Die Auswirkungen von Stoffmasken auf kardiorespiratorische Reaktionen und VO2 während des maximalen inkrementellen Laufprotokolls bei scheinbar gesunden Männern

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 22292 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Unser Ziel war es, die Auswirkungen des Tragens einer Stoffmaske auf die kardiorespiratorische Reaktion, die maximale Sauerstoffaufnahme (Vo2), die Atemmuskelanstrengung und die Belastungstoleranz bei inkrementellem Training zu bestimmen. Die Studie hatte ein randomisiertes Crossover-Design: 11 scheinbar gesunde junge Männer führten den Bruce-Protokoll-Laufbandtest unter zwei Bedingungen durch, mit einer Stoffmaske (CFM) und ohne CFM (CON), in zufälliger Reihenfolge. Das Atemminutenvolumen und die Sauerstoffaufnahme wurden mit einem Massenspektrometrie-Stoffwechselanalysator gemessen; Das Herzzeitvolumen (CO) wurde mit einem Impedanz-CO-Monitor gemessen. und der Munddruck (Pm) wurde gemessen und als integraler Pm berechnet, um die Anstrengung der Atemmuskulatur zu beurteilen. Das maximale Atemminutenvolumen war im CFM-Zustand um 13,4 ± 10,7 % niedriger als im CON-Zustand (P < 0,001). Der Spitzenwert von Vo2 (52,4 ± 5,6 und 55,0 ± 5,1 ml/kg/min in CFM bzw. CON) und CO unterschieden sich zwischen den beiden Bedingungen nicht signifikant. Allerdings war der Integralwert von Pm deutlich höher (P = 0,02) und die Laufzeit bis zur Erschöpfung war im CFM-Zustand um 2,6 ± 3,2 % niedriger (P = 0,02) als im CON-Zustand. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Tragen einer Gesichtsmaske aus Stoff bei gesunden jungen Männern die Anstrengung der Atemmuskulatur erhöhte und das Beatmungsvolumen verringerte; Vo2 blieb jedoch unverändert. Auch die Belastungstoleranz nahm leicht ab.

Die neuartige Coronavirus-Krankheit (COVID-19) verbreitet sich hauptsächlich durch Tröpfchenkontakt beim Atmen, Husten und Niesen; Daher hat die Weltgesundheitsorganisation (WHO) das Tragen einer Gesichtsmaske empfohlen, die Nase und Mund bedeckt, um die Übertragung von COVID-19-Infektionen zu verhindern1,2. Die Ausbreitung von Tröpfchen ist während des Trainings aufgrund der damit verbundenen kräftigen Atmung größer3,4. Daher empfahl die WHO, beim Ruhen und Trainieren soziale Distanz (> 1 m) einzuhalten. Das Tragen einer Gesichtsmaske wird jedoch bei intensiver körperlicher Aktivität nicht empfohlen1.

Mehrere Studien haben die Auswirkungen von N95-Atemschutzmasken und chirurgischen Masken untersucht5,6,7,8,9,10,11,12. Es wurde festgestellt, dass das Tragen einer chirurgischen Maske oder eines N95-Atemschutzgeräts während des Trainings die Beschwerden verstärken und die Belastungstoleranz verringern kann7,8,9. Im Gegensatz dazu berichteten einige Studien, dass das Tragen einer chirurgischen Maske keinen Einfluss auf Atemnot, Lungengasaustausch oder Trainingsleistung hatte10,11,12. Zu den primären Auswirkungen des Tragens einer Gesichtsmaske auf die physiologischen Reaktionen während des Trainings gehören ein erhöhter Atemwiderstand und Totraum, was zu einem beeinträchtigten Gasaustausch aufgrund von Hypoxie und Kohlendioxid-Rückatmung führt13,14. Ein erhöhter Luftstromwiderstand beim Tragen einer Gesichtsmaske führt zu einer verminderten Lungenventilation5,6. Eine unzureichende Hyperventilation während intensiver körperlicher Betätigung kann zu einer verminderten arteriellen Oxy-Hämoglobin-Sättigung (SaO2) führen15. Zwei Studien haben über einen Rückgang der maximalen Sauerstoffaufnahme (Vo2max) bei der Verwendung von chirurgischen Masken berichtet, wodurch sich die Belastungstoleranz verringert6,8.

Darüber hinaus erhöht das höchste Atemminutenvolumen (VE) bei hochintensivem Training die Atemarbeit (Wb), was zu einer Bevorzugung des Blutflusses zu den Atemmuskeln führt, was folglich den Blutfluss zu aktiven Muskeln beeinträchtigen16,17 und anschließend einschränken kann Belastungstoleranz18. Es wird angenommen, dass der Widerstand Wb selbst bei hochintensivem Training nicht ansteigt, da der Filterströmungswiderstand bei einem konstanten Luftstrom einer Gesichtsmaske leicht ansteigt14. Allerdings atmet der Mensch nicht mit einer konstanten Flussrate; Daher kann der Wb-Wert bei intensiver körperlicher Betätigung höher sein, wenn eine Gesichtsmaske getragen wird. Daher ist es interessant und umstritten, ob das Tragen einer Gesichtsmaske während des Trainings physiologische Nachteile oder gesundheitliche Risiken mit sich bringt.

N95-Atemschutzmasken werden häufig von medizinischem Fachpersonal am Arbeitsplatz verwendet und werden wahrscheinlich nicht bei sportlichen Aktivitäten eingesetzt. Gelegentlich werden bei sportlichen Aktivitäten chirurgische Masken verwendet1; Seit Kurzem sind jedoch auch Stoffmasken erhältlich, die für den Einsatz während des Trainings konzipiert sind. Es wird erwartet, dass eine Gesichtsmaske aus Stoff einen geringeren Luftstromwiderstand aufweist als eine chirurgische Maske oder N9514. Daher stellten wir die Hypothese auf, dass das Tragen einer Gesichtsmaske aus Stoff keinen wesentlichen Einfluss auf die kardiorespiratorische Reaktion und die Aktivität der Atemmuskulatur während des Trainings hätte; Allerdings bleibt die Auswirkung auf die Sauerstoffaufnahme (Vo2) und damit auf die Belastungstoleranz unklar. Daher bestand das primäre Ziel dieser Studie darin, die Auswirkung des Tragens einer Stoffmaske während des Trainings auf die kardiorespiratorische Reaktion beim schrittweisen Laufen zu untersuchen, und das sekundäre Ziel bestand darin, den Munddruck und die Vo2 während des Trainings zu untersuchen.

Diese Studie wurde im Einklang mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt und die Experimente wurden unter Berücksichtigung von Ethik, Menschenrechten und dem Schutz personenbezogener Daten durchgeführt. Diese Studie wurde von der Ethikkommission der Osaka Kyoiku University genehmigt (Genehmigungsnummer: 21051). Alle Teilnehmer unterzeichneten vor der Teilnahme an dieser Studie eine schriftliche Einverständniserklärung.

Zu den Studienteilnehmern gehörten Universitätsstudenten des Sportunterrichts auf dem Campus. Sie waren also körperlich aktiv. Die Einschlusskriterien waren wie folgt: Die Teilnehmer waren mindestens 18 Jahre alt, hatten das Experiment vollständig verstanden und gaben ihr schriftliches Einverständnis zur Teilnahme. Wir rekrutierten Teilnehmer durch Akquise innerhalb der Universität, und das Ergebnis war, dass sie jung waren. Die Ausschlusskriterien waren Vorgeschichte von Herzerkrankungen, aktuelle Herzrhythmusstörungen, Brustschmerzen, Belastungsschmerzen und Vorgeschichte von Atemwegserkrankungen. An der Informationsveranstaltung nahmen 40 Personen teil. Vor Beginn der Studie wurden der Zweck und die möglichen Risiken sorgfältig erläutert. Anschließend beantworteten 16 Teilnehmer, die sich freiwillig gemeldet hatten, Fragen zu ihrer Vorgeschichte von Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen mithilfe des Fragebogens zur körperlichen Aktivitätsbereitschaft19. Alle Teilnehmer waren Nichtraucher und hatten keine Vorerkrankungen. Die Stichprobengröße wurde unter Verwendung von G*power 3,1 berechnet, basierend auf einer früheren Studie, unter der Annahme, dass VO2peak 32,2 ± 9,0 und 43,9 ± 8,1 ml/kg/min mit und ohne Stoffmaske20 entsprach, mit einem Signifikanzniveau von 5 % und 90 % Leistung. Daher wurde geschätzt, dass acht Teilnehmer erforderlich sein würden.

Um dieses Ziel zu erreichen, absolvierten 11 gesunde junge Männer einen Lauftest mit zunehmender Belastung bis zur Erschöpfung mit und ohne Stoffmasken. In dieser Studie wurde ein randomisiertes Crossover-Design verwendet. Alle Teilnehmer durchliefen einen Lauftest mit zunehmender Laufbandbelastung bis zur Erschöpfung unter zwei Bedingungen: mit Stoffmaske (CFM) und ohne Maske (CON) in zufälliger Reihenfolge. Jeder Test wurde an einem separaten Tag in zufälliger Reihenfolge und im Abstand von mindestens 48 Stunden durchgeführt. Um tägliche Schwankungen zu minimieren, wurden beide Testbedingungen für jeden Teilnehmer zur gleichen Tageszeit mit einem Zeitunterschied von 2 Stunden durchgeführt. Die Teilnehmer wurden eine Woche vor der Studie über die experimentellen Abläufe informiert und übten das Testprotokoll, um sich mit der Ausrüstung und dem Übungsprotokoll vertraut zu machen. Nach der Eingewöhnung wurden die Teilnehmer in zwei Gruppen randomisiert und absolvierten den ersten Lauftest. Der zweite Test wurde unter anderen Bedingungen als der erste Versuch durchgeführt (Abb. 1). Die Teilnehmer wurden angewiesen, 24 Stunden vor dem Test kein Koffein oder Alkohol zu konsumieren und keine schwere körperliche Betätigung zu betreiben. Am Testtag ließen die Teilnehmer Größe und Gewicht messen und führten freiwillige Dehnübungen durch. Anschließend erfolgte ein 3-minütiges Aufwärmen durch Gehen auf einem Laufband (3,0 km/h bei 0 % Steigung). Nach dem Aufwärmen befestigten die Teilnehmer eine Einweg-Ausatmungsmaske (601M, ARCO, Chiba, Japan), die über ein Rohr mit einem Massenspektrometersensor zur Ausatmungsgasanalyse verbunden war. Zur Messung des Herzzeitvolumens (CO) wurden sechs EKG-Elektroden (Vitorode M-150, Nihon Kohden, Tokio, Japan) angebracht. Um Stürze zu verhindern, wurden die Teilnehmer mit einem Oberkörpergurt ausgestattet. Anschließend wurde der Test eingeleitet und die Teilnehmer mussten sich vor Beginn der Übung drei Minuten lang ausruhen, um die Ruhewerte zu messen. Das Experiment wurde im Oktober durchgeführt. Die Raumtemperatur wurde über eine Klimaanlage geregelt; Dennoch mussten die Zimmerfenster gemäß den COVID-19-Präventionsrichtlinien der Universität geöffnet werden. Die Raumtemperatur betrug bei allen Versuchen 25,0 ± 0,5 °C.

CONSORT-Flussdiagramm. Das Diagramm zeigt, wie viele Personen getestet und unter zwei Bedingungen getestet wurden.

Im CFM-Zustand wurde eine Stoffgesichtsmaske (DESCENTE Athletic Mask, DESCENTE, Osaka, Japan) verwendet (Außenfutter: 100 % Polyester, Innenfutter: 98 % Polyester, 2 % Polyurethan). Rizki und Kurniawan21 berichteten, dass Gesichtsmasken aus Stoff die Luft bis zu einem gewissen Grad filtern können und Gesichtsmasken aus Polyestergewebe die effizienteste Filterung bieten. Daher wurde erwartet, dass die in dieser Studie verwendete Stoffmaske die Ausbreitung von Tröpfchen bis zu einem gewissen Grad verhindert. Nachdem die Gesichtsmaske angebracht wurde, wurde eine Ausatemmaske zur Gasanalyse darüber gelegt und mit Bändern gesichert, um ein Austreten von Gas zu verhindern. Vor Beginn des Tests unternahmen die Teilnehmer Ausatmungsbemühungen, bis ein positiver Munddruck von 50 cmH2O festgestellt wurde, um etwaige Gaslecks zu überprüfen. Überdruck wurde erzeugt, indem der mit der Ausatemmaske (601M, ARCO, Chiba, Japan) verbundene Gasrohrauslass mit den Händen verschlossen wurde. Durch akustische, sensorische und visuelle Inspektionen wurde sorgfältig auf Leckagen geprüft (z. B. ob die Maske angehoben wurde und ob Luft von der Seite strömte).

Für den abgestuften Belastungstest wurde das Bruce-Laufbandprotokoll22 verwendet. Wir haben das Bruce-Protokoll übernommen, weil mehrere frühere Studien6,8,20,23 es in ihren Laufband-Trainingstests eingesetzt haben. Geschwindigkeit und Steigung des Laufbandes wurden alle 3 Minuten nach Beginn des Trainings erhöht, bis die Erschöpfung erreicht war (Tabelle 1). Als Erschöpfungskriterium galt der Punkt, an dem der Teilnehmer die Laufgeschwindigkeit nicht mehr halten konnte und > 0,8 m fiel. Der Teilnehmer wurde während der Übung verbal gefördert.

Die Atmungs- und Stoffwechselreaktionen wurden während der Übung kontinuierlich gemessen, indem Ausatemgase mithilfe eines Massenspektrometers (ARCO-2000N, ARCO, Chiba, Japan) analysiert wurden, das über einen Silikonschlauch mit einer Ausatemmaske verbunden war. Maximale Sauerstoffaufnahme (Vo2), Kohlendioxidelimination (Vco2), Atemzugvolumen (VT), Atemfrequenz (fR), Atemminutenvolumen (VE), alveoläre Ventilation (VA), VE/Vo2, VE/Vco2 und endtidal Der Partialdruck von Co2 (PETCO2) wurde gemessen. Das Massenspektrometer wurde mit zwei Gasen kalibriert (Umgebungsluftäquivalent O2, 20,93 %; CO2, 0,05 %; N2, Rest und ausgeatmetes Gasäquivalent O2, 13,0 %; CO2, 5,01 %; N2, Rest). Um sicherzustellen, dass Vo2 das Maximum erreichte, erfüllten die Teilnehmer mindestens drei der folgenden Kriterien: (1) ein Atemaustauschverhältnis von ≥ 1,10 (43 % der Versuche), (2) eine Herzfrequenz (HR), die 90 % erreichte altersbedingte maximale Herzfrequenz (220-Alter) (100 % der Versuche), (3) Rate der wahrgenommenen Anstrengung (RPE) von > 16 (100 % der Versuche) und (4) der Teilnehmer war nicht in der Lage, die Übung fortzusetzen (100 % der Versuche). (5) Das Vo2-Plateau: Ein Vo2-Plateau war die Abweichung von der extrapolierten Vo2-zeitlichen linearen Regression unter Verwendung von 30-s-Daten (der tatsächliche Wert lag < 400 ml/min vom extrapolierten Wert)24 (50 % der Versuche). Alle Parameter wurden zur Analyse alle 60 s gemittelt.

Die Herzreaktion wurde mit einem Impedanz-CO-Monitor (PhysioFlow Q-Link, Manatec Biomedical, Paris, Frankreich) gemessen. Herzfrequenz, Schlagvolumen (SV) und CO wurden für jeden Schlag berechnet und zur Analyse alle 60 Sekunden gemittelt.

Der Munddruck wurde durch Befestigen eines Druckwandlers an der Katheterspitze (MicroSensor Basic Kit, Codman & Shurtleff, Inc., MA, USA) gemessen. Der Katheter wurde mit einem Kunststoffschlauch (Durchmesser: 4 mm, Länge: 250 mm) abgedeckt und vom Nasenrücken bis zur Nasenspitze mit chirurgischem Klebeband fixiert, um zu verhindern, dass die Maske den Sensorabschnitt an der Spitze des Katheters berührt. Beim Tragen der Gesichtsmaske und der Ausatmungsmaske wurde bestätigt, dass die Spitze weder die Haut noch die Maske berührte. Der Druckwandler an der Katheterspitze wurde kalibriert, indem der Katheter vor dem Experiment bis zu einer Tiefe von 0–60 cm in ein mit warmem Wasser (37 °C) gefülltes Lichtschutzrohr eingetaucht wurde, um ein Kalibrierungssignal zu erhalten. Der Munddruck wurde auf einem Laptop (Dynabook EX/55, TOSHIBA, Tokio, Japan) mit einer Abtastfrequenz von 200 Hz über einen AD-Wandler (PowerLab 8a/d, AD Instruments, Sydney, Australien) aufgezeichnet und mit einer Wellenformanalysesoftware analysiert (Lab Chart Version 7, AD-Instrument, Sydney, Australien). Die absoluten Werte wurden aus den erhaltenen Munddruckdaten integriert und als ∫Pm verwendet.

SaO2 wurde mit einem auf der Stirn angebrachten Pulsoximeter (SpO2) (N-560, Covidien Med, Dublin, Irland) gemessen und jede Minute aufgezeichnet.

Der RPE wurde mithilfe der Borg-Skala25 gemessen und die Dyspnoe wurde mithilfe der modifizierten Borg-Skala26 gemessen, indem der Teilnehmer jede Minute gefragt wurde.

Alle in dieser Studie erhaltenen Variablen werden als Mittelwert ± Standardabweichung dargestellt. Alle statistischen Analysen wurden mit SPSS 28 für Mac (IBM, NY, USA) durchgeführt. Die Normalität wurde mit dem Shapiro-Wilk-Test getestet. Ein gepaarter t-Test wurde verwendet, um die CFM- und CON-Variablen bei maximaler Trainingsintensität zu vergleichen (Vo2peak, Vco2peak, VT, fR, VE, VA, VE/Vo2, VE/Vco2, PETco2, SV, HR, CO, ∫Pm, und SpO2) und Zeit bis zur Erschöpfung. Cohens d (d) wurde für die Effektgröße in den paarweisen Tests verwendet und die Effektgröße wurde als klein, mittel oder groß für Effektgrößen über 0,2, 0,5 bzw. 0,8 bestimmt. Wiederholte Messungen der Zwei-Wege-Varianzanalyse (Stufe × Maske) wurden für die Last-Minute-Mittelwerte jeder Stufe für Vo2, Vco2, VT, fR, VE, VA, VE/Vo2, VE/Vco2, PETco2, SV verwendet , HR, CO, ∫Pm, SpO2, RPE und Dyspnoe. Zur Anpassung an mehrere Vergleiche wurde die Bonferroni-Methode verwendet. Für die Effektgröße wurde ηp2 zur Varianzanalyse verwendet und die Effektgröße wurde als klein, mittel und groß für Effektgrößen von 0,01, 0,06 bzw. Werte über 0,14 bestimmt. Das Signifikanzniveau wurde auf 5 % festgelegt.

Diese Studie wurde im Einklang mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt und die Experimente wurden unter Berücksichtigung von Ethik, Menschenrechten und dem Schutz personenbezogener Daten durchgeführt. Diese Studie wurde von der Ethikkommission der Osaka Kyoiku University genehmigt (Genehmigungsnummer: 21051). Die Teilnehmer unterzeichneten eine schriftliche Einverständniserklärung, bevor sie an dieser Studie teilnahmen.

Nach Beginn des Versuchszeitraums erlitten drei Teilnehmer Verletzungen im Alltag und zwei konnten aus unerwarteten Gründen keine Zeit für die Experimente aufbringen. Schließlich absolvierten 11 Teilnehmer die Tests [Durchschnittsalter: 21,3 ± 2,0 Jahre, mittlere Größe: 175,3 ± 5,9 cm und mittleres Gewicht: 68,4 ± 3,4 kg].

Zwei der elf Teilnehmer, die das Experiment abgeschlossen und den Munddruck nicht gemessen hatten, wurden von der Analyse des integrierten Absolutwerts des Munddrucks (∫Pm) ausgeschlossen.

Tabelle 2 zeigt Variablen für die Maximalwerte des inkrementellen Laufbandtests. Beim VO2peak wurde zwischen den CFM- und CON-Bedingungen kein signifikanter Unterschied beobachtet (52,4 ± 5,8 bzw. 55,0 ± 5,1 ml/kg/min unter CFM- und CON-Bedingungen, P = 0,21); Allerdings betrug das Ausmaß der VO2peak-Abnahme im CFM-Zustand 4,4 ± 11,4 %. VEpeak war im CFM um 13,4 ± 10,7 % niedriger als im CON-Zustand (P = 0,002, d = 1,24). Das Atemzugvolumen (VT) unterschied sich zwischen den CFM- und CON-Bedingungen nicht signifikant; Dennoch war die Atemfrequenz (fR) im CFM-Zustand um 6,9 ± 11,2 % niedriger als im CON-Zustand (P = 0,04, d = 0,61). Die alveoläre Ventilation (VA) war im CFM-Zustand ebenfalls um 13,4 ± 11,0 % niedriger als im CON-Zustand (P < 0,003, d = 1,19). VE/VO2 und VE/VCO2 waren im CFM-Zustand signifikant niedriger als im CON-Zustand (P < 0,001, d = 1,69; P < 0,001, d = 1,86). Der endexspiratorische Partialdruck von Kohlendioxid (PETco2) war im CFM-Zustand signifikant höher als im CON-Zustand (P < 0,004, d = 1,13). Der SpO2-Wert unterschied sich jedoch zwischen den CFM- und CON-Bedingungen nicht signifikant. Es gab keine signifikanten Unterschiede in den Herzvariablen zwischen CFM- und CON-Bedingungen. ∫Pm war im CFM-Zustand um 20,7 ± 22,6 % höher als im CON-Zustand (P = 0,02, d = 0,95). Darüber hinaus verringerte sich die Zeit bis zur Erschöpfung im CFM-Zustand im Vergleich zum CON-Zustand um 2,6 ± 3,2 % (P = 0,02, d = 0,40).

Tabelle 3 zeigt Variablen für jede Phase während des inkrementellen Laufbandtests. Es gab keine signifikante Wechselwirkung zwischen Vo2 (P = 0,14, ηp2 = 0,20) und der Kohlendioxidemission (Vco2) (P = 0,09, ηp2 = 0,25). Es gab jedoch einen signifikanten Haupteffekt für den Maskenfaktor auf den Vco2 (P = 0,04, ηp2 = 0,24). Eine signifikante Wechselwirkung wurde bei VE beobachtet (P = 0,01, ηp2 = 0,47) (Abb. 2). Bezüglich des Atmungsmusters zeigte die VT keinen signifikanten Haupteffekt im CFM-Zustand (P = 0,32, ηp2 = 0,09), während fR einen signifikanten Haupteffekt im CFM-Zustand zeigte (P < 0,001, ηp2 = 0,67). VA zeigte ebenfalls eine signifikante Interaktion (P = 0,01, ηp2 = 0,01). Bis zur dritten Stufe gab es in der CFM-Bedingung eine deutlich größere Wechselwirkung in ∫Pm (P = 0,01, ηp2 = 0,51) als in der CON-Bedingung (Abb. 2). Es gab jedoch keine signifikante Interaktion sowohl für den maximalen inspiratorischen Munddruck (PIpeak) als auch für den maximalen exspiratorischen Munddruck (PEpeak) (P = 0,19, ηp2 = 0,20 und P = 0,05, ηp2 = 0,41). Bezüglich SpO2 gab es einen signifikanten Haupteffekt für den Bühnenfaktor, er nahm intensitätsabhängig allmählich ab (P < 0,001, ηp2 = 0,81); Für den Maskenfaktor gab es jedoch keinen signifikanten Effekt. Darüber hinaus gab es keine Auswirkung auf die Herzreaktionen für den Maskenfaktor.

Minutenbeatmung und Atemanstrengung während des inkrementellen Lauftests. Die Daten zeigen die Minutenventilation (VE, oberes Feld) und das Minutenintegral des Munddrucks (∫pm, unteres Feld). Die schwarzen Kreise stellen den Zustand der Stoffmaske (CFM) dar. Die weißen Kreise zeigen den Zustand der unmaskierten Kontrolle (CON) an. Es gab eine signifikante Wechselwirkung (Maske × Stufe) sowohl für VE (P = 0,01, pη2 = 0,47) als auch für ∫pm (P = 0,01, pη2 = 0,51). *, P < 0,05, zwischen den FM- und CON-Bedingungen im Post-hoc-Test.

RPE und Dyspnoe unterschieden sich zwischen den beiden Zuständen nicht signifikant (P = 0,14, ηp2 = 0,19 bzw. P = 0,06, ηp2 = 0,30) (Abb. 3).

RPE und Dyspnoe während des inkrementellen Lauftests. Die Daten zeigen RPE [Skala 6–20] (oberes Feld) und Dyspnoe [Skala 1–10] (unteres Feld). Die schwarzen Kreise stellen den Zustand der Stoffmaske (CFM) dar. Die weißen Kreise zeigen den Zustand der unmaskierten Kontrolle (CON) an. Es gab keine signifikanten Haupteffekte des Maskenfaktors, weder auf RPE (P = 0,09, ηp2 = 0,25) noch auf Dyspnoe (P = 0,20, ηp2 = 0,15). RPE und Dyspnoe waren im FM-Zustand tendenziell höher als im Unmask-Zustand, die Unterschiede waren jedoch nicht signifikant (P = 0,14, ηp2 = 0,19, P = 0,06, ηp2 = 0,30).

Ein größerer Luftstromwiderstand beim Tragen einer Gesichtsmaske könnte als wichtiger Faktor angesehen werden, der die physiologischen Reaktionen während des Trainings beeinflusst. Stoffgesichtsmasken haben einen geringeren Luftstromwiderstand als chirurgische Masken14. Der Schwerpunkt der vorliegenden Studie lag daher auf der Untersuchung der kardiorespiratorischen Reaktionen und der Atemanstrengung während des Trainings beim Tragen von Stoffmasken, wie sie beispielsweise im Sport verwendet werden. Unsere neuen Erkenntnisse waren, dass die Lungenbeatmung bei körperlicher Betätigung mit einer Stoffmaske reduziert wurde, während die Widerstandsarbeit der Atemmuskulatur zunahm. Darüber hinaus blieb das zentrale Kreislaufsystem unberührt. Auch SpO2 und VO2peak nahmen unter der CFM-Bedingung im Vergleich zur CON-Bedingung nicht ab. Darüber hinaus hatte die Stoffmaske einen leicht signifikanten negativen Einfluss auf die Belastungstoleranz. Daher können wir den Schluss ziehen, dass eine dünnere Stoffmaske bei gesunden jungen Männern die Atemreaktionen beeinflusst, aber trotz der leichten Abnahme der Belastungstoleranz keinen Rückgang von SpO2 oder Vo2 induziert.

Frühere Studien haben einen signifikanten Rückgang der VE bei inkrementellen Lauftests mit chirurgischen Masken berichtet5,6,8,23. Unsere Ergebnisse zu VE stimmen mit denen früherer Studien überein. Bei unseren Teilnehmern war der niedrigere VE mit einer Stoffmaske oberhalb der dritten Stufe stärker ausgeprägt. Bei starkem Luftstrom und hohem VE treten Turbulenzen in den Atemwegen und im Mund stärker auf, was wiederum den Strömungswiderstand erhöht, der einen begrenzenden Faktor für VE27 darstellt. In dieser Studie waren die PIpeak- und PEpeak-Werte bei Übungen mit höherer Intensität im CFM-Zustand um 2–3 cmH2O höher als im CON-Zustand; es war jedoch nicht signifikant (P = 0,19 in PIpeak und P = 0,05 in PEpeak). Darüber hinaus war der ∫Pm ab der dritten Stufe deutlich höher. Ein höherer PETco2 im CFM-Zustand, selbst eine geringfügige Erhöhung, sollte einen Hyperventilationsbedarf durch Chemoreflex hervorrufen28. Daher gehen wir davon aus, dass das Tragen einer Gesichtsmaske aus Stoff trotz des hohen Beatmungsbedarfs durch die Kohlendioxid-Rückatmung VE aufgrund des erhöhten Luftströmungswiderstands unterdrückt.

Frühere Studien haben selbst bei der Verwendung von chirurgischen Masken keinen Rückgang des SpO2 beobachtet11,13,29. Eine unzureichende pulmonale Hyperventilation beeinträchtigt den alveolären Gasaustausch und trägt möglicherweise zu einer verminderten SaO215,30,31 bei. Dies ist jedoch nicht bei allen Teilnehmern der Fall. So bleibt beispielsweise bei untrainierten Personen die SaO2-Konzentration während intensiver körperlicher Betätigung auch ohne Gesichtsmaske erhalten, und das Ausmaß der Lungenbeatmung hat keinen Einfluss auf den Gasaustausch in normalen Lungen30. Im Gegensatz dazu kann die Höhe der VE bei Personen, die an einer belastungsinduzierten arteriellen Hypoxämie (EIAH) leiden, SaO215 beeinflussen. Darüber hinaus kommt es bei solchen Personen bei hypoxischer Gasatmung zu einem stärkeren Abfall von SpO2 und Vo2max32. Diese weisen darauf hin, dass die Bedeutung der hyperventilierenden Reaktion auf den Sauerstoffpartialdruck bei Personen mit EIAH ausgeprägter ist15,31,32. Unsere Teilnehmer wiesen bei maximaler Belastung einen SpO2-Wert von 93 % auf, der niedriger war als im ersten Stadium (99 %). Es wurde angenommen, dass dieser Rückgang des SpO2 um 6 % eine leichte EIAH hervorgerufen hatte. Daher hätten wir erwarten können, dass die Wirkung des Tragens einer Gesichtsmaske bei Personen mit EIAH erheblich sein würde. VE wurde um 20 % reduziert und VA wurde ebenfalls deutlich reduziert. Das Tragen einer Stoffmaske führte jedoch nicht zu einer zusätzlichen Senkung des SpO2. Die Abnahme der VE beim Tragen einer Stoffmaske war mit einer Abnahme der fR verbunden, während die VT aufrechterhalten blieb. In dieser Studie wurde das Lungenvolumen während des Trainings nicht gemessen; Es wurde jedoch spekuliert, dass die Aufrechterhaltung der VT mit einer Stoffmaske das Verhältnis von Totraum zu VT und das endexspiratorische Lungenvolumen nicht verändern und somit den Gasaustausch weniger beeinträchtigen würde33.

Unser Ziel war es, die Auswirkungen des Tragens einer Stoffmaske auf die zentrale Kreislaufreaktion aufzuzeigen. Der Blutfluss im gesamten Körper und damit auch der CO2-Gehalt veränderten sich nicht, obwohl der Atemwiderstand zunahm und die Arbeitsbelastung der Atemmuskulatur um etwa das 1,5-fache zunahm17. Obwohl in dieser Studie die geschätzte Arbeit der Atemmuskulatur um etwa 20 % zunahm, unterschied sich der CO-Wert nicht zwischen den CFM- und CON-Bedingungen, was mit einer früheren Studie übereinstimmt, in der chirurgische Masken und N95-Atemschutzgeräte verglichen wurden7. Eine chirurgische Maske erhöht die Herzfrequenz bei submaximalem Training5, wohingegen bei hochintensivem Training kein Unterschied in der Herzfrequenz festgestellt wurde. In unserer Studie gab es jedoch unter beiden Bedingungen keinen Unterschied in HR, SV und CO während der inkrementellen Belastung. Es wurde vermutet, dass die Belastung des zentralen Kreislaufs beim Tragen der Maske nicht höher war und dass die relative physiologische Intensität nicht beeinträchtigt wurde.

Deriver et al.20 berichteten über einen Rückgang der Vo2peak beim Training mit einer Stoffmaske; Umutlu et al.6 berichteten auch über einen Rückgang der Vo2peak beim Training mit einer chirurgischen Maske. Der Rückgang von Vo2peak in der vorherigen Studie war nicht mit einem Rückgang von SpO2 verbunden. Darüber hinaus blieb bei unseren Teilnehmern der SpO2-Wert erhalten und der CO-Wert blieb bei maximalem Laufen auch beim Tragen der Stoffmaske unverändert. Dies bedeutet, dass die Sauerstoffversorgung aufrechterhalten wurde und Vo2peak daher mit und ohne Stoffmaske keinen signifikanten Unterschied aufwies. Allerdings war die statistische Effektgröße groß und das Ausmaß der Vo2peak-Abnahme im CFM-Zustand betrug 4,4 %. Die Merkmale der Teilnehmer könnten die Inkonsistenz zwischen unseren Ergebnissen und denen früherer Studien erklären6,20. Zu den Teilnehmern früherer Studien gehörten sitzende Patienten, Frauen und ältere Patienten, und ihr Vo2max war niedriger als der unserer Teilnehmer. Darüber hinaus beeinflussen Geschlecht und Alter die Auswirkungen des Tragens von Gesichtsmasken23. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass scheinbar gesunde junge Männer mit höherer körperlicher Fitness möglicherweise weniger anfällig für die negativen Auswirkungen des Tragens von Stoffmasken sind.

In Übereinstimmung mit früheren Studien6,20,23 zeigten unsere Ergebnisse, dass das Tragen einer Maske die Belastungstoleranz leicht beeinträchtigte, was darauf hindeutet, dass die Trainingsleistung selbst bei Stoffmasken mit geringem Widerstand beeinträchtigt wurde. Wir haben im CFM-Zustand keinen signifikanten Rückgang von Vo2peak beobachtet. Allerdings betrug die Vo2peak-Abnahme im CFM-Zustand 4,4 %. Daher kann der Rückgang von Vo2peak auf eine verminderte Belastungstoleranz zurückzuführen sein. Driver et al.20 berichteten, dass die Belastungstoleranz mit einem erheblichen Rückgang von Vo2peak und Peak HR beeinträchtigt war. Daher können nach dem von Driver et al.20 und unserer Studie verwendeten Trainingsprotokoll Vo2peak und Peak HR aus einer Abnahme der Trainingstoleranz aufgrund anderer Faktoren resultieren und nicht aus einem Faktor, der die Trainingstoleranz verringert34.

Die möglichen Mechanismen, die einer verringerten Belastungstoleranz zugrunde liegen, können auf die Wirkung des Atemströmungswiderstands aufgrund des Maskenfilters zurückgeführt werden. Darüber hinaus erhöht die Vergrößerung des Totraums oder das Tragen einer Widerstandstrainingsmaske während des Trainings die Atemanstrengung, was zu erhöhter Atemnot und verringerter Belastungstoleranz führt35,36. Allerdings war in der vorliegenden Studie die Dyspnoe im CFM-Zustand tendenziell höher, der Unterschied war jedoch statistisch nicht signifikant. Wir haben die widerstandsbedingte Atemanstrengung während des Trainings anhand des Mundhöhlendrucks bewertet; Eine höhere Aktivität der Atemmuskulatur mit einer Stoffmaske wurde in den früheren Stadien nicht beobachtet, wurde jedoch in den späteren Stadien signifikant. Dies kann mit der erhöhten Turbulenz in den Atemwegen zusammenhängen, die durch den erhöhten Luftstrom begünstigt wird. Es kann davon ausgegangen werden, dass unsere Teilnehmer im CFM-Zustand eine hohe Beatmungsleistung hatten, obwohl der Strömungswiderstand geringer war als der einer chirurgischen Maske und eines N95-Atemschutzgeräts14. Bei maximaler Belastung macht Vo2 für die Aktivität der Atemmuskulatur einen erheblichen Anteil der Vo2 des gesamten Körpers aus, auch ohne das Tragen einer Gesichtsmaske37, was zu einer Durchblutungskonkurrenz zwischen den Atemmuskeln und den aktiven Muskeln führt16,17. Eine erhöhte Aktivität der Atemmuskulatur oder Müdigkeit während des Trainings führt zu einem durch die Atemmuskulatur induzierten Metaboreflex, der zu einer Vasokonstriktion der Extremitäten38 und einer Einschränkung des Blutflusses39 führt. Es wird postuliert, dass dies ein Faktor ist, der die Trainingsleistung aufgrund der Arbeit der Atemmuskulatur einschränkt18.

In dieser Studie gab es einige Einschränkungen. Die Teilnehmer waren zunächst gesunde junge Männer. Es wäre voreilig, aus unseren Ergebnissen zu schließen, dass eine Gesichtsmaske aus Stoff die Trainingsleistung verringert, aber nicht die Sauerstoffaufnahme in allen Bevölkerungsgruppen beeinflusst. Für unterschiedliche Patientengruppen und solche mit unterschiedlichen Atemwegserkrankungen, wie z. B. Kinder, ältere Patienten und Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung, werden wahrscheinlich unterschiedliche Ergebnisse erzielt.

Zweitens führten die Teilnehmer in dieser Studie einen Belastungstest mit einer an die Gesichtsmaske angeschlossenen Gassammelmaske zur Gasanalyse durch. Obwohl die Gasprobenahmemaske einen geringeren Strömungswiderstand bietet, stellt sie dennoch eine höhere Atembelastung dar als bei einem regulären Training. Daher könnten die in dieser Studie erzielten Ergebnisse die Wirkung von Stoffmasken überschätzt haben.

Drittens haben wir zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit der Variablen des Impedanzkardiographen über 60 s gemittelte Werte vorgelegt und dasselbe für die Variablen der Gasanalyse getan. Daher sind die Daten möglicherweise weniger sensibel als diejenigen, die über einen kürzeren Zeitraum erfasst wurden40. Es wurden jedoch keine signifikanten Unterschiede zwischen den über 30 und 60 Sekunden gemittelten Daten bestätigt.

Schließlich umfasste das verwendete Übungsprotokoll eine gleichzeitige Steigerung von Geschwindigkeit und Steigung, was zu vorzeitiger Muskelermüdung hätte führen und die Übung beenden können, bevor Vo2 ein Maximum erreichte; Daher hat der Vo2peak in dieser Studie möglicherweise nicht die aerobe Kapazität bewertet. Darüber hinaus haben wir keinen Verifizierungsphasentest durchgeführt41; Daher konnten wir Vo2max nicht erkennen. Trotz dieser Einschränkungen können wir schlussfolgern, dass sich in unserem inkrementellen Laufband-Lauftest eine Beeinträchtigung der Hyperventilation mit CFM weniger auf Vo2 auswirkt.

Aufgrund der Empfehlungen der Ethikkommission sind unterstützende Daten nicht vollständig verfügbar. Einige berechnete Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind jedoch auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Wir möchten allen freiwilligen Teilnehmern dieser Studie danken. Diese Studie wurde von einem Grant-in-Aid for Scientific Research (C; 20K11334), JSPS KAKENHI und der Descente and Ishimoto Memorial Foundation for the Promotion of Sports Science unterstützt. Wir danken Editage (www.editage.com) für die Bearbeitung in englischer Sprache.

Abteilung für Kunst, Musik und Sport, Osaka Kyoiku University, Osaka, 582-8582, Japan

Takeshi Ogawa

Bildungsministerium, Osaka Kyoiku University, Osaka, 582-8582, Japan

Jun Koike & Yuka Hirano

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TO und YH konzipierten und gestalteten die Experimente. Alle Autoren trugen zur Datenerhebung, Datenanalyse und Interpretation der experimentellen Ergebnisse bei. TO und YH haben das Manuskript verfasst. Alle Autoren haben das Manuskript redigiert und überarbeitet und seine endgültige Fassung genehmigt. Alle Autoren stimmten zu, für alle Aspekte der Arbeit verantwortlich zu sein und sicherzustellen, dass Fragen im Zusammenhang mit der Genauigkeit oder Integrität eines Teils der Arbeit angemessen untersucht und gelöst werden.

Korrespondenz mit Takeshi Ogawa.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ogawa, T., Koike, J. & Hirano, Y. Die Auswirkungen von Stoffmasken auf kardiorespiratorische Reaktionen und VO2 während des maximalen inkrementellen Laufprotokolls bei scheinbar gesunden Männern. Sci Rep 12, 22292 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26857-w

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Eingegangen: 03. Juni 2022

Angenommen: 21. Dezember 2022

Veröffentlicht: 24. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26857-w

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