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에너지 대사
살아있는 생물체들은 태양의 빛으로부터 에너지를 얻되, 식물들은 광합성을 통하여 에너지를 저장하고 인간을 비롯한 동물들은 식물 또는 식물을 먹은 동물을 음식으로 섭취함으로써 에너지를 얻는다. 이로부터 제공되는 영양소는 대표적으로 탄수화물, 지방, 단백질이 있으며, 소화와 흡수 과정을 통해서 인체에 여러 가지 형태로 저장된다. 음식물로부터 섭취한 영양소들은 일련의 화학반응인 물질대사 과정을 거쳐 에너지를 생산하는 재료로 쓰일 수 있다. 에너지 대사(energy metabolism)는 이러한 인체의 다양한 생명활동을 유지하기 위해 에너지를 활용하고, 남은 에너지는 저장에너지의 형태로 여러 조직에 나누어 보관하는 과정을 말한다.
음식으로부터 얻은 영양소는 일련의 대사과정을 거쳐 에너지 화합물인 아데노신삼인산염(ATP, adenosine triphosphate)으로 저장되며, 저장된 에너지는 근육 수축 및 대부분의 인체 기능을 위한 에너지로 사용된다. 탄수화물과 단백질은 1g당 약 4.1kcal의 에너지를, 지방은 1g당 9.4kcal의 에너지를 제공하며, 대부분의 정상적인 상태에서 단백질은 인체의 대사에 에너지를 제공하는 대신 인체를 구성하는 뼈와 근육 등을 구성하는 데 쓰인다.
인체의 활동은 근육의 수축, 이완 작용에 의하여 이루어지며, 근육을 움직이기 위해서는 직접적인 에너지가 필요하고 이때 사용되는 에너지원이 ATP이다. 따라서 지속적인 움직임을 위해서는 끊임없이 ATP를 재합성해야 한다. 여러 경로를 거쳐 생성된 ATP는 운동의 형태나 종목의 특성에 따라 밀접한 에너지 생성체계를 가지고 있다. 특히 10초 이내에 이루어지는 단시간 고강도 운동은 ATP를 가장 빠르고 쉽게 이용할 수 있어야 한다. 그러나 2∼4분 정도로 운동 지속시간이 늘어난 운동에서는 무산소성 대사와 유산소성 대사가 혼합되어 ATP가 생성된다. 반면 1시간 이상 지속되는 장시간의 저강도 운동유형에서는 전적으로 유산소 에너지 생성체계에 의해서 ATP가 공급된다.
또한 2∼3분 이내의 단시간 고강도 운동에서는 무산소 에너지 생성체계를 통해 에너지를 공급받게 되고, 영양소는 주로 탄수화물(3/4), 지방(1/4)의 비율로 이용된다. 높은 운동 강도일수록 탄수화물의 비중이 높고, 낮은 운동 강도일수록 지방의 비중이 증가한다. 그리고 저강도 운동이나 고강도 운동을 장기간 지속하면 에너지 기질은 운동의 진행에 따라 차이가 있다. 30분 이상의 운동에서 초기에는 탄수화물이 에너지원으로서 높은 비율을 차지하지만, 90분 이상의 장기간 지속되는 운동에서는 줄어든 탄수화물 대신 지방이 에너지원으로서 많이 사용된다. 따라서 운동 시 에너지원으로 사용되는 기질은 건강상태, 운동 유형 및 운동 강도와 시간, 트레이닝 등의 여러 요인들에 영향을 받는다.
에너지 소비량 측정
인체는 생명을 유지하기 위해 에너지를 사용하고 남는 에너지는 저장하거나 소모함으로써 에너지의 균형을 유지하고 있다. 이 때 생물체가 생명을 유지하는 데 필요한 최소한의 에너지양인 기초대사량(BMR, basal metabolic rate)에 음식물 섭취에 의한 소화, 흡수 및 분배 등의 과정에 요구되는 에너지량을 포함한다. 1일 전체 에너지 소비량의 60∼75%를 차지하는 안정 시 기초대사량(RER, resting metabolic rate)과 활동성 에너지(TEE, themic effect of exercise)가 30∼35%로 전체 에너지 소비의 많은 부분을 차지한다.
이러한 에너지 소비량을 측정하는 데에는 직접 칼로리 측정법과 간접 칼로리 측정법이 있다. 직접 칼로리 측정법에는 열량계를 이용하여 피험자의 신체 내에서 생산된 열을 직첩 측정함으로써 정확한 에너지 소비량을 측정할 수 있다. 그러나 에너지 소비에서의 빠른 변화는 측정할 수 없으며 운동기구 자체에서도 열이 발생하고 인체에서 발생한 열이 모두 발산되지는 않는다는 점과 땀 분비가 측정에 영향을 미쳐서 오늘날에는 많이 사용되지 않는다.
대표적인 간접 칼로리 측정법으로는 호흡가스를 측정함으로써 간접적으로 에너지 소비량을 추정한다. 뿐만 아니라 최근에는 3축 가속도 센서를 이용하여 활동량으로 에너지 소모량을 추정하는 휴대용 에너지 소모량 측정기기에 대한 연구가 주를 이루고 있으며, 그 외에도 심박측정이나 호흡측정, 만보계, 적외선센서, GPS센서와 같은 부가적인 요소를 추가해 간접적인 측정이지만 보다 정확한 에너지 소모량을 추정하기 위한 연구들이 진행되었다.
특히 3축 가속도 센서를 이용한 활동량 정보를 분석하는데 다양한 변수가 사용되고 있다. 3축 가속도 센서로부터 활동량 정보를 수집하여 분석하는 연구들은 SVM(signal vector magnitude)을 주로 사용하였으며, 계산된 SVM으로 실제 칼로리 소비량을 추정할 수 있도록 하는 회귀분석, 상관분석 등 다양한 통계분석방법을 적용하여 에너지 소모량 알고리즘을 수립 및 추정하고 있다.