청소년기 충분한 신체활동 참여는 근골격계의 발달에 도움을 주고 비만과 당뇨, 심장질환 등 비만과 관련된 질환을 예방하며, 이와 같은 청소년기 신체활동의 효과는 성인이 되어서도 일정 부분 작용하는 것으로 보고되고 있다. 그뿐만 아니라 불안과 우울감을 줄이는 등 정신건강을 개선하며, 공격적인 성향을 줄이고 학업중단의 위험을 감소시킨다[1]. 그러나, 우리나라의 경우 입시중심의 교육이 청소년기의 신체활동을 제한함으로써 학생들의 체력 저하, 청소년층의 비만 및 성인병의 증가 등 여러 가지 건강상 문제를 야기해 왔다[2]. 학생건강체력평가(Physical Activity Promotion system, PAPS) 도입 이후에는 학생 체력에 대한 누적된 통계가 부족하여 최근의 추세조차 정확히 파악하기 어려워졌다. 그러나 지금까지 시행된 자료에 따르면 학생의 전반적 체력저하 현상이 심화되었음은 분명해 보인다[3]. 특히, 초중고교 비만 학생 비율이 지난 2008년 11.2%에서 2014년 15.0%, 2016년에는 16.5%로 증가하였다[4].

PAPS는 지금까지 학생체력검사가 학생들의 체력을 육성하기 위한 목적으로 시행되어 단순히 체력을 측정하여 기록하는 데 그쳤기 때문에 학생들의 체력과 비만을 관리하는 국가 차원의 접근에는 한계를 느끼고 이러한 문제점을 보완하고자 2009년 개발된 신개념의 학생 체력측정방법이다[5]. PAPS는 학생의 체력뿐만 아니라 비만까지 평가할 수 있는 시스템으로 학생, 학부모의 활용성을 높여 신체활동 참여 동기를 유발, 학생의 건강 증진 및 체력관리가 가능하도록 고안되었다. 측정항목은 심폐지구력, 순발력, 근력 및 근지구력, 유연성, 체지방의 5개이고, 항목별로 2-3개의 검사종목이 제공되어 그중 한 종목을 선택하여 측정할 수 있다. 평가등급은 아주 높음, 높음, 보통, 낮음, 아주 낮음의 1등급에서 5등급으로 구분되어 있다[5]. 측정 방법 면에서 과거 학생체력검사와 PAPS의 가장 큰 차이점은 각 체력 항목별로 복수의 측정 종목이 제공되어 그 중 한 종목을 선택하여 측정할 수 있다는 것이다. 예를 들어 심폐지구력의 경우, 왕복 오래달리기(Progressive Aerobic Cardiovascular Endurance Run, PACER), 오래달리기-걷기, 스텝검사의 3종목 중 한 종목을 선택하여 측정할 수 있고, 다른 건강체력요인도 복수의 측정방법 중에 선택할 수 있다.

그러나 과거 학생체력검사와 달리 새롭게 추가된 검사종목인 스텝검사의 경우 한국 청소년을 대상으로 한 타당도 연구를 찾아보기 어렵다. PAPS에서 사용하고 있는 스텝검사는 하버드 스텝검사[6]를 수정한 것으로 하버드 스텝검사는 50.8 cm의 스텝 박스를 분당 30회로 5분간 오르내리기를 실시한 후 1, 2, 3분에 각각 30초간 회복기 심박수를 측정하고 이를 체력지수(Physical Fitness Index, PFI)를 산출하여 심폐지구력을 평가하는 방법이다. 청소년을 대상으로 한 스텝검사의 타당도에 관한 국내 선행연구를 살펴보면, 남자 중학생의 경우 45 cm 높이와 3분간의 계단 오르내리기의 측정 프로토콜일 때 1,000 m 오래달리기와 .695의 상관을 보고한 Back [7]의 연구가 있으며, 그 외에는 주로 스텝검사의 프로토콜(protocol), 즉 스텝 높이와 스텝 속도 및 시간 등을 다른 연구들이 대부분이다[8-10]. 그뿐만 아니라, 스텝검사를 통한 신체효율지수(Physical Efficiency Index, PEI)의 계산식과 평가범주(norm) 역시 관련 연구 또한 부족하다. 국외의 선행연구를 살펴보면, 체력지수(PFI)에 관한 보고들을 찾아볼 수 있으며[11,12], 이들의 방법이 현행 우리나라의 PAPS 스텝검사의 PEI와 동일하거나 매우 유사하다[13]. 이와 같은 선행연구를 고려할 때 현재 PAPS 스텝검사의 PEI는 국외 선행연구의 PFI를 근거하고 있는 것으로 추측되지만, 이러한 수정 방법의 적절함을 확인할 수 있는 연구를 찾아보기 어렵다. 또한 앞서 언급한 바와 같이 PAPS는 체력을 평가하는 데 그치지 않고 활용에 목표를 두고 제작되었기 때문에 자신의 체력평가 결과를 어디서나 온라인을 통해 확인할 수 있고, IT 장비를 이용한 측정도 가능하여 학생의 흥미를 유발하고 측정의 신뢰성을 보장하는 것으로 보고되고 있다[14].

스텝검사의 경우 심박수 모니터(Heart rate monitor)를 이용하면 측정의 신뢰성을 높이고 검사 중 이상 심박수를 보이는 학생을 조기에 발견하여 사고예방에 도움을 주며 측정 결과가 교육정보시스템에서 자동으로 점수가 산출되는 편이성을 제공한다. 그러나 이때 사용되는 PEI는 일정 기간 측정하는 형태의 회복시 심박수가 아니고 운동 종료 후 휴식시의 실시간 심박수(초등 및 중학생, 여고생의 경우 1, 2, 3분의 실시간 심박수, 남고생의 경우 1분 실시간 심박수)를 사용하는데 이에 관한 선행연구도 찾아보기 힘들다. 물론 기존의 촉진에 의한 PEI에 약간의 수정을 가하여 활용하고 있지만 그 적절성을 확인하기 어렵다. 이에 본 연구는 한국 중, 고등학생을 대상으로 시행중인 PAPS 스텝검사의 타당도를 확인하고 평가 방법으로 사용되고 있는 PEI의 문제점을 개선하고자 함에 그 목적이 있다.

본 연구에서는 PAPS에서 심폐지구력 검사 방법 중 하나로 사용되는 스텝검사의 타당도를 확인하고자 하였으며, 특히 PEI를 대체할 수 있는 평가 방법을 모색하고자 하였다. 스텝검사는 최대하 운동검사의 하나로, 일정한 시간 동안 특정 높이의 스텝 박스를 특정 빈도로 오르내리기를 수행한 후에 회복기 심박수를 측정하여 심폐지구력을 평가하는 방법이다. 스텝검사는 다른 심폐지구력 측정 방법과 비교하면 측정 시간이 비교적 짧고, 측정 방법이 쉬워 대상자가 느끼는 측정에 대한 부담이 적어 체력이 낮은 사람도 무리 없이 측정할 수 있는 장점이 있으며, 동시에 많은 대상자를 측정할 수 있고 측정 결과의 처리가 용이하여 대규모의 대상자를 갖는 연구에 적용되기 쉬운 장점이 있기 때문에 널리 사용되고 있다. 대표적으로 하버드 스텝검사, 퀸즈 컬리지 스텝검사, YMCA 스텝검사 등이 있으며, 선행연구에서 보고된 스텝검사의 타당도는 비교적 높은 편으로 보고되었다[18-22]. 단점으로는 신장 및 하지장 등 같은 신체적 조건이 다른 대상자에게 똑같은 높이와 속도로 일정한 부하를 제공하므로 이러한 차이에서 발생할 수 있는 생리적 변인에 의한 오차 가능성이 지적되고 있으며[23], 이러한 개인차를 보정하고자 대상의 신장 및 하지장에 따라 스텝 박스의 높이나 스텝 속도를 달리 제공하는 스텝검사도 개발되었으나[24-26], 절차나 방법이 복잡한 반면 타당도가 크게 증가하지 않아 편의성을 위한 스텝검사의 강점을 약화하는 측면이 있다. PAPS 스텝검사와 같이 변형된 하버드 스텝검사에 관한 연구들을 살펴보면, 신체활동 수준이 높을수록 신체체력지수(physical fitness index)의 값이 높았고[27], PFI로 상대평가를 한 남녀의 비율이 다름을 지적한 연구도 있다[28]. 국내 선행연구를 살펴보면, Lee [13]는 PEI를 활용한 다양한 스텝검사 프로토콜과 산출식을 소개하고 하버드 스텝검사의 PEI와 신장 및 체중, 안정시와 회복기 심박수의 상관관계를 보고한 적이 있으며, Ko [8]는 여자 중학생의 경우 35 cm 높이가 적당하다고 보고하였고, Kim [29]은 중학생 운동선수를 대상으로 하여 스텝 시간을 3분보다 5분으로 증가시켜야 한다고 보고하였다. 그 외 Ra & Kim [9]은 남자 대학생에게 50.8 cm는 너무 높아 과중한 운동부하가 되기 때문에 전신지구력을 측정하는 데 부적절하다고 하였다. 그러나, 스텝검사를 통하여 PEI를 산출하는 방법의 타당도를 근거할 만한 연구는 찾기 힘들며, 일부 연구에서는 심폐지구력 측정의 준거 검사로 오래달리기를 사용하여 타당도를 제시한 적이 있다[30].

본 연구결과로 나타난 PAPS 스텝검사 PEI 방법의 타당도는 각각 촉진한 경우에 남자 청소년은 .190 (<.001), 여자 청소년은 .169 (.009)로 나타났고 심박수 측정기를 사용한 경우는 남자 청소년 .275 (<.001), 여자청소년 .371 (<.001)로 낮게 나타났다. 특히 연령집단으로 세분화해서 보면 그 문제점이 더 크게 보인다. 남자 고등학생의 경우, PEI 산출값이 촉진과 심박수 측정시에 약 13 정도 차이가 나는 것으로 보이며 이는 타당함을 떠나서 평가의 공정함에 영향을 줄 수 있을 것으로 보인다. 예를 들어 한 남자고등학교에서는 PAPS 스텝검사 시에 촉진을 하여 PEI를 산출하고 다른 학교에서는 심박수 측정기를 사용한다면 비슷한 심폐지구력을 가진 학생이 각기 다른 등급으로 평가됐을 가능성이 높다. 이와 같은 차이는 측정방법 간의 타당도 등의 정확도나 측정오류 이외도 PEI 산출식에서 그 원인을 짐작할 수 있는데, PAPS 스텝검사 후에 촉진으로 측정한 회복기 심박수와 심박수 측정기로 측정한 실시간 회복기 심박수를 동일한 것으로 해석하였기 때문이다. 실시간 심박수는 특정시간 전후 심장 박동의 시간적 차이(간격)를 바탕으로 분당 심박수(beat/min, bpm)로 표기하는 것을 의미하는데 이는 촉진을 통하여 측정기간 동안의 감소량을 포함하는 누적심박수와는 의미가 다르다.

회복기 심박수는 일반적으로 운동 종료 후에 분 단위 심박수의 감소를 의미한다. 많은 연구들에 따르면, 운동 중의 심박수의 변동은 처음에는 부교감신경의 약화로 시작되어, 교감신경계의 흥분으로 가속을 받으며, 운동 종료 이후에는 반대로 작용한다[31-33]. 이와 같은 운동직후 회복기 심박수는 환자와 건강한 성인에서 차이를 보일 뿐 아니라 트레이닝 여부에 따라서 차이를 보이는 것으로 보고되고 있으며[34,35], 많은 연구에서 1분의 회복기 심박수를 사용하는 것으로 나타났다[36]. 회복기 심박수는 운동의 효과를 확인하기 위한 변인으로 사용되며[37,38], 체력평가의 방법에서는 주로 스텝검사에서 활용된다. 본 연구에서도 최대산소섭취량과 회복기 실시간 심박수 간에 상관분석 결과에서 운동 종료 후 40-60초 정도의 심박수가 다른 시간대에 비해 상관계수가 높게 나타났다. 이와 같은 결과를 바탕으로 60초 회복기 심박수, 성별, 체질량지수, 연령 등의 설명변수를 포함한 최대산소섭취량 추정식을 개발하였다. 개발된 추정식을 통한 예측 최대산소섭취량과 실제 최대운동부하검사를 통하여 측정된 최대산소섭취량 간의 상관계수는 r=.801, 추정식의 설명력 r2은 .641을 나타냈다. 이는 다른 아동 및 청소년 대상의 심폐지구력 현장검사 방법의 타당도와 비교하였을 때 양호한 수준으로 판단된다[39-41]. 또한 다중공선성의 지수와 표준화 계수의 통계치를 고려하였을 때, 모델의 적절성에 문제가 없는 것으로 보인다. 본 연구에서 실측과 예측 검사 간의 일치도 분석결과는 상위 8.73 mL/kg/min이 과대 추정되고, 하위 8.76 mL/kg/min이 과소 추정되고 있는 것으로 나타나 절대치의 허용오차범위인 5-31% 이내에 있는 것으로 나타났다. PAPS 스텝검사에서 사용하고 있는 PEI의 낮은 타당도 및 회복기 심박수 측정 방법별 차이와 과거 측정 자료의 수정 가능성을 고려한다면, 본 연구에서 제시한 최대산소섭취량 추정식을 PAPS 스텝검사의 평가 방법으로 대체하는 것이 효과적인 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구는 대규모의 청소년을 대상으로 PAPS 스텝검사의 타당도를 확인하고자 준거검사인 최대산소섭취량과의 비교를 수행하였으며 그 결과, PAPS 심폐지구력 검사로 사용되는 스텝검사의 타당도는 매우 낮게 나타났다. 따라서 이를 해결하기 위하여 PAPS 스텝검사의 프로토콜을 사용하여 최대산소섭취량을 추정할 수 있는 추정식을 개발하였다. 개발된 추정식을 통한 최대산소섭취량 예측값은 최대운동부하검사를 통한 실측값과 양호한 상관관계를 보였으며, 오차 등의 일치도 측면에서도 수용할 만한 것으로 나타났다. 결론적으로 PAPS 스텝검사에서 사용되는 신체효율지수 산출방법은 시급하게 해결되어야 할 문제로 생각된다. 특히 국가사업으로 전 학령을 대상으로 시행하는 측정인만큼 타당도는 중요하게 고려되어야 하므로 본 연구에서 개발된 추정식을 사용하는 것을 권장한다.