1. 서론
소방공무원의 화재진압 활동에서 요구되는 신체적 요인들은 심폐지구력, 근력, 근지구력, 유연성 등 여러 선행연구에서 구명되고 있다(Smith et al., 2001; Holmer et al., 2007). 이러한 체력적 요인과 더불어 성공적인 화재진압 수행은 수화(hydration), 체온, 환경조건, 심리적 스트레스, 소방방화복, 경험과 기술, 작업강도와 시간 등이 상호 관련되어 있는 것으로 보고하였다(Eglin, 2007).
소방공무원이 화재진압 상황에서 신체에 피로를 미치는 요인들은 크게 3가지로 구분할 수 있으며, 화재로 인한 고온 및 습도와 같은 환경적 요인, 대사열의 생성을 왕성하게 하는 소방작업 활동, 마지막으로 열 발산을 막는 소방용 보호장구의 착용을 들 수 있다. 소방 활동과 신체변화의 관련 연구들은 위의 3가지 요인을 바탕으로 환경온도에 변화를 주어 여러 가지 고온상황에서 실험을 하거나(Bang, 2011), 최대산소섭취량(VO2max), 대사당량(METs), 그리고 소방방화복 및 보호 장비의 착용 여부로써 작업 강도를 부하하는 연구들이 주를 이루고 있다(Perroni et al., 2009; Webb et al., 2011; Bang, 2012; Yoo, 2014). 이에 비해 소방 활동 시 작업시간에 따른 신체 반응의 연구들은 부족한 실정이다.
소방 활동과 작업시간의 관련 연구들을 살펴보면, Phillips et al.(2011)은 6시간의 실제 산불 화재상황에서 산에 오르내리는 횟수는 29회, 38 mm 소방용 호스(hose)의 측면 이동(lateral reposition)은 103회를 수행하였으며, 각각의 소방 활동에서 작업시간 범위는 54초-7.6분의 범위에 있는 것으로 보고하였다. 국내 연구로는 Kim et al.(2016)의 연구에서 8단계의 소방작업 동작을 3세트로 구성된 프로토콜을 이용하여 실험한 결과, 전체 완료 시간은 약 19분이 소요되었다. Yoo etal. (2015)의 연구에서는 8 METs의 운동 강도로 20분간 실시하였으며, Bang(2012)의 연구에서도 20분간 4METs, 8METs의 운동 강도로 각각 실시하였다. 여러 연구에서 20분 미만으로 실험이 진행되거나 짧은 휴식을 사이에 둔 여러 번의 반복작업으로 이루어져 있다. 그러나 실제 소방 작업은 20-30분의 진압 활동, 공기호흡기를 충전하는 짧은 휴식으로 이루어지며(Kim et al., 2016), 여러 선행연구에서 30분 이상의 소방 활동과 관련된 신체 반응의 연구는 미흡한 실정이다. Bugajska et al.(2007)은 소방공무원의 작업 부하와 관련된 설문 연구에서 구조작업의 수(number)와 작업의 지속시간에 따라 현저히 달라지는 것으로 보고하였다.
따라서 본 연구에서는 소방용 보호장구 착용 시 작업시간에 따른 신체 반응을 조사하여 소방공무원의 건강과 안전을 위한 기초자료를 제공하고자 시도하였다.
2. 연구내용 및 방법
2.1 연구 대상
본 연구의 대상은 경남 K대학교 재학 중이며, 소방공무원을 희망하는 신체 건강한 남자 8명을 대상으로 하였다. 모든 참가자들에게 실험 전, 실험에 관한 내용을 충분히 설명하였으며, 각 참가자의 실험 참여 동의서를 받아 실험을 하였다. 참가자의 신체적 특징은 Table 1에 나타난 바와 같다.
2.2 실험 절차
실험 진행 시 모든 피험자는 소방방화복 및 공기호흡기(SCBA, self-contained breathing apparatus)를 착용하였으며, 전체 무게는 22.1 kg이었다. 실험 처치는 작업시간 15분, 30분의 2가지 처치로 무작위로 실시하였으며, 측정 시 측정 결과에 영향을 주지 않기 위해 일주일간의 측정간격을 두었다<Fig. 1>.
실험실 온도조건은 WBGT(wet bulb glove temperature index)를 사용하여 WBGT 20°C(흑구온도 24.6°C, 건구온도 24.3°C, 습도 53.7%)로 설정하였다. 참가자에게 트레드밀을 사용하여 운동부하 검사를 실시하였으며, 운동부하는 개인의 체중을 고려하여 9 METs(시속: 6 km/h, 경사도: 8-10%)의 작업 강도로 실시하였다.
혈액측정은 실험 시행 1일 전 저녁 식사 후 12시간 동안 금식을 하였으며, 실험 당일 실험실에 도착하여 30분 간 안정을 취한 후 운동 전, 후에 측정하였다. 이 외의 모든 측정항목도 동일하게 측정하였다.
2.3 측정 방법
심박수 측정은 무선 심박수 측정기 Polar 810i(Polar Electro Oy., Finland)를 이용하였으며, 가슴부위에 송신기를 착용하여 고정시킨 후 수신기는 손목에 착용하여 심박수를 측정하였다.
운동자각도(RPE: rating of perceived exertion)는 Borg(1982)의 10 RPE Scale(0-10 Scale)을 이용하여 측정하였으며, 0은 “전혀 아무렇지 않다”이며, 10은 “운동 강도가 최대이다”를 나타낸다. 온냉감지수(cool thermal sensation)는 7 Scale(0-7 Scale)을 이용하였으며, 0은 “참을 수 없을 만큼 춥다”이며, 7은 “매우 덥다”를 나타낸다. 모든 피험자들은 실험 전 운동자각도와 온냉감지수의 적용에 대하여 충분한 설명을 들었으며, 실험 시 피험자들이 잘 볼 수 있도록 설치하였다. 운동부하 검사 시 자료를 수집하기 위해 피험자는 구두로 말하는 것이 불가하므로 수신호로 표시하도록 하였다.
체중변화량은 운동 1시간 전 피험자의 수분상태를 표준화하기 위하여 각 피험자에게 5 ml/kg의 수분을 섭취한 후 반바지 차림으로 체중을 측정하였으며, 운동 후에 땀을 잘 닦은 후 운동 전과 동일하게 측정하였다(Barr et al., 2011).
체온은 심부온도를 측정하였으며, Ericson 등(1994)은 고막온도(tympanic temperature)가 체온조절 중추에 있는 뇌의 시상하부 온도를 가장 정확하게 나타낼 수 있다고 보고하였다. 이에 본 연구는 고막온도를 심부온도로 측정하였으며, IRT-6520(Braun Co., USA)을 이용하였다.
혈당은 SD Check Gold2(SD biosensor Inc., Korea)를 이용하였으며, 젖산은 Lactate Pro2(Arkary Co., Japan)를 이용하여 측정하였다.
3. 결과 및 분석
Table 2에 작업시간에 따른 심박수, 운동자각도, 온냉감지수, 체중변화량, 고막온도, 혈당 및 젖산을 비교하여 나타내었다.
Table 2
Results of two-way ANOVA with repeated measure
| Variable | Treatment | Pre | Post | F | Sig | Effect size |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Heart rate (beats/min) | 15 min | 89.50±4.14 | 171.25±10.39 | 6.918 | .020* | 0.331 |
| 30 min | 85.50±7.19 | 181.88±12.70 | ||||
| RPE | 15 min | 3.00±0.00 | 6.25±0.89 | 8.211 | .012* | 0.370 |
| 30 min | 3.00±0.00 | 7.88±0.79 | ||||
| CTS | 15 min | 3.13±0.35 | 5.25±0.46 | 62.263 | .000*** | 0.816 |
| 30 min | 3.13±0.35 | 7.00±0.00 | ||||
| Weight variation (kg) | 15 min | 71.08±6.74 | 70.66±6.61 | 11.955 | .004** | 0.461 |
| 30 min | 71.09±6.71 | 70.20±6.93 | ||||
| Tympanic temperature (°C) | 15 min | 36.56±0.44 | 37.59±0.34 | 12.291 | .003** | 0.467 |
| 30 min | 36.38±0.44 | 38.31±0.66 | ||||
| Glucose (mg/dl) | 15 min | 104.42±1.40 | 92.70±4.59 | .688 | .427 | - |
| 30 min | 105.75±9.66 | 91.25±5.18 | ||||
| Lactate (mmol/L) | 15 min | 2.25±0.32 | 4.99±1.08 | 3.918 | .068 | - |
| 30 min | 2.56±0.39 | 6.06±0.67 |
심박수는 운동 전보다 후에 15분 처치는 91.34% 증가, 30분 처치는 112.72% 증가하였다. 처치와 시기에 따른 상호작용효과는 유의한 차이가 나타났으며(p<.05), 심박수의 효과크기는 0.331로 나타났다. 일정한 강도에서 장시간 운동 시 시간의 경과에 따라 동작의 반복적 수행은 1회 박출량(strokevolume)의 감소로 심박출량이 감소하게 되며, 이는 동작의 수행에 제한을 가져오게 된다. 따라서 1회 박출량의 감소를 상쇄하기 위해 심박수는 증가하게 되어 심박출량은 유지하게 된다(Brengelmann, 1983). 고온 환경에서 작업은 심박수 증가와 1회 박출량의 감소가 더욱 크게 나타나는 것으로 보고되고 있다(Ridge et al., 1986). 본 연구에서 개인의 최대심박수는 약 196 beats/min으로 15분 운동은 최대심박수의 86%, 30분 운동은 93%에 해당하며, 최대심박수의 90% 이상은 개인에게 최대산소섭취량에서의 작업강도(maximum effort)라 할 수 있다(Kenney et al., 2015). 따라서 작업 강도 9 METs에서 30분간의 소방 활동은 작업시간의 한계로 판단된다.
운동자각도는 운동 전보다 후에 15분 처치는 108.33% 증가, 30분 처치는 162.50% 증가하였다. 처치와 시기에 따른 상호작용효과는 유의한 차이가 나타났으며(p<.01), 운동자각도의 효과크기는 0.370으로 나타났다.
온냉감지수는 운동 전보다 후에 15분 처치는 68.00% 증가, 30분 처치는 124.00% 증가하였다. 처치와 시기에 따른 상호작용효과는 유의한 차이가 나타났으며(p<.001), 온냉감지수의 효과크기는 0.816으로 나타났다.
체중변화량은 운동 전보다 후에 15분 처치는 0.59% 감소, 30분 처치는 1.25% 감소하였다. 처치와 시기에 따른 상호작용효과는 유의한 차이가 나타났으며(p<.01), 체중변화량의 효과크기는 0.461로 나타났다.
고막온도는 운동 전보다 후에 15분 처치는 2.80% 증가, 30분 처치는 5.33% 증가하였다. 처치와 시기에 따른 상호작용효과는 유의한 차이가 나타났으며(p<.05), 고막온도의 효과크기는 0.467로 나타났다.
화재상황과 같은 고온 환경에서 지속적인 작업은 다량의 땀배출로 과도한 체수분과 필수 이온들의 손실이 야기되며, 이로 인한 탈수 증세는 심박수, 심부온도 및 운동 자각 반응의 상승을 가져 온다(Sawna et al., 1999). 본 연구에서 운동자각도, 온냉감지수, 체중 변화량, 고막온도는 두 처치 모두 증가하였다. 30분 처치가 15분 처치보다 유의하게 높게 나타났으며, 온냉감지수에서 가장 높은 효과크기를 나타내었다.
혈당은 운동 전보다 후에 15분 처치는 11.22% 감소, 30분 처치는 13.71% 감소하였다. 그러나 처치와 시기에 따른 상호작용효과는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 두 처치 모두 유의한 차이는 나타나지 않았지만, 운동 후에 혈당은 감소하였다. 안정 시보다 운동 후에 혈당의 감소는 근육의 글루코스흡수가 점차 증가하여 간으로부터 글루코스 방출속도를 초과하기 때문이며(Ahlborg et al., 1974), 본 연구에서 혈당의 감소는 소방용 보호장구의 무게로 인한 운동 강도의 증대가 근육 내의 글루코스 이용률을 증가시킨 것으로 사료된다.
젖산은 운동 전보다 후에 15분 처치는 121.98% 증가, 30분 처치는 136.59% 증가하였으나, 처치와 시기에 따른 상호작용효과는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 소방 활동 시 고온환경과 공기호흡기의 안면마스크로 인한 산소공급의 제한은 젖산축적현상을 유도하며, 이는 체내 산성화를 가져와 운동피로를 발생시킨다(Kim et al., 1999). 본 연구에서 안정 시 보다 운동 후 2-3배의 젖산 증가는 소방 활동이 고강도의 작업이라는 것을 시사한다.
4. 결론
본 연구는 소방용 보호장구 착용 시 작업시간(15분, 30분)에 따른 심박수, 운동자각도, 온냉감지수, 체중변화량, 고막온도, 혈당 및 젖산의 변화를 비교하여 소방공무원의 안전을 위한 기초자료 제공을 목적으로 하며, 그 결과는 다음과 같다.
첫째, 심박수, 운동자각도, 온냉감지수, 체중변화량, 고막온도는 처치와 시기에 따른 상호작용효과가 나타났다.
둘째, 혈당과 젖산은 처치와 시기의 상호작용효과는 나타나지 않았다.
이상의 연구결과 30분 처치가 15분 처치보다 생리학적 기능에 부정적인 결과로 나타났다.
본 연구의 제한점은 연구대상자가 소방전공 학생들로 한정되어 결과를 확대해석하여 일반화하는 것은 한계가 있다. 소방공무원의 화재 진압활동 시 개인의 체력에 따른 작업시간은 다를 수 있으며, 본 연구 결과 30분 정도의 소방 활동은 신체적으로 한계인 것으로 판단된다. 추후 연구에서 소방공무원을 대상으로 화재진압에 따른 개인의 건강과 안전을 보완할 수 있는 연구가 이루어져야 할 것이다.
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