10. 심물리학적 부하 평가 기법
심물리학이란 심(psycho) + 물리학 (physics) = 심물리학 (psychophysics)의 의미로서 물리 적 자극 (physical stimuli)과 심리적 지각(psychophysical perception)과의 관계를 연구하는 학 문분야이다. 심물리학에는 두가지 연구 주제가 있다. (1) 관계 분석 : 물리적인 자극 강도의 변 화에 따른 지각 강도의 변화 크기를 분석, (2) 역치 결정 : 물리적인 자극을 감지하거나 식별하 는 인간의 지각 시스템에서의 역치 결정
역치 (閾値, threshold)는 약한 자극에서는 반응이 나타나지 않다가 일정한 크기의 자극에서 반응이 나타나는 ‘경계’를 의미이다. 역치의 종류에는 절대역치와 상대역치가 있다.
- 절대역치 (absolute threshold) : 지각 기관이 자극을 감지할 수 있는 자극 에너지의 최소 한의 강도
- 상대역치 (relative threshold) : 두개의 자극이 지각적으로 구분될 수 있는 자극 에너지의 최소한의 차이
이러한 심물리학은 작업부하 평가에 응용되고 있으며, 작업 부하에 대해 작업자가 지각하는 정도에 대한 정보를 활용하여 작업을 설계하고 평가하는 용도로 활용된다.
• 작업자가 작업요소 (무게, 힘, 빈도, 지속시간) 별 허용 한계치 결정
• 작업에 대한 불편도 (discomfort) 평가
• 작업 설계 안의 비교 및 선정
10.1 심물리학적 평가 척도
1) Visual analog scale (VAS)
VAS는 특정 길이 (예 10 cm) 의 선분 상에 구분점 (verbal anchors)을 명기한 척도로서, 예를 들어 공구 무게 평가를 위한 10cm-VAS가 아래에 제시되어 있다.
너무 가벼움
적당 너무
무거움
신체 부위 불편도 평가 (body part discomfort)에 많이 활용되고 있으며, 각 지체 (body part)의 불편한 정도를 VAS를 이용하여 주관적으로 평가하는 용도로 사용된다.
2) Borg's Perceived Exertion and Pain Scales : RPE, CR-10
Borg 는 2가지 척도를 제안하였는데, RPE 척도와 CR-10 척도가 있다. Borg의 RPE Scale 은 인지된 노력을 평가하기 위한 목적으로 개발되었으며, 다음과 같이 6~20까지 점수를 메기도 록 되어있다.
<표 10.1> Borg RPE 척도
Borg 의 RPE 척도의 특징으로는 (1) 생리학적, 심물리학적 실험 결과에 근거하여 개발, (2) 심장박동수와 산소소비량과 선형적 관계를 가지도록 개발 (3) 6부터 시작 : 휴식 시의 심장 박 동 수가 60 -> 60/10 (4) 비율척도가 아님 : 0이 없다.
한편, Borg CR-10 scale은 고통(pain), 작업의 인지 강도(perceived exertion)를 평가하기 위 해 강도와 비선형적으로 증가하도록 개발된 Category-Ratio 척도이다. CR-10 척도는 0에서부 터 시작하고, 소수점으로도 평가 가능하다. 또한, 최고 점수에 제한이 없다.
The Old RPE Scale The Borg RPE Scale rating verbal anchor
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
very, very light
very light
fairly light
somewhat hard
hard
very hard
very, very hard
10.2 스눅 테이블 (Snook Tables) 분석
Liberty Mutual Insurance Company에 근무하던 Snook 과 동료들이 제안하였으며, 인력 취 급 작업 (manual materials handing tasks)의 안전 한계를 결정하고(Snook, 1978, updated in Snook & Ciriello, 1991), 상해를 줄이는 것을 목표로 하였다.
안전한계를 결정하는 실험에서 무게를 제외한 높이, 빈도 등을 변화시켰으며, 그 작업 환경 에서 피실험자는 “과도하게 피로해지지 않고, 약해지지 않고, 숨차지 않고, 몸에서 열이 나지 않 는 (without straining or becoming unusually tired, weak, out of breath, overheated)” 무게를 설정하도록 하였다. 여기에 참여한 피실험자는 모두 산업체 근로자였으며, 실험에서 행해진 작 업들은 실제 행해지는 작업들이었다.
모아진 데이터는 성별과 작업별 테이블로 만들어졌으며, 남자/여자 들기/내리기/밀기/당기 기/옮기기 작업별 부하의 최대허용무게(maximum acceptable weight of load)가 포함. 이 값은 모집단의 10, 25, 50, 75, and 90% 로 구분하여 제시되어 있다.
초기 발표는 1978, 1991년에 되었으며, 2005년도에 개정판이 발표되었다 (문서 위치 : http://www.libertymutual.com/researchinstitute).
11. 생리학적 부하 평가 기법
인간의 육체적인 작업 능력, 최대 호기력 (최대 산소 흡입량/소비능력: MAP) 은 개인차가 크다. 따라서, 생리학적 작업 부하 평가에서는 작업 수행 시 분당 산소 흡입량을 기준으로 개인 의 최대 호기력에 대한 %로 작업부하 표시하는 것이 일반적인다.
생리학적 작업 부하를 평가하는 기법은 2가지 방법이 있다.
(1) 특정 작업을 수행하는 동안 요구되는 에너지 소비를 직접 측정
- 작업하는 동안에 들여 마신 공기와 내뿜는 공기와의 차를 분석하여 작업을 수행하는 동안 작업저의 산소 소비를 결정
(2) 작업 수행 중의 HR(heart rate)를 기록하여 간접적으로 결정
직접 측정의 단점은 작업에 영향을 미쳐 운동이 제한된다는 점이다. 간접 측정방법은 HR를 측정하는 방법으로 작업 종류에 따라 HR 가 달라진다. 또한, 연속적으로 측정 가능하고, HR 와 산소 소비가 선형 관계라는 가정하에 이루어진다. 많은 경우, 120~130 beats/min 은 최대의 50% 정도의 작업 부하에 해당된다.
개인의 최대 작업 능력 평가 (최대 호기력)방법은 (1) 직접 측정 (2) 최대 이하 수준의 테스 트로부터 예측하는 방법이 있다.
최대 호기력 직접 측정 유형에는 트레드밀 달리기 (Treadmill running), 자전거 작업계 (cycle ergometer)에서의 작업, 계단 오르기(Step test)방법이 있다. 측정 방법 기준은 다음과 같 다.
① 측정시 큰 근육 그룹들의 활동을 포함해야 함
② 산소 흡입량 측정은 수분이 지난 후 산소 흡입이 최대에 달했을 때 수행 운동별 비교
트레드밀 달리기는 3도 이상 경사진 트레드밀에서의 달리기를 하여야 최대 산소 흡입량을 나타내고, 수평 상태에서의 달리기는 최대를 내지 못한다고 알려져 있다.
자전거 운동은 평균적으로 경사진 트레드밀 달리기보다 낮은 값을 보인다. 즉, 트레드밀 달 리기가 4-8% 정도 높으며, 최대 20% 정도 낮다.
자전거 운동보다 경사 달리기가 더 큰 산소 흡입량을 나타내는 이유로는 국지 근육 (다리 근육) 피로가 최대 발휘력을 방해하기 때문으로 파악된다. 자전거 운동에서 자세가 중요한 요인 으로는 페달위에 곧바로 서고, 다리는 가장 내려갔을 때 최대한 펴야 한다. 익숙한 운동으로 측 정하는 것이 좋으며, 자전거를 안타본 사람의경우 자전거 운동으로 평가하면 안된다. 자전거 운 동에서는 동기 부여가 중요하며, 페이스 조절이 가능하기 때문이다.
Cycle ergometer 의 장단점을 살펴보면 단점으로는 페달을 밟는 속도를 피실험자가 임의로 조절 가능하고, 높은 작업부하에서는 최대 산소 흡입량에 도달하기 전에 무릎과 다리에 무리가 간다. 장점으로는 기계적인 효율성(mechanical efficiency)이 몸무게에 무관, 에너지 소비를 정확 하게 예측, 비용이 저렴, 이동이 자유로움, 전기 파워가 필요 없다는 점이다. Tredmill 의 장단 점을 보면, 단점은 다소 비용이 많이 들고, 더 무겁고 이동이 불편, 전기 파워가 필요, 몸무게가 에너지 소모에 영향을 줌, 같은 피실험자 안에서도 기계적인 효율성이 차이가 날 수 있다는 점 이다. 장점으로는 안전하고 쉬움, 속도를 일정하게 유지, 어린이들도 테스트 가능하다는 점이다.
가장 간단한 방법은 step test이며, 높이 조절은 가능하지만 몸무게가 결과에 영향을 미치고, 최대 발휘를 보기위해 높이를 올리는 경우 피실험자가 넘어질 위험이 있다.
산소 소비량 측정 방법으로 고전적인 방법으로서 더글라스 백 방법이 많이 사용된다. 더글 라스 백 방법은 ① 단단한 이론적 토대를 가지고 있으며, ② 여러 상황에서 검증되었고, ③ 장 비 착용이 부담을 가중시키고, ④ 움직임을 제약한다는 특징이 있다. 제약조건으로 ① test 하는 동안 실온이 18~20 도를 넘지 말아야 함 ② 상대 습도는 60 을 넘지 말아야 함이 있다.
산소 소비량 (oxygen consumption) 측정방법을 살펴보면, 우선 수집된 배기의 성분을 분석 하고 부피를 측증하면, 흡기의 양을 계산할 수 있다. 이때, 질소의 비율을 사용(질소는 체내에서 대사되지 않음)한다. 산소의 공기 중 비율은 21%, 질소는 79%, 이산화탄소는 0%이며, 배기 가 스의 산소비율을 O2%, 이산화탄소 비율을 CO2%, 질소의 비율을 N2%, 배기의 양을 V배, 흡기 의 양을 V흡 이라고 하면 다음과 같이 산소 소비량을 구할 수있다.
운동 종류 일반 피실험자 특별히 훈련된 피실험자
경사 달리기 팔과 다리 운동 수평 달리기
바로선자세 자전거 타기 구부린 자세 자전거 타기 한 다리운동
팔 운동
계단 오르기테스트 노젖기
스키타기 수영
100 100 95-98 92-96 82-85 65-70 75-70 97 100 100 85
100 100-115
100-108
75-80 105-115
100-115 100-112 100
- 질소의 양은 동일, 즉 79%V흡 = N2%V배 -> V흡 = N2%V배/79
- 여기에서 N2% = 100- O2%-CO2%
- 산소 소비량 = 21%V흡 - O2%V배 - 1 liter O2 소비 = 5kcal
1) submaximal test 로부터 최대 작업 능력의 간접 평가
직접 측정 방법의 문제점으로 복잡하고, 시간이 많이 소요되고, 기술적인 장비가 너무 많이 요구되고, 나이가 많거나 건강하지 못한 사람은 테스트하기 어려움, 측정자의 경험, 피실험자의 훈련 정도가 변수로 작용한다는 점이 있어서, 간접 평가 방법이 제안되었다. 간접 평가 방법은 순환계 반응을 기초로 평가 (HR)하는 방법으로 Astrand-Astrand nomogram이 유명하다.
Astrand-Astrand nomogram은 Cycle ergometer 나 step test를 사용하여 얻어진 submaximal heart rate 로부터 최대 산소 호흡량을 예측하는 그림으로서 사람마다 개인차가 크므로 정확하 게 예측하기 어렵다. 즉, 훈련이 안된 개인은 underestimate하고, 잘 훈련된 개인은 overestimate하는 것을 알려져 있다.
