에너지소비량 측정

<에너지소비량 측정>

휴식이나 특별한 운동을 할 때 한 개인의 에너지소비량을 측정하는 것은 실제로도 굉장히 많은 분야에서 사용된다. 다이어트 프로그램에서 사용되는 운동을 통한 보조적인 에너지소비의 측정이 좋은 예시가 될 수 있을 것이다. 다양한 속도로 달리기, 걷기, 수영 등을 하는 데 소모되는 에너지를 아는 것은 다이어트에 도움이 되는 운동모델을 이용하는 개인에게 꼭 필요하다. 직장근로자들은 일터에서 여러 분야의 업무에 의해 소비되는 에너지를 측정받아야 하며, 이러한 정보는 근로자들에게 더 좋은 직업을 할당하는 것에 굉장히 많은 도움을 줄 것이다.

이러한 이유로 신체적 근로자들은 각 그들만의 신체적 건강과 능력에 맞추어 적합한 에너지소비량이 요구되는 작업에 배정해주는 관리자를 더욱더 선호할 것이다. 일반적으로 인간의 에너지 측정량을 나타내는 방법에는 두 가지가 있는데 하나는 직접열량 측정법, 나머지는 간접열량 측정법이 있다.

 

-직접열량 측정법-

신체가 일을 할 때 에너지를 사용하게 되면 열이 발생한다. 세포들에 의한 열의 발생은 세포의 호흡과 세포작용으로부터 발생하는데, 그 과정을 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다

 

영양소 + 산소 --> ATP + 열 --> 세포작용 + 열 생산

 

개인의 열 발생속도는 대사율과 직접적으로 관련이 되어 있음에 유의해야 한다. 사람의 열 생산을 측정하는 것은 대사율을 측정하는 것과 같다. 열에너지를 측정하는 일반적인 단위로는 칼로리(calorie)이다. 칼로리는 1g의 물을 1도 올리기 위해 필요한 열의 양을 의미한다. 하지만 칼로리는 굉장히 적은 단위이기 때문에 에너지소비량이나 음식의 에너지의 양을 표한하는 데 사용되는 용어는 킬로칼로리(kilocalorie kcal)이다. (1kcal = 1,000 cal)

킬로칼로리(kilocalorie)를 국제단위(SI) 체계로 바꿀 때 1kcal는 4,186J이나 4,186KJ와 같이 나타낼 수 있다.

열 생산을 측정함으로써 사람의 대사율을 측정하는 과정을 직접열량 측정법(direct calorimetry)라고 한다. 이 직접열량 측정법은 18세기부터 과학자들에 의해 오늘날까지 사용되고 있다. 이 기술은 사람이 환경에 의해 보호되는 장소(주로 방을 둘러싸고 있는 물 때문에 산소와 이산화탄소 간에 자유로운 교환이 가능한 좁은 방, 열량계라고도 부름) 안에 들어 가게 하는 것으로, 사람의 체온은 방 주위를 돌고 있는 물의 온도를 증가시킨다. 그리하여 일정 시간 동안 온도 변화량을 측정하여 열이 얼마나 발생하였는지를 알 수 있다. 또한 호흡기관을 통해서 피부에 있는 수분이 증발하므로 사람은 열을 잃게 된다. 사람의 열 사용량을 내기 위해 이러한 열 손실에 대해서 계산한 값과 물이 받아들인 전체 열의 양을 더한다.

 

-간접열량 측정법-

직접열량 측정법이 대사율을 측정할 때 사용할 수 있는 정확한 기술이지만, 사람은 운동생리학 연구를 위하여 충분히 큰 방을 설치하는 것은 비용적인 부분에서 큰 부담이 될 수밖에 없는 부분이다. 또 운동 중에 대사율을 측정하기 위해 직접열량 측정법을 이용하는 것은 생각보다 매우 복잡하다. 이유는 에르고미터 자체도 열을 발생시키기 때문인데, 다행히 대사율을 측정할 때 사용할 수 있는 다른 방법이 존재한다. 이를 우리는 간접열량 측정법(indirect calrimetry)라고 부른다. 열 생산량을 측정할 때 직접적으로 관여하지 않기 때문에 이와 같이 불린다.

간접여량 측정법의 이론은 아래의 관계에 의해 설명할 수 있다.

 

영양소 + 산소 = 간접열량 측정법

열 생산 + 이산화탄소 + 물 = 직접열량 측정법

 

신체의 산소소비량과 열 생산량 사이에 직접적인 관계가 존재하기 때문에, 산소소비량을 측정하면 대사율에 대한 추정치가 나오게 된다. 산소소비량을 열 대사당량으로 바꾸기 위해 어떤 종류의 영양소(지방, 단백질, 탄수화물 등)가 대사작용을 하였는지 알아야 한다. 그중에서 지방이 유일하게 대사가 이루어질 때 에너지가 4.7kcal(또는 19.7KJ)/L O2로 방출되고, 탄수화물만 사용될 때 에너지는 5.05kcal(또는 21.13kJ)/L O2로 방출된다. 보통 산소 1L당 대략 5kcal(21KJ)이라고 가정할 수 있다. 때문에 많은 사람이 운동을 하면서 분당 2L만큼의 산소를 소비했다면 대략 1분에 10kcal(42KJ)을 소모한 것이다. 오늘날 산소소비량을 측정하는 데 있어서 가장 일반적으로 사용되는 기술은 "개방회로 폐활량측정법(open-circuit spirometry)이다. 과거 측정방식은 피험자가 노즈클립(코로 숨을 쉬는 것을 방지하기 위해)을 착용하여 입으로 배출된 호흡기체가 바로 수집되는 백(더글라스 백)으로 가게 만든 후, 다시 흡기 시에는 실험실 안의 공기를 마시게 하기 위해 호흡밸브를 이용하였는데, 이를 통해 나중에 더글라스 백 안의 기체 부피와 산소, 이산화탄소 비율을 분석할 수 있었다. 기체의 부피는 가스탱크를 통하여 측정하고, 산소와 이산화 탄소는 화학적으로 분석되거나, 기체 분석가의 도움을 통하여 분석을 진행하였다.

오늘날 개방회로 폐활량측정법은 입김과 입김 방법(breath-by-breath basic)에 의거하여 지속적인 기체 분석을 위해 호흡 모니터링을 하는 방법을 통해서 배출된 기체의 부피를 측정할 수 있는 컴퓨터 기술이 필요하다. 이 컴퓨터는 이산화탄소와 산소를 자동으로 계산한다. 비록 컴퓨터를 기반으로 한 시스템이 산소소비량을 측정하는 과정들을 매우 쉽게 만들어 주었지만, 전통적인 방법이 "가장 최적화된 측정방식"이기 때문에 자동화 시스템이 계산을 올바르게 하는지 보기 위한 보정적인 역할로 사용한다.