サージカルフェイスマスクを使用した走行が 呼吸機能に及ぼす影響 サージカルフェイスマスクを使用した走行が 呼吸機能に及ぼす影響 福祉社会デザイン研究科ヒューマンデザイン専攻博士前期課程 1 年 岩合 昭直 福祉社会デザイン研究科ヒューマンデザイン専攻博士前期課程 2 年 布施沙由理 福祉社会デザイン研究科ヒューマンデザイン専攻博士前期課程 2 年 淵ノ上真太郎 本研究はサージカルフェイスマスクを呼吸制限に使用したときの呼吸機能に及ぼす影響を 検討した被験者として健康な男子大学生８名 年齢 20 ± 1.3 歳 を用いた被験者はト レッドミルで漸増負荷試験を疲労困憊まで行った被験者はサージカルフェイスマスクで呼 吸制限をした状態としていない状態で最大酸素摂取量にたいして % および 80% の速度で 10 分間走行した および 80% の速度は別の日に行ったサージカルフェイスマスクで呼 吸制限をした場合としていない場合の走行の休憩は被験者の心拍数が安静になるまでとられ 呼吸数 酸素換 たそれぞれの運動時の換気量 VE VO2 二酸化炭素排気量 VCO2 気当量および HR を測定した および 80% の速度で酸素摂取量と心拍数に有意差はなかった呼吸制限を行うと換気 呼吸数および酸素換気当量が有意に低下し 一回換気量は有意に増加した サージカルフェイスマスクで呼吸制限を行うと 気道抵抗の影響を少なくするために換気 量と呼吸数を減少させるそのため一回換気量が増加して一回の呼吸が深くなるその結果 酸素換気当量が低下したことからサージカルマスクの装着は呼吸の効率が増加したことが考 えられた Ⅰ. はじめに 陸上競技の中距離走および長距離走のトレーニングは呼吸循環器系あるいは代謝に特異的 な適応をもたらすこれらの適応は最大酸素摂取量 VO2max や乳酸系 / 換気性閾値を改 1 善し, ランニングエコノミーや最大無気的能力を改善する 321
陸上競技の中距離走および長距離走の Performance に呼吸循環機能が及ぼす影響は大き いそのため 陸上競技の中距離走および長距離走における持久力向上のために高地トレー ニング 低酸素室トレーニング 呼吸筋トレーニング マスクトレーニングなどのトレーニ ング方法が実施され 方法論について科学的研究がなされてきた換気効率増加のためにマ スクトレーニングが考えられ 松井２ は呼気ガスマスクを使用したマスクトレーニングでは マスクを装着していない対象群にくらべてマスクを装着した群の方が最大酸素摂取量の増加 率が有意に高かったことを報告し呼気ガスマスクを用いて呼吸制限を行うことにより 持久 力が向上することが示されたしがしながら 松井らの研究で用いたマスクは麻酔用マスク を改良した特殊なマスクであり 一般の競技者がそのマスクを用いてトレーニングすること は難しい一般の選手達のトレーニング法としてマスクトレーニングを確立するのであれば 市販されているサージカルフェイスマスクを使用することが考えられる 実際に呼吸機能を高める目的だけではなく 冬季の早朝にジョギングを行う中距離選手は 風邪の予防のためサージカルフェイスマスクを装着した走行を行っているしかし, 市販の サージカルフェイスマスクを装着した走行が呼吸循環器におよぼす影響についてほんど検討 されていない そこで本実験は中等度の速度において, サージカルフェイスマスクを素着した走行とマス クを装着しない走行のパラメーターを比較 サージカルマスクの装着が呼吸循環器系に及ぼ す影響を検討するとともに中 長距離走のトレーニングとしてマスクの有効性について検討 した Ⅱ. 方法 １. 実験方法 １. 被験者 被験者は日常的に競技スポーツを行っている健康な男子大学生 8 名それら 7 が参加する種 目は陸上競技の短距離走 ３名 中距離走 １名 走り高跳び １名 体操選手 １名 および野球選手 ２名 を用いた表１に被験者の身体特徴を示した subj. A B C D E F G H mean SD Table1.Physical characteristics and VO2 max of subjects age year weight kg stature cm VO2max 19 62 185 19 76 182 21 58 170 20 62 171 21 67 174 18 58 173 22 79 172 21 58 171 20.1 65 175 1.3 7.8 5.2 322 3252 3569 3069 2578 2765 3676 3439 3263 3201 357
サージカルフェイスマスクを使用した走行が呼吸機能に及ぼす影響 2. 実験手順 酸素摂取量 - 速度の関係式を求めるため 上り勾配 8.6% のトレッドミル Woodway 社製 スパートレッドミル ELG ２ で漸増負荷運動により最大酸素摂取量の測定を行った 心拍数がそれぞれ 120,140 および 1 拍に相当する三段階の速度で４分間ずつ走行し それ 以降は １分ごとにトレッドミルの速度を 5 10km/h 増加させ exhaustion に至らせた 最大酸素摂取量の Criteria は①酸素摂取量の leveling off, ②呼吸商 1.10 以上および③心拍数 190 拍 / 分以上とした 3. 測定項目と方法 1 酸素摂取量 二酸化酸素排気量 呼吸数 換気量 走行中の呼気は呼気ガス分析器 ミナト医科学社製 Aero Monitor AE-310s により 酸素摂取量 二酸化酸素排気量 呼吸数 換気量を測定した 2 心電図と心拍数 心拍数の測定は 日本光電工業社製の BSM-2401 を用いて心電を連続記録し R 棘を 30 秒ごとに数えて 1 分間値に換算し求めた心電図の電極装着は CM5 を用いた 3 呼吸制限をした および 80% of Vo2max の運動 呼吸制限を行うマスクは市販されているサージカルフェイスマスクを使用した呼吸制限 を行う時は 呼気ガスマスクの中にサージカルフェイスマスクをしたこの時にサージカル フェイスマスクのゴムを耳にかけて装置をすると 呼気ガスマスクにサージカルフェイスマ スクが収まらないため 布を長方形に被験者の鼻と口を覆うサイズにカットしたサージカ ルフェイスマスクは被験者の顔にホワイトテープで固定し 呼気ガスマスクの内に収まるよ うに装着した 被験者は上り勾配 8.6% のトレッドミルを呼吸制限した状態と していない状態で % 時 あるいは 80% 速度で 10 分間走行した１回目の走行と２回目の走行の間隔は被験者が安静 時心拍数に回復するまで 40 分以上の間隔をあけた 各被験者それぞれの酸素摂取量に相当するトレッドミルの走行スピードは漸増負荷運動法 によりで求めた酸素摂取量 速度関係式から および 80% の速度とした その走行はそれぞれ２日に分けて 一日に各強度のマスクをした走行とマスクをしない走 行を一回ずつ計２回走行したマスクをした走行とマスクをしない走行の順序もランダムに 行った実験手順のプロトコールを図１に示した 323
10 minutes 40 minutes 10 minutes running rest running Figure1. Experimental Protocol Ⅲ 結果 １ % of VO2max での走行 % of VO2max での運動でのサージカルマスクを装着して走行したときとマスクを装着 しないで走行した時の酸素摂取量 換気量 呼吸数 一回換気量および % of VO2max. を表 2,3 に示した 走行中のマスクを装着した場合としなかった場合の VO2 心拍数および % of VO2max に 有意な差はなかったしかし 換気量 一回換気量 呼吸数 酸素換気当量は両者に有意な 差が見られた Table2.In the condition which the mask did not fixed running % of VO2max subject Vo2 ml/min VCO2 ml/ml VE l/min RR n/min VT l/min VE/VO2 ml/ml VE/VCO2 ml/ml HR beats/min A 1776 1578 48.9 32.7 1.5 27.5 31.0 129 B 2582 2344 67.2 43.3 1.6 26.0 28.6 151 C 1833 1766 52.4 44.9 1.2 28.7 30.0 130 D 1577 1567 46.9 56.8 1.2 29.7 30.0 127 E 1739 1710 49.6 28.7 1.7 28.5 29.0 127 F 2280 2192 58.2 36.6 1.6 25.6 38.1 124 G 1919 1874 51.8 34.8 1.5 27.0 27.7 120 H 1962 2045 62.1 48.9 1.3 31.7 30.3 155 mean 1958 1885 54.6 40.8 1.4 28.1 30.6 133 SD 303 267 6.7 8.7 0.2 1.9 3.0 12 Vo2 % 52 72 61 63 62 56 61 4.6 Table3.In the condition which the mask is fixed running % of VO2max subject Vo2 ml/min VCO2 ml/min VE l/min RR n/min VT l/min VE/VO2 ml/ml VE/VCO2 ml/ml HR beats/min A 1861 18 40.3 23.8 1.7 21.6 25.1 130 B 2557 2254 51.3 30.4 1.7 20 21.4 151 C 1844 1629 36.7 21.2 1.7 19.8 22.5 130 D 1553 1468 40.2 29.1 1.4 26.2 27.5 127 E 1698 19 41.0 20.9 2.0 24.2 25.5 127 F 2203 2027 47.4 27.1 1.7 21.7 23.6 124 G 1792 1661 43.9 27.0 1.6 24.5 26.4 120 H 1821 1950 44.9 29.1 1.5 24.7 33.3 155 mean 1916 1776 43.2 26.1 1.7 22.8 25.7 133 SD 297 252 4.3 3.1 0.2 2.22 3.4 12 Vo2 % 57 71 61 52 4.7 換気量においてはマスクを装着しないで走行した方は 54.6 ± 6.7l/min マスクを装着して 走行した方が 43.2 ± 4.3l/min でマスクを装着しない方が有意に大きかった P<0.001 図２ 324
サージカルフェイスマスクを使用した走行が呼吸機能に及ぼす影響 Figure2. Comparison of the ventilation of running in the condition that did not fix serge mask where the serge mask fixed. また 呼吸数はマスクを装着しないで走行した方 40.8 ± 8.7n/min がマスクを装着し た方 26.1 ± 3.4n/min より有意 P<0.001 に多かった 図３ Figure3. Comparison of the respiratory rate of running in the condition that did not fix serge mask where the serge mask fixed. 一回換気量はマスクを装着して走行した方 1.7 ± 0.2 l/min がマスクをしない場合 1.4 ± 0.2l/min よりも有意 P<0.001 に多かった 図４ 325
Figure4. Comparison of the taidal volume of running in the condition that did not fix serge mask where the serge mask fixed. 酸素換気当量はマスクを装着して走行した方 22.8 ± 2.2ml/ml がマスクをしない場合 28.1 ± 1.9ml/ml で有意 P<0.001 で低かった 図５ Figure5. Comparison of the ventilatory equivalent of running in the condition that did not fix serge mask where the serge mask fixed. ２ 80 % of VO2max での走行 80% of VO2max での運動でのサージカルマスクを装着して走行したときとマスクを装着 しないで走行した時の酸素摂取量 換気量 呼吸数 一回換気量および % of VO2max. を表４ ５に示した 走行中のマスクを装着した場合としなかった場合の VO2 心拍数および % of VO2 に有意 326
サージカルフェイスマスクを 使 用 した 走 行 が 呼 吸 機 能 に 及 ぼす 影 響 な 差 はなかったしかし 換 気 量 一 回 換 気 量 呼 吸 数 酸 素 換 気 当 量 は 両 者 に 有 意 な 差 が 見 られた Table4.In the condition which the mask did not fixed running(80% of VO 2 max) subject Vo 2 ml/min VCO 2 ml/min VE l/min RR n/min VT l/min VE/VO 2 ml/ml VE/VCO 2 ml/ml HR beats/min Vo 2 % A 2478 2470 71.7 38.5 1.9 29.1 29.4 149 76 B 2934 2924 79.9 42.5 1.9 27.3 27.5 171 82 C 2020 1947 53.6 42.0 1.0 26.7 27.8 146 66 D 2125 2277 68.4 42.7 1.6 32.5 30.5 162 82 E 2321 2466 72.5 38.7 1.9 31.5 29.9 152 84 F 2664 2718 71.3 40.7 1.7 27.2 27.5 143 72 G 2725 2785 76.4 43.4 1.8 28.0 27.4 155 80 H 2391 2687 89.3 64.5 1.4 37.5 33.5 176 73 mean 2437 2534 72.9 44.1 1.6 30.0 29.2 157 76 SD 289 294 9.5 7.9 0.3 3.5 2.0 11.1 5.8 Table5.In the condition which the mask is fixed running(80% of VO 2 max) subject Vo 2 ml/min VCO 2 ml/min VE l/min RR n/min VT l/min VE/VO 2 ml/ml VE/VCO 2 ml/ml HR beats/min Vo 2 % A 2497 2428 61.8 27.7 2.2 24.0 25.6 157 76 B 2895 2861 66.5 34.1 1.9 23.3 24.2 172 81 C 2147 1893 40.7 23.9 1.7 19.2 21.7 149 70 D 2117 2161 57.6 34.5 1.7 27.5 27.2 159 82 E 2380 2421 62.8 27.2 2.3 26.6 26.3 155 86 F 2658 2637 59.3 31.0 1.9 22.7 23.7 145 72 G 2744 2691 64.4 32.3 2.0 23.5 23.9 154 80 H 2467 2531.1 32.1 1.8 25.1 41.1 159 76 mean 2472 2453 59.2 30.4 2.0 24 26.7 158 77 SD 263 288 7.5 3.5 0.2 2.4 5.7 8.6 4.5 換 気 量 においてはマスクを 装 着 しないで 走 行 した 方 は 72.9 ± 9.5l/min マスクを 装 着 し て 走 行 した 方 が 59.2 ± 7.5l/min でマスクを 装 着 しない 方 が 有 意 に 大 きかった(P<0.001)( 図 6) 327
Figure6.Comparison of the ventilation of running in the condition that did not fix serge mask where the serge mask fixed. また 呼吸数はマスクを装着しないで走行した方 44.1 ± 7.9n/min がマスクを装着した 方 30.4 ± 3.5n/min より有意 P 0.001 に多かった 図７ Figure7. Comparison of the respiratory rate of running in the condition that did not fix serge mask where the serge mask fixed. 一回換気量はマスクを装着して走行した方 2.0 ± 0.2ml がマスクをしない場合 1.6 ± 0.3ml よりも有意 P<0.05 に多かった 図８ 328
サージカルフェイスマスクを使用した走行が呼吸機能に及ぼす影響 Figure8. Comparison of the tidal volume of running in the condition that did not fix serge mask where the serge mask fixed. したがって % の速度と同様にマスクをした場合, 一回換気量だけが有意に増加した 酸素換気当量はマスクを装着して走行した方 30 ± 3.5ml/ml がマスクをしない場合 24 ± 2.4ml/ml で有意 P<0.001 で低かった 図９ Figure9. Comparison of the ventilatory equivalent of running in the condition that did not fix serge mask where the serge mask fixed. Ⅳ. 考察 船津ら３ は最大酸素摂取量に対して 50% 相当の強度で自転車エルゴメーターを５分間漕ぐ 運動を市販のマスクを装着した場合としないで行った場合 酸素摂取量と一回換気量に有意 329
な 差 はなくマスクを 装 着 時 に 換 気 量 と 呼 吸 数 が 有 意 に 低 下 したことを 報 告 している 本 研 究 の 結 果 の および 80% の 速 度 のマスクありとマスクなしの 結 果 を 比 較 すると 本 実 験 の 結 果 は 両 速 度 とも 酸 素 摂 取 量 および 心 拍 数 に 変 化 はみられなかったが マスクを 使 用 すると 換 気 量 と 呼 吸 数 が 有 意 に 低 下 し 一 回 換 気 量 が 有 意 に 増 加 した 結 果 となった 船 津 らの 報 告 では 一 回 換 気 量 に 有 意 差 はなく 本 実 験 の 結 果 で 有 意 な 差 がみられたこれは 本 実 験 の 方 が 最 大 酸 素 摂 取 量 に 対 する 運 動 強 度 が 高 かったためと 考 えられる 酸 素 摂 取 量 換 気 量 呼 吸 数 に 対 しては 船 津 らの 研 究 と 同 様 の 結 果 が 得 られたいずれにしても マスク の 使 用 が 呼 吸 循 環 器 に 与 える 影 響 は 換 気 量 呼 吸 数 を 低 下 させて 強 度 によって 一 回 換 気 量 も 増 加 させることが 考 えられる 松 井 ら 4) は 運 動 時 の 換 気 量 が 中 等 度 の 強 度 まではマスク 時 の 努 力 性 の 呼 吸 によって 普 通 時 と 大 差 ないが より 強 度 の 高 い 運 動 ではマスク 時 の 換 気 は 努 力 性 の 呼 吸 にもかかわらず 少 なくなると 報 告 しているしたがってマスクを 使 用 することで 呼 吸 機 能 の 向 上 には および 80% の 運 動 が 適 切 であると 示 唆 される 呼 吸 筋 は 横 隔 膜 が 安 静 時 の 呼 吸 の 主 要 な 呼 吸 筋 であるが 運 動 中 は 換 気 を 補 助 するため 腹 筋 などの 他 の 多 くの 補 助 的 筋 群 が 動 員 されるそれにより 力 強 くなった 呼 気 の 力 が 呼 吸 の 深 さを 増 したときに 呼 吸 時 間 を 最 適 にするように 働 く 1) マスクを 使 用 して 気 道 抵 抗 が 加 わっ た 時 に 酸 素 摂 取 量 に 有 意 な 差 がないのにもかかわらず 換 気 量 と 呼 吸 数 が 低 下 し 一 回 換 気 量 が 増 加 したメカニズムは 呼 吸 の 仕 事 を 最 小 限 にとどめて 呼 吸 筋 の 疲 労 を 遅 らせる 5) ために 呼 吸 筋 の 呼 吸 時 間 を 最 適 に 調 節 する 働 きが 関 与 していると 考 えられる 骨 格 筋 に 一 定 重 量 の 負 荷 をかけて 最 大 収 縮 させると 負 荷 が 軽 いほど 収 縮 速 度 は 速 くなり 負 荷 が 大 きくなるほど 収 縮 速 度 は 遅 くなり 両 者 の 関 係 は 双 極 線 となる 呼 吸 筋 においては 流 量 が 収 縮 速 度 を 示 し 発 生 圧 が 負 荷 の 指 標 となる 気 道 抵 抗 が 存 在 すると 吸 気 筋 の 収 縮 速 度 が 遅 くなるさらに 負 荷 に 打 ち 勝 って 吸 気 するためには, 強 い 吸 気 筋 力 が 必 要 となる 7) マスクを 使 用 して 気 道 抵 抗 が 増 すと 負 荷 に 打 ち 勝 つために 呼 吸 数 を 少 なくして 呼 吸 筋 の 収 縮 速 度 を 遅 くして 一 回 換 気 量 を 増 加 させる 呼 吸 になることが 考 えられるこのような 一 回 換 気 量 を 増 加 させる 呼 吸 は 酸 素 換 気 当 量 から 効 率 のよい 呼 吸 だといえるしたがってマスクを 使 用 したときに 換 気 量 と 呼 吸 数 が 低 下 したにも 関 わらず 酸 素 摂 取 量 に 有 意 差 がなかったのは 肺 での 酸 素 摂 取 交 換 機 能 を 亢 進 させたものと 思 われるKillian ら 8) は 呼 吸 制 限 の 運 動 は 最 大 吸 気 筋 の 増 加 が 起 因 して 呼 吸 努 力 の 感 覚 を 増 加 させるといっている そのためマスクを 使 用 すると 呼 吸 筋 が 強 く 働 くので 被 験 者 の 呼 吸 困 難 度 が 増 加 することが 考 えられる 高 野 6) は 何 らかの 運 動 を 行 った 際 に 呼 吸 困 難 感 を 数 回 経 験 することが 引 き 金 となって 感 覚 野 の 感 受 性 の 低 下 がおこると 述 べているマスクを 使 用 することによって 呼 吸 筋 の 活 動 を 活 発 させて 気 道 抵 抗 が 増 加 することにより 呼 吸 を 確 保 するために 一 回 換 気 量 を 増 加 させ 呼 吸 の 効 率 を 増 加 する 働 きが 増 し 持 久 力 向 上 の 効 果 があると 考 えられる 330
サージカルフェイスマスクを使用した走行が呼吸機能に及ぼす影響 V 結論 サージカルフェイスマスクを装着して走行を行うと換気量と呼吸数が低下して一回換気量 が増加する効率のよい呼吸になったこのことから最大酸素摂取量の および 80% の強度 における走行においてサージカルフェイスマスクの装着は呼吸機能を向上させることが示唆 された 引用文献 １ 征矢英昭 尾縣貢 訳 心臓 肺 血液のランニングへの適応. デビッド マーティン ピーター コー 中距離ランナーの科学的トレーニング 第１版 pp108-133, 大修館書店 東京,2001. ２ 松井秀治 浅見俊雄 渡辺俊彦 第１報 マスク負荷時の運動が呼吸循環機能に及ぼす影響 第 一報. 名古屋大学教養部 11 pp119-129,1967. ３ 船津京太郎 森川壽人 得居雅人 持久性運動時におけるマスク装着の影響. 九州女子大学 紀要 28 pp135-140,1992. ４ 松井秀治 浅見俊雄 渡辺俊彦 第２報 呼吸機能からめたマスク トレーニングの効果に ついて 第二報. 名古屋大学教養部 11 pp130-137,1967 ５ 宮川哲夫 呼吸筋トレーニング. 理学療法学 15 2 208~216.pp208-216.1988. ６ Poon,C.S:Optimal contorolofventilation in hypoxia,hypercapnia and exercise. : In Modelling and Control of Breathing,edited by B.J.whipp,and D.M.Wiberg.New York: Elsevier,189-196,1983 ７ 高野成子 運動トレーニングによる運動時の呼吸困難感軽減メカニズム. 金沢大学教育学部 紀要 自然科学編 49,pp71-79,2000. ８ KIlliam,K.j.,D.D.BUCENS,AND E.J.M.Campbell.Effect of breathing patterns on the perceived magnitude of added loads to breathing.j.appl.physiol52,pp578-584,1982 331
Effect of surgical face mask on respiratory function during runnings IWAGO, Akinao FUSE, Sayuri FUCHINOUE, Shintaro summary The purpose of this study is to investigate the effect of the surgical face mask on respiratory function during running. Eight healthy male university students(20.1 ± 1.3years)participated in this study. They performed gradation tests until exhaustion on a treadmill. Running while wearing a surgical face mask and without a mask were performed for 10minutes at the speed of %and 80% of each subject's VO 2 max. Study of difference in speed were performed on separate days. A rest between mask running and no mask running was taken until heart rate returned to its resting level. During exercise, Ventilation volume,vo 2, VCO 2, Respiratory rate,ventilation equivalency and HR were measured. Changes in VO 2 and heart rate were not statistically significant. Ventilation volume. Respiratory rate and Ventilation equivalency were significantly decreased at speed of %and 80% compared to non-mask of running. Tidal volume was significantly increased at speed of and 80% compared to no control of running. Running a while using a control of surgical mask decreased Ventilation volume and Respiratory rate due to decreased air resistance and therefore breathing became deeper. Therefore, Ventilation equivalency decreased. It is concluded that respiration is made more efficient by use of respiration with a surgical mask. 332