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테크노트

생체 정보 계측을 이용한 스트레스 평가와 그 대처에 대해서

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최근 고도 정보화 사회에 대한 대응, 불안정한 경제 상황, 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19)에 의한 정세 불안 등 어지러운 매일의 변화에 적응하기 위해 우리는 일상적으로 스트레스를 느끼는 환경에 있으며, 스트레스 관리는 큰 사회 과제 중 하나로 되어 있다.

 

일본 후생노동성의 조사에 의하면, 약 60%의 노동자가 ‘강한 스트레스를 받고 있다고 느끼는 경우가 있다’고 응답하고 있으며, 멘탈 헬스의 부진으로 인해 1개월 이상 휴업한 노동자의 비율은 6.7%, 퇴직한 노동자의 비율은 5.8%나 된다. 또한, 코로나19의 영향으로 자살자 수도 증가하고 있다. 40대 이하 세대에서는 전체적으로 자살자가 증가하고 있으며, 특히 20대가 가장 크게 증가하고 있다.

 

또한, 현대에는 사회관계망서비스(SNS)나 동영상 사이트 등으로 인해 주변에 자극적인 콘텐츠가 넘쳐나며, 이러한 자극에 장기간 노출되는 것으로도 무의식중에 스트레스가 쌓여 만성적인 피로 상태에 빠지는 경우도 있다. 만성적인 스트레스 상태가 지속되면 해마가 위축되어 우울증 등의 증상을 일으킬 가능성도 시사되고 있다. 이러한 상황에서 스트레스 관리는 앞으로 더욱 중요한 과제가 될 것으로 생각된다.

 

스트레스는 나쁜 것으로 간주되는 경우가 많지만 전혀 스트레스가 없는 환경에서는 퍼포먼스가 저하되는 것으로도 알려져 있다(그림 1). 스트레스 시스템은 과거의 경험을 바탕으로 경험하지 못한 자극이나 과거에 위험을 느낀 자극으로 판단될 때, 그 상황에 대항하기 위해 인간에게 구비된 생명 유지를 위한 기구라고도 생각할 수 있다. 따라서 긴장감이 없는 환경에서는 휴식이 우선되어 무기력해지는 경우도 있다. 그러나 긴장 상태도 일정한 허용량을 초과할 경우, 불안감으로 인해 정상적인 판단이나 행동이 어려울 수 있다.

 

 

이 스트레스 시스템은 스트레스의 원인이 되는 스트레서가 존재하며, 그 스트레서의 자극을 받은 뇌 안에서 내부 환경의 변화를 일으킨다. 이 변화를 스트레스 반응이라고 하며, 변화를 본인이 인식했을 때에 스트레스를 느끼는 것으로 판단된다.

 

스트레서는 온도 환경의 변화, 신체적인 통증, 강한 광자극, 자극적인 냄새 등 오감에 호소하는 외인성의 것과 외적 자극이 존재하지 않는 상태에서 과거의 기억이나 경험에 기초해서 불안이나 공포와 같은 감정이 상기되는 내인성의 것으로 분류된다. 스트레스 반응은 에러 감지의 뇌 부위로 알려진 ACC(Anterior Cingulate Cortex)에 의해 스트레서를 검출하고, 스트레서에 대응하기 위해 뇌 내 물질에 변화가 나타난다. 그 뇌 내 변화는 불안이나 공포를 느낀다. 반응이 과도할 경우에는 도피 행동을 우선하기 때문에 전두전피질의 기능이 저하되어 평상시의 행동을 할 수 없는 상태에 빠지기도 한다.

 

이러한 스트레스를 평가하는 데 있어 설문조사를 이용한 주관 평가가 이루어지고 있는데, 같은 스트레서라도 개인마다 반응의 크기가 변화하기 쉽다. 특히 내인성 스트레서에 의한 스트레스 반응은 개인의 과거 기억과 경험에 의존해 불안이나 공포의 대상과 그 정도도 다르다. 생체 정보를 기반으로 스트레스를 측정할 수 있게 되면, 객관적으로 스트레스 정도를 나타낼 수 있다. 가시화됨으로써 무의식중의 스트레스 상태를 파악하고 스트레스 대처의 효과 측정을 실현할 수 있다. 이 글은 뇌파를 주축으로 생체 정보에 기초해 스트레스를 객관적으로 평가하는 방법을 설명하고, 스트레스 대처에 효과적인 사례에 대해 소개한다.

 

뇌파에 의한 스트레스 평가

 

스트레스는 스트레서에 대응해 일어나는 뇌 내의 변화이며, 그 반응을 직접적으로 모니터링할 수 있는 생체 정보가 뇌파이다. 뇌파는 뇌 내의 신경세포 전기 활동을 두피 위에서 측정한 것으로, 측정 부위마다 처리되는 정보가 다르고 뇌 내의 감정 변화에 대해서는 전두부에 강하게 나타나는 것으로 알려져 있다.

 

전두부 안의 국제 10-20법에서 정의된 Fp1이라는 부위의 뇌파를 계측해, 감정을 수치화한 감성 지표(‘흥미도’, ‘집중도’, ‘진정도’, ‘스트레스도’ 등)로 변환하는 감성 평가 시스템으로서 게이오대학 미츠쿠라 등에 의해 개발된 ‘감성 애널라이저’(그림 2)가 있다. 감성 애널라이저는 헤드밴드형 간편 뇌파계를 이용해 피험자의 뇌파를 계측하고, 계측된 뇌파를 분석함으로써 0~100의 수치로 나타나는 감성 지표로 변환해 매초 출력한다.

 

 

설문조사 등의 주관 평가에서는 사후 청취가 되기 때문에 스트레스를 느낀 순간이나 릴랙스의 계기를 기억하지 못하는 등 피험자의 기억이 애매한 경우도 많지만, 감성 애널라이저는 실시간으로 감정의 움직임을 추적·기록하는 것이 가능하기 때문에 감정 변화가 일어난 상황을 추출해 스트레스 요인의 특정이나 릴랙스에 필요한 요소의 발견 등을 가능하게 한다. 각 감성 지표는 과거에 각 지표에 대응한 태스크 시에 계측된 뇌파의 데이터베이스를 기준으로 계측 중인 뇌파의 감정 레벨을 추정한다(그림 3).

 

 

감정 애널라이저에서 스트레스도는 정신적인 피로와 심리적인 부하가 커질수록 상승한다. 따라서 직접적인 심리 상태를 측정할 수 있지만, 스트레스도만으로 평가한 경우 피험자가 적극적으로 사고함으로써 심리적인 부하가 상승했을 가능성도 생각할 수 있다. 그러므로 다른 감성 지표나 심박․타액 검사 등의 생체 정보 병용에 의해 다각적인 평가를 함으로써 피험자의 심리 상태 실태를 상세하게 분석할 수 있다.

 

스트레스 평가 사례

 

이하에서는 감성 애널라이저 및 생체 정보 측정에 기초해 스트레스 평가를 실시한 사례를 소개한다.

 

1. 명상에 의한 스트레스 코핑

정신 건강관리의 방법 중 하나로 명상을 들 수 있다. 명상은 자세나 호흡법을 컨트롤하고 정신적인 변화를 의식하에 인도함으로써 스트레스를 개방하거나 집중력을 높이는 기법인데, 정신 활동을 중심으로 한 경험을 공유하는 것은 매우 어려우며 숙달에는 오랜 기간에 걸친 수련이 필요하다. 이 명상 중의 뇌파를 장기 명상자와 명상 초보자 간에 비교한 경우, 뇌파를 주파수 해석했을 때의 ϒ대역 강도에 차이가 나타난다는 것이 밝혀졌다. 따라서 장기 명상자와 동일한 뇌파를 내도록 수련함으로써 명상 초보자도 단기간에 명상 기술을 습득할 수 있을 것으로 생각된다.

 

그러나 기존 연구는 다극형 대형 뇌파계로 계측하는 것이 주를 이루고 있어 초보자의 일상적인 계측에는 적합하지 않으며, 숙련도 조사는 이루어지고 있지만 스트레스 코핑(stress coping: 대처 행동)의 효과도 불분명한 부분이 있었다. 그래서 간이 측정이 가능한 감성 애널라이저를 이용해 명상의 효과를 평가했다. 5명의 남녀 명상 초보자는 3주간 명상 학습 프로그램을 따르고 감성 애널라이저를 장착한 상태로 매일 명상을 실천했다. 또한, 10년 이상 명상을 습관화하고 있는 명상 숙련자의 뇌파 측정도 실시해 초보자와 비교했다. 그 결과 명상 초보자는 3주간의 실천에서 매주마다 스트레스도가 명상 후에 감소한 것을 알 수 있었다(그림 4).

 

 

그러나 명상의 숙련도를 나타내는 ϒ대역은 초보자에서는 큰 변화를 확인할 수 없었고, 장기 명상자는 ϒ대역이 강하게 나타나는 것으로 확인됐다(그림 5). 이 결과로부터 명상은 숙련도에 관계없이 일정한 스트레스도를 낮추는 효과가 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 초심자와 장기 명상자 간에 ϒ대역의 강도 차이를 확인한 것으로부터 간이형 뇌파계로도 명상의 숙련도를 판별할 수 있는 가능성이 시사됐다. 시계열의 변화로부터 장기 명상자는 시작 시에 집중하고 후반에 릴랙스하는 방식으로 명상을 하고 있다는 것을 알 수 있었으며, 장기 명상자의 실천 방법을 분석하고 절차화함으로써 초심자도 장기 명상자와 동등한 효과를 얻을 수 있도록 명상 학습 프로그램 개선이 기대되는 결과를 얻었다.

 

 

 

2. 휴식의 효과 검증

만성 스트레스의 요인으로 수면 시간의 부족이 있다. 일본의 낮은 노동 생산성은 큰 과제로 되어 있는데, 그 하나의 원인으로 수면 시간의 부족을 들 수 있다. 노동 환경이나 사회 상황 문제 때문에 수면 시간을 늘리기 어려운 경우, 한낮의 졸음 대처법으로 선잠이 있다.

 

이번 사례에서는 원격근무가 증가하고 있는 요즘 자택에서 휴식을 취하는 경우와 정비된 휴게공간에서 휴식을 취하는 경우에서 휴식 후의 퍼포먼스가 변화하는지 검증했다. 원격근무 경험자 남녀 12명을 대상으로 재택 환경 또는 휴식에 특화된 개인실 내에서 휴식을 취하게 한다. 피험자는 휴식 전후의 설문조사 응답 및 감성 애널라이저를 통한 뇌파 측정을 한 상태에서 업무 가정의 인지 과제를 실시했다.

 

 

실험 결과 그림 6에 나타난 바와 같이 재택 환경에서는 주관적인 졸음이 감소하지 않았으며, 휴게 개인실에서는 졸음이 유의하게 감소하는 것으로 나타났다. 그림 7은 휴게 전후의 흥미도 변화를 나타낸다. 재택 환경에서는 인지 과제 실시 시의 흥미도 평균값이 감소하였고, 휴게 개인실에서는 유의한 증가세를 확인할 수 있었다. 휴게 후 인지 과제의 점수도 휴게 개인실 쪽이 더 높은 결과를 보였다. 이러한 결과로부터 재택 환경의 휴식으로는 졸음 개선이나 휴식 후의 의욕 회복에 효과가 나타나지 않는 것으로 생각된다. 원격근무의 경우, 재택 환경의 업무 공간에서 휴식을 취하더라도 휴식으로 기분을 전환하지 못했기 때문일 가능성이 있다. 휴식 효과를 높이기 위해서는 휴게를 의식하는 환경을 조성하고 기분을 전환하는 것이 중요하다고 생각된다. 감성 애널라이저는 스트레스도 이외의 지표로부터 피험자의 상태를 분석, 좋은 퍼포먼스를 발휘할 수 있는 상태에 있는가 하는 관점에서 분석함으로써 정신 상태 회복을 평가할 수도 있다.

 

 

3. 스트레스를 저하시키는 향기 개발

향수 등의 향기가 사람의 기분 변화에 효과적이라는 것은 알려져 있다. 이러한 효과는 릴랙스 효과, 졸음 해소 효과 등 다양하다. 그러나 이러한 향기의 효과는 지금까지 주관 평가에 의해 평가되어 왔다.

 

이 사례에서는 뇌파로부터 추정된 스트레스도를 사용해 향기의 효과를 정량적으로 평가했다. 피험자에게 분무하는 향기는 총 8가지 종류로 하고, 남녀 20명이 실험에 참가했다. 8가지 향기 중 3종류는 스트레스에 효과가 있는 것으로 알려진 향기로 했다. 실험에서는 감성 애널라이저에 의한 뇌파 측정을 실시한 상태에서 처음에 안정 상태를 1분, 다음으로 향기 분무 상태를 3분간 측정하고, 마지막으로 향기 분무 종료 후 3분간의 안정 상태를 취득했다. 해석에서는 감성 애널라이저의 스트레스도를 평균해 아로마 분무 전후에서 유의차 검정(n=20)을 실시했다.

 

결과 8가지 중 1종류의 향기가 스트레스도를 유의하게 저하시키는 것으로 판명됐다. 또한 이 향기는 스트레스도에 효과가 있다고 알려진 3종류 중 1가지였다. 이 향기를 제시했을 때의 스트레스도 변화를 그림 8에 나타냈다. 분무 종료 시에 가장 스트레스도가 낮아지고 분무를 종료한 후에 약간의 스트레스도 상승이 보였으나, 분무 전보다 유의하게 저하된 것을 확인할 수 있다. 이 결과로부터 감성 애널라이저의 스트레스도를 이용함으로써 향기에 의한 영향을 정량적으로 평가할 수 있다는 것이 시사됐다.

 

 

4. 웃는 얼굴에 의한 스트레스 코핑

뇌파 이외의 생체 정보를 이용한 사례로서 감정 표현에 의한 스트레스 코핑 효과를 검증한 사례를 소개한다. 이 사례에서는 뇌파 이외에 타액 호르몬(코르티졸), 심박, 혈압 등을 측정해 웃는 얼굴의 효과에 대해 비교 검증했다.

 

실험에서 피험자는 스트레스 부담으로 계산 문제를 실시하고, 그 후 개입 조건별로 동영상 시청, 지시에 따른 웃는 얼굴 작성을 실시했다. 각 개입 조건군은 코미디 동영상을 시청하는 ‘자발적 웃음군’, 의식적으로 입꼬리를 올리는 ‘의식적 웃음군’, 웃는 얼굴 모양만 만드는 ‘기계적 웃음군’, 중성 영상(일기예보)을 시청하는 ‘통제군’으로 구성되며, 각 군마다 20명을 계측했다. 실험 결과 심박, 혈압, 얼굴 피부 표면 온도에는 변화가 나타나지 않았으나, 코르티솔 분비량이 자발>기계 >의식>통제 순으로 저하되어 ‘자발적 웃음군’, ‘기계적 웃음군’은 유의하게 감소했다(그림 9). 또한 감성 애널라이저 측정 결과에서는 자발>의식>기계 순으로 스트레스도가 감소했고, ‘통제군’에서는 증가했다. 웃는 것은 스트레스 경감에 효과적인 것으로 알려져 있으나, 기계적으로 웃는 얼굴을 만들어도 스트레스 감소 효과를 얻을 수 있다는 것이 시사됐다. 타액 중의 코르티솔은 개일 리듬, 음식, 운동 등 피험자의 상태에 주의해 이용할 필요가 있지만, 단시간의 심리적인 스트레스에 반응하기 때문에 뇌파와 결합하면 실증 결과의 정확도를 높일 수 있다.

 

 

5. 탄산수 음용에 의한 스트레스 저하

노동자의 스트레스 대처 평가 사례로서 작업 시에 마시는 음료의 차이에 따라 스트레스 변화나 작업 효율에 미치는 영향을 조사한 사례를 소개한다. 이 사례에서는 작업량을 평가하기 위해 타이핑과 계산 문제를 실시하고, 그 전후나 실시 중의 심리 상태를 측정하기 위해 감성 애널라이저의 스트레스도 및 설문조사를 실시했다. 실험은 9세션으로 나눠 세션 5와 7에서 탄산수 또는 물의 음용을 수반하는 휴식과 작업의 시간을 확보하고 음료의 종류별로 세션 1~9를 실시했다(그림 10).

 

 

실험 결과 탄산수 음용 시의 타이핑 실시 시, 타이핑 시작 직후부터 일정 시간 스트레스도가 낮은 상태가 유지되는 것으로 나타났다(그림 11). 또한 그 동안의 타이핑 작업량도 음용 전에 비해 증가하였으므로 스트레스도가 적을 때에 작업량도 증가하는 경향이 확인됐다. 이것은 음료의 성질 차이에 의한 영향으로 생각된다. 이와 같이 시계열 변화를 확인할 수 있음으로써 스트레스 코핑 효과의 지속 시간을 특정할 수 있다.

 

 

맺음말

 

이 글에서는 생체 정보 계측에 기초한 스트레스 평가 방법에 대해 사례를 토대로 소개했다. 이번에 소개한 사례는 단기적인 스트레스 반응의 측정 및 평가 방법이다. 뇌 내에서 일어나는 반응을 객관적 수치로 파악해 자신이 느끼는 스트레스를 가시화한다.

 

만성적인 스트레스 상태가 지속되면 정신질환을 일으킬 수도 있기 때문에 자신의 상태 변화를 모니터링하고 어떠한 상황에서 스트레스를 받는지를 파악해 적절히 대처하는 것이 중요하다.

 

스트레스 코핑의 효과도 수치화되기 때문에 개인마다 적절한 방법을 선택하는 것도 가능할 것으로 생각된다. 또한, 현재는 단기적인 변화를 평가하고 있지만, 장기적인 스트레스 상태를 파악할 수 있게 되면 병이 생기지 않았을 때의 개입 등도 가능할 것으로 생각되므로 앞으로도 스트레스 평가 방법의 갱신이 기대된다.






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