달리기 앱은 심박수를 보여 주며 "구간 3", "구간 4"라고 말한다. 그런데 몸이 정말로 신경 쓰는 숫자는 심박수가 아니라 1분에 얼마나 많은 피가 어디로 가느냐다. 심장은 박자를 올리고, 한 번에 더 많이 짜내고, 혈관은 근육 쪽 꼭지를 열고 다른 쪽을 조인다. 이 장은 심박수를 올릴 때 얻는 것과 잃는 것, 피가 몸 안에서 어떻게 다시 나뉘는지, 그리고 다온의 심박 구간을 직접 계산한다.
심박출량 = 심박수 × 1회 박출량을 쓰고, 심박수만 올리면 심박출량이 어디서 꺾이는지 설명한다.
심박수가 오를 때 수축기보다 이완기가 훨씬 많이 줄어드는 것과 그 결과를 안다.
픽 원리로 산소 소비량과 동정맥 산소 차에서 심박출량을 구한다.
안정과 운동에서 장기별 혈류 배분이 어떻게 달라지는지 말한다.
카르보넨 식으로 심박 구간을 정하고, 운동 시작·끝의 심박수 변화와 훈련의 효과를 읽는다.
심박수를 올리면 심박출량은 계속 늘까
심장이 1분에 내보내는 피의 양이 심박출량(Cardiac output, CO)이다. 한 번에 내보내는 양(1회 박출량(Stroke volume, SV))에 1분의 박동 수를 곱하면 된다.
$$CO = HR \times SV$$
\(CO\) 심박출량(안정 약 5 L/min), \(HR\) 심박수(약 70 bpm), \(SV\) 1회 박출량(약 70 mL). 70 × 70 mL = 4.9 L/min.
식만 보면 심박수를 두 배로 올리면 심박출량도 두 배가 될 것 같다. 실제로 심장 박동기로 박자만 올리는 실험을 하면 그렇지 않다. 박동이 빨라지면 한 박동의 시간이 짧아지는데, 그 짧아진 몫의 대부분이 피를 채우는 시간에서 나오기 때문이다. 아래에서 곡선 위의 점을 끌어 보자.
SIMULATOR
심박수와 심박출량: 어디서 꺾이는가
곡선 위의 점을 좌우로 끈다
심박수만 올림운동처럼(수축력·정맥 환류·이완 속도↑, 저항↓)
심박수—
1회 박출량—
심박출량—
충만 시간 / 한 주기—
해볼 것: ① "심박수만"에서 점을 72 → 120으로 끈다. 심박출량이 약 5.2에서 6.3 L/min으로 는다. ② 계속 180까지 끈다. 충만 시간이 0.1초 아래로 줄고 박출량이 30 mL 아래로 떨어져 심박출량이 오히려 준다(빨간 경고). ③ "운동처럼"으로 바꾼다. 같은 심박수에서 박출량이 훨씬 크고, 곡선이 190 가까이까지 오른다. 교감 신경이 이완을 빠르게 하고, 근육 펌프가 피를 밀어 넣어 짧은 시간에도 채우기 때문이다. (곡선의 점마다 엔진 BD.heart로 심장을 따로 돌린 값(BD.heartSweep). 심박수만: 다온 안정 설정, 운동처럼: 대회 속도 설정에서 심박수만 바꿨다.)
박자만 빨라진 심장은 약 120 bpm 근처에서 한계에 닿는다. 그런데 운동하는 사람의 심박출량은 180 bpm에서도 계속 오른다. 차이는 박자 말고도 바뀌는 것들이다. 교감 신경은 수축을 세게 하고 이완도 빠르게 하며, 다리 근육의 펌프와 정맥 수축이 피를 심장으로 밀어 넣고, 근육의 혈관이 열려 내보낼 때의 저항이 준다. 심박수만 올리는 것은 운동이 아니다. 빈맥으로 심장이 빨리 뛰는 사람이 오히려 어지러운 이유다.
심박출량을 정하는 다섯 손잡이. 심박수는 자율신경이 정하고, 1회 박출량은 앞부하·수축력·후부하가 정한다(4장). 두 갈래는 독립적이지 않다. 심박수가 오르면 충만 시간이 줄어 박출량을 깎는다(점선). 운동은 교감 신경과 근육 펌프로 앞부하와 수축력을 함께 올려 이 손실을 메운다.
넓이로 보는 심박출량
심박출량은 가로가 심박수, 세로가 1회 박출량인 직사각형의 넓이다. 같은 넓이를 만드는 방법은 여럿이다. "느리고 크게"도, "빠르고 작게"도 같은 5 L/min을 낼 수 있다. 하지만 아무 직사각형이나 가능한 것은 아니다. 심박수가 오르면 박출량의 천장이 내려오기 때문이다.
SIMULATOR
심박출량 직사각형
모서리 손잡이를 끈다
심박수—
1회 박출량—
심박출량(넓이)—
판정—
해볼 것: ① "다온 안정"과 "지구력 선수 안정"을 번갈아 누른다. 직사각형의 모양은 다르지만 넓이는 둘 다 약 4~5 L/min, 같은 곡선 근처다. ② "다온 대회 속도"는 넓이가 약 18 L/min. ③ 모서리를 오른쪽 위로 끌어 200 bpm에 박출량 120 mL를 만들어 본다. 회색 한계선(운동 중 심장이 낼 수 있는 박출량의 천장)을 넘어 '불가능'이 뜬다. (한계선은 대회 속도 설정에서 심박수만 바꿔 엔진으로 구한 1회 박출량. 위 시뮬레이터와 같은 계산.)
짧아지는 것은 이완기다
심박수 72에서 한 주기는 약 0.83초, 그중 수축기가 약 0.33초, 이완기가 약 0.5초다. 심박수 150이면 한 주기가 0.4초로 반이 되는데, 수축기는 약 0.26초로 조금밖에 줄지 않는다. 남는 이완기는 약 0.14초. 이완기가 거의 다 깎인다. 심실은 이완기에만 피를 채우고, 심장 근육 자신도 이완기에만 관상동맥으로 피를 받는다(수축할 때는 근육이 혈관을 누른다).
SIMULATOR
수축기와 이완기의 나눔
수축기이완기좌심실 부피
한 주기—
수축기—
이완기—
이완기말 부피—
해볼 것: ① 심박수를 72에서 150으로 올린다. 위 띠에서 수축기는 조금, 이완기는 크게 준다. 아래 그래프의 짧은 세로선이 채우다 잘린 곳이다. ② 이완기말 부피가 줄어드는 것을 본다. 빠른 충만(곡선의 가파른 앞부분)은 지켜지고 느린 충만이 먼저 사라진다. ③ "교감 신경"을 켠다. 수축과 이완이 빨라져 같은 심박수에서 이완기가 길어진다. (엔진 BD.heart, 다온 안정 설정. 교감 신경 = tscale 0.8. 오른쪽 작은 그래프는 심박수별 수축기·이완기 길이.)
이 때문에 심박수가 너무 빠른 빈맥은 두 번 해롭다. 심실이 덜 채워져 박출량이 줄고, 심장 근육은 더 많이 일하는데 피를 받을 시간은 줄어든다. 관상동맥이 좁아진 사람이 빨리 뛸 때 가슴 통증이 오는 이유다.
픽 원리: 산소로 심박출량 재기
심박출량을 직접 재기는 어렵다. 1870년 생리학자 픽은 우회로를 생각했다. 몸이 1분에 쓰는 산소(\(\dot V O_2\))는 모두 피가 날라 왔다. 피 1 dL이 조직을 한 번 지나며 내려놓는 산소가 동맥과 정맥의 산소 함량 차이라면, 1분에 지나간 피의 양은 둘을 나누면 나온다.
$$CO = \frac{\dot V O_2}{C_aO_2 - C_vO_2}$$
\(\dot V O_2\) 산소 소비량(안정 약 250 mL/min), \(C_aO_2\) 동맥혈 산소 함량(약 20 mL/dL), \(C_vO_2\) 혼합 정맥혈 산소 함량(안정 약 15 mL/dL). 250 ÷ 5 mL/dL = 50 dL/min = 5 L/min.
SIMULATOR
픽 원리: 산소 장부로 심박출량 구하기
정맥혈 막대의 높이를 끈다
동맥 / 정맥 산소—
동정맥 산소 차—
산소 추출률—
심박출량—
해볼 것: ① "다온 안정"(V̇O₂ 약 270 mL/min)에서 정맥 막대가 약 15 mL/dL이면 심박출량 약 5.2 L/min. ② "다온 대회 속도"는 V̇O₂ 약 2,340 mL/min(VO2max 38의 79 %). 4장의 대회 속도 심박출량 18 L/min이 되려면 정맥 산소가 약 7 mL/dL까지 내려가야 한다. 근육이 피 속 산소의 2/3를 빼낸다. ③ 헤모글로빈을 10으로 내린다(빈혈). 같은 V̇O₂와 같은 정맥 산소면 심장이 훨씬 더 보내야 한다. (동맥 포화도 97 %, PaO2 95 mmHg로 고정. 산소 함량 = 1.34 × Hb × 포화도 + 0.003 × PO2, BD.o2Content.)
운동할 때 산소 소비는 10배 가까이 늘지만 심박출량은 3~4배만 는다. 나머지는 조직이 같은 피에서 산소를 더 많이 빼내서(동정맥 산소 차가 5 → 13~15 mL/dL) 메운다. 훈련은 두 길을 모두 넓힌다. 심장은 더 많이 보내고, 근육은 모세혈관과 미토콘드리아가 늘어 더 많이 빼낸다(12장).
피는 어디로 가는가
쉬는 동안 심박출량 약 5 L/min의 가장 큰 몫은 소화관과 간(약 25 %), 콩팥(약 20 %), 골격근(약 20 %), 뇌(약 15 %)로 간다. 무게가 몸의 0.5 %도 안 되는 콩팥이 피의 5분의 1을 받는 것은 피를 걸러야 하기 때문이고, 뇌는 무게의 2 %로 약 15 %를 받는다. 심장 근육 자신은 약 4~5 %를 쓴다.
달리기를 시작하면 배분이 완전히 바뀐다. 근육의 세동맥은 대사 물질(이산화탄소, 젖산, 아데노신, 칼륨)에 반응해 활짝 열리고, 교감 신경은 소화관·콩팥·쉬는 근육의 혈관을 조인다. 뇌는 절대량을 거의 그대로 지킨다. 아래에서 운동 강도를 올리며 몸을 보자.
SIMULATOR
혈류 배분: 쉴 때와 달릴 때
장기를 누르면 설명이 나온다
장기를 누르면 그 장기의 혈류 이야기가 나온다.
심박출량—
골격근—
뇌—
소화관·간 + 콩팥—
해볼 것: ① 강도를 1(대회 속도)로 민다. 심박출량은 약 3.5배로 늘고 골격근 몫이 20 %에서 80 % 넘게로 커진다. ② "절대량"으로 바꿔 뇌를 본다. 비율은 15 %에서 4 %로 줄지만 절대량(약 750 mL/min)은 그대로다. ③ 소화관·간과 콩팥은 절대량까지 줄어 각각 절반 가까이 된다. 달리기 직전에 많이 먹으면 속이 불편한 이유 중 하나다. 피부는 체온을 식히려 중간 강도까지는 는다. (안정 배분은 교과서 대표값, 대회 속도 배분은 다온의 심박출량 18 L/min에 맞춰 어림한 교육용 값. 사이는 직선으로 이었다.)
다온의 심박 구간
운동 강도를 심박수로 정할 때 흔히 쓰는 것이 카르보넨 식(Karvonen formula)이다. 최대 심박수에서 안정 심박수를 뺀 심박 예비량(Heart rate reserve, HRR)의 몇 %를 안정 심박수에 더한다. 안정 심박수가 낮은 사람은 같은 %에서도 목표가 조금 다르게 나와, 최대 심박수의 %만 쓰는 방법보다 개인차를 더 반영한다.
\(x\) 강도(0.5~1.0), \(HR_{최대}\)는 Tanaka 식(34세면 약 184 bpm). 흔히 쓰는 220 − 나이(186)와 비슷하지만 나이가 많을수록 차이가 커진다. 어느 식이든 실제 최대 심박수와 ±10 bpm 이상 어긋날 수 있다.
SIMULATOR
카르보넨 심박 구간 계산기
오른쪽 표시를 위아래로 끈다
최대 심박수(Tanaka)—
심박 예비량—
표시한 심박수—
구간—
해볼 것: ① "다온"에서 다섯 구간을 읽는다. Z1 128–139, Z2 139–151, Z3 151–162, Z4 162–173, Z5 173–184 bpm. ② 표시를 161에 놓는다. 다온의 10 km 대회 목표 심박(젖산 역치 근처의 지속 가능한 속도)이 Z3 꼭대기에 있다. ③ "내 숫자"를 골라 자기 나이와 아침 안정 심박수를 넣는다. 안정 심박수가 낮을수록 같은 구간의 아래쪽 경계가 낮아진다. 왼쪽 회색 막대(최대 심박수의 % 방식)와 비교한다. (BD.karvonen, BD.hrMax, BD.HR_ZONES. 구간 이름과 경계는 단체·기기마다 조금씩 다르다.)
구간
이름
심박 예비량의 %
다온(안정 72, 최대 184)
느낌
Z1
회복
50~60 %
128~139
아주 편하다
Z2
유산소 기초
60~70 %
139~151
대화가 된다
Z3
템포
70~80 %
151~162
짧은 문장만
Z4
역치
80~90 %
162~173
몇 마디
Z5
최대
90~100 %
173~184
말하기 어렵다
최대 심박수를 혼자 확인하려 하지 말 것
최대 심박수를 '직접 재 보겠다'며 혼자 전력 질주를 되풀이하는 것은 위험할 수 있다. 특히 운동을 오래 쉬었거나 혈압·심장 질환이 의심되면 더 그렇다. 운동 중 가슴 통증·압박감, 심한 숨가쁨, 어지러움, 두근거림이 생기면 바로 멈춘다. 정확한 최대 심박수와 구간은 의료진이 감독하는 운동 부하 검사로 정한다.
심박수는 어떻게 오르고 내려오는가
달리기를 시작하면 심박수는 계단처럼 한 번에 오르지 않는다. 처음 10초 남짓은 미주 신경의 브레이크를 놓으며 빠르게 오르고(5장), 그다음 교감 신경과 혈중 아드레날린이 천천히 나머지를 올린다. 멈추면 반대로 미주 신경이 먼저 돌아와 첫 1분 동안 빠르게 내려온다. 이 회복 심박수(Heart rate recovery), 즉 운동을 멈춘 뒤 1분 동안 떨어진 폭은 자율신경의 건강을 보여 주는 숫자로 쓰인다. 훈련한 사람일수록 빨리 오르고 빨리 내려온다.
SIMULATOR
심박수의 오르막과 내리막
그래프를 끌어 시간을 옮긴다
지금 심박수—
운동 끝 심박수—
1분 회복 폭—
절반까지 오르는 시간—
해볼 것: ① "재생"을 누른다. 2분에 운동을 시작하면 처음 십여 초 동안 가파르게 오르고(미주 신경 해제) 그 뒤 천천히 오른다. 같은 강도를 유지해도 조금씩 오르는 것은 심박 표류다. ② 7분에 멈춘 뒤 1분 동안 떨어진 폭(회복 폭)을 읽는다. 12 bpm보다 작으면 회복이 느린 편으로 본다. ③ "겹쳐 보기"를 고른다. 훈련 뒤에는 같은 운동에서 심박수가 덜 오르고(박출량이 커져서), 더 빨리 오르고, 더 빨리 내려온다. (빠른 성분 τ 약 6초 + 느린 성분 τ 30~45초의 1차 응답 두 개를 더한 교육용 모델. 훈련 후 안정 심박 64는 5장의 결과.)
느리고 큰 심장
지구력 선수의 안정 심박수는 40~50 bpm인 경우가 많다. 그래도 어지럽지 않은 것은 한 번에 내보내는 양이 크기 때문이다. 오랜 지구력 훈련은 좌심실을 조금 키우고(벽이 두꺼워지기보다 안이 넓어진다), 혈액량을 늘리고, 미주 신경 긴장을 높인다. 같은 심박출량을 더 적은 박동으로 만드니 박동마다 이완기가 길어지고, 심장이 더 높은 최대 심박출량에 닿을 여유가 생긴다.
SIMULATOR
같은 심박출량, 다른 심장
운동 안 하던 심장—
지구력 선수—
최대 심박출량(어림)—
해볼 것: ① 5 L/min에서 두 심장의 박자를 비교한다. 선수의 심장은 크게 천천히 뛴다. ② 15 L/min으로 올린다. 같은 일을 하는데 선수의 심박수가 30 bpm 넘게 낮다. ③ 21 L/min을 넘기면 운동 안 하던 심장은 최대 심박수(184)에 닿아 더 못 올린다(경고). 선수는 아직 여유가 있다. 최대 심박수는 훈련으로 거의 바뀌지 않으므로 최대 심박출량의 차이는 박출량의 차이다. (안정 박출량: 다온 72 mL, 선수 약 88 mL(BD.HEART_PRESETS.athlete). 운동 중 박출량은 각각 107, 130 mL까지 직선으로 늘린다고 어림했다.)
다온이 달릴 때의 모니터
이제 다온에게 모니터를 붙이고 달리게 해 보자. 속도를 올리면 심박수는 몇십 초에 걸쳐 따라 오르고, 혈압은 수축기만 오르며, 심박출량과 근육 혈류가 커진다. 아래 띠의 색은 다온의 카르보넨 구간이다.
SIMULATOR
다온의 달리기 모니터
심박수 · 구간—
1회 박출량—
심박출량—
근육으로 가는 피—
해볼 것: ① 강도를 0.6으로 올린다. 심박수가 몇십 초에 걸쳐 오르고 혈압 파형의 꼭대기가 높아지며 바닥은 오히려 조금 내려간다(근육 혈관이 열려서). ② "대회 순서 재생"을 누른다. 쉼 → 몸풀기 → 대회 속도 → 정리 운동 순서로, 심박수 추세가 Z2를 지나 대회 목표 161 근처까지 오르는 것을 본다. ③ 강도를 1로 두면 엔진의 대회 속도 설정(심박 168, 심박출량 약 18 L/min)에 닿는다. 계획보다 조금 빠른, Z4 들머리다. (강도 0 = BD.HEART_PRESETS.daon, 1 = run. 사이 값은 다섯 점을 엔진으로 돌려 보간했다. 말초 저항은 직선 대신 기하급수로 줄였다(근육 혈관은 낮은 강도에서 이미 크게 열린다. 직선으로 줄이면 중간 강도에서 확장기 혈압이 비현실적으로 오른다). 심박수는 τ 약 30초로 목표를 따라간다. 심박 표류·체온 상승은 넣지 않았다.)
이 장의 수치와 시뮬레이터는 원리를 보여 주기 위한 교육용 모델입니다. 심박수 구간은 건강한 사람을 위한 일반적인 안내이며, 심장 질환이 있거나 심장 박동에 영향을 주는 약(예: 베타 차단제)을 먹는 사람은 숫자가 맞지 않을 수 있습니다. 운동을 새로 시작하기 전 걱정되는 증상이나 질환이 있으면 의료진과 상담하세요.
CASE 다온다온의 기록 · 7장
심박 구간 Z1 128–139 … Z5 173–184, 대회 목표 심박 약 161
34세 다온의 최대 심박수는 Tanaka 식으로 약 184 bpm, 안정 심박 72 bpm이면 심박 예비량은 112다. 카르보넨 구간은 Z1 128–139, Z2 139–151, Z3 151–162, Z4 162–173, Z5 173–184 bpm이다. 지금 실력으로 10 km를 약 58분에 달리는 대회 계획 속도(VO2max의 약 79 %)에서 심박수는 약 161, Z3의 꼭대기다. 엔진으로 심박수만 올려 보면 다온의 심장은 약 110~130 bpm에서 심박출량 약 6.3 L/min으로 꺾이지만, 운동처럼 수축력·정맥 환류·이완 속도가 함께 오르면 약 190 bpm까지 늘어 대회 속도에서 약 18 L/min을 낸다. 그때 피의 80 % 넘게가 다리와 몸통의 근육으로 가고, 뇌는 절대량 약 750 mL/min을 지킨다.
이 장에서 확인한 것다온의 다섯 심박 구간과 대회 목표 심박 161. 심박수만으로는 심박출량을 늘릴 수 없고, 운동에서는 혈류가 근육으로 옮겨 간다.