만성폐쇄성폐질환(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)은 심각한 호흡기계 질환으로 주로 흡연, 대기 오염, 그리고 유전적 요인에 의해 발생하는 만성호흡기 질환이다[1]. COPD는 기도 폐쇄와 만성 염증을 특징으로 호흡 곤란, 기침, 가래 등의 증상을 경험하게 되며, 종종 신체 활동 능력이 감소하고 심혈관 질병의 잠재적인 전신 증상을 악화시킬 수 있다[2]. 이러한 증상은 환자의 신체적, 정신적 건강을 저하시킬 뿐만 아니라 전반적인 삶의 질을 크게 감소시킨다. 그리고 지속적인 호흡기 증상과 만성 기류 제한은 기도 및 폐실질의 만성 염증으로 인한 기도 및 폐포 이상과 연관이 있으며[3], 호흡기 증상과 더불어 호흡과 관련된 골격근의 기능장애를 동반하고 운동 능력을 현저히 감소시켜 질병 진행을 가속화하는 악순환을 형성한다. 세계보건기구(WHO)에 따르면, COPD는 2030년까지 세계에서 세번째로 주요한 사망 원인이 될 것으로 예상되며, 이에 따라 효과적인 관리방안이 필요한 상황이다.

호흡운동은 신체 건강을 개선하거나 유지하기 위해 중요한 중재방법으로 COPD 관리의 기본 요소 중 하나이며[4], 현재 사용 가능한 약물 치료 이외의 핵심적인 구성요소이다[5]. 특히 COPD 환자의 폐기능을 향상하기 위하여 다양한 치료 방법이 연구되고 있는데 그 중 복합호흡운동은 폐기능을 개선하고 환자의 전반적인 건강 상태를 향상시키는데 효율적인 방법으로 사용할 수 있다[6]. 그리고 복합호흡운동은 복식호흡, 그리고 여러 호흡 기법을 결합한 운동으로, 폐의 가스 교환 능력을 향상시키고 호흡 근육의 강화를 통해 호흡곤란을 경감하는데 기여할 수 있다[7]. 피드백호흡운동은 훈련 장비를 사용하여 시각적인 요소를 기반으로 들숨과 날숨을 비율적으로 시각화하여 호흡운동을 전개하는 것으로 환기 기능을 개선하고 폐활량을 증가시켜, 결과적으로 환자의 생활 질을 높이는 데 중요한 중재방법으로 활용이 가능하다[8]. 또한 피드백호흡운동은 COPD 환자의 호흡근력을 강화시키고 운동능력 개선 및 삶의 질에 도움이 되는 중재방법이다[9].

대뇌겉질은 인지 기능, 감정 조절, 그리고 운동 조정에 중요한 역할을 하며, COPD 환자들은 종종 우울증, 불안 등의 심리적 및 정신적 어려움을 겪을 수 있다. 이러한 정신적 문제는 COPD의 증상을 악화시키고, 환자의 삶의 질을 더욱 저하시킬 수 있다[10]. 이에 대한 관리를 위하여 정기적인 호흡 운동은 신경가소성을 증가시키고 뇌의 혈류를 개선하여 대뇌겉질의 활성도를 향상시킬 수 있다[11]. 이러한 변화는 호흡 기능의 향상 및 정서적 안정과 밀접한 관련이 있으며 COPD 환자의 전반적인 신체활동 증진에도 효과적일 수 있다[12]. 호흡운동은 스트레스 관리와 관련된 긍정적인 효과가 있는데 스트레스 호르몬인 코르티솔의 수치를 낮추고, 이완 반응을 유도하여 불안을 줄이는 데 도움을 줄 수 있으며 또한 피로감을 줄이고 신체적 능력을 향상시킬 수 있다[13].

따라서 본 연구는 피드백호흡운동이 COPD의 폐기능과 대뇌겉질 활성도에 미치는 영향을 분석하고, 이를 통해 COPD 관리에서 효과적인 중재 방안을 제시하고, 임상에서 COPD 환자의 효율적인 관리방법을 제시하고자 한다.

연구대상자

본 연구는 2022년 10월부터 2024년 12월까지 전라남도에 소재한 J 병원에서 입원 치료 중인 50∼70세 연령 범위의 COPD 환자 32명을 대상으로 시행하였다. COPD에 대한 진단 기준은 Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease (GOLD)의 등급분류에 기반하여 1초간 노력성 날숨량이 70% 미만인 COPD 진단을 받은 자로써, 최근 12주 간 고혈압 관련 약물의 변동이 없고, 뇌혈관 질환, 암, 정형외과적 질환 및 신경외과적 질환이 없는 자, 그리고 뇌 기능에 영향을 줄 수 있는 약물(예: GABA 작용제, 항우울제, 선택적 세로토닌/노르에피네프린 재흡수 억제제, 오피오이드 수용체 작용제)을 복용하지 않은 자. 또한, 최근 규칙적인 운동을 3개월 이상하지 않았으며, 급성기 폐질환 증상이 없는 자로, 연구목적을 충분히 이해하고 참여에 동의한 자로 선정하였다.

연구절차 및 방법

본 연구의 대상자 수 선정을 위해 예비실험(pilot test) 결과의 주요 효과크기(d) 0.95, 유의수준(α) 0.05, 검정력(1-β) 0.8을 가정하여 산출한 결과, 최소 15명의 대상자가 필요하였다. 중도탈락률 10%를 고려하여 군간 16명으로 설정하였다. 그리고 6주 간, 주 3일, 1일 1회, 3세트, 세트 당 10회씩 중재 프로그램을 시행하였다. 중재 전과 후 폐기능과 대뇌겉질 활성도를 측정하여 변화 비교하였다(Figure 1).

측정방법 및 도구

폐기능 측정

폐기능은 Chestgraph (HI-701, Chest, Japan)를 이용하여 측정하였다. 대상자는 호흡기를 입에 물고 앉은자세에서 최대한 깊게 숨을 들이쉬고 힘껏 내뱉은 과정에서 측정된 수치가 기록되었다. 폐활량 측정은 최소 3회 이상 실시되었으며, 측정된 값들 중 가장 큰 수치와 두번째로 큰 수치 간의 차이가 5% 이내이거나 200 mL 이내일 때 유효한 결과로 측정하였다[14].

뇌파 측정 및 분석

뇌파 측정을 위하여 MP150(Biopac System, USA)과 EEG(Biopac System, USA)을 이용하였다(Figure 2). 대뇌겉질에서 발생되는 뇌파를 20개 전극이 부착된 모자로 수신하여 변환기(12-bit analog-digital converter)를 통하여 디지털 신호(Acqknowledge 3.91)로 변화하여 분석하였다. 뇌파 측정을 위한 신호는 표본추출율(sampling rate)은 256 Hz, 4∼50 Hz의 필터로 데이터를 측정하였다. 원활한 측정을 위해 소음발생을 최소화하고 조도와 온도가 일정한 공간에서 수행하였으며, 대상자는 의자에 앉아 편안한 자세로 뇌파 측정 전 실험 방법과 주의사항에 대한 설명을 교육하였고, 두피에 뇌파 전극 부착 후 정상적인 측정 여부를 확인하였다. 전극 배치는 국제 10-20 전극 배치법에 따라 다음과 같이 진행되었다. 좌측 앞이마부(Fp1)와 우측 앞이마부(Fp2), 좌측 이마부(F3)와 우측 이마부(F4), 좌측 마루부(P3)와 우측 마루부(P4), 그리고 좌측 뒤통수부(O1)와 우측 뒤통수부(O2) 등 총 8개의 전극이 부착되었다. 기준 전극은 우측귀 뒤쪽에, 접지 전극은 좌측 귀 뒤쪽에 위치시켰다[14].

뇌파 분석은 Tele ScanTM 분석 프로그램(Version3.03, Laxtha Inc, Korea)을 활용하여 시행하였다. 뇌파 분석방법은 측정된 뇌파의 파형을 통해 잡음의 유입 여부를 확인하는 것이다. 3분 동안 수집된 원자료 중 처음과 마지막 10초를 제외한 160초의 데이터를 분석에 활용하였다. 델타파(0.54 Hz)는 눈 깜박임(24 Hz)이나 불안정한 자세로 인한 머리 움직임(0.51 Hz) 등의 잡음에 의해 영향을 받을 가능성이 높으므로, 전체 뇌파 영역 중 4 Hz에서 50Hz 사이의 주파수만을 추출하여 분석하였다. 이를 위해 주파수 변환을 위한 필터링 기법인 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 적용하였다. FFT는 주파수 공간에서 각 주파수 성분의 기여도를 나타내며, X축은 주파수를, Y축은 파워 값을 보여주는 것이다. 이를 통해 특정 주파수에 따른 진폭을 나타내는 뇌전위 파워 스펙트럼(power spectral analysis)을 생성하였다. 상대파워 분석을 이용하여 상대 알파파(813 Hz/ 450 Hz) 및 상대 베타파(1320 Hz/4∼50 Hz)를 측정하였다[14].

중재방법

복합호흡운동(Complex Breathing Exercise)

복합호흡운동은 가로막 호흡운동과 입술 오므리기 호흡운동이 결합하여 총 6주 동안 주 4회, 각 세션은 30분간 중재하였다. 환자는 편안한 자세로 누워서 준비하며, 들숨을 위한 가로막 호흡운동이 끝난 후 즉시 날숨을 위한 입술 오므리기 호흡운동이 시행하였다. 각 세션은 총 4회로 구성되며, 세션 사이에는 1분의 휴식시간이 주어진다. 각 세션은 5세트로 이루어져 있으며, 세트당 1분에 4∼5회의 호흡 운동이 이루어지고, 각 세트 사이에는 30초의 휴식이 포함된다. 가로막 호흡운동의 방법은 치료사가 손을 전방 갈비연골 아래에 위치한 배곧은근에 두고, 환자가 코로 깊게 숨을 들이마시도록 유도하였다. 이때 치료사는 배곧은근이 상승할 때 적절한 저항을 제공하며, 환자가 깊은 들숨을 할 수 있도록 시행하였다. 환자는 들숨 동안 어깨를 이완하고 상체는 움직이지 않게 하며, 복부만 상승되게 수행한다. 입술 오므리기 호흡운동은 환자가 깊은 들숨을 한 후, 입술을 오므린 상태에서 일정 시간 동안 공기를 천천히 내쉬도록 하는 방식으로 진행하였다[15].

피드백호흡운동(Feedback Breathing Exercise)

피드백호흡운동은 SPIROTIGER^®(M360, Idiag AG, Swiss)를 활용하여 중재하였다. 환자는 몸통을 곧게 펴고 앉은 상태에서 마우스피스를 물고, 호흡주머니가 부착된 손잡이를 잡는다. 치료사는 연결 장치의 시작 버튼을 눌러주며, 환자는 주황색 눈금이 ‘in’ 방향으로 향할 때 들숨을, ‘out’ 방향으로 향할 때 날숨을 시행한다. 주황색 표시등이 ‘in’ 또는 ‘out’으로 표시될 때 녹색 불이 켜지고, 삐∼ 하는 소리가 나면 정상적인 피드백호흡운동을 시행하였다. 환자의 이해를 돕기 위해 운동 전에 충분한 설명을 제공하며, 최대 들숨과 날숨 운동을 진행하는 동안 저이산화탄혈증(hypocarbia)가 발생하지 않도록 주의하여 시행하였다[16].

자료분석

본 연구에서는 자료 처리를 위해 Window용 SPSS 프로그램(version 21.0, IBM, USA)를 사용하였다. 연구 대상자의 일반적 특성은 Shapiro-Wilk 검정을 통해 정규성을 검정하였으며, Levene의 등분산 검정을 통해 집단 간 동질성을 검토하였다. 집단 내 폐기능과 대뇌겉질 활성도의 변화 비교는 대응표본 t-검정(Paired t-test)을 이용하였고, 집단 간 변화 비교는 사전 검사 값을 통제하기 위해 사전검사결과를 공변량으로 설정한 후 공분산분석(ANCOVA)을 실시하였다. 유의수준(α)은 0.05로 설정하였다.

(1) 일반적 특성

본 연구에 참여한 대상자 총 34명 중 참여거부(n=1)로 인해 중도탈락되어, 실험군I 16명과 실험군 II 15명의 데이터가 수집되었다. 대상자의 평균연령은 실험군 I에서 67세이고, 실험군 II는 65세로 나타났고 키는 실험군I에서 167 cm이고, 실험군 II는 165 cm이었다. 몸무게는 실험군I에서 63 kg이고, 실험군 II에서 62 kg이었으며 유병기간은 실험군I에서 8.11년, 실험군 II에서 7.94년이었다. 6분보행검사는 실험군 I에서 378 m이었고 실험군 II에서 362 m로 나타났다(Table 1).

(2) 실험군 I의 집단 내 변화비교

실험군 I의 집단 내 변화비교에서 폐기능은 1초간 노력성폐활량에서 유의한 차이가 나타났으며(p<0.05), Fp1 영역의 알파파, Fp2 영역의 알파파, F3 영역의 알파파, F4 영역의 알파파 영역에서 유의한 차이가 나타났다(p<0.01)(p<0.05)(Table 2).

(3) 실험군 II의 집단 내 변화비교

실험군 II의 집단 내 변화비교에서는 폐기능과 대뇌겉질 활성도 모두에서 유의한 차이가 나타나지 않았다(Table 3).

(4) 집단 간 변화비교

실험군 집단 간 변화비교에서는 Fp1 영역의 알파파, Fp2 영역의 알파파, F4 영역의 알파파 영역에서 유의한 차이가 나타났다(p<0.05) (Table 4).

COPD 환자는 환기 능력 및 호흡 기능 저하로 조직 내 산소 공급이 감소하고 신체적 피로를 쉽게 느끼게 된다. 이로 인해 일상생활에 제약이 생기고 신체 상태가 악화되는 경우가 많다. 따라서 환자 관리를 위한 다양한 호흡 운동의 효용성을 알아보는 중재들이 진행되고 있는데 본 연구는 COPD 환자에게 피드백호흡운동을 중재하여 폐 기능과 대뇌겉질의 활성도에 미치는 변화를 규명하기 위해 다음과 같은 변화를 알아보고자 하였다.

호흡운동은 기능적 잔여 용적과 폐활량 등을 개선하여 폐의 용적을 확대하는 데 도움을 주며 기도의 개방성을 유지하고, 점진적으로 폐의 환기를 개선하여 호흡 곤란을 줄이는 데 효과적이다[16]. 또한 환기능력이 향상되면서 산소와 이산화탄소의 교환 효율이 높아져 전반적인 호흡 기능을 개선시킬 수 있는데 Epe 등[17]은 COPD 환자를 대상으로 피드백호흡운동을 8주간 중재한 결과, 폐기능이 15% 증가하였다. 또한 최대 호기 유량도 20% 향상되었다고 보고하였으며 Han 등[18]은 호흡능력 향상의 효용성을 알아보기 위하여 뇌졸중 환자를 대상으로 피드백호흡운동을 시행하여 폐기능이 향상된 결과를 도출하였다. 그리고 Liu 등[19]은 COPD 환자 60명을 대상으로 4개월 동안 피드백호흡운동을 시행하여 폐기능과 삶의 질 등이 모두 향상되었다. 본 연구에서도 피드백 호흡운동이 집단 내에서 폐기능이 향상된 결과를 도출하여 선행연구를 지지하였는데 피드백호흡 운동은 바이오 피드백 장치로 모니터링을 병행하기 때문에 호흡패턴을 인식하고 조절하여 호흡의 깊이와 빈도를 조절에 용이하기에 폐기능이 향상되었을 것으로 여겨진다. 호흡은 심리적 및 생리적 스트레스 감소에 효과적인 방법으로 대뇌겉질의 활성화와 밀접한 관련이 있다[11].

호흡 변화는 심장 활동에도 영향을 미치며 저산소증과 고탄산혈증을 초래하여 궁극적으로 대뇌피질의 활동에 변화를 일으키며[20], 뇌파 분석에서 알파파는 의식 수준이 가장 높고 몸과 마음이 조화를 이루는 상태에서 발생하며, 이때 신체와 정신이 안정되고 편안한 상태일 때 활성화된다[21]. 여러 연구에서 피드백호흡운동이 대뇌의 특정 영역 특히 전두엽의 겉질영역에 혈류량 증가로 산소화가 뚜렷하게 나타났고[22], 이러한 전두엽의 겉질의 활동은 운동수행 시 호흡곤란과 상관관계를 가진다고 보고하였다[23].

Weiss 등[24]은 피드백호흡운동을 실시하여 기능적 자기공명영상을 통해 호흡 조절이 뇌의 인지적 처리와 감정 조절에 미치는 영향을 분석한 결과, 피드백을 통한 호흡 조절이 대뇌겉질의 활성화를 촉진하여 스트레스 감소 및 정서 조절에 긍정적인 것으로 보고하였고, Bassi 등[25]의 연구에서도 피드백호흡운동이 심박수 변동성을 증가시켰고, 이는 뇌의 스트레스 반응을 조절하여 자율신경계의 균형을 맞추는 데 기여한다고 보고하였다. 그리고 Kokodoko 등[26]의 연구에서는 COPD 환자들 중 65%가 알파파 활동 감소와 더불어 느린 활동 증가로 뇌의 전 기적활동으로 신경학적 변화를 보고하였고, Gaurav 등[27]의 연구에서는 휴식 상태에서 알파파의 활동은 후두부에서 가장 두드러지며, 전두엽에서도 알파파의 강도가 베타파의 강도보다 높게 나타났음을 확인하여 알파파가 휴식 상태에서 두뇌의 활성화와 관련이 있음을 보고하였다. 본 연구에서도 전두엽에서 높은 알파파 활성을 나타냈으며, 모든 영역에서 알파파의 강도가 베타파의 강도보다 높게 나타나 선행 연구와 유사한 결과를 도출하였다. 이는 피드백호흡운동이 뇌의 인지적 처리 및 감정 조절에도 긍정적인 영향을 미친다는 것으로 여겨진다.

본 연구의 제한점으로 하나의 의료기관에서 치료받고 있는 COPD 환자들로 구성되었기 때문에 모든 COPD 환자에게 일반화하는 데는 제약이 있다. 그리고 현재 복용 중인 약물에 대한 통제가 어려워 변수의 영향을 받을 수 있으며, 일상생활을 통제하는데 어려움이 있다.

피드백호흡운동은 대뇌겉질의 기능적 활성화를 통해 심리적 안정성을 증진시키는 효과가 있으며, 이는 다양한 임상적 맥락에서 응용될 수 있다. 향후 연구에서는 COPD 환자의 관리 및 치료 접근법을 다양하게 적용하여 장기적인 효과와 함께 호흡 메커니즘에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이다.

본 연구는 2024년 세한대학교의 학술연구비에 의하여 지원되었다.