2.1 피험자

신체·정신적으로 가장 건강한 연령대인 20대의 성인 남성과 여성을 대상으로 운전면허증을 보유하고, 운전경험이 있는 대상자를 우선 모집하여 피험자를 선별하였다. 지원 대상자는 나이, 신장, 몸무게, 맥박, 혈압 등 기본적인 신체검사를 실시하였으며, 간단한 생리신호 검사도 동시에 수행하였다. 지원자 중 신체·정신적으로 건강한 남·여 각 10명, 총 20명의 피험자를 선별하여 실험에 참여시켰다.

본 실험 전 피험자들에게는 개인의 실험일정을 미리 공지하였다. 전체 실험일정 기간 중에는 무리한 운동이나 과로, 과식, 음주, 흡연, 약물복용 등을 금지하도록 시켰고, 규칙적인 생활을 유지하도록 권유하였다. 또한, 본 실험에 참여하기 전날에는 최근의 개인 생활패턴을 조사하고, 실험참가 여부를 판별하였다.

본 실험에 참가한 피험자들에게는 자발적인 실험 동의서를 작성토록 하고, 실험 전 기본적인 건강상태를 재확인 후 실험에 관한 전반적인 내용 및 주의 사항을 설명하였다. 실험 시 실험자는 피험자에게 외부 자극으로 인한 스트레스를 최소화하기 위하여 안정적이고 편안하게 대응하였다.

Table 1에 실험에 참가한 피험자들의 평균 신체 치수와 한국인 표준 신체 치수를 나타내었다.

2.2 실험방법

실험장소는 부산광역시 소재 부경대학교 친환경 공조시스템 연구실 내 항온항습실에서 진행되었으며, 항온항습실은 전실과 본실로 구분되어있다. 피험자가 도착하면 먼저 실험복장으로 갈아입고, 실내온도 25℃, 상대습도 50%인 전실에 입실한다. 전실에서 실험자는 피험자의 건강상태를 확인 후 기록하고, 실험 진행 여부를 판별한 후 생리신호 센서를 부착한다. 센서 부착 후 피험자는 본실과 연결된 통로를 통해 본실로 이동하고, 본실에서 30분간 25℃, 50%의 온·습도 조건인 실내 환경에 순응하는 시간을 가지게 된다. 실험자는 실험장치를 점검하고, 생리신호 이상 유±무를 확인한 후에 본 실험을 90분간 승용차용 의자에 앉은 자세로 진행하였다.

실험 Case는 90분간 가만히 앉은 자세에서 졸음상태를 파악하는 무풍 실험과 졸음시 냉풍 자극에 반응하는 송풍 실험으로 구분하여 실시되었다. 냉풍 반응 실험 시 송풍온도는 약 21℃이고, 풍속은 6.68 m/s인 냉풍을 20초간 피험자의 안면부에 송풍되도록 설계하였다. 피험자들은 졸음상태와 실험시의 피로도 등을 감안하여 동일한 실험일에 모든 실험 Case를 실시하지 않고, 각 실험 Case 별로 각각 다른 일정으로 1회씩 참여시켰다.

Fig. 1에서는 전체 실험 스케줄을 나타내고 있다.

실험 시 피험자 재실공간은 본실 내부에 하나의 챔버실을 설치하여 입실시켰으며, 챔버실의 크기는 소형 자동차 내부공간의 용적을 고려하고, 피험자를 관찰하기 위해 투명 아크릴을 사용하여 1.5 m(W)×1.5 m(D) ×1.5 m(H) 크기로 제작되었다. 좁은 공간에서 피험자 호흡으로 인한 실내 CO₂ 농도 상승을 억제하기 위하여 신선한 외기 도입부 및 실내 배기구를 개폐 가능하도록 제작되어졌다.

Fig. 2에 실험장치 개략도를 나타내었다.

실험장비는 냉풍을 공급하기 위한 냉각장치를 항온항습실 외부에 설치되었고, 챔버실 내로 송풍하기 위한 송풍시스템이 구성되었다. 항온항습실과 챔버실 내의 실내 온·습도를 측정하기 위하여 데이터로그와 T-type 열전대, 온·습도계를, 실내 공기질 모니터링을 위하여 CO₂ 측정 장비를, 피험자의 졸음 상태를 확인하기 위한 적외선 카메라를 설치하여 실시간으로 측정 및 동영상을 저장하였다. 또한, 피험자의 생리신호 측정 및 분석을 위한 뇌파와 심전도 장비와 산소포화도 측정기를 설치하여 실시간으로 데이터를 수집하였다.

Table 2에서 실험 시 사용된 실측장비와 수집된 데이터를 표기하였다.

생리신호 측정에서 뇌파는 피험자의 전두엽 머리 표면 위에 4ch(Fp1, Fp2, F3, F4, REF’, GND’)을 부착하는 방법으로 국제적으로 명명된 10-20 전극 배치법⁽⁹⁾을 이용하여 뇌파를 측정하였고, 심전도는 왼쪽 팔목(LA), 오른쪽 팔목(RA), 왼쪽 발목(LL), 오른쪽 발목(RL)에 측정전극을 부착하는 방법으로 표준사지 유도법⁽¹⁰⁾에 의해 3ch 신호를 측정하였다.

피험자는 가벼운 실내 평상 복장의 착의량인 0.6 clo이고, 활동량은 앉은 상태에서 가벼운 움직임 정도의 상태이므로 1.1 MET이다.

Fig. 3에서는 본 실험시 촬영한 실험 전경 사진을 보여주고 있다.

2.3 파워 스펙트럼 분석

본 실험에서 얻어진 생리신호 데이터는 생체신호를 포함하여 화상신호, 음성신호, 통신신호 등의 많은 분야에서 널리 사용되고 있는 분석방법인 파워 스펙트럼(Power Spectrum) 분석법을 활용하였다.

파워 스펙트럼은 퓨리에 변환을 이용하며, 이산적인 디지털 신호를 위한 이산 퓨리에 변환은 아래와 같이 정의된다.

식(1)을 퓨리에 역변환(Inverse Fast Fourier Transform : IFFT)하면 다음과 같다.

식(2)의 양변에 절대 값을 취하고 제곱한 후 $\sum _{k=0}^{N-1}$을 취해 모두 합하면 다음과 같다.

식(3)에서 원 신호의 제곱의 합과 퓨리에 변환을 거친 신호의 제곱의 합은 같다. 이때 원 신호제곱의 합 또는 퓨리에 변환의 합은 총 파워값(Total Power)이라 한다. 즉, 신호의 총 파워값은 시간공간이나 주파수공간에서 모두 같음을 의미하며 이는 Parseval 정리이다.

이 정리를 만족하는 파워 스펙트럼은 다음과 같이 정의된다.

파워 스펙트럼 분석법은 시간에 따라 변화하는 시계열 신호를 주파수영역으로 변환하여 주파수 변화에 따른 신호의 양상을 판단하기 위해 사용하였다.

3.1 실험환경

본 실험에서 실험 공간은 항온항습실과 피험자 재실공간인 챔버실로 구분된다. 항온항습실의 온도는 실내 쾌적 온·습도 조건인 25℃, 50%로 설정되었고, 챔버실 내부공간의 온도는 Fig. 4에서와 같이 항온항습실 내부 온·습도와 동일한 조건에서 실험이 진행되었다. 이는 챔버실 내부의 실내 환경은 열적으로 쾌적한 상태였고, 피험자는 실내 온열환경의 열적 스트레스로 인한 생리신호 변화에 영향을 미치지 않았음을 의미한다. 실내 CO₂ 농도는 본실험 전 챔버실 개방으로 항온항습실 내부 농도와 같은 1,000 ppm 이하로 나타났으며, 챔버실 밀폐와 피험자 호흡으로 인한 CO₂ 발생으로 1,400 ppm까지 상승하였다. 이는 미국의 실내 환기조건 기준에 부합하며, 졸음을 유발시킬 수 있는 2,000 ppm 이하로 나타남으로써, 실험 환경은 적절하게 설계 및 운전되었고, 실험 환경은 쾌적한 상태로 유지되었음을 확인할 수 있다.

3.2 뇌파

뇌파는 뇌의 전기적인 활동을 머리 표면에 부착한 전극에 의해 비침습적으로 측정한 전기신호이다. 이러한 뇌파는 주파수의 범위에 의해 인위적으로 델타파(0.2~ 3.99 Hz), 세타파(4~7.99 Hz), 알파파(8~12.99 Hz), 베타파(13~29.99 Hz), 감마파(30~50 Hz)로 구분된다.

뇌파의 파형에서 알파파는 일반적으로 눈을 감고 긴장이완 상태이면 증가하는 경향이 나타난다. 하지만, 정신활동이나 신체적 운동 상태일 때는 알파파는 감소된다. 알파파의 감쇠는 지각자극 중에서도 특히 개안에 의한 시각 자극에 의해 감쇠가 뚜렷하게 나타난다.⁽¹¹⁾

베타파는 정신적인 활동이나 신체적 운동에 의해 발생되며, 불안과 같은 긴장상태 시에 우세하게 나타나며, 청각, 촉각, 정서적 자극에 영향을 받는다. 세타파는 정서적 안정과 수면으로 이어지는 과정에서 주로 나타나며, 성인보다는 아동에게 더 많이 분포한다.

본 연구에서는 졸음 및 각성과 연관된 알파파, 베타파, 세타파를 파워 스펙트럼 분석법과 통계 기법을 이용하여 분석하였다.

실험은 냉풍 자극 유무에 따라 구분하였으며, 총 90분간의 본실험 시간 중 졸음시간(0:00)을 기준으로 전·후 5분 동안 1분 간격의 데이터를 비교하였다. Fig. 5에서 송풍 자극 없이 실험조건을 유지하면서 피험자가 가만히 앉아 있는 경우 알파파와 베타파의 비율이 유사하게 나타났으며, 냉풍 자극 시 졸음구간에서는 폐안시 알파파가 증가하였다가 감소하는 “alpha block” 현상의 영향으로 알파파가 증가하였다. 피험자는 졸음직후 20초간 냉풍자극을 받으면서 개안으로 인한 알파파 감소와 졸음상태를 스스로 인지하고 집중하고자 하는 행동을 보였으며, 이러한 영향으로 베타파가 우세한 경향이 뇌파 신호에서 나타났다. 이러한 결과로 졸음시 냉풍에 의한 자극이 피험자들에게 유효한 반응을 일으킨다는 사실을 확인하였다. 냉풍자극 후 1분에서 2분 사이 알파파가 다시 우세하게 나타나는 현상은 졸음을 완전히 억제시키지는 못하고, 피험자의 눈깜빡임 행동이 반복됨으로써 나타나는 결과로 판단된다.

시계열에 대한 통계분석 t-test 결과 냉풍 자극 전후 1분간 유의미한 차이가 나타났으며, 피험자들의 표준편차 값도 상당히 줄어들었다. 졸음 후 1분간과 2분간에 대해서도 유의미한 차이를 확인할 수 있다. 냉풍 자극 전·후 1분간은 냉풍 자극이 유의미함을 나타내며, 졸음 후 1분과 2분 사이는 졸음과 각성에 대한 뇌파 반응의 차이로 판단된다. 송풍 유무와 졸음 전·후 5분간의 전체 시계열에 대한 분산분석 결과 냉풍 유무에서만 유의미한 통계적 차이를 확인할 수 있었다.

Fig. 6에서는 델타파를 제외하고 전체 뇌파 파형에 대한 세타파의 결과 값으로 상대 세타 값을 보여준다. 세타파는 느린 파형을 보이는 서파이며 수면상태와 연관된다. 송풍 유·무에 대한 상대 세타파 경향은 유사하게 나타났으며, 통계적으로도 유의미한 차이를 발견하지 못하였다. 이는 실험 중 피험자들이 졸음 단계를 넘어서서 얕은 수면이나, 깊은 수면 상태에 까지는 이르지 않았음을 반증하는 결과이다. 또한 냉풍 반응 시를 제외하고 전체 구간에서 유사한 졸음 상태였음을 상대 세타파 결과로 유추해 볼 수 있다.

3.3 심전도

심전도는 신체표면에서 측정 가능한 심장의 전기적 활성단계를 반영하는 전위차 신호이다. 본 연구에서는 측정된 데이터를 기반으로 심장 주기 사이의 간격 변화를 나타내는 시간역 분석영역에서는 R-R 간격의 평균과 R-R간격의 표준 편차를 이용해 분석하였다. 심장의 방실결절 리듬에서의 다양한 주파수와 진동으로 분해 한 심장 박동 신호의 주기적인 진동을 나타내는 주파수 분석영역에서는 저주파(LF)와 고주파(HF)의 비를 분석하여 자율신경계 변화를 분석하였다.

심박 간격 변화에서 졸음 전 1분까지는 실험 Case 별 큰 변화가 나타나지 않았다. 이는 졸음시 냉풍 자극 유·무에 따른 생리 반응 실험으로 냉기를 송풍하는 시점 이전은 실험 조건이 동일하고, 상대 세타파에서 유추되었던 실험 조건별 졸음 상태는 유사하였음을 입증한다.

Fig. 7에서 평균 심박간격을 살펴보면, 졸음 전 1분부터 졸음시 까지 증가하는 경향이 나타났다. 이러한 경향은 심전도 관련 선행 연구들에서 확인되었던, 졸음의 영향으로 심박동수가 줄어든다는 사실과 일치한다. 각성을 위한 냉풍자극 시 R-R interval은 1분 동안 계속 증가하는 상태가 지속되다가 이후 감소하는 경향이 나타남으로써, 심전도에 의한 자극 반응은 뇌파에서 나타나는 반응보다 대략 1분 내로 지연된다는 사실을 확인할 수 있다.

평균 심박간격에 대한 t-test 결과 냉풍 자극 전·후 유의미한 차이가 나타났으며, 이러한 차이는 자극 후 2분간 지속되었다. 분산 분석 시 냉풍 자극 요인과 각 시간대에서 전체적으로 유의미한 차이가 통계적으로 나타났다.

SDNN의 표준 범위는 30~60 msec로 표준범위 이내에서 높을수록 스트레스에 대한 저항도가 높고 건강한 상태를 의미하며, Fig. 8에서와 같이 피험자들은 건강한 상태의 SDNN 범위 내에 포함되었다. 그리고, 분산분석 결과에서는 냉풍 자극 유·무에 따른 유의미한 차이를 확인하였다.

자율신경계는 교감 신경계와 부교감 신경계의 활성양상으로부터 신체적 또는 육체적 스트레스를 판별할 수 있으며, LF(0.04~0.15 Hz)는 심장에 대한 교감신경의 활성에 대한 지표이고, HF(0.15~0.4 Hz)는 부교감 신경계의 활성에 대한 지표이다. 교감신경의 활성은 심박동수 증가, 혈압 및 혈당 증가 등 초기 스트레스 상태를 반영하고, 부교감 신경의 활성은 편안한 신체이완 상태 시 증가하는 경향을 나타낸다.

자율 신경계 변화는 HF에 대한 LF의 비로 나타내었으며, Fig. 9에서 그 결과 값을 보여준다. 냉풍 자극이 없는 상태에서는 LF/HF의 값은 졸음 전 4.03(±2.53), 졸음 후 4.16(±2.15)으로 다소 증가된 값이 나타났지만, 거의 유사한 결과 값을 보인다. 하지만 졸음시 냉풍으로 인한 자극을 주었을 때는, 졸음 전 4.60(±2.90)에서 졸음 후 3.55(±1.86)로 약 22.8% 감소하였고, 냉풍 자극이 없는 상태보다도 9.5% 낮게 나타났다. 결과적으로 졸음을 깨우기 위한 냉풍 자극은 피험자들에게 스트레스 요인으로 작용하지는 않고, 교감신경계를 억제하고 부교감신경계를 증가시켜 편안함을 유도하였다고 판단된다.

자율 신경계 변화에 대한 분산분석에서도 냉풍 자극 유·무에 의한 유의미한 차이를 확인할 수 있었다.