고온 및 저온에서 소방활동에 따른 생리적 변인의 변화

Changes of Physiological Variable During Fire-fighting in High and Low Temperature

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(6):221-226
Publication date (electronic) : 2017 December 31
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.6.221
유동훈
*Corresponding Author, Member, Assistant Professor, Department of Fire and Disaster Prevention Engineering, Kyungnam University (Tel: +82-55-249-2128, Fax: +82-505-999-2167, E-mail: ydh0701@kyungnam.ac.kr)
Received 2017 August 21; Revised 2017 August 24; Accepted 2017 September 14.

Abstract

본 연구는 고온 및 저온에서 소방활동에 따른 생리적 변인의 변화를 조사하고, 비교하여 그 차이를 알아보고자 시도하였다. 연구결과, 심박수, 운동자각도, 온냉감지수, 피부평균온도, 고막온도 및 혈당은 소방활동 시 고온집단이 저온집단보다 높은 것으로 나타났다. 젖산은 두 집단 간 유의한 차이는 나타나지 않았다. 이상의 결과, 고온보다 저온에서 소방활동의 직무수행에 부정적인 영향을 미칠 가능성은 낮은 것으로 사료된다. 추후 연구에서는 우리나라 사계절을 반영한 소방방화복 및 소방장비의 경량화에 관한 연구가 이루어져야 할 것이다.

Trans Abstract

The purpose of this study is to find out the changes of physiological variable during fire-fighting in high and low temperature. The results of the study are as follows; 1) Heart rate, rating of perceived exertion, cool thermal sensation, mean skin temperature, tympanic temperature, and glucose showed that high temperature group was higher than low temperature group in fire-fighting. 2) Lactate showed no significant difference between two groups. As a result, It is unlikely to have a negative impact on the performance of fire-fighting at low temperature than high temperature. Further research on fire-fighting protective clothing reflecting our four seasons and reducing weight of fire-fighting equipment should also be carried out.

1. 서론

우리나라 소방방재청은 ‘국가화재분류체계 매뉴얼(2006)’에 따라 2007년부터 화재조사를 통한 데이터 수집은 전산화되고 있으며(NEMA, 2006), 이러한 화재조사 데이터를 활용하여 화재예방 및 피해저감을 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 일정한 지역에서 발생하는 화재 건수는 계절과 같이 매년 주기적으로 변하는 기후에 따라 증감하는 현상을 나타내며, 온도나 습도와 같은 날씨 상태에 따라 크게 영향을 받는 것으로 보고되고 있다(Flannigan et al., 2000).

계절 변화가 뚜렷한 우리나라의 경우 계절(온도)변화에 따라 화재발생의 증감을 예상할 수 있다. 이에 Kwon et al. (2012)은 서울지역에서 발생하는 화재 건수를 예측하기 위해 연도별 화재발생 건수, 월별 화재발생 건수, 진폭 및 지연 등에 관한 정보를 기반으로 주기적 파동모양의 선행 사인파 모델을 제안하였다. 온도 및 습도와 관련한 날씨 변수들이 기후 변화와 직접적 관련이 있기 때문에 이를 이용하여 기후변화와 화재발생 건수를 정량적으로 예측할 수 있는 가능성을 제시하였다. 그 모델의 결과, 2007년부터 2011년까지의 월별 화재사고는 매년 겨울철(12~2월)에 많이 발생하는 것으로 보고하였다.

우리 신체는 주변의 환경에 대하여 반응을 하게 되며, 기온의 차이에 따라 신체가 정상적으로 작동하지 않을 때 항상성(homeostasis)을 유지하기 위해 다양한 생리적 반응이 일어난다. 신체가 저온환경에 노출되면 저온으로 인한 열손실을 막고, 신체의 주요기관에 원활한 산소공급을 위하여 피부혈관수축이 일어난다. 저온상태 지속 시 피부표면에 열을 전달하기 위해 신체온도는 떨어진다. 따라서 신체 내부의 열을 발생하기 위해 근육 수축, 오한, 심박동수 증가, 호흡 속도 증가 등이 일어나며, 차가운 공기 흡입을 통하여 기관지 수축이 발생한다(McCullough and Arora, 2004).

반면, 신체가 고온환경에 노출되면 신체 표면의 혈액순환이 활발해지고, 반사, 전달, 발한으로 신체의 냉각속도가 증가한다(Lundgren et al., 2013). 활발한 혈액순환의 과정은 심장에 부하를 증가하며, 이로 인하여 심장 박동, 혈관 내의 부피 등이 증가하고, 신장과 내장의 혈관수축이 지속적으로 발생한다. 고온에 장시간 노출되면 온도균형을 유지하는 능력을 상실하여 사망에 이르게 된다(McGeehin and Mirabelli, 2001). 일반적으로 고온에 대한 신체반응은 저온보다 더 빨리 나타나는 것으로 알려져 있다(Curriero et al., 2002).

소방활동과 생리적 변인의 변화와 관련된 국내연구를 살펴보면, 대부분의 연구들은 화재특성으로 인하여 고온환경에서 소방활동에 관한 연구가 이루어지고 있으며(Bang, 2014; Sin et al., 2017; Yoo, 2014; Yoo and Bang, 2017), 겨울철과 관련한 저온환경에서 소방활동에 관한 연구는 전무한 실정이다.

이에 본 연구는 겨울철과 관련된 저온 환경에서 소방활동에 따른 생리적 변화를 조사하고, 여름철과 관련된 고온환경에서 소방활동과 비교하여 그 차이를 알아보고자 시도하였다.

2. 연구내용 및 방법

2.1 연구 대상

본 연구는 창원 K대학교 재학 중이며, 소방공무원을 희망하는 신체 건강한 남자 20명을 대상으로 하였으며, 고온집단(High Temperature Group: HTG) 10명, 저온집단(Low Temperature Group: LTG) 10명으로 구분하였다. 모든 참가자들에게 실험에 관한 내용을 충분히 설명 후 참여 동의서를 받아 실험을 진행하였다. 참가자의 신체적 특성은 Table 1과 같다.

Characteristics of the Subjects

2.2 실험 절차

본 실험은 공과대학 내에 -20~+50°C의 온도 조절이 가능한 쳄버(chamber) 내에서 진행되었다. 실험 진행 시 모든 피험자는 소방방화복 및 공기호흡기(self-contained breathing apparatus: SCBA)를 착용하였으며, 전체 무게는 22.1 kg이었다. 참가자에게 트레드밀을 사용하여 운동부하 검사를 실시하였으며 운동부하는 개인의 체중을 고려하여 9 METs(시속: 6 km/h, 경사도: 10%)의 작업 강도로 실시하였다.

실험 당일 온도조건은 건구온도계를 이용하여 HTG는 30±2°C, 습도 50±5%, LTG는 -4±2°C, 습도 30±5%로 설정하였다. HTG 및 LTG의 온도조건은 5년 간(2011~2015년) 창원 지역의 여름철 평균기온최고(28~30°C), 겨울철 평균기온최저(-7~-2°C)를 기준으로 하였다(KMA, 2016).

혈액측정은 실험 시행 1일 전 저녁 식사 후 12시간 동안 금식을 하였으며, 실험실에 도착하여 30분 간 안정을 취한 후 운동 전, 후에 핑거팁을 이용하여 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(rating of perceived exertion: RPE)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: CTS)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.

체온은 고막온도(tympanic temperature: Tt)와 평균피부온도(mean skin temperature: Mt)를 측정하였다. 고막온도는 IRT-6520 (Braun Co., USA)을 이용하였으며, 고막온도의 경우 헬멧으로 인하여 운동 시 측정은 불가하여 안정 시, 운동 후에 측정하였다. 평균피부온도는 ISO 9886에 따른 4점 측정법을 이용하였으며, 평균피부온도는 서모스탯(thermostat)을 이용하여 측정하였으며, 데이터 처리장치 OM-DAQPRO-5300 (OMEGA Co., USA)를 이용하여 안정 시, 운동 시작부터 3분 간격으로 운동 종료까지 측정하였다.

혈당은 SD Check Gold2 (SD biosensor Inc., Korea)를 이용하였으며, 젖산은 Lactate Pro2 (Arkary Co., Japan)를 이용하여 측정하였다.

2.4 자료 분석

본 연구의 모든 자료는 SPSS/PC 20.0 통계프로그램을 이용하여 항목별로 평균과 표준편차를 산출하였다. 모든 측정항목의 집단과 시기의 평균 차이를 알아보기 위해 two-way ANOVA with repeated measure를 실시한 후 paired t-test 및 Independent t-test를 이용하여 집단과 시기 간의 차이를 검증하였다. 모든 분석의 통계적 유의수준은 p<.05로 설정하였다.

3. 결과 및 분석

심박수, 운동자각도, 온냉감지수와 평균피부온도의 결과는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1

Results of HR, RPE, CTS and Mt

심박수의 변화는 집단(F(1,18)=6.667, p=.019)과 시기(F(1,18)=1019.762, p=.000)의 주 효과에서 유의한 차이가 나타났으나, 집단과 시기의 상호작용효과((F(1,18)=2.169, p=.064)는 유의한 차이가 없었다. 두 집단 간 비교에서 운동 후 9분(t=2.262, p=.036), 12분(t=3.379, p=.003), 15분(t=3.411, p=.003)에 HTG는 LTG보다 심박수가 유의하게 높은 것으로 나타났다. 신체활동과 심박수 변화의 일반적인 기전은 대뇌피질로부터 신경전달에 의해서 심폐기능의 억제 중추인 미주신경의 억제를 통해서 심박수가 급격히 증가한다(Knuttgen and Saltin, 1972). 소방활동 중 심박수의 변화는 기온을 비롯한 외부환경의 영향을 크게 받으며 저온보다 고온에서 심박수는 더욱 증가하게 된다(Kenney et al., 2015). 고온에서는 운동 수행에 동원되는 근육과 열방출을 위한 피부혈관으로의 혈액량 공급이 분산되면서 정맥회귀 저하에 의한 심장의 1회 박출량이 충분히 증가하지 못한다. 따라서 이를 보완하기 위해 심박수의 증가가 더욱 현저하게 일어나는 반면, 저온에서는 이러한 현상이 요구되지 않으면서 상대적으로 심박수의 증가현상이 둔화될 수 있다.

본 연구에서 두 집단 모두 운동 후 3분에서 심박수는 급격히 증가하였으며, HTG가 LTG에 비해 높은 심박수를 나타냄으로써 체액량 및 혈액량의 감소현상이 영향을 미치는 것(Mack and Nadel, 2011)으로 사료된다.

운동자각도의 변화는 집단(F(1,18)=7.936, p=.011)과 시기(F(1,18)=118.445, p=.000)의 주 효과에서 유의한 차이가 나타났으며, 집단과 시기의 상호작용효과((F(1,18)=2.645, p=.040)에서도 유의한 차이가 나타났다. 두 집단 간 비교에서 운동 후 6분(t=2.333, p=.031), 9분(t=2.228, p=.039), 12분(t=2.631, p=.017), 15분(t=3.498, p=.003)에 HTG는 LTG보다 운동자각도가 유의하게 높은 것으로 나타났다.

온냉감지수의 변화는 집단(F(1,18)=32.219, p=.000)과 시기(F(1,18)=98.328, p=.000)의 주 효과에서 유의한 차이가 나타났으나, 집단과 시기의 상호작용효과(F(1,18)=1.343, p=.262)는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 두 집단 간 비교에서 모든 시기에서 HTG는 LTG보다 온냉감지수가 유의하게 높은 것으로 나타났다.

평균피부온도의 변화는 집단(F(1,18)=26.817, p=.000)과 시기(F(1,18)=60.146, p=.000)의 주 효과에서 유의한 차이가 나타났으며, 집단과 시기의 상호작용효과((F(1,18)=55.101, p=.000)에서도 유의한 차이가 나타났다. 두 집단 간 비교에서 운동 후 6분(t=4.147, p=.001), 9분(t=6.262, p=.000), 12분(t=9.528, p=.000), 15분(t=8.179, p=.000)에 HTG는 LTG보다 평균피부온도가 유의하게 높은 것으로 나타났다.

고막온도의 결과는 Table 2와 같다. 고막온도의 변화는 집단과 시기의 주 효과에서 유의한 차이가 나타났으며, 집단과 시기의 상호작용효과에서도 유의한 차이가 나타났다. 두 집단 간 비교에서 운동 후(t=5.368, p=.000)에 HTG는 LTG보다 고막온도가 유의하게 높은 것으로 나타났다.

Results of Physiological Variable

본 연구에서 운동자각도, 온냉감지수, 평균피부온도 및 고막온도는 HTG가 LTG에 비해 높게 나타났다. 이는 저온보다 고온에서 지속적인 작업은 땀 배출이 증가하기 때문에 과도한 체수분과 필수 이온들의 손실이 야기된다. 이로 인한 탈수 증세는 심박수, 체온 및 운동자각도 반응의 상승으로 이어진다(Sawna and Coyle, 1999). 고온에서 소방활동은 체온조절 기능이 저하되어 체온의 높은 증가를 나타내며(Pandolf et al., 1988), 이는 소방 직무수행에 부정적인 작용을 하게 된다. 저온의 경우에는 낮은 체온의 유지(Costill et al., 1970), 내분비기능의 변화 및 근육의 떨림 현상 증가로 에너지 소비가 증가(Warwick and Busby, 1990)하여 직무수행에 부정적인 영향을 준다. 그러나 본 연구에서 저온의 경우 소방방화복 착용으로 인하여 체온이 유지 되는 것으로 나타났으며, 저온이 원활한 직무수행에 부정적인 영향을 미칠 가능성은 낮은 것으로 사료된다.

혈당과 젖산의 결과는 Table 2와 같다. 혈당의 변화는 집단과 시기의 주 효과에서 유의한 차이가 나타났으며, 집단과 시기의 상호작용효과에서도 유의한 차이가 나타났다. 두 집단 간 비교에서 운동 후(t=3.715, p=.002)에 HTG는 LTG보다 혈당이 유의하게 높은 것으로 나타났다. 젖산의 변화는 시기의 주 효과에서 유의한 차이가 나타났으나, 집단의 주 효과, 집단과 시기의 상호작용효과에서는 유의한 차이가 없었다.

본 연구에서 운동 후 혈당의 변화는 HTG가 LTG에 비해 높게 나타났으며, 젖산의 변화는 두 집단 간 유의한 차이는 나타나지 않았다. 이는 고온에서 운동 시 에너지 소비량 및 산소섭취량이 증가되며, 근육 내 글리코겐 이용이 활성화되면서 혈중 젖산농도는 현저하게 증가한다(Fink et al., 1975). 저온에서는 교감신경계의 활성화에 대한 부교감신경계의 중재적 과정을 통한 혈압수용기 반사과정의 작용으로 심박수의 증가현상이 둔화되고(Sink et al., 1989), 유산소성 대사의 활성화 억제 및 젖산 제거능력의 둔화로 높은 혈중 젖산농도를 나타낸다(Stainsby and Brooks, 1990). 혈당의 경우 LTG는 운동 전, 후 유의한 차이가 없었다. 이는 저온에서 소방활동 시 고온에 비해 글리코겐 동원상태가 저하되며(Young et al., 1995), 지방대사의 활성화에 기인하는 것(Timmons et al., 1985)으로 사료된다.

4. 결론

본 연구는 고온 및 저온에서 소방활동에 따른 생리적 변인의 변화를 조사하고, 비교하여 차이를 알아보고자 시도하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

첫째, 심박수와 온냉감지수는 집단과 시기의 주 효과에서 유의한 차이가 나타났지만, 집단과 시기의 상호작용효과는 나타나지 않았다.

둘째, 운동자각도, 평균피부온도, 고막온도와 혈당은 집단과 시기의 주 효과에서 유의한 차이가 나타났으며, 집단과 시기의 상호작용효과에서도 유의한 차이가 나타났다.

셋째, 젖산은 시기의 주 효과에서는 유의한 차이가 나타났지만, 집단의 주 효과와 집단과 시기의 상호작용효과는 나타나지 않았다.

이상의 연구결과에서 고온집단이 심박수, 온냉감지수, 운동자각도, 평균피부온도, 고막온도와 혈당은 저온집단보다 높은 것으로 나타났다. 그러나 젖산의 경우 소방활동 후 두 집단 모두 증가하였으나 집단 간 유의한 차이는 나타나지 않았다. 이는 여름철의 고온환경보다 겨울철의 저온환경에서 소방활동 수행 시 생리적 변인들의 부정적 영향이 낮은 것을 의미한다.

본 연구의 한계점으로 화재현장의 경우 겨울철이라 하여 화재현장의 온도가 영하로 떨어지지 않는다는 점에서 본 연구의 결과는 실제 소화작업 활동에 적용하기에는 한계가 있다. 하지만 본 연구는 소방활동 시 여름과 겨울이라는 환경의 2가지 시점을 조사한 단면연구로써 고온환경과 비교하여 저온환경에서 소방방화복 및 소방장비의 착용 시 생리적 변인의 변화와 차이를 이해하는 데 기초자료를 제공하고자 하였다.

추후 연구에서 사계절에 따른 기온과 화재상황 시 온도 조건, 실제 소화작업 활동과 소화작업을 위해 준비하는 활동 등의 상황별 조건을 고려한 연구가 필요하며, 이러한 데이터베이스(database)를 바탕으로 우리나라 사계절의 특성을 반영한 소방방화복과 소방장비의 경량화에 관한 연구가 이루어져야 할 것이다.

References

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Article information Continued

Table 1

Characteristics of the Subjects

Age (yrs) Height (cm) Weight (kg)
HTG (n=10) 23.60 ±0.97 173.40 ±7.20 74.46 ±19.39
LTG (n=10) 23.40 ±0.84 173.70 ±4.50 73.59 ±9.93

Mean±SD. HTG: High Temperature Group, LTG: Low Temperature Group.

Fig. 1

Results of HR, RPE, CTS and Mt

Table 2

Results of Physiological Variable

Variable group pre post Source F p
Tt (°C) HTG 36.54 ±0.22 37.36 ±0.25 Group 5.429 .000***
Time 25.176 .000***
LTG 36.69 ±0.45 36.60 ±0.37 Group×Time 39.123 .000***
Glucose (mg/dl) HTG 91.30 ±8.00 106.10 ±10.30 Group 4.594 .046*
Time 24.174 .000***
LTG 91.70 ±6.68 91.60 ±6.80 Group×Time 24.836 .000***
Lactate (mmol/L) HTG 5.61 ±4.33 10.55 ±3.83 Group .018 .894
Time 46.617 .000***
LTG 5.67 ±3.06 10.05 ±4.46 Group×Time .168 .686

Mean±SD. Tt: tympanic temperature, HTG: high temperature group, LTG: low temperature group.

***

p<.001,

*

p<.05.