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Exerc Sci. 2023;32(3):266-274

Publication date (electronic) : 2023 August 31

doi : https://doi.org/10.15857/ksep.2023.00297

Jung-Min Han, BS^1,†, Kyung-Wan Baek, PhD^1,2,†, Jong-Hwa Won, MS¹, Ji-Seok Kim, PhD^1,2,

¹Department of Physical Education, Gyeongsang National University, Jinju, Korea

²Research Institute of Pharmaceutical Sciences, Gyeongsang National University, Jinju, Korea

한정민^1,†, 백경완^1,2,†, 원종화¹, 김지석^1,2,

¹경상국립대학교 체육교육과

²경상국립대학교 약학연구소

Corresponding author: Ji-Seok Kim Tel +82-55-772-2296 Fax +82-55-772-2299 E-mail kjs7952@gmail.com

†These authors contributed equally to this work.

Received 2023 June 28; Revised 2023 August 1; Accepted 2023 August 22.

Trans Abstract

서 론

현대 사회에서 심혈관 질환(cardiovascular disease, CVD)들은 성인의 주요 사망 원인일 뿐만 아니라 막대한 의료비용이 지출되는 경제적 문제이기도 하다. 세계보건기구(World Health Organization, WHO)에 따르면 2019년 약 1,790만 명이 CVD로 사망했으며, 이는 전 세계 사망 원인의 32%를 차지하는 것으로 사망 원인 1위에 해당하는 수치였다[1].

비만, 당뇨 그리고 고혈압을 포함한 다양한 심혈관 질환 사이에는 강한 양의 상관관계가 있으며[2], 고콜레스테롤 수치[3], 흡연[4], 비만[5], 건강에 해로운 식습관[6], 과도한 알코올 소비 등 여러가지 위험 요소가 관련되어 심혈관 질환 발병에 기여한다[7]. 신체활동 부족은 고혈압, 비만, 당뇨, 고콜레스테롤 수치와 모두 연관성이 있는 생활습관으로 그 자체가 다양한 대사증후군의 원인이 되는 것으로 잘 알려져 있다[8].

심혈관계 질환의 개선을 위해서는 신체활동 수준을 높이는 것이 중요하다[8]. 특히, 규칙적인 유산소 운동은 심근의 강화, 혈압의 개선 그리고 혈류의 개선을 통해 순환계 전체의 기능을 향상시키는 것으로 알려져 있다[9]. 또한, 규칙적인 유산소 운동은 체중 관리에 도움을 주고 혈중 지질 수준을 개선시키므로 심혈관계 질환 개선을 위한 운동으로 가장 적합하다[10]. 잘 알려져 있는 규칙적인 유산소 운동의 심혈관 개선 효과에도 불구하고 많은 사람들이 시간의 제약, 동기부여 부족, 신체적인 제한, 운동 공간에 대한 접근성 부족 및 재정적 제약 등에 의해 실제 참여율은 상당히 낮은 실정이다[11]. 따라서, 규칙적인 운동 참여에 대한 다양한 제약들을 감안하여 시간 제약과 재정적 제약을 크게 받지 않고 신체적인 불편을 가진 대상자 또한 쉽게 참여 가능한 운동방법을 찾는 것이 심혈관계 질환의 예방이나 개선을 위해 중요한 것으로 생각된다.

호흡근 운동(respiratory muscle exercise)은 흡기근 훈련(inspiratory muscle training)으로도 불리기도 하며 호흡과 관련된 근육을 강화시키는 특이적 운동이다[12]. 호흡근 운동이란 주로 호흡근의 근력과 근지구력을 향상시키는 것을 목표로 한다. 즉, 호흡근 운동은 주로 횡격막(diaphragm), 늑간근(intercostal muscle)을 포함한 호흡과 관련된 근육을 강화하는데 중점을 두는 운동이다. 이러한 근육들의 근력과 근지구력을 향상시켜 호흡 효율을 높이고 보다 효과적인 산소 섭취와 이산화탄소 제거를 돕는 것으로 알려져 있기 때문에 전반적인 심혈관 기능 향상으로 이어질 수 있다[13,14]. 또한, 폐활량을 증가시켜 신체활동 중에 더 많은 산소를 흡수할 수 있도록 하기 때문에, 지구력 향상과 운동에 의한 피로도를 줄여줄 수 있는 것으로 생각되고 있다[15]. 호흡근 운동은 심부전 또는 만성 폐쇄성 폐질환(chronic obstructive lung disease)을 비롯한 CVD가 있는 환자들이 주로 경험하게 되는 호흡곤란 증상을 완화하는데도 도움이 될 수 있다고 제안되고 있다[16].

호흡근 운동의 다양한 CVD 개선 가능성에도 불구하고 현재까지는 제한된 연구에서 혈압 조절에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다는 정도의 간접적인 증거들이 보고되고 있다[17]. 호흡근 운동과 CVD 개선 가능성을 정리하면, 개선된 호흡 근력으로 인해 혈압을 유지하는 신체의 능력을 향상시키고 잠재적으로 고혈압 환자 또는 고혈압 전 단계 대상자에게 일부 도움이 될 수 있다는 것이다. 이렇듯 호흡근 운동이 심혈관계 건강에 도움을 줄 수 있다는 것을 부정할 수는 없지만, 호흡근 운동과 관련된 연구들이 명확하게 심혈관계 개선에 도움을 줄 수 있음을 보여주고 있지는 못하며, 더욱이 장기적 효과에 대한 역학(epi-demiology) 연구는 전무하다. 따라서 호흡근 운동의 유산소성 운동 대체효과 또는 보조적 효과를 확인하기 위해서는 장기간의 추적조사(follow-up study)가 필요하다. 그럼에도 불구하고 이러한 연구는 유산소성 운동의 효과가 CVD 개선과 예방효과가 너무나도 잘 알려져 있기 때문에 정상환자에서는 연구적인 가치가 상대적으로 낮고, 거동불능자를 연구에 참여시키는 것은 거의 불가능에 가까운 실정이다. 이러한 이유로 고혈압을 예측할 수 있는 검사 방법인 냉압박 검사(cold pressure test, CPT)를 함께 실시하여 호흡근 운동의 효과를 단기적, 장기적 관점에서 호흡근 운동의 효과를 확인하는 것이 중요한 것으로 생각되었다.

CPT의 일반적인 절차는 보통 1분간 냉수(4℃)에 손을 담그고 혈압과 심박수의 변화를 관찰한다[18,19]. 냉수에 손을 넣었을 때에 감각 구심성 신경을 통해 전심 교감 신경의 활성화를 유발하고, 이로 인해 혈관의 수축으로 이어지며 동맥압이 상승한다. 이러한 과정에서 검사 중 혈압의 반응이 과도하게 증가하는 경우나 회복 시 혈압강하가 늦어지는 것은 모두 고혈압의 예측인자로 간주되고 있다. 따라서 CPT를 통하여 호흡근 운동의 효과가 장기적인 관점에서 심혈관을 개선할 수 있는지 예측할 수 있는 것이다.

본 연구에서는 호흡근 운동의 심혈관계의 개선효과를 확인함과 동시에 장기적인 관점에서 CVD 개선 및 예방의 가능성을 고혈압 예측 지표인 CPT를 통해 확인하고자 하였다.

연구 방법

1. 연구 대상 및 실험 설계

건강한 성인 남성 9명을 모집하여 교차계획법(crossover design)으로 실험을 설계하였다. 중재 시작 전 2주간을 대조군(CON)으로 설정하고, 각 2주간의 호흡근 운동중재 기간을 호흡근 운동군(RespEX)으로 설정하였다. 측정은 연구시작 전과 중재시작 전 그리고 중재 후 총 3회 실시되었다. 실험설계에 맞추어 연구시작 전의 측정 값을 CON-Pre, 중재시작 전 측정 값을 Post-CON과 Pre-RespEX로 설정하였으며, 중재 후 측정 값을 RespEX-Post로 설정하였다(Fig. 1). 실험 대상자들은 측정 12시간 전부터 격렬한 신체활동을 제한하였으며, 8-10시간 공복을 유지하였다. 모든 실험 대상자들은 신체활동 준비 설문지(Physical Activ-ity Readiness Questionnaire)를 작성하여 신체활동 수준, 현재 복용 중인 약물, 가족력을 조사하였다. 또한, 혈압, 심박수 그리고 신체조성을 측정하여 stress test 없이 운동참여가 가능한 대상자를 선발하였다. 본 연구의 대상자 특성은 Table 1과 같다. 모든 참가자들은 인터뷰를 연구의 목적과 내용에 대한 설명을 충분히 이해하고 동의서를 작성하였다. 본 연구는 경상국립대학교 생명윤리위원회(Institutional Review Board)의 승인을 받아 진행되었다(승인번호: GIRB-A23-NY-0001).

Fig. 1.

Study design.

Table 1.

Subject characteristics

연구 결과

1. 신체조성, 혈압 및 심박수의 변화

대상자의 신체조성 중 체중과 골격근량은 CON에서 사전에 비해 사후에서 유의하게 높았다(p <.05) (Fig. 2A and B). 체질량 지수는 CON 과 RespEX 모두 시기 간에 유의한 차이가 없었다(Fig. 2C). 안정시 혈압 또한 CON과 RespEX 모두 시기 간에 유의한 차이가 없었다(Fig. 2D and E). 안정시 심박수는 CON이 사전에 비해 사후에서 높았으며(p <.05), RespEX는 사전에 비해 사후에서 높았다(p <.05) (Fig. 2F).

Fig. 2.

Changes in body composition, blood pressure, and resting heart rate through respiratory muscle exercise. (A) Body weight, (B) Skeletal muscle mass, (C) Body mass index, (D) Systolic blood pressure, (E) Diastolic blood pressure, (F) Resting heart rate. All data are presented as the mean (M)±standard devi-ation (S. D).

* p<.05, ** p<.01, vs. Pre-.

2. 흡기능력의 변화

Strength index와 peak inspiratory flow는 CON (p <.001)과 RespEX (p <.01) 모두 사전에 비해 사후에서 유의하게 높았다(Fig. 3A and B). Volume은 RespEx에서 사전에 비해 사후가 유의하게 높았으며(p < .001), CON에서는 시기 간에 유의한 차이가 없었다(Fig. 3C). Energy는 RespEX에서 사전에 비해 사후가 유의하게 높았으며(p <.0001), CON에서는 시기 간 유의한 차이가 없었다(Fig. 3D).

Fig. 3.

Changes in inspiratory capacity through respiratory muscle exercise. (A) Strength index (B) Peak inspiratory flow (C) Volume (D) Energy. All data are presented as the M±S.D.

** p<.01, *** p<.001, and **** p<.0001, vs. Pre-.

3. 유산소성 능력의 변화

운동부하검사의 수행시간은 RespEX가 사전에 비해 사후가 유의하게 길었으며(p <.001), CON은 시기 간 유의한 차이가 없었다(Fig. 4A). 최대산소섭취량은 CON과 RespEX 모두 사전과 사후의 차이가 없었다(Fig. 4B).

Fig. 4.

Changes in endurance and maximal oxygen consumption through respiratory exercise. (A) Exercise time, (B) VO₂ max. All data are presented as the M±S.D.

*** p<.001, vs. Pre-.

4. 고혈압 예측 인자의 변화

CPT 검사 중 평균 동맥압은 왼팔의 침수 후 60초 후에 RespEX에서 유의하게 높게 나타났으며(p <.05), 그 외 침수 전, 침수 중 그리고 침수 후 회복시간에서는 CON과 RespEX 사이에 유의한 차이가 없었다(Fig. 5A). CPT 검사 중 심박수는 침수 후 30초 후에 RespEX가 CON에 비해 유의하게 높게 나타났으며, 침수 종료 시점(침수 120초 후)과 침수 후 회복시간 30초 시점에서도 동일한 경향과 유의차가 확인되었다(p <.05) (Fig. 5B). 운동 후 산소섭취량과 심박수는 트레드밀 운동 종료 후 회복 시간에 따라서 감소하지만 CON과 RespEX 모두 이러한 경향에서 유의한 차이는 없었다(Fig. 5C and D).

Fig. 5.

Cold pressure test response by respiratory muscle exercise training and changes in oxygen consumption and heart rate during the recovery period. (A) Mean arterial pressure measured by cold pressure test, (B) Heart rate measured by cold pressure test, (C) Oxygen consumption after exercise stress test, (D) Heart rate after exercise stress test. All data are presented as the M±S. D.

* p<.05, CON-Post (2nd test) vs. RespEX-Post (3rd test).

논 의

호흡근 운동은 횡격막을 비롯하여 흡기와 호기시에 동원되는 체간의 근육들을 강화시켜 간접적으로 심폐지구력에 간접적인 도움을 줄 수 있는 가능성이 있다고 알려져 있다[12-15]. 바꿔 말하면 이는 호흡근 운동은 유산소성 운동에 비해서는 신체조성이나 혈중 지질 변인과 같이 심혈관계에 직간접적으로 영향을 미칠 수 있는 변인에 영향을 미칠 가능성이 낮다는 것을 의미하기도 한다[21].

본 연구의 결과에서 체중과 골격근량, 체질량지수 그리고 혈압에서 호흡근 운동 중재 전과 후(Pre-RespEX vs. Post-RespEX)에 차이가 없었다는 사실은 분명 유산소성 운동에 비해 심혈관계 개선에 호흡근 운동이 미치는 영향은 상대적으로 크지 않다는 것을 유추하게 한다(Fig. 2A−E). 반면, 체중과 골격근량이 CON이 사전에 비해 사후에서 높았다(Fig. 2A and B). 하지만 이는 비중재 기간에 대상자 1명을 제외하고 모든 대상자가 미미하지만 일관적으로 증가된 체중과 근육량 때문인 것을 확인할 수 있었다. 노인의 흡기근과 사진 근력 및 골격근량의 유의한 상관관계가 있음을 시사하는 연구결과가 있기는 하였지만, 이는 흡기근의 단련이 근력과 골격근량의 증가를 가져온다는 사실을 의미하지는 않는다. 다만, 유산소성 운동을 위시한 흡기근의 장기간의 단련이 노년기 건강에 도움을 줄 수 있음을 일부 보여주는 결과였다[22].

주목할 만한 사실은 CON은 안정시 심박수가 사전에 비해 사후가 높았지만, RespEX는 사전에 비해 사후가 낮았다는 사실이다. 비록 본 연구에서 지속적인 유산소성 운동의 효과와 비교되지는 못하였으나, 이러한 결과는 반복된 흡기와 호기를 통해 호흡근이 단련되면서, 심장 건강에도 유익한 도움을 줄 수 있음을 시사하는 결과였다. 다만, CON 의 사후 검사에서 안정시 심박수가 증가되었고, 이는 RespEX 사전과 수치의 차이가 크게 없다는 것을 확인할 수 있다(Fig. 2F). 이러한 결과는 혈압과 심폐체력이 변화가 없는 상황에서 나타난 결과이기 때문에 호흡근 운동이 심장건강에 유익한 도움을 줄 수 있다고 확언하기는 힘든 이유이기도 하다(Fig. 2D, E, and 4B). 따라서 이전의 연구결과들을 검토하여 이에 대한 추가적인 논의가 이루어질 필요성이 있을 것이라 판단되었다. 이전의 연구결과에서 호흡근 운동을 통해 안정시 심박수와 함께 혈압 또한 개선된 건으로 보고되었다[23]. 본 연구와 일치되지 않는 이러한 결과는 해당연구의 대상자가 관상동맥질환 환자였기 때문으로 풀이된다. 본 연구의 대상자가 건강한 젊은 성인이였기 때문에 혈압의 개선은 크게 유도되지 못하였으나, 안정시 심박수의 개선 효과가 있었다. 더 나아가 이러한 결과는 장기간 호흡근 운동이 CVD 예방에 도움을 줄 수 있음을 보여주고 있다.

본 연구의 결과에서 호흡근 운동을 통한 흡기능력을 측정하였을 때에 strength index와 peak inspiratory flow가 CON과 RespEX 모두 사전에 비해 사후에서 유의하게 높은 것을 확인할 수 있었다(Fig. 3A and B). Strength index는 흡기근의 근력을 나타내는 변인으로 높을수록 등척성 수축력이 강하다는 것을 의미하고[24], peak inspiratory flow는 최대 흡기의 유속을 측정한 값이다. 하지만 측정방법에서 두 가지의 지표들은 3 cmH₂ O의 최소저항으로 측정되기 때문에 측정 시기 간의 누적 호기 흡기 횟수가 영향을 미쳤을 가능성이 높다. 즉, 단 1회이기는 하지만 Pre-CON 시기의 측정(최소저항으로 30회+개인 최대흡기압의 60%로 30회)이 훈련 누적효과로 작용하여, 최소저항 방법으로 측정하는 방식이 크게 영향을 미친 것으로 유추할 수 있었다. Volume 또한 최소저항 값으로 측정하지만 반복측정의 영향을 덜 받기 때문에 호흡근 훈련 전에 비해 호흡근 훈련 후가 유의하게 높은 것을 확인할 수 있었다(Fig. 3C). Volume은 1회 흡기시 최대의 유량값을 의미하며[25], 호흡근의 가동범위를 간접적으로 보여준다. 따라서, 호흡근의 단련은 횡격막을 비롯한 호흡근의 가동범위를 넓혀 흡기량을 크게 증가시킬 수 있음을 명확히 보여준다. 흡기능력 측정에서의 energy는 최대흡기압의 60%로 측정했기 때문에 측정 간의 훈련 누적효과가 미미하여, CON 과 RespEX의 명확한 차이를 보여줄 수 있다. 또한, energy는 흡기근의 힘과 흡기유량을 곱한 값으로 절대적인 일률을 의미하므로 실제적인 호흡근의 단련효과를 보여줄 수 있는 결과이다. 즉, 호흡근 단련으로 얼마나 호흡근의 운동능력이 좋은지를 확인할 수 있는 것이다. 따라서, 흡기능력 측정에서 가장 명확한 데이터는 energy라고 할 수 있다. Energy 측정결과는 RespEX에서 사전에 비해 사후에서 높았다(p <.0001) (Fig. 3D). 또한, 이러한 결과는 다른 호흡능력 변인들과 비교하여 가장 유의성이 높았으며, 그룹과 시기 간에 유의성 또한 크게 나타났다(p <.0001). 이는 직접적으로 호흡근 운동을 통하여 호흡근이 강화되었다는 것을 보여주는 결과였다. 현재까지 논의된 바를 종합하면 호흡근 운동은 훈련으로 인해 증가된 호흡근의 가동범위(흡기유량)와 흡기근의 힘으로 인해 안정시 산소섭취를 용이하게 하고, 안정시 심박수를 낮추는 효과가 있을 수 있을 가능성이 충분하다는 것이다.

호흡근 운동이 안정시의 산소섭취를 용이하게 하는 것과 안정시 심박수를 낮추는 효과가 있다는 것을 뒷받침하는 데이터를 본 연구에서 보여주고 있지만, 운동시에 나타나는 효과를 확인할 필요가 있었다. 이를 위해 우리는 최대운동부하검사를 통해 운동수행시간과 최대산소섭취량을 측정하였다. 호흡근의 능력 향상과 같은 경향으로 운동수행시간이 RespEX에서 사전에 비해 사후에서 긴 것을 확인할 수 있었다(p <.001) (Fig. 4A). 하지만, 최대산소섭취량의 경우 CON과 RespEX 모두 유의한 차이가 없었다(Fig. 4B). 이러한 결과가 시사하는 점은 단기간의 호흡근 운동은 유산소성 운동능력을 증가시키지는 못하고, 호흡근의 피로도 적응에 의한 물리적인 운동시간을 늘릴 수 있다는 것이다. 이는 이전의 연구에서 호흡근 훈련을 통해 사이클 선수의 운동 후 피로도를 감소시켰다는 연구결과에 의해 뒷받침된다[26].

CPT 결과는 평균 동맥압이 RespEX가 CON에 비해 침수 후 60초 구간에서 유의하게 높았지만(p <.05), 나머지 구간에서는 유의한 차이가 없었다(Fig. 5A). 그러나 CON의 CPT 중 평균 동맥압의 증가는 지속적으로 일어났지만, RespEX는 60초에서 120초 구간에서는 거의 일어나지 않았다는 점은 괄목할 만한 부분이다. 이러한 결과는 호흡근 운동을 통해 자율신경계의 활성화가 일어나고, 외부자극에 의해 동맥압이 상승하였을 때 부교감신경이 활발히 작용하여 빠르게 혈압조절 작용이 일어남을 보여주는 결과였다. 이러한 해석은 CPT 중에 RespEX가 CON과 비교하여 심박수가 덜 증가하는 것과 연관지을 수 있다(Fig. 5B). 그럼에도 불구하고 일반적으로 나타나는 CPT 중 동맥압의 증가는 고혈압 발병 위험이 높은 대상자에게서 과민하게 나타나기 때문에 해석에 유의해야 한다[27]. 본 연구의 대상자는 두 그룹이 같기 때문에 대상자의 차이가 아니라 동일한 대상자의 CPT 반응이다. 따라서, 본 연구의 동맥압 차이는 대상자에 따른 차이는 명확하게 아니며, 재측정에 대한 적응에 기인할 수도 있다. RespEX가 측정횟수가 1회 많았기 때문에 이 또한 재측정에 의해 적응된 CPT 반응 차이가 아님이 분명하다. 운동 후 회복시의 산소섭취량과 심박수는 CON과 RespEX 사이에 유의한 차이가 없었고(Fig. 5C and D), 이는 이전에 언급한 결과들과 마찬가지로 호흡근 운동이 유산소성 능력을 직접적으로 개선시키지 못한다는 것을 일관되게 보여준다.

본 연구에서는 호흡근 운동이 반복된 호흡근의 단련을 통하여 심장 건강에 일부 유익한 효과를 줄 수 있다. 특히, 호흡근의 강화 및 가동범위의 증가를 통해 안정시 산소섭취를 용이하게 하고 안정시 심박수를 낮추는 효과가 있음을 보여주었다. 또한 호흡근의 피로도 적응을 통한 물리적인 운동시간을 통한 운동지속시간 증가를 유도할 수 있고, 이는 유산소성 지구력 운동에 일부 도움을 줄 수 있음을 시사한다. 본 연구의 고혈압 예측 인자 측정법인 CPT는 호흡근 운동이 고혈압 발병 가능성을 낮출 수 있는 방법임을 일부 보여주었다. 그럼에도 불구하고 본 연구에서 호흡근 운동이 심근의 강화를 통해 유산소성 운동능력을 직접적으로 개선시킨다는 증거는 확인하지 못하였으며, 유산소성 능력의 지표인 최대산소섭취량의 변화를 보여주지 못하였다. 따라서 CVD를 비롯한 고혈압 예측 인자의 개선 또한 호흡근 운동을 통한 심혈관계의 개선을 통한 것인지 단언하기는 어려웠다. 호흡근 운동을 유산소성 운동과 함께 수행하였을 매우 심혈관계 건강에 매우 효과적인 개선을 보여주었던 이전의 연구결과와 같이 호흡근 운동은 분명히 유산소 운동의 보조적인 수단으로 보여진다[28]. 단, 확인된 심혈관계의 일부 개선효과들은 장기간의 호흡근 운동 또는 단련의 효과를 확인하는 추후 연구의 가치를 보여주고 있다.

결 론

호흡근 운동은 횡격막을 비롯한 호흡관련 근육의 강화와 가동범위의 증가를 통해 산소소비효율을 높이고, 이로 인해 안정시 심박수의 저하와 유산소성 운동시간을 늘리는 효과가 확인되었다. 심장 건강에 유익한 도움을 줄 수 있고, 고혈압 예측인자의 일부 제한적인 개선효과가 있었다. 그럼에도 불구하고 호흡근 운동을 통한 심근의 강화와 최대산소섭취량의 증대 그리고 회복능력의 증가는 확인되지 않았다. 결론적으로 호흡근 운동은 CVD 예방에 일부 도움을 줄 수 있지만, 유산소성 운동의 보조적 요법으로 활용되는 것이 합리적으로 보인다. 단, 제한적이지만 심혈관계에 개선에 유익한 영향을 줄 수 있는 근거와 CPT를 통한 CVD 예방의 근거가 확인되었으므로, 장기간 호흡근 운동 적용시에 나타나는 CVD 개선효과가 확인될 필요가 있다.

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