1. 서 론

체온조절의 관점에서 인체는 외각과 심부로 구성되며, 심부를 둘러싸고 있는 외각의 표면 온도가 피부온도이다. 변온동물의 피부온은 외기온에 의해 결정되는 것과 달리, 항온동물인 인간의 피부온은 주로 피부의 혈관 운동 및 피하지방량, 근육의 산열량에 의해 결정된다. 피부의 혈관이 확장되면 피부온이 상승하고 피부의 혈관이 수축되면 피부온이 하강하며, 피하지방이 두꺼운 부위의 피부온도는 적은 부위보다 상대적으로 낮다(LeBlanc, 1954). 이러한 이유로 안정 시 비만인의 평균피부온이 일반 체형인에 비해 낮다. 일반적으로 고령이 되면 근육량이 줄기 때문에 근육에서의 산열량도 줄어 청년군에 비해 평균피부온이 낮은 경향을 보인다(Blatteis, 2012).

열적으로 쾌적한 상태에서 인간의 평균피부온도는 33 ± 1°C로 알려져 있다(Kim, 1996). 열적 쾌적 상태에 있다고 할지라도 부위별 피부온도는 큰 차이를 보이는데, 심장과 뇌가 위치한 머리 및 몸통 구간부의 피부온도가 사지 말단부의 피부온도보다 높다(Huizenga, Zhang, Arens, & Wang, 2004). 손이나 발과 같은 사지 말단 부위에는 모세혈관이 풍부히 분포하여 고온 환경과 저온 환경 노출 시 급격한 말초혈관 확장 혹은 혈관 수축 현상이 나타나면서 외기와 인체 간의 열전달에 중요한 역할을 한다. Kim(1996)은 안정 시 한국인의 부위별 피부온을 월별로 실측하였고, 모든 계절에서 이마와 복부의 온도가 가장 높고 종아리 및 발의 피부온이 가장 낮음을 보고하였다. 1월 쾌적한 상태에서 측정된 성인 남성의 복부 온도와 발등 온도는 각각 34.8 ± 1.4°C와 31.1 ± 2.2°C로 발등온이 복부온에 비해 평균 3.7°C 낮았던 반면, 8월 동일한 남성 집단의 복부 온도와 발등 온도는 각각 35.2 ± 1.3°C와 34.9 ± 0.9°C로 평균 0.3°C의 차이를 보여 겨울에 비해 상대적으로 균일한 피부온 분포가 관찰되었다.

인간의 피부온도는 부위별 차이나 계절적 변동 뿐만 아니라 운동을 수행하는 동안 다양한 동적 변동을 보인다. 운동 시 발견되는 동적 특성은 더위나 추위 노출 시 혈관 운동(확장-수축) 반응이라기 보다 비온열성 요인(non-thermal factor)에 의한 것으로 여겨진다(Choi, Lee, & Lee, 2013). 즉, 달리기나 자전거와 같은 동적 운동을 하게 되면 시작 시 인체 말단 부위의 피부온도는 갑작스런 하강을 보이는데 이는 혈액의 급격한 재분배때문이다. 운동 시작과 함께 사지 부위의 혈액은 심장으로 몰리게 되며, 심장으로 몰린 혈액은 운동 시 주 사용 근육들로 재분배된다(Choi et al., 2013). 그러다가 운동이 어느 정도 진행되면 구간 부위(이마, 가슴, 등 부위 등) 피부온도에서 점진적 하강이 발생하기도 하는데 이는 비온열성 요인이라기 보다 국소 발한에 의한 증발열 손실 때문이다(Choi et al., 2013). 동적 운동을 종료하고 휴식을 취하게 되면 주요 근육으로 흐르던 혈액은 다시 사지 말단 부위로 재분배되어 말단 부위의 피부온이 급격히 상승하게 된다(Roh et al., 2023). 운동 시 비온열성 요인에 의한 피부온도의 변화는 운동의 강도 및 피험자의 심혈관계 능력 등에도 영향을 받는다(Ganse & Degens, 2020; Igarashi, Fernandes, Hernandez, Keutenedjian Mady, & Albuquerque, 2022).

이처럼 피부온도는 열적으로 쾌적한 상태일지라도 인체 부위별 혹은 계절별로 차이를 보이며, 동적 운동을 수행하게 되면 비온열적 요인에 의해 더 복잡한 변동을 보이게 된다. 피부온도는 이러한 요인들뿐만 아니라 정적 자세, 혹은 중력(중력가속도)에 의해서도 영향을 받는다. Shim(1993)은 선 자세, 의자에 앉은 자세, 바닥에 앉은 자세, 누운 자세에서의 부위별 피부온을 비교하였는데, 자세에 따른 피부온 차이는 구간부보다는 사지 말단 부위 피부온에서 더 현저했다. 네 가지 자세 중 사지 말단 부위의 피부온도는 의자 또는 바닥에 앉은 자세에서 가장 높았고, 누운 자세에서 가장 낮았다.

자세 변화에 따른 인체 혈액 재분배를 통해 중력가속도가 변하는 환경에 노출된 인체의 혈액 재분배 현상도 추정해볼 수 있다. 인간은 중력가속도 1 G (1기압)에 노출되어 살아가고 있으나, 공군 전투기 조종사나 우주인은 전투기(또는 우주선)의 급강하나 급상승 시 인체의 6~9배(6G~9G)에 달하는 중력가속도를 경험하게 된다. 이러한 고중력 환경에서는 체액이 하체로 이동하고 상체 및 머리 부위로의 혈류는 감소하면서 피부온과 체온 조절 기전에 변화가 유발된다(Kagelmann et al., 2023; Zhou et al., 2021). 반대로, 무중력(또는 미세중력) 환경에서는 지상의 정수압 효과가 소실되면서 체액이 상체와 머리 부위로 이동하고, 하체 부위의 혈류는 감소하는 재분배 현상이 나타나, 이로 인해 장시간 우주활동을 하는 우주인들은 puffy face와 bird legs 증상을 경험하게 된다(Greenleaf & Fortney, 1992; Heinimann, 2019).

우주인들이 우주 유영 활동 시 착용하는 선외 우주복 내에는 체온조절을 위한 액체순환복(Liquid Cooling and Ventilation Garment, LCVG)이 포함되어 있다. 미국 NASA와 러시아 우주복 내 포함된 액체 순환복 모두 스판덱스 메쉬 소재로 구성된 언더웨어 형태에 플라스틱 튜브가 삽입된 전신 수트로, 내장된 얇고 긴 플라스틱 튜브로 특정 온도의 물이 순환하면서 피부를 냉각시키는 방식이다(Koscheyev et al., 2009; Koscheyev & Leon, 2014). 이러한 액체순환복 착용 시 냉각 효율은 인체 부위별 피부온도 및 피부 혈류량에 큰 영향을 받는다(Jung, Kang, Seol, & Lee, 2020). 전술한 바와 같이 인체 혈액은 중력 수준에 따라 재분배되기 때문에 우주복용 액체순환복의 냉각 효율 평가는 지상 환경 뿐만 아니라 미세중력 상태를 모사한 지상환경에서도 진행하게 된다. 우주생리학 분야 연구자들은 다양한 실험을 통해 지상에서 미세중력 상태 모사를 위한 실험 프로토콜을 개발하였으며, 대표적인 미세중력 상태 모사 실험법이 침대 위 두부 하위 자세(Head-down tilt bed rest, HDT Bed rest) 실험이다(Pandiarajan & Hargens, 2020).

전술한 바와 같이 미세중력 상태에 노출되면 지상 환경에 비해 다리 부위의 혈류량은 줄고, 상체 부위의 혈액량은 증가하는데 이러한 변화는 액체냉각복의 냉각효율에도 영향을 미칠 것이다. 장단기 HDT 실험을 통해 피부 혈류의 재분배, 체온 조절 반응 손상, 체온의 일주기 리듬 변동 현상 등을 보고한 연구들(Bonmatí-Carrión et al., 2024; Crandall, Johnson, Convertino, Raven, & Engelke, 1994; Wilson, Shibasaki, Cui, Levine, & Crandall, 2003)은 다수 존재한다. 그러나 두부 하위 자세를 취하는 동안 인체 말단 부위로부터의 열 손실을 기본 자세를 취하는 동안 손에서의 열손실과 비교한 연구는 거의 없다. 본 연구는 연속 15일 혹은 60일 등 장기간 HDT 실험에 참여한 피험자들의 체온조절 반응 변화를 탐구하기보다, 우주복 장갑의 체온조절 기능 개선을 목적으로 미세중력을 포함한 다양한 자세에서 손으로부터의 방열량을 비교하고자 하였다. 이에 본 연구에서는 우주에서의 미세중력 상태를 모사한 침대 위 두부 하위 자세와 지상에서의 기본자세인 선 자세, 수평으로 누운 자세에서의 인체 부위별 피부온 변화를 분석하였고, 각 자세에서 액체순환장갑을 이용해 한 손을 냉각하는 동안 각 자세에 따른 손 방열량의 차이를 비교 분석하였다. 본 연구의 연구 문제는 다음과 같다. 첫째, 세 가지 자세에서 몸통 부위 온도 변화는 어떻게 다를 것인가? 둘째, 세 가지 자세에서 손과 발의 온도 변화는 어떻게 다를 것인가? 셋째, 두 가지 누운 자세 (바르게 누운 자세와 두부 하위 자세)에서 몸통 부위 온도 변화는 어떻게 다를 것인가? 넷째, 손으로부터 방열량은 세 가지 자세 간 차이를 보일 것인가?

2. 연구 방법

2.1. 피험자

본 연구에는 총 여덟 명의 건강한 젊은 남성(나이 24 ± 3세, 키 173 ± 3 cm, 체중 73 ± 11 kg, 체표면적 1.90 ± 0.14 m², 체지방률 21.3 ± 5.7%)이 피험자로 참여하였다. 체표면적은 한국인 체표면적 추정식(Lee, Choi, & Kim, 2008)으로 추정하였으며, 체지방률은 생체전기측정법에 기반을 둔 체성분분석기 (InBody970, InBody, Korea)을 이용하여 측정하였다. 모든 실험은 5월에 실시되었다. 모든 피험자는 실험 참여 전 24시간 동안 음주 및 격렬한 운동을 삼가도록 교육되었다. 모든 피험자는 실험에 참여하기 전에 실험에 대한 충분한 설명을 듣고 서면 동의서에 서명하였다. 본 연구는 서울대학교 생명윤리위원회의 승인을 받았다(IRB No. 2309/004-024).

2.2. 실험조건 및 실험과정

실험조건은 총 세 가지로, 선 자세(Standing), 바르게 누운 자세(Supine), 두부 하위 자세(Head-Down Tilt, HDT)였으며 두부 하위 자세는 피험자들의 머리 쪽이 아래로 10° 기울어지게 구성되었다(Figure 1C).

Figure 1.

Three conditions in the present study: standing (A), supine (B), and 10° head-down tilt (C).

실험은 기온 24 ± 1°C, 습도 60 ± 5%RH로 유지되는 실내 환경에서 수행되었다. 피험자들은 실험 준비실에 도착하자마자 탈수를 방지하기 위해 먼저 물(330 ml)를 마시고 화장실에 다녀온 후 실험용 속옷으로 갈아 입었다. 속옷과 랩 가운만 입은 상태에서 체중을 측정하고, 피부온과 심부온 센서를 인체에 장착한 후 실험용 의복인 반팔 셔츠(면 100%. 136 g)와 긴바지(면 76%, 폴리에스터 24%, 619 g), 양말을 착용하였다. 1회 실험은 총 60분(10분 안정, 자세 조건 40분, 회복 10분)으로 구성되었으며, 심박수가 안정 수준임을 확인한 후 실험을 시작하였다. 각 자세에서 한 손으로부터의 방열량을 정량화하기 위해 모든 피험자는 실험 시작 30분부터 종료 시까지 후반 30분 동안만 자체 제작된 액체순환장갑을 왼손에 착용하였다(Figure 2). 액체순환장갑은 겉감의 나일론과 안감의 폴리우레탄, 스판메쉬 혼방으로 짜인 두 겹의 직물에 PVC 튜브(내부 직경 6 mm, 총 3 m)를 삽입하여 액체가 순환할 수 있도록 자체 제작하였다(Figure 2). 액체순환장갑은 벙어리 장갑 형태로 지퍼로 열고 닫을 수 있도록 디자인 되었으며 Figure 2는 지퍼를 열고 펼친 상태(안쪽)를 묘사한다. 본 연구에서는 동일한 디자인으로 두 가지 다른 사이즈(사이즈 L 274 g, 사이즈 S 238 g)를 제작한 후 피험자들 스스로 가장 잘 맞는 사이즈의 액체순환장갑을 골라 착용하도록 하였다. 장갑 액체 순환을 위해 전용 냉각 수조(RW3-0525, JEIO TECH)를 사용하였으며, 액체순환장갑의 내부에 삽입된 PVC 튜브 표면 온도(손 피부에 닿는 부분의 온도)가 7°C 되도록 물의 온도를 유지하였다(냉각 수조에 세팅된 물의 온도는 약 6°C). 액체순환장갑을 흐르는 액체의 유량(ml/min)은 장갑 사이즈별로 직접 측정되었다. 모든 실험은 오전 9‒12시 사이에 진행되었으며, 실험 참여 순서에 의한 영향을 배제하기 위해 피험자들은 세 가지 실험 조건에 랜덤 순서로 참여하였다.

Figure 2.

A water perfused glove used in the present study. The glove is a mitten with a long zipper. The figure shows the glove unfolded from the inside.

2.3. 측정항목

피부온은 인체 11 부위(이마, 가슴, 등, 복부, 아래팔, 손등, 가운데 손가락, 넓적다리, 종아리, 발등, 검지 발가락)에서 5초 간격으로 연속 측정하였다(LT-8A, Gram Corp., Japan, Figure 3). 이마와 복부를 제외한 나머지 피부온은 모두 인체 왼쪽 부위에서 측정되었다. 심박수는 가슴 부위 측정 벨트와 손목 수신기를 이용하여 1초 간격으로 연속 측정되었다(RS400, Polar Electro, Finland). 혈압은 안정기, 장갑 착용 전(자세 조건 수행 중), 장갑 착용 중, 회복기에서 오른쪽 상완에 자동혈압계를 사용하여 매 3회 측정 후 평균값을 대푯값으로 사용하였다(HEM-7200, Omron, Japan). 산소포화도(Radical-7, Masimo Corp., USA)는 액체순환장갑을 착용하고 있지 않은 오른쪽 검지에서 총 4회 측정하였으며, 각 회당 3회 측정한 값의 평균값을 대푯값으로 사용하였다. 혈압과 동시에 측정되지 않도록 시간을 교차 조정하였다. 자세에 따른 불감증설을 추정하기 위해 실험 시작 직전과 직후 인체천칭(ID2, Mettler Toledo, Germany; resolution 1 g) 을 이용하여 체중을 측정하였다. 체중은 실험 직전과 직후 각 3회 측정하여 평균값을 사용하였고 호흡에 의한 수분 손실량으로 체중변화량을 보정하지는 않았다. 액체순환장갑을 착용하고 한 손을 냉각하는 동안 손으로부터 빠져나간 방열량 계산을 위해 액체순환장갑으로 유입되는 물의 온도 (inlet 물 온도) 및 장갑에서 나오는 물의 온도(outlet 물 온도)를 1초 간격으로 연속 측정하였다. 장갑의 inlet과 outlet은 전용 water bath (RW-0525G, JEIO Tech, Korea; 총액체 순환용량 5 L, 온도조절 범위 –25~150°C, 해상도 0.01°C)에 연결되어 7°C로 유지되었으며 inlet과 outlet의 물 온도는 해당 튜브 내부에 소형 서미스터 센서를 심어 모니터링하였다. 정신·심리적 측정항목으로 한서감(전신과 왼손), 온열쾌적감(전신), 어지러움 정도를 10분 간격으로 측정하였다. 한서감은 9점 척도 (–4: 매우 춥다, –3: 춥다, –2: 시원하다, –1: 약간 시원하다, 0: 춥지도 덥지도 않다, 1: 약간 따뜻하다, 2: 따뜻하다, 3: 덥다, 4: 매우 덥다), 온열쾌적감은 7점 척도 (–3: 매우 불쾌하다, –2: 불쾌하다, –1: 약간 불쾌하다, 0: 둘 다 아니다, 1: 조금 쾌적하다, 2: 쾌적하다, 3: 매우 쾌적하다), 어지러움은 5점 척도 (0: 전혀 어지럽지 않다, 1: 조금 어지럽다, 2: 어지럽다, 3: 꽤 어지럽다, 4: 매우 어지럽다)를 사용하였다.

Figure 3.

Experimental protocol and measurement intervals.

2.4. 데이터 분석

평균피부온(Mean T_sk)은 수정된 Hardy와 DuBois 식(Hardy & Dubois, 1938)을 적용하여 (식 1)과 같이 계산하였다. 액체순환장갑을 통한 방열량(HE, Heat Extraction)은 튜브 inlet과 outlet 내부 물 온도 및 장갑의 액체 순환 유량을 이용하여 계산하였다(식 2). 수축기 및 이완기 혈압을 이용한 평균 동맥압(MAP)은 (식 3)을 이용하여 계산하였다.

Where, H_w: water flow rate (l·min^-1); C_w: water specific heat 1 kcal·kg^-1·°C^-1; T_wi: inlet water temperature; T_wo: outlet water temperature.

Where, SP: systolic pressure; DP: diastolic pressure.

통계분석은 SPSS 29.0을 이용하여 수행하였으며, 모든 데이터는 평균과 표준편차(Mean ± SD)로 제시되었다. 초기 10분 안정기, 40분 자세 조건 수행, 10분 회복기의 대푯값으로 각 단계의 마지막 3분 평균값을 사용하였다. 세 가지 자세 조건 간 차이는 일원배치 분산분석(One-way ANOVA)을 사용하여 분석하였으며, 유의한 차이가 있는 항목에 대해 Tukey’s post-hoc test로 사후검정하였다. 결과의 통계적 유의성은 p < 0.05로 정하였다.

3. 연구결과

3.1. 평균피부온

시간에 따른 평균피부온의 변화를 살펴보면 초기 의자에 앉은 상태에서 안정 시 서서히 상승하다 선 자세로 변경한 경우 평균 피부온은 감소하나 두 가지 누운 자세로 변경한 경우 평균피부온은 점점 상승하는 경향을 보였다(Figure 4). 이후 한 손에 액체순환장갑을 착용하게 되면 세 조건 모두에서 평균피부온은 감소하였다(Figure 4). 자세변경 40분 (10–50th min) 동안 평균피부온은 세 조건 모두 평균 32.8~32.9°C로 통계적인 유의차는 보이지 않았으나, 초기 앉은 자세에서의 안정 시 값 대비 변화량에서는 차이를 보여 선 자세에 비해 누운 자세에서의 평균피부온 감소량이 유의하게 컸다(Table 1).

Figure 4.

Time courses of mean skin temperature for the three posture conditions (HDT represents Head-down tilt).

3.2. 부위별 피부온

총 11 부위의 피부온 중, 자세별 유의차가 발견된 부위는 가슴, 등, 복부, 손가락, 발가락이었으며, 이마, 아래팔, 손등, 넓적다리, 종아리, 발등온은 자세 조건별 유의차가 발견되지 않았다. 가슴과 등, 복부 온도를 평균한 몸통 부위 온도의 경우 두 가지 누운 자세에서는 점점 증가하다 왼손 냉각이 시작된 시점부터 더 큰 폭으로 증가한 반면 선 자세에서 몸통 온도는 미세한 증가만이 관찰되었다(Figure 5A). 가슴 온도는 총 40분의 자세 유지 동안 선 자세 0.23 ± 0.54°C, 바르게 누운 자세 0.64 ± 0.60°C, 두부 하위 자세 1.57 ± 0.97°C 상승, 복부 온도는 선 자세 0.52 ± 0.42°C, 바르게 누운 자세 1.92 ± 0.75°C, 두부 하위 자세 1.60 ± 0.38°C 상승한 반면, 등 온도는 선 자세 –0.15 ± 0.77°C, 바르게 누운 자세 2.93 ± 0.56°C, 두부 하위 자세 2.51 ± 0.92°C 상승하여 몸통 부위 중에서는 가장 큰 증가량을 보였다(Figures 5B, 6A). 손가락 온도는 자세 초기 노출 (10–30th min) 동안 큰 변화는 없었으나, 7°C로 유지되는 액체순환장갑 착용과 함께 급격히 감소하였고, 감소량은 선 자세에 비해 두 가지 누운 자세에서 유의하게 컸다(선 자세 –6.06 ± 3.07°C, 바르게 누운 자세 –14.47 ± 5.14°C, 두부 하위 자세 –13.20 ± 6.65°C; p < 0.001, Figures 5C, 6B). 발가락 피부온도는 선 자세에서는 증가했으나, 바르게 누운 자세와 두부 하위 자세에서는 감소하였다(선 자세 0.82 ± 1.31°C, 바르게 누운 자세 –1.05 ± 1.68°C, 두부 하위 자세 –1.29 ± 1.52°C; p < 0.05, Figures 5D, 6B).

Figure 5.

Time courses of trunk (A), upper back (B), finger (C), and toe temperatures (D) for the three conditions (All data were expressed as mean ± SD; HDT represents Head-down tilt; *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001).

3.3. 심박수, 혈압, 산소포화도, 불감증설

의자에 앉은 자세로 초기 안정 시 심박수는 세 조건 간 유의한 차이 없이 평균 76–80 bpm을 유지하였으나, 자세 수행 중에는 두 가지 누운 자세에 비해 선 자세에서 유의하게 높았다(p < 0.05, Table 2). 각 자세를 취하는 동안 심박수는 선 자세에서는 8 ± 10 bpm 만큼 증가한 반면, 바르게 누운 자세 및 두부 하위 자세에서는 각각 –4 ± 3 bpm, –8 ± 4 bpm만큼 감소하였고, 두 가지 누운 자세 간에도 유의한 차이가 발견되었다(p < 0.001, Table 2). 수축기 및 이완기 혈압 모두 두 가지 누운 자세에 비해 선 자세에서 유의하게 높은 값이 발견되었고, 바르게 누운 자세 및 두부 하위 자세에서는 앉은 자세에서의 초기 안정 시 혈압보다 낮은 값이 발견되었다(p < 0.01, Table 2). 손가락 끝에서 측정된 산소포화도는 세 조건 간, 측정 시점 간 유의한 차이 없이 평균 97~98%가 유지되었다. 체중변화량으로 추정한 불감증설량은 선 자세, 바르게 누운 자세, 두부 하위 자세 간 유의한 차이 없이 각각 142 ± 72 g/trial, 117 ± 28 g/trial, 131 ± 67 g/trial이었다.

3.4. 액체순환 장갑을 통한 손의 방열량

액체 순환 장갑 착용한 손에서의 방열량은 선 자세에서 1.57 ± 0.99 kcal/min, 바르게 누운 자세에서 1.44 ± 0.86 kcal/min, 두부 하위 자세에서 1.69 ± 0.91 kcal/min 로 세 조건 간 유의한 차이는 보이지 않았다.

3.5. 주관감

전신 한서감은 세 자세 조건 간 유의한 차이 없이 모든 시점에서 평균 0.0~–1.0점을 보였다. 손의 한서감도 세 자세 조건 간 유의한 차이를 보이지 않았으며, 액체순환장갑을 착용한 마지막 시점(49–50th min)에서의 손 한서감은 선 자세에서 평균 –1.0 ± 0.0점, 바르게 누운 자세 –2.0 ± 1.0점, 두부 하위 자세 –2.0 ± 1.0점으로 두 가지 누운 자세에서 더 서늘하게 느꼈으나 통계적으로 유의한 차이는 발견되지 않았다. 전신 온열 쾌적감은 세 자세 조건 간 유의한 차이 없이 모든 시점에서 평균 0.0점이었으며, 어지러움 정도도 세 자세 조건 간 유의한 차이 없이 모든 시점에서 평균 0.0점이 보고되었다.

4. 논 의

4.1. 각 자세별 몸통 및 말단 부위 피부온의 변화

본 연구 결과 자세 노출 40분 동안 평균피부온은 세 가지 자세 조건별 유의한 차이 없이 33°C 수준이었으나 초기 앉은 자세에서의 안정기 평균피부온도 값 대비 변화율에서는 유의한 차이를 보여 선 자세에서는 큰 변화가 없었으나 두 가지 누운 자세를 취하는 동안 평균피부온은 점점 증가하였고(Figure 4, Table 1), 이러한 증가는 가슴, 등, 복부와 같은 몸통 부위의 피부온 증가에 기인하였다(Figure 5A, B, Figure 6A). 누운 자세에서 몸통 부위의 온도가 증가하는 동안, 인체 말단 부위인 발가락 부위의 온도는 감소하였으나 몸통 부위 온도 증가량(등 온도 약 2~3°C 증가)에 비해 발가락 부위 온도 감소량(약 1°C 감소)이 상대적으로 적었고, 다른 말단 부위인 손이나 손가락 부위 온도는 거의 감소하지 않았기 때문에 평균피부온 계산 결과(식 1)는 ‘증가’로 나타났다. 즉, 선 자세에 비해 두 가지 누운 자세에서 가슴이나, 등, 복부로 향하는 혈류는 증가하였고, 발가락으로 향하는 혈류는 감소하였으나, 손이나 손가락, 머리로 향하는 혈류는 크게 변하지 않은 것으로 추정할 수 있다.

Figure 6.

Changes in chest, upper back, abdomen, finger and toe temperatures during the posture duration for the three conditions (All data were expressed as mean ± SD; HDT represents Head-down tilt; *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001).

피부온 분포에서 흥미로운 점은, 예상과 달리 바르게 누운 자세와 두부 하위 자세 간 통계적으로 유의한 차이가 발견되지 않았다는 점이다. 우주생리학 분야 연구들에 따르면 미세중력 환경에서 체액 재분배를 가장 잘 모사하는 자세가 두부 하위 자세이다. 두부 하위 자세를 유지하는 실험은 최소 5일에서 최장 60일 간 침대에서 휴식을 취하는 연구(HDT best rest studies)를 의미한다(ESA, 2023). 연속 5~14일(2주 이내) bed rest [BR]를 단기 (STBR), 15~59일(2주~두 달)을 중기(MTBR), 60일 이상(두 달 이상)을 장기 실험(LTBR)으로 구분하며, 유럽 우주국(European Space Agency, ESA)이나 미국 NASA에서는 각 기간별 bed rest 실험의 프로토콜을 마련하고 있다(ESA, 2023). 연속 5일에서 60일 간 식사, 화장실, 샤워, 수면 등을 포함한 24시간의 일상 생활 모두를 머리 부위가 기울여진 침대에 누운 채로 수행하게 되는데, 이를 통해 인체의 혈액 및 근육 등은 미세중력 환경으로 조정되게 된다(Hargens & Vico, 2016). 본 연구에서 바르게 누운 자세와 두부 하위 자세 간 통계적으로 유의한 차이가 발견되지 않은 이유는 40 분이라는 초단기 노출 때문인 것으로 사료된다. 한편, 침대에 누운 자세에서 머리의 각도를 어느 정도 낮추는 것이 미세중력을 가장 잘 반영하는지도 0~15°HDT에 해당하는 일련의 실험을 통해 현재는 6°로 동의되고 있다(ESA, 2023). 본 연구에서 두부 하위 자세 경사를 6°보다 큰 10°로 정한 이유는 40분이라는 초단시간 노출이었기 때문에 두부 하위 자세 효과를 어느 정도 증폭시키기 위함이었으며, 머리 경사를 –15°까지 깊게 설정하지 않은 이유는 피험자들의 안전을 고려하였기 때문이다. 그럼에도 불구하고 바르게 누운 자세와 10°HDT 자세 간 부위별 피부온에서 유의미한 차이가 관찰되지 않았기 때문에, 혈액의 재분배를 통한 피부온 변화를 관찰하기 위해서는 5일 이상의 연속 노출이 필요할 수도 있다. 엄밀히 말해 본 연구는 충분히 긴 시간의 Bed rest 연구가 아니라 두부 하위 자세를 포함한 자세 변화 연구라고 볼 수 있으며, 추후 ESA나 NASA의 실험 프로토콜과 같이 5일 이상의 bed rest 연구를 계획해 볼 필요가 있다.

4.2. 각 자세별 심박수 및 혈압의 변화

심박수는 초기 안정기(앉은 자세)에 비해 선 자세에서 평균 8 bpm 증가한 반면, 바르게 누운 자세에서는 4 bpm 감소, 두부 하위 자세에서는 평균 8 bpm 감소하여, 세 조건 간 서로 통계적으로 유의한 차이를 보였다(Table 2). ISO 8996(2021)에서는 누워서 쉬는 경우 건강한 성인의 에너지 대사량을 45 W/m², 앉아서 쉬는 경우 55 W/m², 편안하게 서 있는 자세에서는 70 W/m², 서서 간단한 수작업을 하는 경우 에너지 대사량을 100 W/m²로 제시한다. 건강한 성인의 안정 시 분당 심박출량은 약 5 리터로 이는 심박수와 일회 박출량(stroke volume)의 곱에 해당된다(Kang, 1998). 안정 시 심박수가 70~80 bpm일 경우 일회박출량은 60~70 ml가 된다. 본 연구에서 앉은 자세에서 선 자세로 변경한 경우 심박수는 평균 8 bpm 증가하였는데, 이는 분당 심박출량이 약 480~560 ml 증가했다는 의미로, 이렇게 증가된 순환 혈액은 선 자세에 필요한 근육이나 관련 신경계에 사용되어 에너지 대사량을 증가시키게 된다. 유사한 원리에서 누운 자세에서의 에너지 대사량은 감소하게 되는데, 본 연구에서 에너지 대사량을 직접 측정하지는 않았으나 심박수 감소 정도로 추정해 볼 때 두부 하위 자세에서 에너지 대사량이 바르게 누운 자세에 비해 더 적을 것이라 예상할 수 있다.

본 연구에서는 수축기 및 이완기 혈압 모두 선 자세에 비해 두 가지 누운 자세에서 유의하게 낮았으며, 두 가지 누운 자세 간 유의한 차이는 발견되지 않았으나, 수축기와 이완기 혈압을 바탕으로 계산되는 동맥압(MBP)에서도 이와 동일한 결과가 발견되었다(Table 2). 건강한 성인의 경우 앉은 자세에서 체내 동맥압은 머리, 심장, 발 부위 각각 75, 100, 155 mmHg이나 선 자세를 취하게 되면 정수압의 영향에 의해 각 75, 100, 190 mmHg로 발 부위를 순환하는 혈액의 압력이 증가하게 된다(Eiken, 2025). 바르게 누운 자세를 취하는 경우 동맥압은 머리, 심장, 발 부위 모두 100 mmHg로 동일하며, 두부 하위자세에서는 약간의 변동이 발생하여 105, 100, 95 mmHg (6°HDT)로 맞춰지게 된다(Eiken, 2025). 본 연구에서는 인체 부위별 동맥압을 측정할 수는 없었으나, 평균 동맥압은 선 자세 101 mmHg, 바르게 누운 자세 88 mmHg, 두부 하위 자세 85 mmHg로 선 자세에 비해 두 가지의 누운 자세에서 유의하게 낮은 혈압이 발견되었다.

4.3. 사지 말단부의 피부온과 손으로부터 방열량

본 연구에서 손 냉각이 이루어지기 직전 시점까지 손이나 손가락의 피부온은 자세별 유의한 차이는 없었으나, 발가락온에서는 차이를 보여 선 자세에 비해 두 가지 누운 자세에서 점점 감소하는 경향을 보여주었다. 흥미로운 점은 한 손을 액체 순환 장갑 착용에 의해 냉각을 하게 되면 누운 자세에서 손가락 온도의 감소율이 크게 증가한다는 것이다. 즉, 단순 자세 변화가 이루어진 경우 손가락 온도에서 자세별 차이는 관찰되지 않으나(Figure 5C), 손을 냉각한 경우 손가락 온도의 감소율은 선 자세보다 누운 자세에서 유의하게 컸다(Figure 6B). 즉, 두부 하위 자세에서 손 냉각에 의한 손가락 온도의 감소는 평균 14.5°C로 선 자세에서 손가락 온도 감소 평균 6.1°C에 비해 무려 8.4°C 더 하강하였다. 즉, 손 냉각이 없는 경우 유사한 수준을 보이다가, 손 냉각이 행해진 경우 더 강한 피부온 하강을 보이는 이유는 선 자세에 비해 누운 자세, 특히 두부 하위 자세에서 피부 혈관 수축 반응이 더 강해짐을 의미한다.

피부혈관의 확장과 수축은 크게 신경성 및 액성 요인에 의해 조절된다. 추위에 노출되면 교감 신경이 활성화되면서 혈중 노르에피네프린 분비가 증가하고, 이는 피부 혈관 내 평활근의 알파 아드레날린 수용체에 결합되면서 피부 혈관은 수축된다(Choi et al., 2013). 액성 조절은 혈액 내 순환하는 호르몬이나 화학적 물질에 의한 조절을 의미하는데, 혈관 수축을 유도하는 물질로는 노르에피네프린, 엔도텔린, 바소프레신, 안지오텐신 등이 있다(Choi et al., 2013). 본 연구 결과에 따르면 동일한 수준의 인체 말단 부위 냉각을 가하여도, 누운 자세에서는 선 자세보다 더 강한 피부혈관 수축이 발생하였으므로, 이는 누운 자세에서 교감 신경 조절 혹은 액성 조절이 더 활성화되었음을 의미한다. 일반적으로 누운 자세보다 선 자세에서 교감신경이 더 활성화된다고 여겨지지만, 본 연구 결과는 인체 국소 냉각에 대한 피부 혈관의 민감도는 누운 자세에서 더 강화되었기 때문에 인체 피부 냉각에 대한 교감신경은 더 활성화되는 것으로 추정할 수 있다. 추후 혈중 노르에피네프린 농도 등을 함께 측정한다면 이러한 추정을 확인해 볼 수 있다. 단, 두 가지의 누운 자세에서 손가락의 온도 저하가 선 자세에 비해 유의하게 컸으나, 손등에서 유의한 차이는 발생하지 않았기 때문에 손으로부터 방열량도 유의한 차이 없이 유사한 수준인 것으로 보인다. 인체 국부 냉각 연구에서 손등과 손가락 피부온의 변화, 혹은 발등과 발가락 피부온의 변화는 구분되어 해석될 필요가 있다(Stenkina et al., 2024).

5. 결 론

본 연구는 미세중력 상태를 모사한 두부 하위 자세(Head-Down Tilt, HDT)를 포함하여, 선 자세, 바르게 누운 자세 간의 인체 피부온 변화 및 손으로부터의 방열 특성을 비교함으로써 자세 변화가 열생리 반응에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 연구 결과, 바르게 누운 자세와 두부 하위 자세에서 주로 가슴, 등, 복부 등 몸통 부위의 피부온은 증가하고 발가락 부위의 피부온은 감소하였다. 자세 후반부 액체순환장갑을 착용하여 국부 냉각을 수행하는 동안 손가락 온도는 선 자세보다 누운 자세에서 더욱 급격히 하강하는데 이는 누운 자세에서 말초 혈관 수축 반응이 상대적으로 강화되었음을 의미한다. 그러나 동일한 국부 냉각 자극 조건에서 손으로부터의 방열량은 세 자세 간 유의한 차이를 보이지 않아, 국소 냉각 효율에는 체위 변화의 영향이 제한적임을 확인하였다. 이러한 결과는 우주복 내 착용하는 액체순환복의 인체 말단 부위 냉각 효율이 우주 유영 활동 중 다양한 자세 변화에도 크게 달라지지 않을 가능성을 시사하며, 작업 자세의 변화보다는 냉각 부위의 표면적이나 피하지방 분포, 액체 유량이나 냉각 온도 조절과 같은 설계 요인이 냉각 효율 결정에 더 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 다만 본 연구는 단기간(40분)의 자세 노출로 수행되어 장기적인 체액 재분배 효과나 미세중력 적응 반응을 충분히 반영하지 못하였다는 한계가 있다. 향후 연구에서는 장기간의 HDT bed rest 실험 조건에서의 체온조절 반응 검증, 냉각 부위의 확장(팔·다리 구간 냉각) 및 냉각 강도의 단계적 조절 실험이 필요하다. 또한 신경·호르몬성 혈관조절 기전(예: 혈중 노르에피네프린 농도)의 분석을 병행함으로써, 미세중력 환경에서의 열생리 반응을 보다 정밀하게 규명할 수 있을 것이다.