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최대 산소 섭취량

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목차

1. 개요

최대 산소 섭취량은 운동 중 신체가 사용할 수 있는 최대 산소량을 의미하며, 심폐 지구력의 중요한 지표로 사용된다. 정확한 측정을 위해서는 점진적인 운동 부하 검사를 통해 호흡 중 산소 및 이산화탄소 농도를 측정하며, 트레드밀이나 사이클 에르고미터를 사용한다. 최대 산소 섭취량은 심박출량, 동맥 산소 함량, 정맥 산소 함량 등을 이용한 피크 방정식을 통해 계산할 수 있지만, 추정 방법도 존재한다. 쿠퍼 테스트, 20미터 셔틀런, Rockport fitness walking test 등을 통해 최대 산소 섭취량을 추정할 수 있으며, 훈련을 통해 향상될 수 있다. 최대 산소 섭취량은 공급과 수요 요인에 의해 제한되며, 나이, 성별, 훈련 상태, 고도 등이 영향을 미친다. 임상적으로는 심폐 체력 평가에 활용되며, 낮은 체력 수준은 심혈관 질환 및 사망률과 연관될 수 있다. 1922년 아치볼드 힐에 의해 처음 소개되었으며, 이후 여러 과학자들의 연구를 통해 발전했다.

2. 측정

최대 산소 섭취량($V̇O₂$ max)을 정확하게 측정하려면 유산소 에너지 시스템을 완전히 소모할 수 있을 정도의 시간과 강도로 신체적 노력을 해야 한다. 일반적으로는 트레드밀이나 사이클 에르고미터에서 운동 강도를 점진적으로 높이는 단계적 운동 테스트를 실시하면서 다음을 측정한다.



대사 카트에 있는 기기를 사용하여 점증식 트레드밀 운동 테스트 중에 $V̇O₂$ max를 측정


최대 테스트 중 $V̇O₂$와 $V̇CO₂$의 가스 교환. 60와트에서 3분 시작하여 소진될 때까지 3분마다 35와트 추가


훈련받지 않은 사람은 트레드밀보다 사이클 에르고미터에서 측정한 최대 산소 섭취량이 10%~20% 정도 낮게 나타난다.[49] 그러나 훈련된 사이클 선수는 사이클 에르고미터 측정 결과가 트레드밀에서 얻은 결과와 같거나 더 높게 나타나기도 한다.[50][51][52]

운동 강도를 높여도 산소 소비량이 더 이상 증가하지 않는 지점(산소 소비율 그래프가 수평이 되는 지점)이 고전적인 의미의 최대 산소 섭취량이다. 그러나 이 수평 지점은 나타나지 않을 수도 있고, 사람이나 샘플링 간격에 따라 달라질 수 있다. 따라서 이를 보정하기 위한 여러 변형 측정법이 존재하며, 측정 결과도 조금씩 다르게 나타난다.[53]

2. 1. 피크 방정식

최대 산소 섭취량($V̇O₂$)은 피크 방정식으로도 계산할 수 있다.

:$V̇O₂ = Q \times (C_aO₂ - C_vO₂)$

이 값들은 최대 노력 운동 중에 얻어진다. 여기서 ''Q''는 심장의 심박출량, $C_aO₂$는 동맥 산소 함량, $C_vO₂$는 정맥 산소 함량이다. $(C_aO₂ - C_vO₂)$는 동정맥 산소 차이라고도 한다.[8]

최대 산소 섭취량은 피크 방정식을 통해 정의된다.

:$\mathrm{VO_2\; max} = Q \times (\mathrm{C_aO_2} - \mathrm{C_vO_2})$

위 식에서 Q는 심박출량, $C_aO₂$는 동맥 산소 함량, $C_vO₂$는 정맥 산소 함량이며, 각 값은 최대 부하를 가했을 때의 값이다. $(C_aO₂ - C_vO₂)$는 동정맥혈 산소 차라고도 불린다.

3. 추정

최대 산소 섭취량의 정확한 측정은 최대한의 심폐 부하를 요구하는 신체 활동을 통해 이루어진다. 그러나 이러한 방식은 호흡기나 심혈관계 질환자에게 위험할 수 있어, 최대 산소 섭취량을 직접 측정하는 대신 아최대 검사를 통해 추정하는 방법이 개발되었다.[54][10][45] 아최대 검사는 최대 능력 이하의 운동 강도에서 수행되므로, 건강 상태가 좋지 않은 사람에게도 비교적 안전하다.

3. 1. 심박수 비율을 이용한 방법

최대 심박수와 안정시 심박수를 이용한 최대 산소 섭취량 추정 방법은 다음과 같다.[54][10][45]

: \ce{\dot VO2}\max \approx \frac{\text{HR}_\max}{\text{HR}_\text{rest}} \times 15.3\text{ mL}/(\text{kg}\cdot\text{minute})

이 공식은 최대 심박수(HRmax)와 안정시 심박수(HRrest)의 비율을 사용하여 최대 산소 섭취량을 추정한다. 이 방법은 잘 훈련된 21~51세 남성에 대한 측정에 기초한 것이기 때문에 다른 집단에 대해서는 신뢰도가 떨어진다고 알려져 있다. 또한 최대 심박수는 나이를 이용한 추정치보다는 실제로 측정한 값을 사용할 때 가장 잘 들어맞는다.

기본 상수 계수 15.3은 잘 훈련된 남성에게 적합하다.[54][10] 이후 연구에서는 다양한 집단에 대해 수정된 상수 계수를 제안한다. Voutilainen ''et al.'' 2020에 따르면 흡연 이력이 없고 심혈관계 질환이나 기관지 천식, 암이 없는 40세 정도의 보통 체중 남성은 이 계수로 14를 사용해야 한다.[55][11] 또한 나이가 10세 증가하는 경우, 정상 체중에서 비만이 된 경우, 비흡연자였다가 현재 흡연을 하는 경우, 각각의 경우에 계수를 1 줄인다. 결과적으로, 60세 비만 흡연자 남성의 최대 산소 섭취량은 최대 심박수와 안정시 심박수의 비율에 10을 곱하여 추정한다.

3. 2. 쿠퍼 테스트

케네스 H. 쿠퍼는 1960년대 후반 미국 공군을 위해 연구를 수행했는데, 그 결과 중 하나가 12분 동안 달리는 거리를 측정하는 쿠퍼 테스트였다.[12] 최대 산소 섭취량 추정치는 12분 동안 달린 거리 ''d''12(단위: m)를 이용해서 다음과 같이 구할 수 있다. (단위: mL/(kg·분))

:\mathrm{최대 산소 섭취량} = {d_{12} - 505 \over 45}

달린 거리를 마일로 나타내면 다음과 같이 계산할 수도 있다.

:\mathrm{최대 산소 섭취량} \approx {(35.97 * d'_{12}) - 11.29}

3. 3. 20미터 셔틀런 (왕복 오래달리기)

20미터 셔틀런에서도 측정할 수 있다.[46] 이는 레제(Leger)와 램버트(Lambert)의 논문 "최대 다단계 20m 셔틀 런 테스트를 통한 최대 산소 섭취량 예측"에서 발표되었다.

3. 4. Rockport fitness walking test

Rockport fitness walking test는 1마일 트랙 걷기(최대한 빨리) 시간(분 단위, 예: 20:35는 20.58로 지정), 성별, 나이(세), 체중(파운드), 1마일 종료 시 60초 심박수(분당 박동수)를 이용하여 최대 산소 섭취량()을 추정한다.[14] 남성의 경우 상수 x는 6.3150, 여성의 경우 0이다.

일반화된 공식의 상관 관계 계수는 0.88이다.

4. 체질량당 산소 소비율

최대 산소 소비량은 분당 소비하는 산소의 총량(L/분) 또는 체질량당 분당 소비하는 산소의 양(mL/(kg·분))으로 나타낼 수 있다. 스포츠 선수의 지구력을 비교할 때는 주로 체질량당 산소 소비량을 사용한다.[48] 그러나 최대 산소 소비량은 체질량에 선형적으로 비례하지 않기 때문에, 개인 간 또는 종 간 운동 능력을 비교할 때는 공분산 분석 등의 통계적 보정이 필요하다.[48][2]

최대 산소 섭취량은 Fick 방정식을 통해 정의된다.

:\mathrm{VO_2\; max} = Q \times\ (\mathrm{C_aO_2} - \mathrm{C_vO_2})

위 식에서 Q는 심박출량, CaO2는 동맥 산소 함량, CvO2는 정맥 산소 함량이며, 각 값은 최대 부하를 가했을 때의 값이다. (CaO2 – CvO2)는 동정맥혈 산소 차라고도 불린다.

5. 참고값

남성은 평균적으로 트레드밀에서 여성보다 V̇O2 max가 26%(6.6mL/(kg·min)) 더 높고, 사이클 에르고미터에서는 37.9%(7.6mL/(kg·min)) 더 높다.[56] 사이클 에르고미터를 사용하여 측정할 때 V̇O2 max는 트레드밀에 비해 평균 22%(4.5mL/(kg·min)) 더 높다.[56]

나이대에 따른 최대 산소 섭취량 백분위, 트레드밀 및 사이클 에르고미터에서 심폐 운동 (단위: mL/(kg·분))[56]
백분위연령대 (년)
남성여성
20–2930–3940–4950–5960–6970–7980–8920–2930–3940–4950–5960–6970–7980–89
트레드밀
9058.655.550.843.437.129.422.849.042.137.832.427.322.820.8
8054.550.045.238.332.025.921.444.837.033.028.424.320.818.4
7051.946.440.934.328.723.820.041.833.630.026.322.419.617.3
6049.043.437.931.826.522.218.439.031.027.724.620.918.316.0
5046.539.735.329.224.620.617.636.628.325.722.919.617.215.4
4043.637.032.426.922.819.116.634.026.423.921.518.316.214.7
3040.033.529.724.520.717.316.130.824.221.820.117.015.213.7
2035.229.826.722.218.515.914.827.221.919.718.515.414.012.6
1028.624.922.118.615.813.612.922.518.617.216.513.412.311.4
사이클 에르고미터
9062.250.541.937.131.426.218.746.032.027.322.420.318.018.1
8057.039.035.131.627.022.617.340.927.023.520.418.516.814.3
7052.835.531.428.424.520.616.237.524.521.818.917.415.912.9
6048.331.629.026.323.319.414.634.322.920.317.816.415.011.3
5044.030.227.424.521.718.313.231.621.618.816.915.714.510.9
4040.827.925.423.120.717.112.228.919.917.916.115.013.610.1
3037.425.723.822.019.116.011.125.618.616.615.214.212.99.4
2034.522.621.920.217.514.79.721.917.015.414.313.412.08.7
1028.819.119.817.214.711.08.418.815.013.713.012.210.77.8


6. 훈련의 효과

최대 산소 섭취량은 훈련을 통해 향상될 수 있지만, 그 정도는 개인에 따라 큰 차이를 보인다. 나이가 들면서 최대 산소 섭취량은 감소한다.[59]

로드 사이클링, 조정, 크로스컨트리 스키, 수영, 장거리 달리기와 같이 지구력이 중요한 운동 종목의 세계적인 선수들은 일반적으로 높은 최대 산소 섭취량을 가지고 있다.

조정 선수들은 체질량당 산소 섭취량은 다른 종목 선수들보다 약간 낮지만, 체격이 크기 때문에 분당 총 산소 섭취량은 더 높다. 1984년 엘리트 조정 선수들의 분당 최대 총 산소 섭취량은 남성 6.1L/분, 여성 4.1L/분이었다.[61] 뉴질랜드의 스컬 선수 롭 와델은 지금까지 측정된 수치 중 가장 높은 분당 최대 총 산소 섭취량을 기록했다.[62]

동물의 경우, 수영하는 쥐는 약 140ml/kg/min,[63] 서러브레드 품종 말은 18주간의 고강도 훈련 후 약 193ml/kg/min,[64] 썰매개 경주에서 달리는 알래스카 허스키는 240ml/kg/min,[65] 가지뿔영양은 300ml/kg/min에 달하는 최대 산소 섭취량을 보였다.[66]

6. 1. 비운동선수

훈련받지 않은 건강한 남성의 최대 산소 섭취량은 약 35~40mL/(kg·분)이다.[57][58] 훈련받지 않은 건강한 여성의 최대 산소 섭취량은 약 27~31mL/(kg·분)이다.[57] 이러한 수치는 훈련을 통해 향상되고 나이가 들면서 감소할 수 있다. 그러나 훈련을 통해 얼마나 향상시킬 수 있는지는 사람마다 큰 편차를 보인다.[59]

6. 2. 운동선수

로드 사이클링, 조정, 크로스컨트리 스키, 수영, 장거리 달리기와 같이 운동 능력에서 지구력이 큰 비중을 차지하는 종목에서 세계적 수준의 운동선수들은 일반적으로 높은 최대 산소 섭취량을 갖는다. 남성 엘리트 주자는 최대 85mL/kg·min영어, 여성 엘리트 주자는 약 77mL/kg·min영어의 산소를 소비할 수 있다.[60]

체질량당 섭취량이 아닌 분당 총 산소 섭취량은 조정 선수들이 높다. 조정 선수들의 체질량당 산소 섭취량은 타 종목에 비해 조금 낮지만 육중한 체형 때문에 총 산소 섭취량은 더 높기 때문이다. 1984년에 엘리트 조정 선수들의 분당 최대 총 산소 섭취량을 측정한 결과, 남성은 6.1L/분, 여성은 4.1L/분이었다.[61] 뉴질랜드의 스컬 선수 롭 와델의 분당 최대 총 산소 섭취량은 지금까지 측정된 것 수치 중 가장 높다.[62]

노르웨이의 사이클 선수인 오스카르 스벤센은 97.5mL/kg·min영어으로 역대 최고 V̇O2 기록을 보유하고 있다.[20][21]

6. 3. 동물

다른 여러 동물 종에 대해서도 최대 산소 섭취량 측정이 이루어졌다. 수영을 하는 동안 생쥐의 최대 산소 섭취량은 약 140ml/kg/min이었다.[63] 서러브레드 품종의 말은 18주간의 고강도 훈련 후 수행한 테스트에서 약 193ml/kg/min의 최대 산소 섭취량을 보였다.[64] 썰매개 경주에서 달리는 알래스카 허스키의 최대 산소 섭취량은 240ml/kg/min이었다.[65] 가지뿔영양의 최대 산소 섭취량은 300ml/kg/min에 달하는 것으로 추정된다.[66]

7. 제한 요인

최대 산소 섭취량(V̇O2)에 영향을 미치는 요인은 공급과 수요로 나눌 수 있다.[26] 공급은 폐에서 미토콘드리아로 산소를 수송하는 것(폐 기능, 심박출량, 혈액량, 골격근의 모세혈관 밀도 결합)을 의미하며, 수요는 산화적 인산화 과정에서 미토콘드리아가 산소를 환원할 수 있는 속도를 의미한다.[26] 이 중 공급 요인이 더 제한적일 수 있다.[26][38] 하지만, 훈련된 사람은 공급 제한을 받을 가능성이 높지만, 훈련되지 않은 사람은 실제로 수요 제한을 받을 수 있다는 주장도 있다.[27]

최대 산소 섭취량에 영향을 미치는 일반적인 특성으로는 나이, 성별, 체력 및 훈련, 고도가 있다. 최대 산소 섭취량은 달리기 경제성 및 장시간 운동 중 피로 저항의 변동으로 인해 달리기 선수의 경기력을 제대로 예측하지 못할 수 있다. 신체는 시스템으로 작동한다. 이러한 요인 중 하나라도 기준 미달이면 전체 시스템의 정상적인 능력이 감소한다.[27]

약물 에리트로포이에틴(EPO)은 인간 및 다른 포유류 모두에서 최대 산소 섭취량을 상당히 증가시킬 수 있다.[28] 이는 EPO가 지구력 스포츠 선수, 특히 프로 사이클링 선수에게 매력적인 이유이다. EPO는 불법 경기력 향상 약물로 1990년대부터 금지되었지만, 1998년까지 사이클링에 널리 퍼져 페스티나 사건을 일으켰으며[29][30], USADA의 2012년 US Postal Service Pro Cycling Team에 관한 보고서에도 널리 언급되었다.[31] 그렉 르몽은 비정상적인 경기력 증가를 감지하기 위해 선수들의 최대 산소 섭취량(및 기타 특성)에 대한 기준선을 설정할 것을 제안했다.[32]

8. 임상적 의의

최대 산소 섭취량(V̇O2 max/peak)은 일부 운동선수나 질병 위험 평가를 받는 사람들의 심폐 체력(CRF) 지표로 널리 사용된다. 2016년, 미국 심장 협회(AHA)는 V̇O2 max/peak로 정량화할 수 있는 심폐 체력을 정기적으로 평가하고 임상 활력 징후로 사용할 것을 권장하는 과학적 성명을 발표했다. V̇O2 측정이 불가능할 경우, 에르고미터(운동 와트 측정)를 사용할 수 있다.[33] 이 성명은 낮은 체력 수준이 심혈관 질환, 모든 원인에 의한 사망률과 연관되어 있다는 증거를 바탕으로 했다.[33] AHA의 권고는 운동 처방의 타당성, 신체 활동 상담, 그리고 평가받는 사람들의 관리와 건강을 모두 개선하기 위한 체력 측정의 가치를 언급했다.[33]

2023년 메타 분석은 관찰 코호트 연구를 통해 최대 산소 섭취량과 모든 원인에 의한 사망 위험 사이의 역 상관 관계와 독립적인 연관성을 보여주었다.[34] 추정 심폐 체력이 대사 당량 1 증가할 때마다 사망률이 11% 감소하는 것으로 나타났다.[34] 최대 산소 섭취량 상위 3분의 1에 해당하는 사람들은 하위 3분의 1에 비해 사망률이 45% 낮았다.[34]

2023년 현재, 최대 산소 섭취량은 자원과 비용에 대한 상당한 요구로 인해 심폐 체력 또는 사망률을 평가하기 위한 일반적인 임상 진료에서는 드물게 사용된다.[35][36]

9. 역사

1922년 영국의 생리학자 아치볼드 힐은 최대 산소 섭취량과 산소 부채의 개념을 도입했다.[37][38] 힐과 독일 의사 오토 메이어호프는 근육 에너지 대사와 관련된 독자적인 연구로 1922년 노벨 생리학·의학상을 공동 수상했다.[39] 이 연구를 바탕으로 과학자들은 운동 중 산소 소비량을 측정하기 시작했다. 이 분야에 기여한 주요 인물 및 기관은 다음과 같다:[40][41]


  • 미네소타 대학교의 헨리 테일러
  • 1950년대와 60년대 스칸디나비아 과학자 페르올로프 오스트란드와 벵트 살틴
  • 하버드 피로 연구소
  • 독일 대학
  • 코펜하겐 근육 연구 센터

참조

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