A Comparative Study on Electroencephalogram, Cognitive Function, Oxygen Saturation, and Heart Rate Before and After Core Breathing Intervention

코어 호흡운동 중재 전후 뇌파, 인지기능, 산소포화도 및 심박수 변화에 대한 비교 연구

Abstract

Purpose : We compared the immediate effects of core breathing exercises on electroencephalogram (EEG), cognitive function, oxygen saturation (SpO2), and heart rate in healthy adults with the effects of diaphragmatic breathing awareness training. Methods : Thirty healthy adults were randomly assigned to either the experimental group (core breathing exercise, n= 15) or the control group (diaphragmatic breathing awareness, n= 15). These interventions were conducted once daily for 10~15 min over five consecutive days. Participants in the experimental group performed core breathing based on diaphragmatic activation and deep core engagement by slowly inhaling through the nose to expand the abdomen while minimizing upper chest movement, followed by slowly exhaling through pursed lips. EEG (theta, alpha, and beta power), cognitive function, SpO2, and heart rate were measured before and after the intervention. Paired t-tests were used to assess within-group differences, and independent t-tests were used to evaluate between-group differences in outcome variables. Results : In the experimental group, a significant decrease in theta power and a significant increase in alpha power (p<.05) were observed. No significant EEG changes were observed in the control group. Cognitive function scores improved significantly in both groups, with greater improvements in the experimental group. SpO2 levels increased significantly in both groups, with the experimental group achieving a significantly larger increase (p<.05). A significant heart rate decrease was observed only in the experimental group (p<.001), indicating enhanced parasympathetic activation and physiological relaxation effects. Between-group comparisons revealed statistically significant differences in alpha power, SpO2, and heart rate, favoring the experimental group (p<.05). Conclusion : Core breathing exercise may induce EEG changes reflecting improved attention and relaxation, enhance cognitive processing, and promote autonomic regulation. Therefore core breathing may serve as a promising non-pharmacological intervention to enhance mental focus and physiological resilience and regulate emotion in healthy adults.

Ⅰ. 서론

1. 연구의 배경 및 필요성

현대인의 건강관리에서 호흡은 단순한 생리 현상을 넘어 자율신경계의 균형, 뇌 기능의 활성화, 심박수 및 산소포화도와 같은 생리적 지표의 안정성과 밀접하게 연관되어 있다. 특히, 디지털 기기의 과도한 사용, 빠른 생활 속도, 만성적 스트레스 환경은 집중력 저하, 수면 장애, 정서적 불안정 등 다양한 신체·정신적 문제를 유발하고 있으며, 이러한 문제에 대한 비약물적 접근법으로 호흡운동의 임상적 유용성이 주목받고 있다.

기존 연구에서는 심호흡, 복식호흡, 명상 호흡 등이 심리적 스트레스 감소와 자율신경계 조절에 효과적인 방법으로 보고되었으며, 이러한 호흡법은 교감신경과 부교감신경의 균형을 조절하여 뇌파, 인지 기능, 심박수, 산소포화도 등에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음이 밝혀졌다(Brown & Gerbarg, 2005; Zaccaro 등, 2018). 예를 들어, 복식호흡이나 느린 호흡 훈련은 알파파의 증가를 유도하고 감마파 및 베타파의 증가를 통해 주의력과 각성 상태를 향상시키는 데 효과적인 것으로 나타났다(Kim & Min, 2008; Ma 등, 2017). 또한, 산소포화도 유지 및 심박수 조절과 같은 생리적 반응 역시 일정한 호흡 리듬 조절을 통해 안정화될 수 있다는 보고가 있다.

하지만 이러한 호흡 기반 중재는 주로 복식호흡과 같은 비교적 단순한 호흡법에 국한되어 있으며, 다수의 연구가 노인, 스트레스 환자, 혹은 호흡기 질환자를 대상으로 수행되어 왔다. 더욱이, 다양한 생리적 및 인지적 반응을 통합적으로 다룬 연구는 상대적으로 부족한 편이다. 호흡 중재의 효과를 보다 정밀하게 이해하기 위해서는 생리적 지표와 인지 기능을 아우르는 다학제적 접근이 요구되지만, 이러한 통합적 분석을 시도한 연구는 아직 충분히 축적되어 있지 않다.

이러한 한계를 보완하기 위한 대안으로 최근 주목받고 있는 것이 ‘코어 호흡운동(core breathing exercise)’이다. 코어 호흡운동은 가로막, 배가로근, 골반바닥근 등 심부 안정근을 활성화시키며 호흡과 체간 안정성을 통합적으로 훈련하는 방식으로, 기존 복식호흡보다 정교하고 신체 기능과 신경계 반응에 더 깊이 영향을 미칠 수 있는 중재 방법으로 제안되고 있다(Kobesova & Kolar, 2014; Madle 등, 2022).

이에 본 연구에서는 코어 호흡운동이 건강한 성인의 뇌파(electroencephalogram; EEG), 인지기능, 산소포화도(oxygen saturation; SpO₂), 심박수에 미치는 즉각적인 효과를 통합적으로 분석하고자 한다. 특히, 1주일간 5회기의 단기 중재를 통해 중재군과 대조군 간의 뇌파 주파수 대역(알파, 베타, 감마) 변화, 인지기능, 자율신경계 반응(산소포화도, 심박수)의 변화를 비교함으로써, 코어 호흡운동의 신경생리학적 근거를 제시하고, 향후 인지중재, 스트레스 조절, 신경재활 등의 다양한 임상적 영역에서의 응용 가능성을 탐색하고자 한다.

2. 연구의 목적

본 연구의 목적은 건강한 성인을 대상으로 코어 호흡운동을 1주일간 적용하였을 때, 뇌파, 인지기능, 산소포화도, 심박수에 미치는 즉각적인 효과를 분석하고자 하는 것이다. 코어 호흡운동이 중재 직후 신경생리학적 지표(뇌파 변화), 인지처리속도(인지기능), 자율신경계 반응(산소포화도, 심박수)에 어떤 영향을 미치는지를 통합적으로 확인함으로써, 향후 재활치료, 스트레스 조절, 인지중재 등의 다양한 임상 영역에서 코어 호흡운동의 활용 가능성을 제시하고자 한다.

Ⅱ. 연구방법

1. 연구대상

대상자는 제주 지역 C대학교에 재학 중인 성인 남녀로, 연구 목적과 절차에 대해 충분히 설명을 듣고 자발적으로 참여에 동의한 총 30명을 대상으로 하였다. 선정 기준은 만 20세 이상 30세 이하의 건강한 성인이며, 호흡기, 심혈관계, 신경계 질환이 없는 자로 제한하였다. 무작위 배정을 통해 코어 호흡운동 중재군(n= 15)과 대조군(n= 15)으로 구분하였다.

2. 연구중재

본 연구의 중재는 실험군과 대조군 모두 1일 1회, 1회당 10~15분씩, 총 5일간 연속적으로 적용하였다. 모든 측정은 동일한 시간대(오전 10시~12시)와 동일한 환경(조용하고 일정한 온·습도의 실내 공간)에서 개별적으로 실시되었다. 또한, 측정 전 2시간 이내의 카페인 섭취를 금하도록 사전 안내하였으며, 정서 상태의 급격한 변화를 방지하기 위해 격렬한 운동이나 음주 등 스트레스를 유발할 수 있는 활동의 자제를 요청하였다.

1) 코어 호흡운동

실험군은 코어 호흡운동을 수행하였다. 본 운동은 복압의 조절과 심부 안정근의 활성화를 유도하여 체간 안정성을 향상시키는 방식으로 구성되며(Boyle 등, 2010; Bordoni & Zanier, 2013), 코로 천천히 들이마시며 복부가 확장되도록 유도하되, 위쪽 가슴 움직임은 최소화하였고, 입을 오므려 천천히 내쉬는 방식의 복식호흡을 수행하였다(Healthline, 2022a). 대상자는 의자에 앉거나 요가 매트 위에 바로 누운 상태에서 편안한 자세를 취하고, 복부에 손을 얹어 호흡 리듬을 인식하며 복식호흡을 체득하도록 하였다(Cleveland Clinic, 2022). 첫 세션은 치료사의 구두 지도를 통해 정확한 호흡법을 학습하도록 하였고, 이후 나머지 세션은 동일한 환경에서 자기 주도적으로 수행하였다.

Fig 1. Core breathing exercise

2) 복식호흡 인식 훈련

대조군은 동일한 시간 및 환경 조건에서 저강도의 복식호흡 인식 훈련을 수행하였다. 중재자는 복식호흡의 기본 개념(코로 들이마시고 배를 부풀리며, 입으로 내쉬며 배를 수축시키기)을 간단히 설명하고, 대상자는 눈을 감고 자세를 고정한 상태에서 별도의 리듬 조절 없이 편안한 호흡을 유지하였다. 외부 자극 없이 조용한 환경을 제공하였으며, 모든 대상자에게 동일한 설명지를 제공하였다.

Fig 2. Diaphragmatic breathing awareness training

3. 평가방법

본 연구는 코어 호흡운동이 건강한 성인의 뇌파, 인지기능, 산소포화도 및 심박수에 미치는 즉각적인 영향을 알아보기 위한 것으로, 각 중재가 신경생리학적 및 생리·인지적 지표에 미치는 효과를 평가하고자 다음과 같은 방법으로 측정을 수행하였다.

1) 뇌파(electroencephalogram; EEG)

뇌파는 뉴로하모니 M2(NeuroHarmony M2, Panaxtos, Korea) 기기를 이용하여 측정하였다. 해당 기기는 2채널 방식으로, 이마엽 부위에 단극(Mono-Polar) 방식으로 부착하였다. 입력 범위는 ±407.4 ㎶, 내부 잡음 크기는 8 ㎶ 이하이며, 통과 대역은 0.5~50 ㎐, 동상모드 제거비(common mode rejection ratio)는 80 ㏈ 이상으로 설정되어 있다. 샘플링 주파수는 250 ㎐, 분해능은 24비트이며, Bluetooth BLE V4.2(Class 2, Gatt Profile) 통신 방식을 사용한다. 측정은 중재 전과 중재 직후 각각 1회씩 수행되었으며, 대상자는 눈을 감고 편안한 자세를 취한 상태에서 2분간 안정된 호흡을 유지하였고, 이때의 뇌파를 기록하였다. 분석 항목은 알파파(8~13 ㎐), 베타파(13~30 ㎐), 감마파(30~50 ㎐)의 상대파워 비율 변화로 설정하였다(American Clinical Neurophysiology Society, 2006).

Fig 3. EEG

2) 인지기능

인지기능 평가는 Wechsler 성인용 지능검사 아래항목 중 숫자-부호 짝짓기 검사를 활용하였다. 본 검사는 처리속도, 주의집중력, 시각-운동 협응 및 단기 기억 능력 측정에 유용하며, 동일한 조건(장소, 조명, 무소음 상태)에서 시행하였다(Jaeger, 2018). 학습효과를 최소화하기 위해 사전 연습은 1회로 제한하였으며, 중재 전과 중재 직후 각각 1회씩 120초 동안 검사를 실시하였다. 또한, 사전·사후 평가 간에는 약 15분의 시간 간격을 두어 반복 수행에 따른 익숙함의 영향을 최소화하고자 하였다. 채점은 정답 개수를 기준으로 하였다.

Fig 4. Cognitive function

3) 산소포화도 및 심박수

산소포화도와 심박수는 손가락형 산소포화도 측정기(MD300C2, ChoiceMMed, China)를 이용하여 각 세션의 시작 직전과 종료 직후에 측정하였다. 피험자는 앉은 자세에서 측정 중에는 움직이지 않도록 안내하였으며, 안정적인 측정값 확보를 위해 5초 이상 유지 후 평균값을 기록하였다(Healthline, 2024b).

Fig 5. SpO₂ and heart rate

4. 자료분석

수집된 자료는 SPSS 26.0 프로그램을 사용하여 분석하였다. 정규성 검정을 위해 Shapiro-Wilk 검정을 실시하였고, 집단 간 동질성 검정을 수행하였다. 중재 전후 변화 비교를 위해 각 군 내에서는 대응표본 t검정을, 집단 간 차이를 비교하기 위해서는 독립표본 t검정을 실시하였다. 통계적 유의수준은 α= .05로 설정하였다.

Ⅲ. 결과

1. 연구대상자의 일반적인 특성

대상자는 총 30명으로, 실험군 15명, 대조군 15명으로 구성되었다. 성별은 실험군이 남자 8명(53.30 %), 여자 7명(46.70 %), 대조군이 남자 7명(46.70 %), 여자 8명(53.30 %)이었다. 연령은 실험군이 20.20±2.25세, 대조군이 20.60±3.31세였으며, 신장은 실험군이 165.20±6.92 ㎝, 대조군이 167.00±7.76 ㎝, 체중은 실험군이 63.91±14.62 ㎏, 대조군이 78.88±14.71 ㎏이다. 참여대상자의 일반적인 특성에 있어 각 집단 간의 유의한 차이는 없었다(p>.05).

Table 1. General characteristic of subjects (n= 30)

Mean±SD, EG; experimental group, CG; control group

2. 뇌파 측정 결과 비교

호흡운동 중재 전후의 뇌파 변화는 Table 2에 제시되어 있다. 실험군(EG)은 중재 후 세타파의 활동이 유의하게 감소하였으며(p<.05), 알파파는 유의하게 증가하였다(p<.05). 반면, 베타파는 유의한 변화가 나타나지 않았다. 대조군(CG)은 모든 뇌파 파형에서 통계적으로 유의한 변화가 관찰되지 않았다.

Table 2. Comparison of EEG for each group (n= 30)

Mean±SD, EG; experimental group, CG; control group

3. 인지기능 측정 결과의 비교

인지기능 점수는 실험군과 대조군 모두에서 중재 후 유의하게 증가하였다(p<.01). 실험군에서는 평균 82.47점으로 대조군(79.93점)보다 더 큰 향상을 보였으나, 집단 간 유의한 차이는 없었다(Table 3).

Table 3. Comparison of scores from the cognitive function scores for each group (n= 30)

Mean±SD, EG; experimental group, CG; control group, DSST; digit symbol substitution test

4. 산소포화도 및 심박수 결과의 비교

SpO₂는 실험군과 대조군 모두에서 중재 후 유의하게 증가하였으며(p<.05), 특히 실험군의 증가폭이 더 컸다. 심박수는 실험군에서 유의하게 감소하였으나(p<.001), 대조군에서는 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 4).

Table 4. Comparison of SpO₂, heart rate for each group (n= 30)

Mean±SD, EG; experimental group, CG; control group, SpO₂; oxygen saturation

5. 집단 간 비교

중재 후 두 집단 간 비교 결과, 실험군은 알파파와 SpO₂에서 대조군보다 유의한 개선을 보였다(p<.05). 심박수는 실험군에서 유의한 감소를 보이며 대조군과의 차이를 나타냈다(p<.05). 다른 변수에서는 유의한 차이가 없었다(Table 5).

Table 5. Comparison of post-test values between the experimental and control groups (n= 30)

Mean±SD, EG; experimental group, CG; control group, DSST; digit symbol substitution test, SpO₂; oxygen saturation

Ⅳ. 고찰

본 연구는 코어 호흡운동이 건강한 성인의 뇌파, 인지기능, 산소포화도(SpO₂), 심박수에 미치는 단기 효과를 확인하고자 하였다. 코어 호흡운동은 단순 호흡 조절을 넘어 심부 호흡근의 활성화를 통해 생리적, 인지적, 신경학적 반응을 유도하는 통합적 중재 방법으로 제안된다(Kobesova & Kolar, 2014).

뇌파 분석 결과, 실험군은 중재 후 세타파가 유의하게 감소하고 알파파가 증가하였다. 세타파의 감소는 졸림, 멍한 상태, 인지 저하 상태에서의 활동성과 연관되며, 집중력이 향상되었음을 시사한다(Zaccaro 등, 2018). 알파파의 증가는 명상 상태나 심리적 안정과 관련되며, 스트레스 감소, 감정 조절, 자율신경계 안정화와 연계된다(Brown & Gerbarg, 2005). 또한 Ng 등(2024)은 가상현실 기반 호흡 훈련이 이마엽의 알파파 활동을 유의하게 증강시키며 인지적 통제력과 연관된다는 뇌파 기반 증거를 제시하였다. 이러한 결과는 코어 호흡운동이 정신적 명료성과 이완 상태를 동시에 유도할 수 있는 효과적 중재임을 뒷받침한다.

인지기능 수행에서도 실험군이 대조군보다 더 큰 인지기능 향상을 보였다. 숫자-부호 짝짓기 검사는 정보처리 속도, 주의집중력, 시지각-운동 협응 등을 반영하는 신경심리검사로, 알파파의 안정성과 함께 인지적 효율성 증진을 설명할 수 있다(Kobesova & Kolar, 2014; Ma 등, 2017). Ng 등(2024)의 연구에서도 다양한 형태의 호흡 기반 자기조절 훈련이 뇌파 지표와 인지 수행 간의 유의한 상관관계를 보였으며, 이는 본 연구 결과와 일치한다.

생리적 지표 분석에서는 SpO₂가 실험군과 대조군 모두에서 증가하였으며, 실험군의 향상 폭이 더 컸다. 이는 코어 호흡운동이 호흡역학적 효율을 향상시키고 폐포 환기 및 산소 교환을 개선했음을 의미한다. 특히, 복식호흡을 기반으로 한 훈련은 가로막의 내림과 복압 상승을 통해 폐 아래의 환기 효율을 높이고, 날숨 연장을 통한 폐포 내 잔기류 감소로 가스 교환 면적을 증가시킨다. 이러한 효과는 호흡근의 기계적 효율성 유지, 호흡 협응 향상, 그리고 비효율적인 빠른 호흡 양상의 개선과 같은 기전을 통해 SpO₂개선으로 이어졌을 가능성이 크다(Fernandes 등, 2011).

심박수는 실험군에서만 유의하게 감소하였다. 이는 호흡 심장 반사(respiratory sinus arrhythmia)를 통한 부교감신경계의 활성화와 교감신경 억제 효과에 기인하며(Brown & Gerbarg, 2005), 심박 변이도(heart rate variability; HRV) 기반 연구에서도 이와 같은 생리 반응이 반복적으로 관찰되었다(Nashiro 등, 2022). 더불어 Mather와 Thayer(2018)는 심박 변이도의 증가는 감정조절 뇌네트워크와 기능적 연결성을 강화한다고 밝혀, 자율신경계 안정화와 정서 조절 효과를 시사하였다.

이상의 결과는 코어 호흡운동이 단기 중재만으로도 주의력 향상과 이완 상태를 반영하는 뇌파 변화(세타파 감소 및 알파파 증가), 인지기능 향상, 산소포화도 증가, 심박수 감소 등 신경생리학적, 인지적, 생리적 반응을 통합적으로 개선하는 중재임을 입증한 것이다. 이는 기존의 단순 복식호흡과는 차별화된 효과로, 향후 스트레스 조절, 인지중재, 자율신경계 훈련 등 다양한 임상 영역에 적용 가능성을 시사한다.

그러나 본 연구에는 몇 가지 제한점이 존재한다. 첫째, 중재 기간이 단기간(5일)에 불과하여 장기적 효과나 유지 효과에 대한 확인이 불가능하였다. 둘째, 대상자가 젊은 건강한 성인으로 한정되었기 때문에 고령자나 임상군(예: 불안장애, 고혈압 등)에게 일반화하기 어렵다. 셋째, 인지기능 측정과 같은 반복 수행 기반의 인지검사는 일부 학습효과가 개입되었을 가능성을 배제할 수 없으며, 향후 연구에서는 유사 난이도의 대체형 검사 도구를 교차 적용하거나 통계적 보정 방법의 적용이 필요하다. 마지막으로, 2채널 단극 방식의 뇌파 측정은 이마엽 중심의 뇌파만을 기록하였기 때문에, 전체적인 뇌 기능을 해석하는 데 제한이 있다. 이러한 한계는 다양한 뇌 영역 간 상호작용이나 광범위한 뇌 활성 변화를 포착하는 데 어려움을 초래할 수 있다. 향후 연구에서는 다채널 뇌파 또는 기능적 뇌영상 기법(fMRI 등)을 포함한 보다 정밀한 분석이 요구되며, 다양한 연령대 및 질환군을 대상으로 한 반복적·장기적 중재와 통합적 연구 설계가 필요하다.

Ⅴ. 결론

코어 호흡운동이 건강한 성인의 뇌파, 인지기능, 산소포화도(SpO₂), 심박수에 미치는 단기 효과를 확인하였다. 그 결과, 실험군에서 세타파의 유의한 감소와 알파파의 증가, 인지기능 향상, 산소포화도의 증가, 심박수의 감소가 나타났다. 이러한 결과는 코어 호흡운동이 주의력 향상과 이완 상태를 반영하는 뇌파 변화, 인지기능 향상, 자율신경계 조절에 효과적이라는 것을 보여준다. 이와 같은 결과는 코어 호흡운동이 단순한 호흡법을 넘어, 복부 근육과 호흡 리듬을 통합적으로 활용하여 생리·신경 인지계에 긍정적인 영향을 미치는 효과적인 중재 방법임을 시사한다. 향후 코어 호흡운동은 인지중재, 스트레스 관리, 신경재활, 정신건강 증진 등 다양한 임상 및 비약물 중재 분야에서 적용 가능성이 높다. 추가적인 후속 연구를 통해 다양한 연령대와 환자군을 대상으로 장기 효과를 검증할 필요가 있다.