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第38期“科学家与媒体面对面”相关

来源:广州耳鼻喉医院 时间:2020/3/23 18:18

  在风和日丽、空气清新的日子外出跑步固然是身心俱快,但要是碰上雾霾天气,却仍按捺不住奔跑的心,你可能就会考虑佩戴口罩跑步了。然而,市面上的口罩林林总总,作为跑步者的你应该选用什么口罩呢?

  施延昭是北京智能康复工程技术研究中心步态实验室的人体力学工程师,工作之余热衷于在室外跑步。在雾霾不严重的时候,施延昭尝试过戴口罩跑步。为了比较不同口罩的效果,他采购了来自世界各地的10多种口罩,并进行了试戴。据他概括,不“侧漏”是口罩的基本要求;不“上漏”是口罩的核心要求;不憋闷则是跑步者的基本诉求。

  在经常遭遇雾霾的北京,哪些口罩可以满足这些需求,让跑步者在做好防护的前提下保持运动?施延昭对不同的运动强度下佩戴不同口罩对呼吸难易的影响进行了测试,希望给在雾霾天锻炼的跑步人群提供参考。

  一般来说,有中国KN95或美国N95认证的口罩应该有足够的滤霾功能。其中,“N”指Not resistant to oil, 即不能用于抵抗油性物质。在类别为“N”的前提下,“95”的意思是指用0.3微米的干燥氯化钠颗粒对口罩进行测试,至少有95%的颗粒能被口罩隔绝滤除(http://www.cdc.gov/niosh/docs/96-101/)。由于N95测试时所采用的条件是按工地中可能遭遇到的最坏条件安排的,日常防PM2.5应该不在话下。而对于佩戴口罩走路和跑步的人而言,防霾口罩重要的是不憋闷和不漏气:憋闷的话,就无法坚持运动,而漏气的话,口罩的过滤功能就形同虚设了。

  过滤能力与吸气能力应该是一对矛盾,想要运动时呼吸舒服,又想要很强的过滤能力,或许是鱼与熊掌不可得兼的事。施延昭的测试同时考虑了口罩的密闭性和佩戴口罩跑步时跑步者的呼吸顺畅度。在实验中,受试者戴不同的口罩在不同的强度下运动,研究者则记录受试者达到呼吸不畅时的运动强度。鉴于受试者间的身体素质存在个体差异,研究者用百分比来定义运动强度的大小。

  运动强度的常规测试指标是心率。当肺吸入氧气后,气体会在肺泡发生交换作用,也就是说血液会摄入氧而排出二氧化碳。血液中的血红蛋白载氧后,心脏通过泵血,将血液通过动脉和毛细血管输送到肌肉组织处。运动强度越大,受神经系统等的调控,单位时间内心脏的泵血次数会增加。在国外,心率一般多用于监控锻炼时运动强度的变化。

  理论上,研究者需要测试出心率的极限值,然后用百分比来划分运动强度。由于测试心率最大值有很大的风险性,一般也欠准确,所以施延昭团队采用了更准确的测试方法——测试血乳酸。乳酸是运动过程中人体的重要产物,也是产生疲劳感的一个主要因素。乳酸由肌肉产生并进入血液,随着运动强度的增大,血液乳酸浓度也增大。目前,在欧洲和美国,测试跑者跑步能力的最准确手段就是测试血乳酸。

  在施延昭的实验中,受试者的血乳酸测试结果被用于定义不同的运动强度。在测试现场,研究者用跑步机控制速度,并通过心率监控运动强度,血乳酸浓度则用于计算运动强度的百分比,并使用常用的跑步训练强度监控体系标准对运动强度进行划分。

  如图所示,颜色从绿、黄、橙、到红代表跑步的强度越来越大,走路基本都在60%以下。绿色区域是人极限跑步强度的60-70%,是人慢跑时消耗脂肪的主要强度,也是放松跑的主要强度,所以大部分人跑步时都用这个强度。黄色是介于中速跑跟慢跑之间的速度强度,对应最大运动能力的70-80%。此强度下,人会有一点点困难感,但不十分明显。橙色强度达到最大强度的80-90%,代表中速跑的强度,此强度下人会明显感觉吃力,跑步时与别人交谈非常困难。最后的红色区域是最大强度的90-95%。属于快跑强度,接近冲刺强度,一般间歇训练时才会使用。这个强度下疲劳感会最强,受试者坚持不了多久。

  那么,市面上的口罩分别能满足什么强度下的呼吸需求?目前,施延昭已对五款口罩进行测试。

  如图所示,左侧的四款口罩中,下方的黑色口罩呼吸效果最好,佩戴者能在较高运动强度时保持呼吸顺畅。在它上面的透明的口罩效果尚可,佩戴时比佩戴普通口罩时容易呼吸,可以在次中速跑时使用。最上方的一种3M的白色口罩和一种日本口罩只能在很低运动强度时使用。这几款由于是立体设计,基本都比较密闭。相比之下,右边那款黑色的普通棉布口罩,则是“通气最好”的,佩戴时呼吸非常通畅——对,它四面漏风。这种廉价的口罩本身不满足防霾的前提,因此最终被研究者从测试评价体系中剔除。

  施延昭对这五款口罩分别进行了广州耳鼻喉医院(ebhccy.cn)介绍分析,各项指标的优劣总结如下图:

  这款口罩产自英国,宣传称使用带静电的纤维面料,设计专为户外运动使用。口罩的过滤层是可更换的,配有两个呼吸阀,用于降低吸气难度。口罩形状有助于脸部贴合,且其鼻夹部分可根据使用者的鼻子形状进行调整,是鼻梁与面颊之间的空隙得以被尽量封住。材料硬度适中,没有过软容易变形或过硬导致不舒服的问题。生产商称口罩能过滤80%以上的0.3微米颗粒。虽然过滤效率不及95%,但估计在雾霾不太严重时已经够用。雾霾严重时,就不要外出运动了。

  这款赛车口罩的舒适感和密闭性都很好,呼吸在行走、慢跑、次中速跑时都没有任何问题,也许是它的呼吸阀帮了很大忙。佩戴这款口罩时,受试者在达到80-90%的运动强度时(橙色)开始有呼吸困难感,所以可初步估计80%及以下的跑步强度时可以使用。可惜的是它价格偏高,很难被广泛使用。

  这款透明口罩产自新加坡,具有呼吸阀,可更换滤片。宣传称可以根据脸部形状任意剪裁,还可用热水加热后塑形。由于口罩整体透明,滤片也采用白色设计,所以脏了需要更换时会很明显。这款口罩的舒适性一般,戴完后脸上会留下口罩印迹,但密闭性很好。在常速行走时基本没有呼吸困难感觉,在慢跑时也基本没有问题。当在70-80%跑步强度运动时,有轻微呼吸困难感觉,因此估计它可使用的极限强度是75%左右。此外,这款口罩可以给5岁以上的儿童使用,算是一大亮点。

  这款知名的单阀口罩是有呼吸阀的,从理论上讲在一定程度上能帮助自然呼吸,而且价格比较便宜。口罩外形很立体,上部有鼻压条。过滤百分比是90%,但同时考虑过滤性与呼吸通畅性,这款口罩也应该是可以接受的。3M这款口罩的密闭性很好的,只是舒适性一般,绷带设计压着耳朵比较难受。在行走时使用没有问题,在慢跑60-70%的绿色运动强度下勉强也可以呼吸,但在升至70-80%的黄色运动强度后呼吸很困难,跑步强度难以继续。

  这款立体口罩来自日本,密闭性很好,舒适性也不错,呼吸效果与上款单阀口罩类似。

  这款口罩耳朵部位的舒适性不错,但也于事无补——口罩的密闭性几乎为零,无论走路还是跑步时漏气现象严重。即使材料有99%的滤过能力,在这种漏风的结构下,大部分雾霾都会被吸进呼吸系统。所以雾霾天气下不广州耳鼻喉医院(ebhccy.cn)建议用作防护佩戴。

  施延昭广州耳鼻喉医院(ebhccy.cn)表示,接下来他会抽时间把剩下的5款测完。在下一个实验,他会测试戴防霾口罩和不戴口罩在走路时吸氧量的不同。为了使测试尽量准确,实验会在氧仓实验室中进行。希望他和实验室中研究人员的努力成果,能为与雾霾抗战中的城市人提供一些参考价值。

  此文为第38期“科学家与媒体面对面”活动特稿。

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