Summary
Studiamo l'effetto delle mascherine chirurgiche sulla funzione cardiopolmonare sulla base di un test da sforzo cardiopolmonare (CPET). Questo studio mostra che le mascherine chirurgiche riducono la capacità di esercizio cardiopolmonare e la ventilazione nei soggetti giovani sani e l'uso di maschere potrebbe influenzare la capacità di esercizio aerobico più nei soggetti di sesso femminile che in quelli di sesso maschile.
Abstract
Studiamo l'effetto delle mascherine chirurgiche sulla funzione cardiopolmonare sulla base di un test da sforzo cardiopolmonare (CPET). Questo studio mostra che le mascherine chirurgiche riducono la capacità di esercizio cardiopolmonare e la ventilazione nei soggetti giovani sani e l'uso di maschere potrebbe influenzare la capacità di esercizio aerobico più nei soggetti di sesso femminile che in quelli di sesso maschile.
Introduction
Indossare una mascherina nelle aree pubbliche potrebbe impedire la diffusione di una malattia infettiva impedendo sia l'inalazione di goccioline infettive che la loro successiva esalazione e diffusione1. Sebbene l'effetto di ridurre il rischio di trasmissione di virus respiratori rimanga controverso, indossare maschere rimane uno dei modi principali che le persone nella comunità hanno scelto per prevenire la diffusione di goccioline tra gli individui nella vita quotidiana 2,3,4.
Diversi tipi di maschere hanno effetti diversi sull'aumento della resistenza espiratoria e della resistenza inspiratoria5. Nel frattempo, durante una pandemia di malattie respiratorie, le persone (comprese le persone sane e i pazienti con malattie cardiopolmonari) potrebbero aver bisogno di indossare maschere per lungo tempo per svolgere le attività quotidiane. Tuttavia, ci sono pochi studi sull'effetto dell'uso di una maschera sulla funzione cardiopolmonare.
Il test da sforzo cardiopolmonare (CPET) è un importante mezzo di valutazione del rischio di riabilitazione cardiovascolare che riflette vari parametri della funzione cardiopolmonare dell'organismo durante l'esercizio con carico crescente ed è considerato il gold standard per il test della riserva cardiopolmonare2. Utilizziamo la CPET in diverse condizioni (mask-on e mask-off) per studiare le variazioni dei parametri di funzione cardiopolmonare di soggetti giovani sani, per valutare l'interferenza delle maschere in modo oggettivo e quantitativo sulla riserva cardiorespiratoria e sulla resistenza all'esercizio da una nuova prospettiva metodologica per guidare l'applicazione delle maschere in particolare per la pandemia di malattie infettive respiratorie. Sebbene sia stato suggerito che le mascherine FFP2/N95 siano più efficaci delle mascherine chirurgiche nel ridurre l'esposizione alle infezioni virali, le mascherine medico-chirurgiche sono più comode e comuni da ottenere e utilizzare rispetto alle mascherine FFP2/N95. Pertanto, questo studio si concentra solo sugli effetti delle maschere chirurgiche mediche sulla funzione cardiopolmonare.
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Protocol
Il progetto clinico è stato approvato dall'Associazione di Etica Medica del Quinto Ospedale Affiliato dell'Università di Medicina di Guangzhou (n. KY01-2020-06-06) ed è stato registrato presso il China Clinical Trial Registration Center (n. ChiCTR2000033449) e dal titolo "Gli effetti delle mascherine sulla funzione cardiopolmonare e sugli arti inferiori".
1. Reclutamento dei partecipanti
- Includere soggetti tra i 18 e i 26 anni: che possono superare il test PAR-Q6; sono fisicamente sani; senza esperienza di formazione sportiva professionale; e in grado di comprendere l'esperimento e di collaborare volontariamente con l'intero processo di test.
- Escludere i soggetti: con malattie cardiovascolari e malattie respiratorie; con disfunzione motoria degli arti inferiori causata da altre patologie; che non possono collaborare con l'esperimento; e fumatori7.
- Ottenere il consenso informato scritto da parte di ciascun soggetto prima della sua partecipazione.
- Informare il soggetto che le attività faticose sono vietate 48 ore prima del test e durante il test e che cibo e bevande (tranne l'acqua) non sono consentiti 2 ore prima del test.
- Raccogli le informazioni di base dei soggetti (nome, sesso, data di nascita, altezza, peso).
- Assegna in modo casuale i soggetti in due gruppi in base alla tabella delle cifre generata da SPSS. Il gruppo 1 ha ricevuto prima la CPET nella condizione di mascheramento seguito da 48 ore di washout, quindi ha ricevuto la CPET nella condizione di mascheramento. Il gruppo 2 ha ricevuto prima CPET nella condizione di mascheramento seguito da 48 ore di washout, quindi ha ricevuto CPET nella condizione di mascheramento.
2. Impostazione del laboratorio e preparazione delle attrezzature
- Impostare la temperatura del laboratorio a 25 °C e dotarsi di attrezzature di primo soccorso.
- Calibrare l'analizzatore di funzione cardiopolmonare per garantire l'accuratezza del test CPET, inclusa la calibrazione del sensore di flusso, la calibrazione dell'aria interna, la calibrazione dell'analisi dei gas e la calibrazione della frequenza respiratoria.
NOTA: Per la calibrazione dell'analisi dei gas, utilizzare concentrazioni di CO2 al 5% e O2 al 16% e N2 per l'equilibrio.
3. Spirometria
- Chiedi al soggetto di sedersi in posizione eretta senza appoggiarsi allo schienale della sedia, con i piedi a terra, ma senza inclinare i piedi. Chiedi loro di tenere la testa a un livello naturale o leggermente inclinata verso l'alto, ma di non piegare la testa verso il basso o piegarsi.
- Test della capacità vitale forzata (FVC): chiedere al soggetto di respirare con calma per 5 secondi, inspirare con forza e poi espirare con forza per 6 secondi. Infine, inspira e continua a respirare con calma. Eseguire l'intera procedura sotto la guida di un medico o di un fisiologo dell'esercizio con formazione formale.
- Test di massima ventilazione volontaria (MVV): chiedere al soggetto di respirare con calma quattro o cinque volte. Quindi ripetere il respiro continuamente per 12 s o 15 s alla massima ampiezza respiratoria e alla velocità respiratoria più veloce dopo che la linea di base con volume espiratorio è stabile (Figura 1).
NOTA: Se il soggetto non si comporta bene durante il test di funzionalità polmonare statico, gli verrà chiesto di eseguire i test ancora una volta dopo un riposo di 3 minuti. Se il soggetto fallisce il test due volte, escludi il soggetto.
4. Test da sforzo cardiopolmonare (CPET)
- Preparazione della materia per il CPET
- Introduci brevemente il processo all'argomento.
- Raschiare i peli del corpo nella posizione degli elettrodi dell'elettrocardiografo (ECG) (da V1 a V6), quindi utilizzare alcol al 75% per rimuovere peli e grasso in eccesso.
NOTA: V1 è il 4° spazio intercostale a destra dello sterno. V2 è il 4° spazio intercostale, a sinistra dello sterno, V3 è tra gli elettrodi V2 e V4, V4 è il 5° spazio intercostale sulla linea medioclavicolare, V5 è il 5° spazio intercostale, sulla linea ascellare anteriore, e V6 è il 5° spazio intercostale sulla linea medio-ascellare sinistra. Posizionare gli elettrodi degli arti per le braccia nelle aree sottoclavicolari e posizionare gli elettrodi degli arti per le gambe posizionati sul tronco a livello della costola inferiore. Il posizionamento dell'elettrodo deve essere laterale per evitare artefatti da movimento eccessivo durante il ciclo. - Posizionare gli elettrodi ECG e collegarli ai fili ECG a 12 derivazioni.
- Fissare l'elettrocardiogramma al torace utilizzando una cinghia (Figura 2).
- Scegliete una maschera che si adatti alle dimensioni del viso del soggetto e fissatela saldamente al viso per assicurarvi che non vi sia spazio tra la maschera e il viso (Figura 3).
NOTA: Il tester potrebbe usare la mano per premere delicatamente sul giubbotto ed espirare leggermente per assicurarsi che non ci siano spazi vuoti. - Fissare il flussometro sullo sfiato e quindi fissare il dispositivo K4 sul giubbotto (Figura 4).
- Sedersi sul sedile e regolare l'altezza del manubrio in una posizione comoda per il soggetto.
- Afferrare il manubrio con entrambe le mani e premere i pedali con i piedini bilaterali per assicurarsi che l'articolazione del ginocchio destro si pieghi con flessione a 30°.
- Posizionare un bracciale per la pressione sanguigna sulla parte superiore destra del braccio per la registrazione dinamica della pressione sanguigna. Posizionare un dito sull'ossigeno del polso sul dito indice sinistro per la registrazione dinamica dell'ossigeno nel sangue.
- Calcola i parametri di resistenza all'esercizio/aumento incrementale al minuto (W) del soggetto e imposta il piano di resistenza progressiva per la fase8 dell'esercizio.
NOTA: Resistenza all'esercizio (maschio) = [(altezza - età) * 20 - (150 + 6 * peso)] / 100
Resistenza all'esercizio (femminile) = [(altezza - età) * 14 - (150 + 6 * peso)] / 100
- Fase di esecuzione del CPET
NOTA: Chiedere al soggetto di non parlare durante l'intera procedura per evitare espirazioni e inspirazioni extra durante il parlato, che potrebbero influire sull'accuratezza dei dati cardiopolmonari. Chiedi al soggetto di alzare la mano per indicare se ci sono domande o disagi che provocano l'interruzione del test.- Fare clic sul pulsante Start per attivare il cicloergometro tramite tester.
- Mantenere una postura seduta statica per 2 minuti (fase di riposo).
- Iniziare a pedalare per 2 minuti (fase di riscaldamento: resistenza a 0 W, velocità a 60 giri/min).
- Continuare a pedalare fino al momento in cui il soggetto non è stato in grado di mantenere o mostrare i segni finali (Ramp Exercise stage: Resistenza incrementale, Resistenza X watt al minuto, 60 giri/min).
NOTA: La resistenza X watt al minuto si basa sulle formule del passaggio 4.1.10. - Chiedere al soggetto di pedalare per 3 minuti (fase di raffreddamento: resistenza a 0 W, velocità a 40 giri/min).
- Mantenere la postura seduta statica per 3 minuti per l'osservazione dei segni vitali (fase di osservazione).
NOTA: I criteri per l'interruzione sono i seguenti: i soggetti sono incoraggiati ad allenarsi fino alla loro massima resistenza o fino a quando i medici non terminano l'esercizio a causa di sintomi come alterazioni ischemiche dell'ECG, ectopia complessa, blocco cardiaco di secondo o terzo grado, caduta della pressione sistolica >20 mm Hg dal valore più alto durante il test, ipertensione (>250 mm Hg sistolica; >120 mm Hg diastolica), grave desaturazione (saturazione di ossiemoglobina (SpO2 ) ≤ 80%), sintomi e segni di grave ipossiemia (pallore improvviso, perdita di coordinazione, confusione mentale, vertigini, svenimento), segni di insufficienza respiratoria o esaurimento (Borg ≥ 17-18 punti) non è riuscito a mantenere la velocità di ciclo (inferiore a 40 giri/min). Il test verrà terminato immediatamente se i soggetti mostrano un affaticamento verbale o fisico estremo7, inferiore a 40 giri/min. - Rimuovere l'apparecchiatura di acquisizione dati, la maschera facciale, il giubbotto e gli elettrodi ECG.
5. CPET dopo il test
- Utilizzare la scala di valutazione dello sforzo percepito (RPE) per misurare i livelli di intensità dell'attività fisica che sono apparentemente correlati alla frequenza cardiaca (FC) durante l'esercizio 9,10.
- Usa la scala di Borg (scala 6-20) per valutare lo sforzo dell'allenamento di resistenza 11. Un punteggio di 6 rappresenta un'attività di riposo senza sforzo e un punteggio di 20 rappresenta un esercizio completo.
6. Analisi statistica
- Analizzare i dati utilizzando il software SPSS (versione 25) e la metodologia a cui si fa riferimento nello studio precedente12.
- Presentare i dati parametrici come media e deviazione standard (SD) se normalmente distribuita o mediana in caso contrario.
- Assegnare i soggetti in gruppi maschili o femminili per l'analisi statistica, rispettivamente.
- Utilizzare il test t accoppiato per confrontare le differenze dei parametri CPET tra i soggetti in condizioni di maschera e maschera. La significatività statistica è P < 0,05.
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Representative Results
In questo studio pilota sono stati reclutati dieci soggetti (cinque maschi e cinque femmine) del Dipartimento di Medicina Riabilitativa dell'Università di Medicina di Guangzhou. I partecipanti avevano caratteristiche basali simili, come l'età (età media: maschi 21,00 ± 1,58 anni; femmine 21,20 ± 0,45 anni) e forma fisica [attività sportiva e indice di massa corporea (BMI)]. Non ci sono state differenze significative in termini di età, altezza o BMI tra i gruppi maschili e femminili. Inoltre, per la spirometria, il gruppo femminile ha mostrato una FVC inferiore, un volume espiratorio forzato inferiore in 1 s (FEV1), un MVV inferiore e un flusso espiratorio di picco (PEF) inferiore rispetto al gruppo maschile (Tabella 1).
I risultati della CPET in diverse condizioni (mask-on e mask-off) sono illustrati nella Tabella 2. Per quanto riguarda la tolleranza all'esercizio fisico e la funzione cardiaca, rispetto alla condizione di mascheramento, sia i gruppi maschili che quelli femminili durante la condizione di indossare la maschera hanno mostrato una significativa diminuzione della soglia anaerobica per chilogrammo, cioè VO2/kg (LT), e dell'impulso di ossigeno, cioè O2/HR (picco), mentre non ci sono differenze significative nell'assorbimento di ossigeno correlato al ritmo di lavoro, cioè ΔVO2/ΔWR e HR (riposo). Inoltre, il gruppo maschile ha anche mostrato una significativa diminuzione della FC (riposo) e il gruppo femminile ha mostrato una significativa diminuzione del picco di consumo di ossigeno per chilogrammo, cioè VO2/kg (picco) durante la condizione di mascheramento. Per quanto riguarda la funzione ventilatoria, rispetto alla condizione di assenza di maschera, sia i gruppi maschili che quelli femminili durante la condizione di assenza di mascherina hanno mostrato una significativa diminuzione del volume corrente, cioè VT (picco), ma non sono state riscontrate differenze nella riserva respiratoria in percentuale, cioè BR%. Per quanto riguarda lo scambio gassoso, rispetto alla condizione di mascheramento, sia i gruppi maschili che quelli femminili durante la condizione di mascheramento hanno mostrato una significativa diminuzione della ventilazione, cioè VE (picco), ma non sono state riscontrate differenze in VE/VCO2. Per le prestazioni CPET totali, sia i gruppi maschili che quelli femminili non hanno mostrato alcuna differenza nella scala Loadmax, RPE e Borg.
Figura 1: Diagramma per la spirometria. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Impostazioni dell'elettrodo ECG. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Montaggio della maschera. (A) mostra la condizione di rimozione della maschera. (B) mostra la condizione di mascherina. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Diagramma per le impostazioni CPET. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Parametri | Unità | Gruppo maschile | Gruppo femminile | Valore P | ||
| (n=5) | (n=5) | |||||
| Età | anni | ore 21.00±1.58 | 21.20±0.45 | 0.792 | ||
| Altezza | centimetro | Codice: 172.60±4.45 | 157.00±3.80 | <0,001 | ||
| Peso | Kg | 59.40±3.50 | 49.10±2.49 | 0.001 | ||
| BMI | kg/m2 | 19.94±0.80 | 19.91±0.41 | 0.955 | ||
| Spirometria | ||||||
| FVC | L | 4.43±0.26 | 3.13±0.31 | <0,001 | ||
| FEV1 | L | 3.70±0.24 | 2.78±0.23 | <0,001 | ||
| MVV (Veicoli a motore MV | L/min | Codice: 131.78±12.42 | Codice: 76.38±13.57 | <0,001 | ||
| PEF (Norme di sicurezza per | L/s | 8.96±1.11 | 5.95±1.41 | 0.060 | ||
| Note: I risultati significativi sono indicati in grassetto. FVC, capacità vitale forzata; FEV1, volume espiratorio forzato in 1 s; MVV, massima ventilazione volontaria. PEF, picco di flusso espiratorio; L, litro; Secondo. | ||||||
Tabella 1: Caratteristiche basali e risultati della spirometria.
| Parametri | Unità | Gruppo maschile | Gruppo femminile | |||||
| Maschera tolta | Maschera-su | Valore P | Maschera tolta | Maschera-su | Valore P | |||
| Tolleranza all'esercizio fisico e funzione cardiaca | ||||||||
| VO2/kg (picco) | (mL/min)/kg | 36.21±3.8 | 28.46±4.96 | 0.063 | 26.86±4.86 | Ore 22.96±5.45 | 0.002 | |
| VO2/kg (LT) | (mL/min)/kg | Ore 22.66±2.26 | 19.74±2.23 | <0,001 | 18.48±2.89 | 14.28±2.6 | 0.026 | |
| O2/ora (picco) | rapporto | 12.14±0.63 | 10.02±1.7 | 0.028 | 7.96±0.87 | 6.9±1.15 | 0.004 | |
| ΔVO2/ΔWR | mL/(min*W) | 8.96±0.3 | 7.52±1.4 | 0.083 | 8.66±0.51 | 7.86±1.17 | 0.217 | |
| FC (riposo) | bpm | 85.2±16.08 | 77.6±7.09 | 0.244 | 84±10.56 | 83.4±5.94 | 1.000 | |
| FC (picco) | bpm | 177.6±10.5 | 170.6±11.33 | 0.007 | Codice: 162.6±17.67 | Codice: 162.6±21.72 | 1.000 | |
| Funzione ventilatoria | ||||||||
| VT (picco) | L/min | 2.23±0.31 | 1.9±0.4 | 0.004 | 1.33±0.28 | 1.21±0.28 | 0.018 | |
| BR% | % | 50.2±8.14 | 56.6±10.53 | 0.086 | 53.6±8.91 | 57.8±10.94 | 0.086 | |
| Scambio gassoso | ||||||||
| VE/VCO2 | rapporto | Ore 28.64±3.42 | 30.44±5.26 | 0.379 | 32.34±3.63 | 31.54±4.3 | 0.616 | |
| VE (picco) | L | 74±13.36 | 62.6±15.35 | 0.022 | 51.8±13.35 | 43.22±11.72 | 0.042 | |
| Prestazioni CPET | ||||||||
| Caricomassimo | ||||||||
| Caricomassimo (LT) | Watt | 98.2±18.38 | Codice±11.81 | 0.438 | Codice: 56.8±11.48 | 50.8±9.96 | 0.104 | |
| Caricomassimo (RC) | Watt | Codice: 155.6±22.47 | Codice± 159.24.37 | 0.223 | 87.8±18.47 | 86.2±19.6 | 0.816 | |
| Caricomassimo (picco) | Watt | 187±28.15 | Codice: 184.8±26.81 | 0.604 | Codice: 107.6±29.25 | Ore 105.6±30 | 0.116 | |
| Scala RPE | Punteggi | 17.8±0.84 | 17±1.73 | 0.371 | 17.4±0.89 | 17.2±1.3 | 1.000 | |
| Scala di Borg | Punteggi | 4.2±0.84 | 4.8±1.64 | 0.468 | 4.8±0.45 | 4.8±0.84 | 1.000 | |
| Note: I risultati significativi sono indicati in grassetto. VO2/kg (picco), picco di consumo di ossigeno per chilogrammo; VO2/kg (LT), soglia anaerobica per chilogrammo; O2/HR, impulso di ossigeno; ΔVO2/ΔWR, consumo di ossigeno correlato al ritmo di lavoro; BR%, riserva respiratoria in percentuale; VE, ventilazione; VT, volume corrente; bpm, battito al minuto. RPE scalse, Scala di valutazione dello sforzo percepito; L, litro; min, minuto. | ||||||||
Tabella 2: Risultati del CPET in soggetti giovani sani che indossano una mascherina chirurgica (mask-on) e non indossano una mascherina chirurgica (mask-off) sono rappresentati come media ± deviazione standard.
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Discussion
Il CPET fornisce preziose informazioni sulle funzioni complete dei sistemi cardiovascolare, di ventilazione e dei muscoli scheletrici13. Abbiamo proposto un protocollo CPET sulle condizioni di mascheramento e smascheramento per esplorare l'effetto della mascherina chirurgica sulla funzione cardiopolmonare in soggetti giovani sani.
La progettazione di questo protocollo si basava su tre punti principali. In primo luogo, abbiamo reclutato giovani studenti universitari sani come soggetti per lo studio a causa dell'intensità relativamente elevata di CPET in condizioni di indossare la maschera e di una forma fisica simile. In secondo luogo, i soggetti dovrebbero essere assegnati in un gruppo maschile e un gruppo femminile considerando il sesso come il fattore principale nella funzione polmonare sulla base dei risultati della spirometria e della ricerca precedente14. In terzo luogo, abbiamo randomizzato l'ordine delle condizioni (mask-on e mask-off) durante il CPET per eliminare il potenziale bias portato dal sequenziamento.
Sebbene i soggetti reclutati non abbiano mostrato differenze significative sulla sensazione soggettiva tra due CPET (condizione di mascheramento e maschera) in base alla scala RPE e alla scala di Borg, c'erano alcuni parametri cardiopolmonari oggettivi che sono stati significativamente diminuiti indossando una maschera, come in VO2/kg (LT), O2/HR (picco), VT (picco) e VE (picco). La diminuzione del VO2/kg (LT) suggerisce che indossare una maschera potrebbe ridurre la capacità dei mitocondri muscolari di utilizzare l'ossigeno, influenzando così la capacità di esercizio. La diminuzione di O2/HR (picco) indicava una diminuzione della gittata cardiaca. L'aumento di VE (picco) suggerito che indossare una maschera potrebbe influire sulle emissioni di anidride carbonica. Tutti questi parametri interessati indicano che i soggetti con malattie cardiopolmonari potrebbero avere un rischio maggiore quando eseguono l'esercizio aerobico indossando una mascherina chirurgica. Inoltre, le differenze di genere potrebbero anche essere un fattore negli effetti delle maschere sulla funzione cardiopolmonare. Ad esempio, solo il gruppo femminile ha mostrato una significativa diminuzione del VO2/kg (picco) dopo aver indossato una maschera. A causa del VO2/kg (picco) come parametro principale della valutazione della capacità di esercizio aerobico, il risultato ha indicato che l'influenza dell'uso di una maschera potrebbe essere più evidente per le donne, specialmente durante l'esercizio vigoroso.
Questo studio ha due limiti principali. In primo luogo, la dimensione del campione era piccola, anche se abbiamo reclutato soggetti con caratteristiche fisiche di base simili e i risultati rappresentativi mostravano già alcune differenze significative. In secondo luogo, questo studio ha reclutato solo soggetti giovani sani, anche se abbiamo assicurato la massima coerenza in questo studio pilota. Nella ricerca futura, potremmo reclutare più soggetti in diverse stratificazioni di età e combinati con malattie cardiopolmonari per estendere il nostro protocollo a un'ampia popolazione. Tale lavoro aiuterebbe a guidare l'uso della mascherina durante la vita quotidiana, specialmente durante la fase epidemica delle malattie infettive respiratorie.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo studio è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation for Young Scientists of China (No.81902281); Progetto di orientamento generale della Commissione per la salute e la pianificazione familiare di Guangzhou (n. 20191A0011091 e 20201A011108), del Dipartimento provinciale dell'istruzione del Guangdong (n. 2019KQNCX119) e del Guangzhou Key Laboratory Fund (n. 201905010004). Questo studio ringrazia anche Lixin Zhang, Peilin Ruan, Kaihang Ji e Gulifeiya Tuerxun della Guangzhou Medical University per la raccolta dei dati.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cardiopulmonary test system | COSMED Srl - Italy | K4b2 | Pulmonary Function Equipment |
| Cycle for CPET | COSMED Srl - Italy | ergoline 100P | cycle ergometer 100 P w/BP |
| Eectrocardiograph | COSMED Srl - Italy | Quark T12x | 12-Channel ECG Street Test Unit |
| Mask | COSMED Srl - Italy | Small,Medium,Large | V2 Mask |
| Software | COSMED Srl - Italy | PFT SUITE | PC Software |
| Surgical masks |
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