Effects of local body heating and cooling on thermogram analysis of the extremity with hot pack

Ⅰ. 서 론

사지부의 피부온은 환경에 민감하게 대응하며 변화하면서 체간부를 보호하기 때문에 취약한 부위이다. 이와 관련하여 사지 말단부와 체온 조절에 대한 연구들이 발표된 바 있는데 Wang et al.(2007)는 손가락, 손, 전완의 피부온을 측정하고 피험자가 느끼는 전신온열감과 쾌적성을 측정하여 상체의 말단부위와 전신 온열감과의 관계를 고찰하였다. 이때 손의 가온 여부(히팅/ 쿨링)에 따라 전신 온열감의 변화가 있었으며 상체의 말단부위 특히 손가락의 온도는 전체 몸의 온열상태의 지표(r²= 0.6)로 삼을 수 있다고 하였다. 또한 인체의 부분 혹은 전체적인 가온이 혈행에 미치는 영향에 대한 연구도 진행되었다. Heinonen et al.(2011)는 인체의 부분 가온이 골격근의 혈류량 증가에 미치는 영향을 분석하였는데, 오른쪽 종아리를 부분적으로 가온해주었을 때 근육의 온도는 상승되며 장 내부의 온도는 상승되지 않았고 골격근에서의 혈류량은 증가한다고 보고하였다.

Wilson et al.(2002)는 전신 가온과 부분적으로 전완을 34, 37, 40, 42 ℃로 단계적으로 가온해 주었을 때 노르에피네프린 미세 투여에 의한 알파 아드레날린 작용의 혈관 신경 수축 반응을 측정하였는데, 37 ℃ 이상 가온 시에는 전신가온과 부분가온 모두 피부의 혈관 수축을 비슷하게 약화시킨다고 하였다. 또한 인체 부분 가온을 37 ℃ 이상으로 하면 외인성 약물 투여에 의한 피부의 혈관수축작용을 변화시킬 수 있다고 하였다. Arens et al.(2006)는 인체의 가온과 쿨링에 의한 인체 부위별 온열감과 쾌적성을 측정하였는데 등과 가슴, 골반을 가온하는 것이 전체적인 온열감에 영향을 미치며 손과 발은 영향을 적게 받고 몸통부위는 가온보다 쿨링이 온열감에 더 영향을 미친다고 하였다. Huizenga et al.(2004)는 인체의 가온과 쿨링에 의한 효과에 관한 연구에서 인체에서의 온도변화는 가온시보다 쿨링시에 반응이 더 크며 동체에서는 가슴부분이 등보다 더 민감하게 반응하고 발의 온도 회복력이 손보다 느리다고 보고하였다.

의류분야에서 써모그램은 가시성이 뛰어나 기능성 의복의 제작 평가 및 홍보에 다양하게 사용되고 있다. 특히 의복의 열 차단 효과 및 취약부분(cold spot) 점검 등 보온성 평가에 유용하며, 동적상태에서의 표면온도 측정 및 밀착성 평가 등에도 활용되어 왔다(Hong & Kim, 2014). 본 연구에서는 인체의 어느 부위를 핫팩으로 가온할 때 사지부의 피부온 변화가 쉽게 유도되는 가를 파악하고자 하였으며, 또한 핫팩의 온도가 저하되기 시작하는 시점에 이를 인체에서 제거하였을 때 사지부 피부온 유지가 어떻게 변화하는가를 살펴보고자 하였다. 적외선 열화상 카메라는 체간부 및 사지부의 표면온도 분포를 전반적으로 파악할 수 있는 장점이 있지만 지금까지는 인체에 부분가온을 하면서 써모그램으로 대퇴 및 상완까지 포함한 체지의 피부온 분포를 정량적인 분석에 활용한 예는 찾아보기 어렵다. 이것은 일상적인 형태의 의류를 착용한 상태에서 써모그램을 촬영하면 의복의 표면 온도가 대부분의 정보를 차지하여 사지부 표면온을 알기 어렵고, 다양한 기능성 소재가 출현함에 따라 의복의 표면온도로 그 내부의 피부온을 예측하기란 더욱 어렵기 때문이다. 그러나, 최근 열화상카메라와 분석 소프트웨어가 지속적으로 발달함에 따라 각 분야에서 써모그램의 심층적 활용이 높아지고 있는 점을 감안할 때(The Textbook of Thermology, 2014) 써모그램으로 측정하기 좋은 의복과 환경조건을 갖춘 상태에서 인체의 부분 가온의 효과를 분석해보는 것은 필요하다 하겠다.

이에 본 연구에서는 사지부가 노출되면서 밀착되는 반팔 반바지 내의를 착용한 상태에서 어깨, 복부, 허리와 발을 직접 핫 팩으로 가열하면서 노출된 목부분과 사지부의 온도를 측정하고 핫팩이 식어갈 때 이를 제거하여 가온을 중단한 상태에서 사지부의 온도변화를 시간에 따라 측정하여 인체의 부위별 가온이 사지부의 피부온 변화와 그 유지에 어떠한 영향이 있는 가를 정량적으로 평가하고자 하였다.

Ⅱ. 연구 방법

2.1 피험자 및 도구

실험은 20∼30대 여성 피험자 7인을 대상으로 하였으며 피험자들의 키의 평균은 162 cm(S. D.= 4.7), 몸무게는 59 kg(S. D.= 7.1) 이었다. 실험은 항온 항습실(온도 22 ± 1 ℃, 상대습도 50 ± 5 %)에서 실시하였으며 피험자는 실험실에 도착하여 충분히 안정을 취한 다음 실험에 참여하였다. 실험을 위하여 피험자는 팬티와 브래지어를 착용한 상태에서 반팔과 반바지 형태로 된 얇은 내의(Ny= 84%, Pu= 16%)를 착용하였으며, 착의량은 브래지어 0.01 clo, 팬티 0.03 clo, 반팔 티셔츠 0.09 clo, 반바지 0.05 clo로 총 0.18 clo 이었다.

인체를 부위별로 가온하기 위하여 [Figure 1]과 같이 시중에서 판매되고 있는 허브 핫 팩 3종을 사용 하였다. 실험에 사용된 핫팩의 무게는 건조 상태에서 어깨용은 1360 g, 허리/배용은 1298 g, 발용은 1267 g 이었으며 평균 10 g의 물을 분무기로 골고루 분사하여 전자레인지에 3분 동안 가열한 다음 꺼내어 인체에 착용하고 시간에 따른 인체의 온도 변화를 적외선 열화상 카메라인 Flir E30(FLIR Systems, Inc.)을 사용하여 써모그램을 촬영하였다 [Figure 2 참조].

〔Figure 1〕

Three types of herb hot pack used in the experiment

〔Figure 2〕

Thermography: Flir E30 and Flir R&D Software (Flir Systems, Inc.)

2.2 실험순서 및 분석방법

써모그램 촬영은 [Figure 3]과 같은 순서로 진행하였다. 먼저 핫 팩을 착용하지 않은 상태에서 촬영하였고, 다음으로 핫 팩을 착용하고 15분경과 후, 핫 팩을 제거하고 15분경과 후 등 총 3회에 걸쳐 30분간 실시하였다. 써모그램 온도 분석은 Flir R&D Software(Flir Systems, Inc.)를 이용하였으며 인체에서의 온도측정 부위는 [Figure 4]와 같이 전면에서는 앞목, 상완, 전완, 손바닥, 손가락, 대퇴, 하퇴, 발목, 발등, 발가락 등 10부위, 후면에서는 뒷목, 상완, 전완, 손등, 손가락, 대퇴, 하퇴, 발목, 발꿈치 등 9부위에서 측정하였다. 손가락의 온도는 화면을 크게 확대한 다음 외부와의 경계선에 유의하면서 각 손가락에서 다섯 점의 평균 온도를 구하였다. 그 외의 인체부위는 일정 영역에서의 평균 온도를 구하였다. 피험자 7인의 각 인체 부위 별 피부온 측정값을 이용하여 핫 팩 착용 시(0∼15분)의 온도변화와 핫 팩 제거 직후∼15분경과 후(15∼30분)의 온도변화 및 핫 팩 착용∼핫 팩 제거∼제거 후 15분경과 후(0∼30분)의 온도 변화를 구하였다. 데이터 분석은 SPSS 20.0의 대응 K 표본 비모수검정(Friedman Test)을 사용하여 가온부위에 따른 인체 체표면 상에서의 온도변화를 검정하였고 가온과 쿨링 시간동안의 온도 변화량의 차이는 반복측정 분산분석방법을 이용하여 검정하였다.

〔Figure 3〕

Experimental protocol for the thermogram analysis

〔Figure 4〕

Areas of skin temperature observation(left: front, right: back)

Ⅲ. 결과 및 해석

3.1 핫팩 가온 및 제거에 따른 인체 부위별 피부온

본 연구에서는 인체 상에서 가온부위를 다르게 하였을 때 노출부위에서의 피부온의 변화를 살펴보았으며, 핫 팩을 이용한 가온부위는 배, 허리, 어깨, 발등의 네 부위 이다. 가온 전 시작점에서의 피부온, 가온 시간 15분 후, 쿨링 15분 후 30분 시점에 인체 각 부위별 피험자 7인의 전면 피부온은 <Table 1>에, 후면 피부온은 <Table 2> 에 제시하였다.

<Table1>

Mean skin temperature of seven subjects at front body parts depending on four heating areas. (unit: ℃)

<Table 2>

Mean skin temperature of seven subjects at back body parts depending on four heating areas. (unit: ℃)

[Figure 5]는 핫팩에 의하여 인체가 15분 동안 가온되었을 때 전면에서 써모그램으로 측정된 인체 각 부위별 피부온을 나타낸 것이다. 네 부위 가온부위에 따른 인체 각 부위에서의 피부온의 차이를 비모수 통계인 Friedman 검정을 실시한 결과 상완과 대퇴에서 유의차가 있었다.

〔Figure 5〕

Front body temperature after 15 minutes of heating with hot pack

<Table 3>에서 평균 순위(Mean Rank)는 각 피험자의 경우마다 네 부위를 가온하였을 때 해당 부위의 피부온도의 값을 순위로 매긴 값을 평균한 값이다. 핫팩을 이용하여 인체를 15분 동안 가온할 때 전면의 상완에서는 발과 배를 가온하였을 때의 평균 순위는 각각 3.29, 3.14 이었으며, 발과 배를 가온하는 것이 허리와 어깨를 가온하는 것보다 온도가 높았다(p= .034). 대퇴부위는 <Table 4>와 같이 발과 배가온의 경우 피부온이 높은 경향이었다(p= .054).

<Table 3>

Front of upper arm temperature after 15 minutes of heating depending on heating area and Friedman test.(a) Ranks

(b) Test Statisticsa

<Table 4>

Front of thigh temperature after 15 minutes of heating depending on heating area and Friedman test.(a) Ranks

(b) Test Statisticsa

인체 네 부위를 15분 동안 가온하였을 때 인체의 후면에서의 피부온은 [Figure 6]과 같은데 전면과 달리 가온부위에 따라 온도는 크게 달라지지 않았다. <Table 5>, <Table 6> 에서와 같이 상완과 대퇴부위는 배의 가온이 효과적인 경향이 있었으나 유의차는 없었다. 인체 전면에서 대퇴, 상완의 보온은 배와 발을 가온할 때 유의하게 효과적이었고 후면에서도 배를 가온했을 때 대퇴온과 상완온이 높은 경향을 나타내어 배가온이 공통적으로 대퇴온과 상완온을 높이는 효과가 있다고 할 수 있다. 배를 가온하는 핫팩의 허브 포함 전체 무게가 어깨용 핫팩의 무게보다 다소 가벼워 배 가온용 핫팩의 발열이나 그 유지가 다소 불리함에도 이러한 효과가 발생한 것에 주목할 필요가 있었다.

〔Figure 6〕

Back body temperature after 15 minutes of heating with hot pack

<Table 5>

Back of upper arm temperature depending on heating area after 15 minutes of heating.(a) Ranks

<Table 6>

Back of thigh temperature depending on heating area after 15 minutes of heating.(a) Ranks

[Figure 7]은 15분 가온 후 핫팩을 제거하여 인체가 쿨링 되었을 때 전면에서 써모그램으로 측정된 인체 각 부위별 피부온을 각각 나타낸 것이다. 전반적으로 통계적으로 부위별 피부온에 유의차가 없었다. 허리가온은 배가온과 같은 핫팩으로 하였으나 피부온의 유지가 상대적으로 잘 되지 않았다. 인체 후면의 피부온은 [Figure 8]과 같으며 통계적으로 역시 유의하지 않았다.

〔Figure 7〕

Front body temperature after cooling (30min.)

〔Figure 8〕

Back body temperature after cooling (30min.)

3.2 가온 및 핫 팩 제거에 따른 인체 부위별 피부온의 변화량 분석 결과

15분 동안의 핫팩 가온에 의한 인체 전면의 각 부위에서의 피부온 변화를 통계적으로 분석한 결과 인체를 가온하였을 때는 <Table 7>과 같이 가온부위에 따라서 손바닥(p= .013)과 손가락(p= .035)의 피부온의 변화가 통계적으로 유의하게 차이가 있었다. 손바닥의 온도는 어깨를 가온하였을 때 가장 많이 상승(1.3 ℃)하였고 허리, 배, 발을 가온하였을 때는 비슷하게 상승(0.4∼0.6 ℃)하였다. 손가락의 온도는 배, 어깨, 발 가온 시 비슷하게 상승하였지만 허리를 가온하였을 때는 가장 적게 상승(0.3 ℃)하는 것을 알 수 있었다.

<Table 7>

Skin temperature change of front body depending on the area of body heating with hot pack. unit: ℃

<Table 8>에서와 같이 핫 팩을 제거하여 인체가 쿨링되면 인체 전면에서는 손가락(p= .039)과 발가락(p= .034)의 온도가 유의하게 감소하였다. 이때 손가락의 온도는 허리 가온 후 핫 팩을 제거하였을 때가 가장 많이 감소(-1.2 ℃)하였고 발가락의 온도는 어깨 가온 후 핫 팩을 제거하였을 때가 가장 많이 감소(-1.3 ℃)하였으며 배의 경우는 감소하지 않았다.

<Table 8>

Skin temperature change of front body depending on the area of body cooling by removing hot pack. unit: ℃

[Figure 9]은 핫팩을 이용한 가온과 쿨링시의 사지 말초부의 피부온의 변화를 시간에 따라 나타낸 것이다. 손가락이나 손바닥의 온도를 가온하거나 유지할 때에 허리를 가온해 주는 것은 배, 어깨, 발을 가온해 주는 것에 비하여 효과가 적음을 알 수 있었다. 또한 발가락부위에서도 허리 가온이 효과가 가장 적었으며 배 가온은 서서히 효과가 나타났고, 어깨부위는 가온 시 온도 변화가 큰 반면 쿨링 시에도 급격하게 감소하였다.

〔Figure 9〕

Overall skin temperature change of front body depending on the area of body heating and cooling

〔Figure 10〕

Overall skin temperature change of back body depending on the area of body heating and cooling

인체의 후면에서는 <Table 9>, [Figure 10]에서와 같이 손가락(p= .040)의 온도 차이가 통계적으로 유의하였으며 어깨를 가온하는 것이 가장 온도 유지가 잘 되었고 허리가온이 가장 효과가 없었다.

<Table 9>

Skin temperature change of back body depending on the area of body heating with hot pack. unit: ℃

Ⅳ. 결론 및 제언

본 연구에서는 핫팩으로 인체 부위별 가온을 하고 15분 후 핫팩을 제거하여 자연 쿨링을 할 때 인체의 노출 부위인 목과 체지부에서의 온도 및 그 변화와 어떻게 되는가를 써모그램 측정을 통하여 분석하였다. 서늘한 체감온도 조건(온도 22 ± 1 ℃, 상대습도 50±5 %, 착의량 0.18 clo) 하에서 사지의 체온유지를 위하여 핫 팩을 이용하여 인체 네 부위(어깨, 허리, 배, 발)를 가온 해 줄 때와 핫팩을 제거하였을 때 인체 부위별 피부온의 변화는 다음과 같다.

핫팩에 의하여 인체가 15분 동안 가온되었을 때 전면과 후면에서 써모그램으로 측정된 인체 각 부위별 피부온을 살펴보면 인체 전면에서는 핫팩으로 배를 부분 가온하였을 때 대퇴와 상완의 온도가 유의하게 높았고 인체의 후면에서는 유의차는 없었으나 이 경향을 유지 하였다.

또한 핫팩으로 인체를 가온할 때와 핫팩을 제거하여 자연 쿨링하였을 때 피부온의 변화를 살펴본 결과, 인체 전면에서는 사지 말단부(손가락, 손바닥, 발가락)에서만 피부온의 변화가 유의하게 있었다. 손가락이나 손바닥을 가온하거나 온도를 유지할 때 허리를 가온해주는 것은 배, 어깨, 발을 가온해 주는 것에 비하여 효과가 적음을 알 수 있었다. 발가락 부위의 온도 유지를 위해서도 허리를 가온해 주는 것이 효과가 가장 적었으며, 배 가온 시는 서서히 발의 피부온이 상승하였고 어깨부위 가온 시에는 발가락 부위에서의 온도 변화가 큰 반면 자연 쿨링 시에도 급격하게 감소하였다. 인체 후면에서는 손가락의 온도 차이가 통계적으로 유의하였으며 어깨를 가온하는 것이 손가락의 온도를 잘 유지하였고 허리가온이 가장 효과가 없었다. 따라서 체간에 가까운 상완이나 대퇴를 가온해 주기위해서는 배를 가온하는 것이 효과적이며 사지 말단 부위의 온도를 빨리 상승 시키려면 어깨를 가온해 주는 것이 효과적이고 허리부위를 가온해 주는 것은 전반적으로 피부온 상승에 효과적이지 않음을 알 수 있었다.

본 연구에서는 인체 부위별 가온에 따른 노출부위 피부온도 및 시간에 따른 변화를 써모그램으로 측정하면서 피부온도 측정을 비모수 통계방법을 써서 온도 편차 노이즈를 순위의 개념으로 바꾸어 정량적으로 검토하였고 인공기후실 안에서 측정하여 온도의 변화를 직접 구해봄으로써 가온 부위별 온도 변화 속도를 살펴볼 때 유의차를 발견한 것에서도 의의가 있었다. 본 연구 결과는 발열 조끼나 발열 내의, 실버의류, 재활치료 목적 등의 기능성 의류 설계 시 사지 말단부를 가온하거나 온도를 유지하는데 필요한 가온 부위를 설정할 때 이용할 수 있을 것이다.

주관적 온열감 평가 및 피부온 센서 측정과 심부온의 측정이 같이 이루어지지 않은 점이 제한점이며, 본 연구는 22±1 ℃ 의 환경에서 피험자가 서늘하다고 느끼는 팔 다리를 노출한 상태(0.18clo)에서의 측정 결과이므로 환경온이 변할 경우는 경향이 바뀔 수 있으므로 이에 대한 후속연구가 필요하다.

Acknowledgments

본 연구는 충남대학교 자체연구과제 지원사업으로 진행되었음.

References

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