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J Sleep Med > Volume 19(2); 2022 > Article
취침 전 저농도의 이산화탄소 가스 노출이 불면에 미치는 영향

Abstract

Objectives

Carbon dioxide (CO2) accumulation in an enclosed space might cause drowsiness. This study aimed to assess the effect of bedtime exposure to low concentrations of CO2 gas on the sleep quality of adults with insomnia.

Methods

In this double-blind, randomized, sham-controlled cross-over study, we consecutively recruited 24 adults (9 men; age, 55.4±6.3 y) complaining of sleep disturbances (Pittsburgh Sleep Quality Index ≥5). The following two interventions were used in the study: exposure to 2% low-concentration edible CO2 gas (experimental intervention) and exposure to room air (sham-controlled intervention). A sleep air device (Gosleep®, NYX), which atomizes CO2 gas, was used in both experimental and sham-controlled interventions. For the sham session, room air was generated for 18 min, and then, gradually reduced by degrees in the next 5 min with the device finally being turned off.

Results

The group exposed to CO2 gas had longer time in bed (361.3±55.2 min vs. 347.2±35.7 min, p=0.034) and total sleep time (311.0±74.3 min vs. 287.2±69.4 min, p=0.010) than the group exposed to room air. Meanwhile, the total arousal (19.7±9.5/h vs. 24.0±13.7/h, p=0.011) and non-REM arousal (20.9±11.3/h vs. 25.1±14.9/h, p=0.008) indices were lower in the group exposed to CO2 gas than in the group exposed to room air. However, perceived total sleep time or sleep latency and Karolinska Sleepiness Scale scores were not significantly different between the two groups.

Conclusion

Exposure to low concentrations of CO2 improved the total sleep time and arousal index in adults with insomnia. Unexpectedly, CO2 administration was found to be effective for sleep maintenance.

서 론

수면은 신체적, 정신적 피로를 회복하는 데 매우 중요하다. 국민건강보험공단이 2021년에 보고한 수면장애(불면증) 진료실인원은 2016년 54만여 명에서 2020년 65만여 명으로 증가했다[1]. 전체적으로 여성과 중장년층의 비율이 높았지만, 20-40대에서는 남성의 진료 증가 추세가 여성에 비해 두드러졌으며, 코로나19로 인한 스트레스와 우울로 수면장애를 겪는 인원이 더 늘어날 것으로 보고하였다[2]. 이에 일반인들 사이 건강한 생활 유지를 위한 숙면을 위해 수면에 관한 관심이 늘면서 수면 베개, 침대, 수면유도 마사지, 수면 조명 등을 포함한 다양한 수면 관련 제품들에 많은 비용을 지불하는 현상이 생겼다. 이를 일컫는 Sleeponomics라는 새로운 경제 용어가 생길 정도로 수면 시장은 더욱더 커지고 다양한 방식으로 수면을 증진시킬 수 있는 제품들이 개발되고 있다.
다양한 수면 개선 방법 중에서 체내 이산화탄소분압(partial pressure of CO2, pCO2)이 올라갔을 때(밀폐된 자동차 안 운전, 밀폐된 독서실, 이불 뒤집어쓰기 등) 졸음감을 느끼고 빨리 잠이 드는 경험에 착안해 취침 시 일정 시간 동안 기계를 통해 이산화탄소(carbon dioxide, CO2)를 만들어 분사함으로써 실내 pCO2를 높여 잠드는 데 걸리는 시간인 수면잠복기(sleep onset latency, SOL)를 단축하고자 하는 시도가 있다. 이것은 1977년 Linden [3]이 12명의 피험자를 대상으로 이완 훈련을 시행한 연구에서 훈련을 통해 이완요법을 수행하는 중에는 호흡수가 감소하고 호흡성 고탄산혈증(respiratory hypercapnia)이 발생한다는 보고에서 착안되었다. CO2는 신체에서 생성되는 무독성의 기체로 특정 농도 아래에서는 사용자에게 건강상 나쁜 영향을 미치지 않는다. 고용노동부에서 고시하고 있는 ‘화학물질 및 물리적 인자의 노출기준’에 따르면 근로자에게 건강상 나쁜 영향을 미치지 아니하는 ‘노출기준’으로 1일 작업시간 동안의 시간가중평균노출기준(time weighted average, TWA)과 단시간노출기준(short term exposure limit, STEL, 15분간 시간가중평균노출값)을 제시하고 있는데, CO2의 경우 TWA는 5,000 ppm, STEL은 30,000 ppm (3% CO2/air mixture)으로 노출기준을 정하고 있으며, 발암성을 비롯한 인체에 유해한 변이는 없는 것으로 고시하고 있다[4]. CO2 흡입요법은 불안을 감소시켜 공황장애의 치료 목적으로 사용되기도 한다[5]. CO2 증가는 중추신경계에 진정효과를 가져와, 수면이 시작될 때 환기가 감소하고 복부 호흡에서 횡격막 호흡으로 변화하며, 폐포의 pCO2가 증가하는데, 공기 중 CO2 농도를 올리면 이러한 진정효과가 더 빠르게 나타난다[6]. 그 외에도 5% CO2/air mixture (50,000 ppm)를 7분간 흡입하였을 때 functional MRI 검사에서 뇌산소대사율(cerebral metabolic rate of oxygen)이 감소하고, 안정기의 신경신호(resting state neural activity)가 줄어들고, 뇌파에서도 서파가 증가하는 것으로 보고되었다[7]. 46명의 불면증 환자를 대상으로 느린 호흡으로 고탄산 호흡(hypercapnic breathing)을 유발한 군과 그렇지 않은 군을 비교한 연구에서 고탄산혈증(hypercapnia)이 유발된 군에서 SOL이 70분에서 13분으로 감소한다는 보고가 있기는 하나[6], 객관적으로 조사한 자료가 아니고 연구참여자가 보고한 자료이므로 객관성이 떨어진다는 제한점이 있다. 낮 시간에 실내 공기에 2,700 ppm의 CO2를 분사하여 10분간 노출된 경우 뇌파상에서 delta파가 증가하여 졸음 단계 수준으로 뇌파가 변화했다는 연구는 있었으나[8], 아직까지 밤 수면과 관련된 객관적 검사를 시행한 연구는 건강한 젊은 성인을 대상으로 하고 있다[9].
지금까지 수면 개선을 목표로 개발된 여러 제품 중 취침 전 마사지, 수면 침구 등과 같이 수면을 평가하는 gold standard인 수면다원검사를 통해 객관적 효과를 평가한 일부 제품들도 있지만[10,11], 아직까지 상당수의 제품들은 효과에 대한 입증 없이 시장에서 판매되고 있어 수면 관련 제품들의 효과를 입증하는 객관적 연구가 필요한 실정이다.
이에 취침 시도 시기에 공기중에 CO2를 분사하여 일시적으로 pCO2를 증가시키는 환경을 인위적으로 구현했을 때 수면개시와 유지에 대한 객관적인 변화를 확인하기 위하여 본 연구를 수행하였다.

방 법

연구 방법

본 연구는 수면다원검사의 첫날 밤 효과(first night effects) 및 대상자 특성의 차이 등 외생변수를 통제하기 위해 단일군 교차실험연구(crossover design)로 설계하였고, 실험처치로 인한 위약효과를 배제하기 위해 이중맹검(double blind) 샴대조(sham-controlled) 연구로 시행하였다. 검사 진행을 위해 처치 기계를 조작하는 수면다원검사 기사는 맹검하지 못하였고, 연구대상자와 수면다원검사 결과를 판독하는 수면 전문의는 맹검으로 진행하였다. 수면다원검사 및 실험처치에 대한 학습효과를 방지하기 위해 14일 간격으로 수면다원검사를 시행하였다. 교차시험설계의 배정 순서 비율은 1:1로, CO2가 혼합된 바람에 먼저 노출될 확률은 50%이다. 치료 순서로 인한 효과를 배제하기 위해서, 실험처치와 샴 대조처치의 순서는 블록 무작위배정(block randomization)에 의해 결정하였다. 블록 크기를 6으로 하고 배정 순서는 R-program (version 3.3.2, R Core Team, R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria; www.r-porject.org)을 통해 생성된 난수표를 이용하여 무작위로 블록을 선택하여 진행하였다.
연구대상자는 첫 번째 수면다원검사 시행 1주일 전부터 수면일지를 작성하기 시작해서 두 번째 수면다원검사를 위해 내원할 때까지 총 3주간 일지를 작성하도록 하였다. 음주는 피하도록 교육하였고, 적어도 수면다원검사 이틀 전부터는 음주는 반드시 금하도록 하였다. 연구대상자는 저녁 식사 후 7-8시 사이에 내원하여 검사 절차에 대한 설명을 듣고, 검사에 필요한 각종 전극을 부착 후 전극 및 검사실에 적응하는 시간을 가지게 하였다. 평소 취침 시각에 맞춰 실내 조명을 끄고 수면다원검사를 시작하였으며, 대상자가 저절로 잠이 깨는 시각에 검사를 종료하였다.

대 상

본 연구 대상자는 주관적으로 수면의 어려움을 호소하는 일반인 중 공고문을 통해 연구의 목적을 이해하고 자발적으로 참여를 희망한 자로 하였다. 선정기준은 1) 연구목적을 이해하고 동의한 만 35세 이상 65세 이하인 자; 2) 주관적으로 불면 증상이 있고, 피츠버그 수면의 질 척도(Pittsburgh Sleep Quality Index, PSQI)가 5점 이상인 자로 하였다. 제외 기준은 1) 교대근무자; 2) 임산부나 수유부; 3) 폐쇄폐질환 및 기타 폐 질환자; 4) 불안정하거나 심각한 내과적 질환자(심장, 신장, 신경, 소화기계 질환, 당뇨, 고혈압, 갑상선 질환, 면역 결핍 장애 또는 암); 5) 인지기능 저하, 진행성 정신적 또는 신경학적 질환자; 6) 심한 코골이, 렘수면장애, 기면증 환자이다. 또한 4주 이내에 수면제를 복용하였거나, 일주기리듬장애를 가진 환자도 제외하였다. 연구 참여 희망자는 스크리닝 단계에서 1주간 수면 일기를 작성하도록 하였고, 수면 환자를 진료한 경력이 20년 이상인 수면전문의 1인이 작성된 수면 일기를 검토하여 일주기리듬장애나 수면부족, 음주 등의 문제로 수면의 어려움이 있는 것으로 판단되는 대상자는 제외하였으며, 수면제를 복용한 것으로 기록된 경우도 제외하였다.
본 연구에서는 취침 전 이산화탄소의 졸음유발효과로 SOL 변화를 조사한 선행연구가 없어 기존의 값을 이용한 추론이 불가하였다. 이에 불면증을 대상으로 한 선행연구[11]에 근거하여, SOL의 최소한의 효과의 차이값이 4.7이고, 표준편차가 7.0, 유의수준 0.05, 검정력 80%로 하였을 때, 교차실험연구에서 필요한 대상자 수를 20명으로 보고 탈락률 20%를 감안하여 총피험자 수는 25명으로 산정하였다.

처치 방법: 취침 전 분사되는 가스 노출 방법

본 연구에서 취침 전 가스 노출은 환자의 침대 위에서 공기 중으로 가스를 분사할 수 있는 슬립에어(Gosleep, NYX, Hanam, Korea) 장비를 사용하였다. 슬립에어 장비는 탄산가스 실린더를 내부에 탑재할 수 있는 본체(가로×세로×높이=18.6×24.0×69.5 cm)와 다리(높이 29.4 cm)로 구성되며 다리를 포함한 높이는 약 98 cm이다. 침대 옆에 세워두고 가스를 노출시킬 때는 가스가 분사되는 날개를 펼쳐서 사용하는 장비이다(Fig. 1).
검사 및 처치가 진행되는 수면다원검사실은 가로 4.7미터, 세로 6.7미터, 높이 2.7미터 규모의 검사실로 건물 전체에 설치된 중앙공조 시스템에 의해 환기가 이루어지며, 검사실 내부에 별도의 에어컨이 설치되어 온도 및 습도 조정이 가능한 공간으로 검사 기간 중 실내 온도는 24.5°C-25.5°C, 습도는 45% R.H. 전후로 유지하였다. 검사실은 천장을 제외한 벽체와 바닥, 출입문 모두 방음 처리된 공간으로 검사 중 측정되는 소음은 최소 35 dB에서 최대 55 dB 수준으로 유지되었다. 슬립에어 장비 작동이 시작되는 시점은 수면다원검사를 시작하는 시점과 동일해서 검사를 위해 실내 조명을 끌 때 장비 가동을 시작하였다. 총 처치에 소요되는 시간은 23분으로, 실험처치와 샴 대조처치 모두 초기 1단계는 슬립에어 장비의 날개에서 별도의 CO2 가스 분사 없이 검사실 내의 공기를 이용해 3분 동안 바람 세기가 점점 강해지며 사용자가 바람에 익숙해지도록 하는 단계이다. 2단계에서 실험처치 시에는 흡입농도 2%의 CO2 혼합 기체(STEL 20,000 ppm)가 15분간 유지되며, 샴처치 시에는 검사실 내의 공기를 실험처치와 동일한 바람 세기로 15분간 분사되도록 한다. 마지막 3단계에서는 별도의 CO2 가스 분사 없이 5분 동안 검사실 내의 공기를 이용해 바람이 서서히 약해지면서 꺼지도록 하였다(Table 1).
가스 분사로 인한 검사실 내 CO2 농도 변화는 환자가 누워있는 침대에서 1.5미터 떨어진 지점에 위치한 가스 분석기(NYX)로 1분 단위로 측정하였으며, 검사 시작 시점의 농도, 2단계에서 15분 동안 분사된 가스의 평균 농도, 가스 분사 15분 시점의 농도, 검사 종료 시점의 농도는 Table 2와 같다. 실험처치와 샴처치 시 실내 CO2 농도는 2단계 15분 시점에서만 유의한 차이가 있었고(1,961.4±766.4 ppm vs. 1,702.9±406.2 ppm, p=0.025), 그 외 시간대에는 처치 간 차이가 없었다. 본 연구에서 사용된 가스 분석기는 국가측정표준기관인 표준교정기술원에서 오차범위 내로 정확도가 보장되는 신뢰도 있는 기기임을 확인받았다(certificate no. SC2112-29906-1).

측정 도구

수면다원검사

수면다원검사는 Embla N7000 (Medcare-Embla, Reykjavik, Iceland) 장비로 시행되었다. 6채널의 뇌파와 4채널의 안전위도, 1채널의 턱 근전도를 비롯하여, 흉부와 복부의 호흡 유도 체적변동기록기(respiratory inductive plethysmography), 산소포화도, 심전도, 근전도, 소리 센서 등을 통하여 수면 단계와 호흡지수, 사지운동지수 등을 측정하였고, 검사 결과는 American Academy of Sleep Medicine (AASM) Manual에 따라 판독되었다[12].
수면 양상은 총침상시간(time in bed, TIB), 총수면시간(total sleep time, TST), SOL, 2단계 수면잠복기(N2 sleep latency), 입면 후 각성시간(wakefulness after sleep onset), 수면 효율(sleep efficiency)로 측정하였고, 무호흡-저호흡지수(apnea-hypopnea index), 총각성지수(total arousal index, TAI) 및 호흡각성지수(respiratory arousal index), 자발각성지수(spontaneous arousal index), 운동각성지수(movement arousal index)를 추가로 평가하였다.

설문지

수면다원검사 시행 전에 한글판 PSQI [13,14], 불면증 심각도 척도(insomnia severity index, ISI) [15,16], 엡워스 주간졸음척도(Epworth sleepiness scale) [17,18], Beck 우울척도(Beck depression index-II) [19,20]를 측정하였다. 불면 증상 유형은 ISI 척도 1a-1c 항목에 불면증의 심한 정도를 3점 이상(심함 또는 극심)인 경우로 조사하였다. 수면다원검사를 시작하기 전인 저녁 10시에 주관적 졸음/각성 정도를 Karolinska Sleepiness Scale (KSS)을 이용하여 평가하였다. KSS는 현재 졸린 정도를 1점(매우 명료함)-9점(매우 졸려서, 깨어 있으려면 잠과 싸워야 함)으로 단문항으로 평가하는 척도이며, 환경적 요소의 변화나 운전 능력, 시차 등을 평가하는 다양한 연구에서 사용되는 설문이다[21,22].
수면다원검사를 마친 다음날 아침 주관적으로 인지하는 수면다원검사 중 TST와 SOL을 기술하도록 하였고, KSS 점수를 기술하도록 하였다.

자료분석

수집된 자료는 유의수준 0.05로 하여 윈도우용 SPSS 20.0 (IBM Corp., Armonk, NY, USA)을 이용하여 다음과 같이 분석하였다. 대상자의 일반적 특성, 설문 점수 및 수면 패턴은 빈도와 백분율, 평균과 표준편차를 이용하였다. 실험처치와 샴 대조 간 결과의 차이는 Shapiro-Wilk test를 이용하여 정규분포를 확인 후 정규분포 여부에 따라 paired t-test 또는 Wilcoxon signed rank test를 시행하였다.

윤리적 고려

본 연구는 자료 수집 전에 연구 기준, 방법 및 평가와 관련해 삼성서울병원 기관윤리심의위원회의 심의(승인번호 2021-04-133)를 득한 후 대상자에게 연구 목적을 설명하고 자료수집에 대한 자발적 동의를 구한 후 시행하였다. 연구 과정은 기관윤리심의위원회의 관리감독하에 시행되었다.

결 과

대상자의 일반적 특성

총 30명의 연구 참여 희망자 중에서 5명은 스크리닝 단계에서 수면일지상 일주기리듬장애나 수면박탈로 인한 수면장애 소견을 보여 제외하였고, 첫 번째 수면다원검사 시행 후 개인적 사정으로 두 번째 검사 일정을 조정하기 어려워 탈락된 1명을 제외한 24명의 자료가 분석에 사용되었다. 평균 연령은 55.4±6.3세(48-61세)였고, 9명(37.5%)이 남성이었다. 체질량지수는 22.6±2.7 kg/m2이었으며, PSQI는 10.0±3.3점으로 주관적인 수면의 질이 낮았고, ISI는 14.9±4.7점으로 평균 중등도 이상의 불면을 호소하는 것으로 확인되었다. ISI 문항으로 평가한 불면 증상 유형은 잠을 유지하기 어려운 경우가 54.1%로 가장 많았고, 너무 일찍 깨는 문제를 호소하는 대상자가 50.0%, 잠들기 어려움을 호소하는 대상자가 29.1%인 것으로 확인되었다(Table 3).

CO2 가스 노출 유무에 따른 수면다원검사 결과 및 주관적 수면 평가 비교

취침 전 CO2 가스 노출 유무에 따른 수면다원검사 결과는 Table 4와 같다. CO2 가스에 노출된 실험처치 시 수면다원검사에서 샴처치 시 보다 TIB (361.3±55.2 vs. 347.2±35.7 min, p=0.034)와 TST (311.0±74.3 vs. 287.2±69.4 min, p=0.010)가 유의하게 길었고, TAI는 유의하게 낮은 것으로 나타났다(19.7±9.5/h vs. 24.0±13.7/h, p=0.011) (Fig. 2). SOL은 실험처치 시 9.0±12.9분, 샴처치 시 9.3±14.2분으로 CO2 가스 노출 유무에 따른 차이는 보이지 않았다. 수면다원검사를 마친 다음 주관적으로 지각한 전날 TST와 SOL도 유의한 차이를 보이지 않았다.
실험처치와 샴처치 시 대상자의 주관적 수면과 객관적 수면은 Fig. 3과 같이 차이를 보였으며, 취침 전 KSS 점수와 취침 후 KSS 점수의 유의한 변화는 보이지 않았다. 이산화탄소 분무 다음날 두통 등의 CO2 관련 후유증을 호소한 피험자는 없었다.

고 찰

본 연구는 취침 개시 직전 저농도의 CO2를 분사하여, 불면을 호소하는 피험자의 수면개시 및 수면유지 어려움이 개선되는지 알아보고자 했다.
잠이 들려고 할 때 정상적으로 호흡수가 느려지고 환기가 감소하면서 폐포의 pCO2가 높아지는데[23], 이 시기에 인위적으로 CO2를 흡입시키면 서파가 증가하여 수면이 유도된다는 이전 연구결과가 있다[7]. 본 연구에서 사용한 실험도구는 기존 연구에[7] 비해 낮은 농도(2% vs. 5%)의 CO2를 더 장시간(15분 vs. 7분) 분사하도록 제작된 제품이다. 본 결과에서, 샴처치에 비해 수면개시에는 큰 차이가 관찰되지 않았다. 반면, TST와 TAI가 샴처치에 비해 유의하게 개선된 효과를 보였다. 이의 해석을 위해서는 모집한 피험자의 특성을 분석해봐야 한다. 본 연구를 위해 모집한 피험자는 불면(ISI 평균 14.9) 및 나쁜 수면의 질(PSQI 평균 10.0)을 호소했다. 그럼에도 불구하고, 피험자의 샴처치-수면다원검사 결과를 보면, 평균 SOL은 9.3분(range 1-71분)으로 정상 범주였다. SOL의 시작은 30초 이상의 수면뇌파의 지속이므로[12], 잠들자마자 깨곤하는 불면 환자의 실제를 제대로 반영하지 못할 수 있다는 점을 고려하여, 피험자들의 샴처치 N2 SOL을 확인했으나 평균 12.5분(range 0.5-169.5분)으로 역시 정상 범주였다. 반면, 샴처치 수면다원검사 다음날 피험자들이 보고한 평균 주관적 SOL은 42분으로 실제 값과 큰 차이를 보였다. 이는 수면개시를 호소하는 불면증 환자여도 수면다원검사로 측정한 SOL과 주관적인 수면개시 시간 간에 분명한 차이가 있으며, 약물 혹은 기타 치료를 통해 SOL을 통계적으로 유의하게 줄이는 게 쉽지 않음을 시사한다. 본 연구와는 상반되게 실내 CO2 농도를 800/1,900/3,000 ppm으로 맞춘 실험챔버에서 각각 수면을 취한 후 비교한 중국의 연구에서는 800 ppm 농도보다 3,000 ppm 농도에서 SOL이 더 짧고, N3 수면은 더 길어진 것으로 보고하였다[9]. 그러나 선행연구의 대상자는 모두 PSQI 5점 이하인 평균 연령 24세의 건강한 대학생을 대상으로 하였기에, 불면 증상을 호소하는 본 연구 대상자와는 다른 결과를 보였을 수 있다. 또한 본 연구 검사실의 실내 CO2 농도는 평균 2,000 ppm 이하로 유지되어서 1,900 ppm과 800 ppm 조건에서는 객관적 SOL의 차이가 없었던 선행 연구와 같은 결과라 할 수 있겠다.
한편, 피험자들의 평균 SOL은 실험처치 2단계 CO2 흡입이 종료되는 시점인 18분보다 짧았다. 이는 피험자가 잠든 후까지 CO2가 분무되었음을 시사하며, 샴처치와 비교하여 더 낮아진 각성지수와 더 길어진 수면시간과 연관성이 있음을 추정할 수 있다. 특히 비렘수면(non-rapid eye movement, NREM) 각성지수가 유의하게 낮아졌는데, 수면의 초기 분무된 CO2가 수면 초반에 출현하는 NREM 수면의 각성을 줄였을 것으로 해석해 볼 수 있다. 비록 통계적으로 유의하지는 않았으나, 실험처치 때 N1 수면 비율이 적었다는 점도 이를 뒷받침 하는 소견으로 보인다.
두 번째로 분석한 피험자의 특성은, ISI 설문결과에서 입면장애가 심함, 또는 그 이상(1a, 3-4점)으로 표기한 피험자가 전체 24명 중 7명으로 30% 미만이었다. 54% 이상의 피험자는 수면유지장애(1b)와 너무 일찍 깸(1c)이 심함 또는 그 이상으로 표기했다(복수응답 가능). 건강한 성인의 수면다원검사 소견을 보고한 메타분석 연구에서 35-49세 성인의 SOL 평균이 14.4분, 50-64세 성인은 15.7분임을 고려하면[24], 본 연구대상자가 비록 주관적으로 수면장애를 호소하기는 하였으나 객관적으로는 정상 수면의 범주에 있어 CO2 흡입이 SOL의 변화로 유도되지 못했을 가능성이 높다. CO2 흡입으로 수면유도 효과를 검증한 선행연구가 없어 직접적 비교는 어려우나, 느린 호흡으로 과탄산을 유발한 군에서 주관적 SOL이 70분에서 13분으로 감소했다는 연구를 고려할 때 본 연구대상자의 입면장애가 심하지 않아 SOL 감소 효과가 낮았을 가능성이 있다[6].
본 연구 결과, CO2 흡입으로 인한 수면유도 효과는 없는 반면, TIB, TST, TAI는 실험처치와 샴처치 간 유의한 차이를 보였다. 이에 대한 근거는 명확하지 않지만, 아마도 입면 후 실내 CO2 농도 감소폭이 더 큰 것이 영향을 주었을 가능성이 있다. 실내 공기의 CO2는 사람의 호흡에 의해 주로 배출되기 때문에 거실보다 침실의 CO2 농도가 더 높고 취침 전보다 취침 중에 농도가 점점 더 증가하다가 수면 후반부에 다소 감소한다[9,25]. 창문을 열어 환기를 통해 CO2 농도를 낮춘 조건과 환기를 시키지 않아 CO2 농도가 감소되지 않은 조건 하에서 수면을 취하게 한 후 활동기록기(actigraphy)로 객관적 수면을 측정한 연구에 따르면 CO2 농도 감소는 SOL과 수면 중 각성 회수와 양의 상관관계를, 수면시간과 수면효율과는 음의 상관관계를 보인다고 하였다[26]. 본 연구에서 실험 처치 시 일시적으로 실내 CO2 농도를 증가시킨 경우 처치가 끝난 후 실내 CO2 감소량의 변화가 샴처치보다 커서 수면시간을 증가시켰을 가능성이 있다. 향후 잘 설계된 연구를 통해 수면 중 실내 CO2 농도 감소가 수면에 미치는 영향에 대한 효과를 입증해볼 필요가 있겠다.
정리하면, 수면개시 전 저농도의 CO2 분무는 수면유지장애를 호소하는 피험자의 수면시간을 늘리고, 각성 횟수를 줄여주는 것으로 조사되었다. CO2 흡입과 연관된 부작용도 관찰되지 않았다. 그러나, TST와 TIB는 증가하였지만, 수면효율은 개선되지 않아 수면의 질 개선에 직접적인 영향을 주었다고 해석하기에는 제한점이 있다. 기대했던 SOL의 단축은 없었으나, 피험자의 객관적 SOL이 길지 않아, CO2 효과가 제대로 반영되지 않았을 것으로 추정된다. 적절한 피험자 선택을 하지 못했다는 점은 본 연구의 가장 큰 제한점이다. 향후 수면개시장애가 객관적으로 확인된 피험자를 모집하여 추가 연구를 수행해야 할 것으로 보인다. 또한 대상자 선정 시 수면장애 유무를 비롯한 기저질환 정보를 구두로 질문하여 수집하였기 때문에 심한 코골이나 기면증 등의 수면장애나 대상자가 알려주지 않은 기저질환을 완전히 배제하지는 못하였다. 아울러, 본 연구에서 사용한 제품이 제공하는 2% CO2, 15분 분무 프로토콜 외, 안전성을 보장하는 범주 내에서 다양한 이산화탄소 농도와 분무 시간을 제공하는 프로그램 개발이 필요할 것으로 보인다. 건강한 수면을 위한 배게, 침대, 마사지 제품 등의 수면 관련 상품이 출시되고 있는데, 대부분 건강관리(wellness) 제품으로 허가를 받기 때문에 본 연구와 같이 임상실험을 통해 수면 개선 효과를 증명한 제품은 많지 않다. 본 연구 보고를 계기로 좀 더 많은 수면 관련 상품들이 과학적인 임상실험 디자인과 엄격한 피험자 관리를 바탕으로 한 임상결과를 발표하여 건전하고 안전한 수면 시장을 조성하길 희망한다.

Notes

Conflicts of Interest
The authors have no potential conflicts of interest to disclose.
Author Contributions
Conceptualization: Eun Yeon Joo, Su Jung Choi. Data curation: Su Jung Choi. Funding acquisition: Eun Yeon Joo. Investigation: Su Jung Choi. Methodology: Eun Yeon Joo, Su Jung Choi. Supervision: Eun Yeon Joo. Validation: Eun Yeon Joo, Su Jung Choi. Visualization: Su Jung Choi. Writing—original draft: Su Jung Choi. Writing—review & editing: Eun Yeon Joo, Su Jung Choi.
Funding Statement
This study was supported by Samsung Medical Center Grant (#OTC 1190671).

Fig. 1.
Sleep air device. Product images from http://gosleep.kr/, with permission of NYX, Inc.
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Fig. 2.
Comparison of sleep parameters between experimental and sham-control treatment.
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Fig. 3.
Subjective and objective sleep. A: Sleep latency. B: Total sleep time. C: Sleepiness (Karolinska Sleepiness Scale, KSS). KSS score (9-point scale): 2, very alert; 3, alert; 4, fairly alert; 5, neither alert nor sleepy.
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Table 1.
Treatment method of sleep air
Stage Time (min) Air injection method Concentration of CO2
I 3 Room air gradually came out 0%
II 15 Experimental: air mixed with CO2 emerged 2%
Sham-controlled: same pressure room air 0%
III 5 Room air was weakened by degrees and turned off 0%
Table 2.
Indoor CO2 concentration at each test point in PSG laboratory (n=24)
Test point CO2 concentration (ppm)
p
Experimental Sham-controlled
At PSG start (light off) 1,684.3±560.1 1,723.8±412.1 0.529
During stage II (for 15 min) 1,800.0±619.9 1,713.7±416.7 0.265
At 15 min of stage II 1,961.4±766.4 1,702.9±406.2 0.025
At PSG end (light on) 1,555.2±553.3 1,485.2±442.3 0.260

PSG, polysomnography

Table 3.
Baseline demographics and questionnaires of the participants (n=24)
Variables Values
Age (yr) 55.4±6.3
Male 9 (37.5)
Body mass index (kg/m2) 22.6±2.7
Pittsburgh Sleep Quality Index 10.0±3.3
Insomnia severity index* 14.9±4.7
 Severe difficulty falling asleep (1a ≥3) 7 (29.1)
 Severe difficulty staying asleep (1b ≥3) 13 (54.1)
 Severe problem waking up too early (1c ≥3) 12 (50.0)
Epworth sleepiness scale 11.3±5.4
Beck depression inventory-II 14.8±8.6

Values are presented as mean±SD or n (%).

* insomnia severity index, 1a–c: 0 (none), 1 (mild), 2 (moderate), 3 (severe), 4 (very severe)

Table 4.
Polysomnography-based sleep parameters and questionnaires (n=24)
Variables Experimental Sham-controlled p
Time in bed (min) 361.3±55.2 347.2±35.7 0.034*
TST (min) 311.0±74.3 287.2±69.4 0.010*
SOL (min) 9.0±12.9 9.3±14.2 0.696
N2 sleep latency (min) 5.0±4.9 12.5±34.3 0.761
WASO (%) 12.9±9.9 16.3±16.3 0.219
Sleep efficiency (%) 84.9±11.6 82.0±16.9 0.241
Sleep stage
N1 sleep (%) 16.2±9.0 20.8±17.8 0.056
N2 sleep (%) 52.4±10.4 49.9±11.5 0.236
N3 sleep (%) 10.7±10.0 10.4±8.9 0.773
REM sleep (%) 20.6±4.5 18.9±5.8 0.219
Total arousal index (/h) 19.7±9.5 24.0±13.7 0.011*
Respiratory arousal index (/h) 8.3±9.2 9.4±11.0 0.166
Spontaneous arousal index (/h) 5.5±3.5 7.8±7.7 0.092
Movement arousal index (/h) 1.3±3.2 1.2±1.8 0.204
REM arousal index (/h) 14.2±7.0 16.6±10.6 0.162
NREM arousal index (/h) 20.9±11.3 25.1±14.9 0.008*
Apnea-hypopnea index (/h) 12.3±12.8 13.9±14.8 0.121
Perceived sleep
Perceived TST (h) 4.8±2.0 4.8±1.3 0.782
Perceived SOL (min) 39.6±39.9 42.5±42.8 0.574
KSS before PSG (at 10 pm) 4.6±1.6 4.9±2.0 0.465
Morning KSS after PSG 4.8±1.5 5.0±2.2 0.678

Values are presented as mean±SD.

* p<0.05;

analyzed by paired t-test.

WASO, wakefulness after sleep onset; TST, total sleep time; SOL, sleep onset latency; KSS, Karolinska sleepiness scale; PSG, polysomnography

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