티스토리 뷰
목차
에너지소모량을 측정하는 웨어러블 기기들이 많이 있는데 측정 원리가 어떻게 되는지 궁금하시지요?
에너지소모량 값은 어떻게 정의되는지와 기본적인 측정 방법을 알려드립니다.
에너지 소모량의 정의
살아있는 생명체는 생존과 성장을 위해 에너지를 필요로 합니다.
음식물의 섭취와 호흡을 통해 공급받은 산소를 이용해서 음식물을 산화시켜 얻어진 화학에너지가 근수축의 기계적 에너지로 전이되면서 일어나는 일을 할 수 있는 능력을 에너지라고 합니다.
에너지의 단위는 칼로리(calorie)이며, 1 cal는 1 gram의 물을 14.5℃에서 15.5℃로 1℃ 높이는데 요구되는 열에너지의 양을 말하며 그 값을 킬로칼로리(kilocalorie)로 나타냅니다.
사람의 몸은 필요한 만큼의 에너지를 사용하고, 남는 에너지는 저장하거나 소비함으로써 균형을 이루고 있습니다.
에너지를 소비하는 방법에 따라 체온 유지, 호흡, 심장 박동 등 기초적인 생명을 유지하기 위한 기초 대사량(BMR, basal metabolic rate)을 포함한 안정시대사량(RMR, resting metabolic rate)이 있습니다. 그리고 일상생활에서 활동하는데 필요한 활동대사량(TEE, thermic effect of exercise)이 있습니다. 일반적으로 안정시대사량이 약 60∼75%, 활동성 에너지가 약 30∼35%의 비율을 보이고 있습니다.
안정시대사량 중 기초 대사량은 적정 온도와 조용한 환경에서 12시간 또는 그 이상의 공복 후 휴식을 취하면서 깨어 있는 상태에서 인체가 사용하는 최소열량을 의미합니다.
이는 개인의 신진 대사율이나 근육량 등 신체적인 요소에 따라 차이가 있습니다.
일반적으로 남성은 체중 1 Kg당 1시간에 1 Kcal를 소모하고, 여성은 0.9 Kcal를 소모합니다.
1일 기초 대사량은 남성의 경우 1,550 Kcal/day, 여성의 경우 1,200 Kcal/day로 알려져 있으며, 이러한 대사량은 나이나 신체조건, 활동 상황 등에 따라 달라질 수 있습니다.
활동대사량은 우리가 걷거나 운동을 할 때 소비되는 에너지로 활동의 종류나 활동 강도, 활동 시간, 체중 등에 따라 다르고, 개인 간의 차이가 가장 크게 나타나는 값입니다.
일반적으로 건강 증진을 위해서는 약 300 Kcal/day 이상의 활동대사량을 소모하는 것이 권장되고 있습니다. 성인은 최소 30분 이상씩의 신체 활동을 일주일에 5회 이상 하기를 권장하고 있습니다.
이러한 에너지 소모량을 측정하기 위한 방법은 크게 직접적 측정법(direct calorimetry)과 간접적 측정법(indirect calorimetry)으로 나눌 수 있습니다.
에너지 소모량 직접 측정 방법
에너지 소모량의 직접 측정법은 18세기 이후부터 사용되어진 방식입니다. 인체가 음식물을 섭취하면 화학적 작용을 통하여 생성된 에너지의 40%만이 ATP를 만드는데 사용됩니다. 나머지 60%는 열로 방출되어지는데 이 때 방출되는 열을 열량계를 이용하여 직접 측정하여 에너지 대사를 파악하는 것이 에너지 소모량의 직접 측정 방법입니다.
에너지 소모량의 직접적인 측정을 위해서 열량계(calorimeter)라는 것을 사용하는데 열량계는 밀폐되고 단열된 방(chamber)으로 만들어져 있습니다.
그 방의 벽은 물이 흐르는 관을 포함하고 있으며 산소와 이산화탄소가 자유롭게 교환될 수 있도록 제작되어 있습니다. 방 안에 있는 인체로부터 생산된 열은 벽으로 발산되면서 물을 데우게 됩니다. 그러면 벽을 따라 흐르는 물의 온도 변화와 방에 들어가고 나가는 공기의 온도 변화들로부터 인체가 생산하는 열에 의한 에너지 소모량을 계산하게 됩니다.
직접 측정법은 신체 활동의 제약이 적고 자연스러운 상태로 측정할 수 있어 높은 정확성을 가지는 장점이 있습니다. 그러나 열량계의 부피가 크고 설치비용이 비싸며 결과를 얻기까지 많은 시간이 걸린다는 단점이 있습니다. 이러한 제한사항들로 인해서 직접 측정법은 오늘날에는 거의 사용하지 않고 있습니다.
에너지 소모량 간접 측정 방법
에너지 소모량의 간접 측정법에서는 생명체가 호흡 시 산소의 소비량과 이산화탄소의 배출량을 측정하게 됩니다. 이로부터 탄수화물, 지방, 단백질의 이용률을 계산해 내는 방식입니다. 이러한 간접적 측정법으로는 호흡가스 분석기가 신뢰성 있는 결과를 제공해주는 것으로 널리 알려져 있습니다.
생명체의 모든 에너지 생성 반응은 산소에 의해 좌우되며 이산화탄소와 물을 생산합니다. 폐에서의 산소와 이산화탄소의 교환 속도는 신체에서 사용되고 만들어지는 양과 같게 됩니다. 따라서 신체활동 동안 산소 소모량과 소비된 산소량에 대한 이산화탄소 배출량의 비율을 의미하는 호흡 교환율(respiratory exchange ratio)을 측정하여 에너지 소모량을 간접적으로 추정하는 원리를 적용합니다.
간접 측정 방법은 직접 측정 방법에 비해 상대적으로 간단하며 비교적 정확도가 높기 때문에 신뢰할 수 있는 값을 얻을 수 있습니다. 그러나 호흡 가스 분석기는 고가의 장비이며 에너지 소모량을 측정할 때 마스크를 착용하는 등의 제한된 유동성 때문에 측정에 제한사항을 가지고 있다는 단점이 있습니다.
최근에는 보행계수기, 가속도계와 같은 센서를 사용하여 인체의 활동량으로 이를 통해 에너지 소모량을 추정하는 방법으로 신체활동과 에너지 소모량을 용이하게 측정할 수 있습니다.
현재 일상생활 중에 일반인들이 사용하는 대표적인 에너지 소모량 측정 방법으로는 손목시계 형태의 에너지소모량 측정 웨어러블 디바이스가 있습니다.
이러한 기기들은 대부분 가속도 센서를 이용하여 사용자 몸의 움직임에 의한 활동량을 계산하고 이를 소모에너지로 추정하는 방식을 적용합니다.