소방공무원은 타 직종에 비해 특수한 직무를 수행함에 따라 높은 수준의 체력 수준이 요구되는 직종이다. 특히, 화재진압과 구조 및 구급 활동을 수행하는데 헬멧, 마스크, 산소통, 방화복 등 총 20–30 kg이 되는 개인보호장비를 착용한 상태에서 구조장비를 들고 현장에 투입되기 때문에 높은 수준의 체력이 요구된다[1]. 또한 지역 특성과 지방자치단체의 소방 수요를 고려하여 3조 1교대 또는 2교대 근무를 실시하고 있어 체력 관리에 큰 노력이 요구된다. 하지만 소방서에 체력단련을 위한 시설이 적합하지 않은 등의 환경 관련 문제로 체력 관리에 어려움이 있다[2]. 이에 따라 소방청에서 제시된 근무규칙의 일과표에는 근무일과 중 체력 관리 항목이 편성되어 있지만 수행하기 쉽지 않다[3]. 또한 2022년 기준 소방공무원은 66,595명이고 그중 여성 소방공무원은 6,655명으로 약 10%를 차지하고 있으며 지난 10년간 여성 소방공무원의 비율을 약 2.5배 증가하였다[4]. 체력 수준에 따른 다양한 강도의 운동프로그램이 요구되고 있다.

소방공무원의 체력 관리의 방안에 대한 필요성이 대두되면서 관련된 많은 연구가 진행되고 있다. 국외의 연구를 살펴보면, 미국화재예방협회(National Fire Protection Association)에서 소방공무원이 현장에서 구조, 구급, 화재진압 등 임무를 수행하기 위해서는 최소 42 ml/kg/min 이상의 산소섭취량을 권장하고 있다. 이를 위해 체력단련 프로그램, 체력향상 교육 및 상담, 체력단련 프로그램에 대한 정보수집 및 관리 등을 제공하고 있다[5]. 반면에 국내의 연구를 살펴보면, 소방 직무수행과의 관계에서 심폐지구력, 근력, 순발력, 유연성이 소방 업무수행과 밀접한 관련이 있는 체력 요소라고 보고하고 있으며[6], 최대산소섭취량, 근력, 근지구력 등 체력 실태조사를 실시하였다[7]. 또한 소방관선발체력평가(Candidate Physical Ability Test)를 활용해 국내 소방공무원의 직무수행 관련 체력을 평가하였다[8]. 이처럼 국내 선행연구는 소방공무원 체력의 실태 파악에 초점을 두고 있으며 체력관리 방안에 대한 연구는 미비한 실정이다.

한국 소방공무원의 체력증진을 위한 방안으로 혼합현실 기반의 장비는 하나의 대안이 될 수 있다. 혼합현실은 사람의 오감 중 시각, 청각, 촉각 등 감각을 통해 인지능력을 활성화해 컴퓨터와 사람을 연결하여 몰입, 상호작용, 상상의 3가지 요소를 특징으로 공간 및 시각적인 간접 체험을 경험하도록 만드는 기술이다[9]. 과거 혼합현실을 구현하는 장비는 큰 부피와 무거운 중량으로 쉽게 사용하기에 어려움이 있었지만, 현재는 부피와 중량이 줄어들었고 사용법도 쉬워져 상용화할 수 있는 단계에 이르렀다[10]. 대표적인 예로 Nintendo의 게임기 “Wii Sports”가 있는데, 혼합현실과 운동을 융합하여 간편한 휴대성과 비교적 낮은 비용이 장점이다. 혼합현실을 이용하면 운동에 몰입하게끔 해주며, 동기부여 그리고 성취감을 이루게 함으로써 정확한 동작을 수행하게 만들어 준다[8].

선행연구에서 뇌성마비 청소년, 뇌졸중 환자, 파킨슨병 환자, 만성 요통 환자, 노인 등 혼합현실 기반 프로그램과 관련하여 비교적 낮은 체력 수준의 집단에 적용하여 증상이 개선된 연구 사례가 있다[11-15]. 더 나아가 건강한 성인의 건강증진을 위해 혼합현실 기반의 코어 운동 헬스케어 시스템 개발에 대한 복합적 연구, 혼합현실을 활용한 문화 체육시설 시뮬레이션, VR스포츠를 활용한 사용자 피트니스 관리시스템의 개발 방법 등 기술 및 시스템 개발에 대한 다양한 연구들이 시도되고 있다[16-17]. 운동을 지속적으로 수행하는 데 있어 중요한 요소 중 하나는 동기부여와 성취감이라고 볼 수 있는데, 이러한 요소는 피드백을 통해서 흥미와 목표 달성에 연결된다. 혼합현실 운동 장비는 다양한 시각, 청각 등 정보를 제공함으로써 전정기관의 균형 및 평형감각에 복합적으로 자극을 주고 운동 시간, 세트 횟수 등의 피드백을 통해 사용자에게 동기를 부여할 수 있다[18]. 또한 근전도 피드백을 통해 시스템 개발 및 효과 검증을 실시하였는데 몸통 중심 근육 활성도가 유의하게 나타났다고 보고했으며[19], 시각적 피드백의 여부에 따라 고관절 운동 동작 오차 수준을 비교하여, 시각적 피드백이 있을 때, 오차 범위가 감소하였다고 보고되고 있다[20].

이렇듯 혼합현실 기반 장비를 활용한 운동프로그램이 피드백을 통한 효과 검증 연구가 조금씩 두각을 나타내고 있어 높은 수준의 체력이 요구되는 소방공무원에도 효율적인 운동 방법일 수 있다. 선행연구에서 소방공무원의 운동 수행에 영향을 미치는 요인으로써 운동 강사의 부재와 운동 공간 및 시설의 한계로 나타났다[2]. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 24시간 교대근무로 운영되는 소방서의 특성을 고려해 운동 강사를 24시간 상주시키는 것, 소방서의 공간을 증설하는 것, 운동 시설을 추가로 설치하는 것에는 경제적 부담이 작용할 수밖에 없다. 그에 비해 최근에 개발된 혼합현실 운동 장비는 약 3.3m²의 공간에서 운동 동작에 대한 피드백이 가능해 운동 강사를 대체할 수 있어 앞선 해결책보다는 경제적인 것으로 생각된다. 이에 제도적으로 근무 중 운동시간이 포함되어 있으나 뚜렷한 운동 방법은 제시되지 못하고 있는 실정에서 혼합현실 기반 장비를 활용한 운동프로그램을 제공하면 운동 참여 동기부여와 무인 운동지도 방법으로 가치가 있을 것으로 판단된다. 또한 한국 소방공무원을 대상으로 소방 직무 관련 체력 증진을 위한 특화된 운동 프로그램은 부재한 실정이다. 이에 본 연구진은 근전도 측정을 통해 소방 직무 수행 중 활성화되는 근육을 분석한 선행연구 등을 바탕으로 소방 직무 수행능력을 향상할 수 있는 운동 동작으로 구성된 소방 직무 관련 체력 증진 프로그램(Korean firefighter fitness program, KFFP)를 마련하였다[21-22].

따라서 본 연구에서는 혼합현실 기반의 운동장비를 활용하여 소방 활동에 특화된 동작으로 구성된 1단계, 2단계, 3단계 KFFP를 적용해 운동 강도에 따른 심폐 반응의 차이를 분석하여 소방공무원에 실질적으로 적용할 수 있는지에 대한 기초자료로 제공하고자 한다.

대상자의 RHR, VO_2max, HR_max의 측정 결과는 (Table 5)에 나타낸 바와 같다. 남성과 여성의 RHR의 차이는 약 5 bpm 정도로 남성 대상자가 높게 나타났고, HR_max의 차이는 약 2 bpm으로 여성 대상자가 높게 나타났으며, VO_2max의 차이는 약 11 ml/kg/min으로 남성 대상자가 높게 나타났다.

운동프로그램의 절대 VO₂, HR의 측정 결과는 (Table 6)에 나타낸 바와 같다. HR은 단계별 차이는 1단계와 2단계는 약 8 bpm으로 나타났고 2단계와 3단계는 약 6 bpm으로 나타났으며 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<.001). VO₂의 단계별 차이는 1단계와 2단계는 약 1 ml/kg/min으로 나타났고 2단계와 3단계는 약 2 ml/kg/min으로 나타났으며 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<.001).

운동 프로그램의 상대 %HRR, %HR_max, %VO_2max의 측정 결과는 (Table 7)에 나타낸 바와 같다. %HRR는 단계별 차이는 1단계와 2단계는 약 7%로 나타났고 2단계와 3단계는 약 6%로 나타났으며 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<.001). %HR_max의 단계별 차이는 1단계와 2단계는 약 4%로 나타났고 2단계와 3단계는 약 3%로 나타났으며 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<.001). %VO_2max의 단계별 차이는 1단계와 2단계는 약 2%로 나타났고 2단계와 3단계는 약 4%로 나타났으며 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<.001).

본 연구는 소방공무원을 위해 구성된 단계별 운동프로그램을 혼합현실 기반 장비에 활용하여 심폐 반응에 따른 운동강도 차이를 분석하였다. 먼저 최대운동부하검사를 실시하여 연구대상자의 RHR, HR_max, VO_2max를 측정하였다. 그리고 VM에 단계별로 구성된 KFFP를 적용하여 심폐 반응의 운동강도 차이를 분석한 결과, 단계의 순서에 따라 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다.

운동강도를 나타내는 지표 중 심박수는 운동 시 변화하는 심장의 박동 횟수로 나타내며, 산소섭취량은 운동 시 소비되는 산소를 양으로 나타낸다. 심폐 반응은 심박출량, 심박수 등 심장의 반응과 환기량, 산소섭취량 등 폐의 반응이 복합적으로 작용하는 것을 말하며[25], 이 중 심폐의 상태를 확인하는 데 가장 보편적으로 사용하는 것이 HR과 VO₂이다. 이를 가지고 HRR, HR_max, VO_2max을 백분율로 운동 강도를 표현할 수 있다[26]. 심폐지구력은 소방공무원의 공상률과 높은 상관성을 보여주는 지표이기 때문에 [27] 심폐지구력을 향상하는 것은 소방공무원에 매우 중요한 일이다. 이에 본 연구에서는 소방공무원에게 적용하기 이전에 높은 수준의 체력을 지닌 대상자에게 VM에 구성된 단계별 KFFP를 적용해 그 강도를 확인해 적절한 운동프로그램을 소방공무원에 제공하기 위한 기초자료로 활용하고자 하였다.

U 대학교의 체육학과 학생들을 대상으로 실시하였으며 남성 대상자의 VO_2max는 약 57.6 ml/kg/min이고 여성 대상자의 VO_2max는 약 46.7 ml/kg/min이다. 이는 대상자의 연령을 고려했을 때, 남성 대상자는 상위 20%, 여성 대상자는 상위 20%의 수준으로 비교적 높은 수준의 체력을 지니고 있어 소방공무원의 체력 향상을 위한 운동프로그램 강도 분석에 적절한 대상자라고 볼 수 있다[24]. 본 연구의 결과에서 나타난 %HRR을 ACSM에서 제시하는 운동강도의 기준으로 살펴보았을 때, 1단계 KFFP는 약 40.6%로 중강도에 해당하였고, 2단계 KFFP는 약 47.9%로 역시 중강도에 해당하였으며, 3단계 KFFP는 약 53.9%로 중강도와 고강도 사이의 강도로 나타났다. 또한 %HR_max를 ACSM에서 제시하는 운동강도의 기준으로 살펴보았을 때, 1단계 KFFP는 약 67.4%로 중강도에 해당하였으며 2단계 KFFP는 약 71.4%로 역시 중강도에 해당하였고, 3단계 KFFP는 약 74.6%로 중강도에 해당하였다. 그리고 %VO_2max를 ACSM에서 제시하는 운동강도의 기준으로 살펴보았을 때, 1단계 KFFP는 약 37.1%로 저강도에 해당하였으며, 2단계 KFFP는 약 39.6%로 저강도에 해당하였고, 3단계 KFFP는 약 43.9%로 역시 저강도에 해당하였다. 하지만 VO₂를 통한 절대 강도를 METs로 보았을 때, 1단계 KFFP는 약 19.4 ml/kg/min으로 약 5.5 METs로 중강도에 해당하며 2단계 KFFP는 약 20.5 ml/kg/min으로 약 5.8 METs로 중강도에 해당하며, 3단계 KFFP는 약 22.8 ml/kg/min으로 약 6.5 METs로 고강도에 해당한다. 이는 본 연구의 대상자가 비교적 높은 수준의 심폐 체력을 갖추고 있어서 단계별 KFFP의 상대 강도가 저강도에서 중강도의 운동프로그램으로 볼 수 있으나 절대 강도로 보았을 때는 중강도에서 고강도 운동프로그램으로 높은 수준의 체력이 요구되는 소방공무원에 요구되는 수준의 체력을 향상시킬 수 있는 수준이라고 볼 수 있다. 최근 한국 소방공무원을 대상으로 실시한 심폐 체력에 관한 연구에서 약 39.7세의 VO_2max는 약 42.7 ml/kg/min으로 상위 50%의 수준이고[7], 약 25.7세의 VO_2max는 약 45.4 ml/kg/min으로 상위 55%의 수준으로 나타났다[8]. 이는 본 연구의 대상자보다 낮은 수준의 체력을 가지고 있는 것으로 나타나 VM를 활용한 단계별 KFFP는 한국 소방공무원에 효과적일 것으로 생각할 수 있다. 단계별 KFFP의 강도의 차이가 나타나는 것은 본 연구진의 의도대로 단계별로 구성된 운동 프로그램의 중량 증가와 운동 동작의 난이도 및 반복 횟수를 조절하면서 나타난 결과로 생각된다. 예를 들어 반복횟수를 조절하여 운동강도를 조절한 하이니(high knee) 운동 동작은 1단계에서는 분당 50회를 실시하도록 하였고 2단계와 3단계에서는 분당 100회를 실시하도록 하였다. 운동동작의 난이도를 조절하여 운동강도를 조절한 예는 스쿼트(squat) 동작으로 1단계에서는 단순히 스쿼트를 실시하였고, 2단계에서는 투 홉 스쿼트(two hop squat)로 스쿼트에서 손으로 땅을 집는 동작을 추가하게 하였으며, 3단계에서는 점프 스쿼트(jump squat)로 스쿼트에서 점프하는 동작을 추가하도록 하였다. 또한 본 연구에서 실시한 운동은 인터벌 운동의 형태를 지니고 있어 심폐 체력 및 대사 생체표지자의 개선이 가능할 뿐만 아니라 소방공무원의 주된 공상 원인인 심혈관성 및 폐질환을 예방하는 데도 효과적일 것일 것이다[28]. 대사당량이 11–14 METs의 운동능력을 가지고 있는 대상은 %HRR의 45% 수준의 운동에도 그 효과를 충분히 보일 수 있기 때문에 VM를 활용한 KFFP는 소방공무원에 효과적인 운동 방안이 될 수 있어 보인다[24].

앞서 언급했듯이 VM의 장점 중 하나는 운동 종료 후 대상자의 운동 수행율이 정리되어 나타나는데, 본 연구에서 나타난 수행율은 1단계는 99.35%, 2단계는 94.97%, 3단계는 85.41%로 나타났다. 이를 통해서 단계별 수행율에서 차이가 나타났음을 알 수 있었다. 연구 계획에서 단계별 운동프로그램에 대해 운동 동작의 횟수 증가와 덤벨의 중량 증가로 단계 수준을 분류하였지만 모든 단계에서 비슷한 수행율을 수행하지 못했다. 이는 본 연구 결과의 3단계 KFFP 강도를 명확하게 표기할 수 없는 것일 수도 있으며 3단계의 강도가 과소평가 되었을 수도 있다. 하지만 분명한 점은 본 연구에 참여한 대상자는 소방 직무를 수행하기 위해 권고되는 심폐 체력보다 높은 수준의 체력 수준을 가지고 있었으며 절대강도로 보았을 때, 3단계 KFFP는 고강도의 수준의 운동 프로그램이라고 볼 수 있다. 따라서 KFFP이 소방공무원에 적합한 수준의 운동 강도를 보인다는 것은 명확하나 추후 1단계, 2단계, 3단계의 운동이 객관적인 지표에 따라 저, 중, 고강도 KFFP로 구분되기 위해서는 운동의 구성을 수정하여 추가적인 연구가 필요하다. 현재 한국 소방공무원의 체력 관리에 대한 법률에 따르면 운동시간을 제시한 것 이외에 구체적인 운동방법은 제시되지 않는다. KFFP는 소방공무원에 요구되는 체력 수준을 갖출 수 운동프로그램으로 검증되어 활용할 수 있는 것으로 보인다. 또한 소방공무원의 체력 증진을 위한 운동 수행의 방해 요소로 나타났던 운동 강사의 부재와 운동장비의 부족함을 해결 방안 중 하나로 제시할 수 있을 것이다[2]. 24시간 교대근무로 운영되는 소방서의 특성상, 운동 강사를 상시 배치하여 소방공무원의 운동 동작에 대한 수정을 VM를 활용한 무인 운동 지도시스템은 높은 효율성을 보일 것으로 예상되며, VM를 활용해 운동하기 위해 필요한 공간은 3.3m²으로 한정된 공간에서 소방공무원에 요구되는 체력 수준을 갖출 수 있어 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구에서 VM를 활용한 단계별 KFFP는 중, 고강도 운동으로 검증되어 높은 수준의 체력이 요구되는 소방공무원의 심폐 체력 향상에 도움이 될 것으로 생각된다. 또한 24시간 교대근무 형태 및 운동 장비의 문제를 해결할 방안 중 하나가 되기에 충분하다고 생각된다. 본 연구의 결과가 소방공무원의 체력 관리를 위한 하나의 방안으로 활용되기를 바란다.