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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 60% および 80% の速度で

10 分間走行した。60 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

た。それぞれの運動時の換気量（VE）、VO2、二酸化炭素排気量（VCO2）、呼吸数、酸素換

気当量および HR を測定した。

　60 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

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。1）

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　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。

Table1.Physical characteristics and VO2 max of subjectssubj. age（year） weight（kg） stature（cm） VO2maxA 19 62 185 3252B 19 76 182 3569C 21 58 170 3069D 20 62 171 2578E 21 67 174 2765F 18 58 173 3676G 22 79 172 3439H 21 58 171 3263mean 20.1 65 175 3201SD 1.3 7.8 5.2 357

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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 160 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 60 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 60% 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 60 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。

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Figure1. Experimental Protocol

Ⅲ　結果１）60% of VO2max での走行

　60% 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。

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）。

10 minutes 40 minutes 10 minutes

running rest running

Table2.In the condition which the mask did not fixed running（60% 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 Vo2 %A 1776 1578 48.9 32.7 1.5 27.5 31.0 129 52B 2582 2344 67.2 43.3 1.6 26.0 28.6 151 72C 1833 1766 52.4 44.9 1.2 28.7 30.0 130 60D 1577 1567 46.9 56.8 1.2 29.7 30.0 127 61E 1739 1710 49.6 28.7 1.7 28.5 29.0 127 63F 2280 2192 58.2 36.6 1.6 25.6 38.1 124 62G 1919 1874 51.8 34.8 1.5 27.0 27.7 120 56H 1962 2045 62.1 48.9 1.3 31.7 30.3 155 60mean 1958 1885 54.6 40.8 1.4 28.1 30.6 133 61SD 303 267 6.7 8.7 0.2 1.9 3.0 12 4.6

Table3.In the condition which the mask is fixed running（60% 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 Vo2 %A 1861 1608 40.3 23.8 1.7 21.6 25.1 130 57B 2557 2254 51.3 30.4 1.7 20 21.4 151 71C 1844 1629 36.7 21.2 1.7 19.8 22.5 130 60D 1553 1468 40.2 29.1 1.4 26.2 27.5 127 60E 1698 1609 41.0 20.9 2.0 24.2 25.5 127 61F 2203 2027 47.4 27.1 1.7 21.7 23.6 124 60G 1792 1661 43.9 27.0 1.6 24.5 26.4 120 52H 1821 1950 44.9 29.1 1.5 24.7 33.3 155 60mean 1916 1776 43.2 26.1 1.7 22.8 25.7 133 60SD 297 252 4.3 3.1 0.2 2.22 3.4 12 4.7

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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）。

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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

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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。

　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）。

Table4.In the condition which the mask did not fixed running（80% 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 Vo2 %A 2478 2470 71.7 38.5 1.9 29.1 29.4 149 76B 2934 2924 79.9 42.5 1.9 27.3 27.5 171 82C 2020 1947 53.6 42.0 1.0 26.7 27.8 146 66D 2125 2277 68.4 42.7 1.6 32.5 30.5 162 82E 2321 2466 72.5 38.7 1.9 31.5 29.9 152 84F 2664 2718 71.3 40.7 1.7 27.2 27.5 143 72G 2725 2785 76.4 43.4 1.8 28.0 27.4 155 80H 2391 2687 89.3 64.5 1.4 37.5 33.5 176 73mean 2437 2534 72.9 44.1 1.6 30.0 29.2 157 76SD 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 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 Vo2 %A 2497 2428 61.8 27.7 2.2 24.0 25.6 157 76B 2895 2861 66.5 34.1 1.9 23.3 24.2 172 81C 2147 1893 40.7 23.9 1.7 19.2 21.7 149 70D 2117 2161 57.6 34.5 1.7 27.5 27.2 159 82E 2380 2421 62.8 27.2 2.3 26.6 26.3 155 86F 2658 2637 59.3 31.0 1.9 22.7 23.7 145 72G 2744 2691 64.4 32.3 2.0 23.5 23.9 154 80H 2467 2531 60.1 32.1 1.8 25.1 41.1 159 76mean 2472 2453 59.2 30.4 2.0 24 26.7 158 77SD 263 288 7.5 3.5 0.2 2.4 5.7 8.6 4.5

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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）。

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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 60% 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

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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 60 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 60 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。

─ 331 ─

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 60 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 Contro l o f Breath ing ,ed i ted 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

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Effect of surgical face maskon 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 60 %and 80% of each subject's VO2max . 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,VO2, VCO2, Respiratory rate,Ventilation equivalency and HR

were measured.

　Changes in VO2 and heart rate were not statistically significant. Ventilation volume.

　Respiratory rate and Ventilation equivalency were significantly decreased at speed of

60 %and 80% compared to non-mask of running. Tidal volume was significantly increased

at speed of 60 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.