표 및 장내 심부체온 측정의 필요성 15
• 3. 운동 중 혈중 구성 성분의 변화 16
• 1) 대사 기질 농도의 변화 16
• 2) 가스 성분의 변화 16
• 3) 이온 농도의 변화 18
• Ⅲ. 연구방법 20
• 1. 연구대상자 20
• 2. 실험절차 및 프로토콜 20
• 3. 체표 및 장내 심부온도의 측정 22
• 4. 운동강도의 산출 및 적용 22
• 5. 에너지 소비량의 추정과 계산 23
• 6. 대사 관련 혈액 성분의 분석 23
• 7. 통계 처리 방법 24
• Ⅳ. 연구결과 25
• 1. 운동강도에 따른 운동 시 심박수의 범위 25
• 2. 대사량의 변화 26
• 1) 에너지소비량의 변화 26
• 2) 산소섭취량의 변화 27
• 3) 대사당량의 변화 28
• 3. 장내 심부 및 체표온도의 변화 29
• 1) 장내 심부온도의 변화 29
• 2) 체표온도의 변화 30
• 4. 운동 중 혈중 구성 성분의 변화 33
• 1) 대사 기질 농도의 변화 33
• 2) 가스 성분의 변화 39
• 3) 이온 농도의 변화 47
• Ⅴ. 논 의 55
• 1. 대사량의 변화 57
• 2. 체표온도 및 장내 심부온도의 변화 57
• 3. 운동 중 혈중 구성 성분의 변화 59
• 1) 대사 기질 농도의 변화 59
• 2) 가스 성분의 변화 60
• Ⅵ. 결론 및 제언 64
• 1. 결론 64
• 2. 제언 65
• 참고문헌 66
• 영문초록 76
• 부 록 78