作者：刘健 吴家林 刘国才 姜鹏
单位：解放军新疆军区总医院呼吸与危重症医学科
引用本文:刘健, 吴家林, 刘国才, 等. 慢性阻塞性肺疾病患者佩戴N95口罩所致生理学变化的研究进展 [J] . 中华结核和呼吸杂志, 2022, 45(6) : 598-602. DOI: 10.3760/cma.j.cn112147-20220102-00007.
摘要
N95口罩作为新型冠状病毒全球流行期间被推荐佩戴的个人防护品而广泛应用于生活中。大量慢性阻塞性肺疾病（简称慢阻肺）患者因全球疫情及防疫政策的原因也常佩戴N95口罩，但N95口罩为慢阻肺患者带来的生理变化及其影响未有全面认识。深入了解佩戴N95口罩后产生的生理影响可在临床中指导慢阻肺患者的日常使用。本文主要对佩戴N95口罩后慢阻肺患者产生的生理变化研究进展进行综述。
随着全球COVID-19广泛流行，我国疾病预防控制中心推荐N95口罩作为特殊场所及必要情形下使用的个人防护用具［1, 2］。许多慢性阻塞性肺疾病（简称慢阻肺）患者也因疫情风险而选择佩戴N95口罩作为防护。流行病学资料显示，1990年至2010年间慢阻肺已经是全球第三大死亡原因，造成了巨大的经济和社会负担［3, 4］。据世界卫生组织统计，2000年至2019年间慢阻肺仍位于全球死亡原因的第三名［5］。还有学者预测在未来几十年内，慢阻肺将成为一个日益普遍的全球健康问题［6］。
慢阻肺的特征是持续存在的气流受限和呼吸系统症状，慢阻肺患者常存在不同程度的低氧血症及高碳酸血症［7］。在此前提下佩戴N95口罩的生理变化是不可忽视的。虽然N95口罩的防护作用已得到临床确认，但因佩戴N95口罩带来的生理变化也同样令人担忧。在出现具有更强传染能力和致病能力的新型冠状病毒变异毒株及全球空气污染持续加重的情况下，部分慢阻肺患者更希望佩戴对病毒及空气颗粒污染防护作用更具优势的N95口罩［8, 9］。但慢阻肺患者作为呼气性呼吸困难的主要人群也对佩戴N95口罩后产生的不适充满疑虑。本文对佩戴N95口罩引起的生理变化及生理变化的研究进展进行了综述。
一、N95口罩概述
N95 型防护口罩是目前广泛使用的一种呼吸防护用品，常被医疗工作者和普通民众用于预防空气颗粒物和微生物等。N95口罩和KN95口罩防护级别相当，N95口罩执行42 CFR Part 84标准，KN95口罩执行GB2626-2019［10］呼吸防护用品标准。目前常佩戴的外科口罩是一种宽松的、具有较小呼吸阻力的一次性装置，其目的是为防止含有病原微生物的大液滴及较大颗粒物直接进入呼吸道。与外科口罩不同的是，N95口罩的边缘设计可在鼻子和嘴巴周围形成密封，并在85 L/min流速下对非油性细小悬浮颗粒保持95%的过滤效率。由于生物性微粒多属于非油性颗粒，所以N95口罩常用于需要防护细菌及病毒的医疗保健环境中。但在起到防护作用的同时，N95口罩的遮盖作用也会引起面部皮肤散热障碍和气*换障碍，影响口罩内的温度及湿度变化，造成全身热感觉增加、呼吸困难及佩戴依从性下降等情况的出现。
二、佩戴N95产生的生理变化
1.佩戴N95口罩后产生的额外死腔及其影响：在未佩戴口罩的正常呼吸条件下，吸入的新鲜空气与包含在呼吸道解剖死腔内呼出的空气混合，并在到达发生气*换的肺泡之前被加热、加湿，同时降低了氧浓度并增加了二氧化碳浓度。在海平面上氧浓度可从环境空气中21%下降到肺泡空间中14%~15%，而二氧化碳浓度却从0.03%~0.04%上升到5%~6%。同样佩戴口罩后于口罩死腔内测量的氧浓度和二氧化碳浓度并不代表输送到肺泡的气体浓度，肺泡氧浓度和肺泡气二氧化碳浓度将分别更低和更高。
Roberge等［11］于2012年招募了10名健康人佩戴N95口罩于跑步机上以1.7英里/h的速度行走，测量出N95口罩死腔内二氧化碳浓度增高到2.9%、氧浓度浓度降低到16.6%，两者气体浓度水平分别显著高于和低于所处环境气体。该研究提示佩戴N95口罩死腔内的气体浓度与空气有着显著不同，但目前尚无研究证实是否会因N95口罩死腔内气体浓度的变化导致肺泡氧浓度及肺泡气二氧化碳浓度的进一步改变。
Chin等［12］在2013年招募了20例轻度慢阻肺患者行阶梯实验。受试者在进行40、60 W及峰值运动3种运动功率时，与没有额外呼吸道死腔的对照组相比较，结果显示达到600 ml呼吸道死腔后呼吸困难显著增加（P<0.05）。另外呼气末二氧化碳分压（partial pressure of end-tidal carbon dioxide，PetCO2）在死腔组［（41.3±5.2）mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）］和对照组［（33.6±4.5）mmHg］相比差异有统计学意义（P<0.05）。在整个阶梯运动试验中，因不能耐受呼吸困难而停止运动的患者比例从对照组中的5%增加到死腔组中的40%（P<0.05）。该实验提示慢阻肺患者增加额外呼吸道死腔后会增加二氧化碳潴留并造成更多的呼吸困难。
Arce等［13］于2020年使用电子计算机断层扫描发现N95口罩和面部皮肤之间可形成138 ml的死腔面积。N95口罩的外形因其制作材料的特性而不会轻易变形，所以口罩内形成的死腔可保持不变。此外作者还发现佩戴N95口罩后的呼吸气道死腔较未佩戴时增加约50%~80%。慢阻肺患者因肺气肿、气体陷闭的原因导致呼吸道死腔较健康人增加，但关于慢阻肺患者佩戴N95口罩后呼吸道死腔的增加比例还有待进一步研究明确。
2.佩戴N95口罩时面部温度、呼吸道吸入气体温湿度的改变及其影响：Nielsen等［14］研究发现人体佩戴口罩后，外周环境温度的升高和口罩内空气温度的升高对全身皮肤的出汗和湿润感均有显著的增强作用。由此可见，人体热感觉并不仅仅由平均体温决定，口罩中不同温度的刺激也可以导致人体热感觉的显著变化。为改善因佩戴口罩而导致人体热感觉的升高，更需要额外关注口罩覆盖的面部组织、神经温度和口罩死腔内的气体温度变化。
2012年Roberge等［15］招募了20名健康人以中低速率工作2 h，与不佩戴N95口罩的基线数据相比，佩戴N95口罩不会明显影响人体核心温度和未覆盖的面部皮肤温度，但会显著提高口罩覆盖的面部皮肤温度（P<0.001）。分析认为，佩戴N95口罩后人体所感觉到的热感觉增加可能与口罩所覆盖的面部皮肤温度升高及吸入气体变暖有关。
2016年Kim等［16］招募了12名健康且不吸烟的男性受试者在35 ℃、50%相对湿度的环境下以5.6 km/h的速度进行1 h跑步机锻炼。试验结果显示佩戴N95口罩后呼吸困难症状加重，并且口罩所覆盖的皮肤温度显著增加，还发现N95口罩受试组和未佩戴口罩的对照组之间的人体热感觉无显著差异，提示在炎热潮湿环境中佩戴N95口罩后人体热感觉主要是由全身温度所影响。
2020年Scarano等［17］招募了20名受试者，要求每个受试者先后佩戴外科口罩和N95口罩1 h，并在整个试验过程中记录受试者的生理变化及主观不适。该研究发现摘除口罩时，被口罩覆盖的口周面部温度在佩戴外科口罩组（35.9±3.4）℃和佩戴N95口罩组（36.9±4.2）℃之间有显著差异（P<0.05）。另外与佩戴外科口罩相比，佩戴N95口罩还加重了呼吸困难（P<0.01）。
气道呼出的温湿气体经口罩的阻挡，在口罩中通过冷凝的方式蓄积而导致口罩纤维过滤介质间隙的阻塞并进一步增加了口罩内外气*换的阻力。为了验证这一可能性，Roberge等［18］于2010年在一项使用模拟器代替人体的呼出水分对N95口罩呼吸阻力的研究中发现，当模拟器以40 L/min的指令分钟通气条件下持续佩戴N95口罩4 h后，N95口罩保留约0.19 mg水分，同时因呼出水分蓄积导致吸气阻力和呼气阻力分别增加了0.43 mmH2O（1 mmH2O=0.009 8 kPa）和0.23 mmH2O的压力，但该数值无显著差异。该研究提示呼出水分仅使呼吸阻力增加约3%，并不会显著影响N95口罩本身具有的呼吸阻力。
慢阻肺患者的病情常在冬季更频繁地恶化，住院率和发病率也更高［19］。低温导致病情恶化的原因可能包括呼吸道感染的增加以及低温对支气管的影响。后者可能存在的机制包括气道在寒冷刺激下会迅速降低呼吸道的免疫力及支气管纤毛运动及黏液清除能力［20］。而面部皮肤温度的下降也被认为是慢阻肺患者因寒冷刺激导致支气管收缩的主要原因［21］。此外老年人生理功能逐渐退化，使寒冷刺激产生不利影响的风险相对增加。于冬季或其他寒冷环境下佩戴N95口罩能否通过对病原微生物的阻隔、吸入气体的加温以及面部保温的作用而形成对老年慢阻肺患者气道的保护机制有待研究进一步证实。
3.佩戴N95口罩后呼吸阻力变化及其影响：Lee和Wang de［22］在2011年的研究中对使用N95口罩14名参与者进行了经鼻测压和肺活量测定。与不戴口罩相比，使用N95口罩后吸气阻力增加了126%，呼气阻力增加了122%，还强调了由于使用N95口罩，气*换量平均减少了37%。而Yang等［23］也在2017年的一项研究中通过使用表面肌电信号和呼吸信号识别了由于口罩而产生的呼吸阻力。
Scarano A等［17］于2020年研究中招募了20名受试者，每人先后佩戴外科口罩和N95口罩1 h。通过观察口罩或面部的触摸次数方面发现，触摸口罩次数在佩戴N95组［（12±9.6）次］与佩戴外科口罩组［（5.8±9.6）次］有显著不同（P<0.005）。与具有更低阻力的外科口罩相比，该实验通过触摸口罩的次数表现了N95口罩给受试者造成了更多的不适感和更低的佩戴依从性。
Kampert 等［24］于2021年研究发现健康人在佩戴N95口罩进行最大功率的阶梯试验时呼吸阻力会显著地升高。该研究认为高呼吸阻力的主观感觉不应被忽视，因其可能降低个体对峰值运动强度的感知承受能力。
与男性相比，女性肺容积和胸腔体积较小，气道腔容积较小［25］。Harber等［26］于2010年在一项戴着N95口罩进行模拟工作的研究中发现，女性的不适症状评分高于男性。以上研究提示佩戴N95口罩可能对女性生理影响更加显著。现仍有待更多的临床研究来证实佩戴N95口罩后，女性慢阻肺患者是否会比男性患者更易产生生理变化及不适症状。
4.佩戴N95口罩后肺通气与气体分压的改变及其影响：2010年Harber等［27］监测了14例轻度慢阻肺患者行8~10 min不同程度体力劳动的生理变化。与不佩戴口罩相比，佩戴N95口罩后心率（heart rate，HR）减少3.72 次/min、到达最大吸气流量（peak inspiratory flow，PIF）所用时间缩短0.99%以及到达呼气流量峰值（peak expiratory flow，PEF）所用时间延长1.59%均具有统计学意义（P<0.001）。该研究提示佩戴N95口罩后轻度慢阻肺患者出现了肺通气的变化，但该研究同时认为轻度慢阻肺患者在短时间的体力劳动中可以耐受佩戴N95口罩带来的上述变化。
2020年Fikenzer等［28］对12名健康男性行心肺运动试验的一项前瞻性交叉研究中发现，用力肺活量（forced vital capacity，FVC）和PEF指标在不佩戴口罩组中分别为（6.1±1.0）L和（9.7±1.6）L/s、在佩戴外科口罩组分别为（5.6±1.0）L和（8.7±1.4）L/s，在佩戴N95口罩组分别为（5.3±0.8）L和（7.5±1.1）L/s，组间FVC和PEF均存在显著差异（P<0.001）。与不戴口罩组相比，佩戴外科口罩组第1秒用力呼气容积（forced expiratory volume in one second，FEV1）显著降低（7.6±5.0）%，佩戴N95口罩组FEV1显著减少（13.0±9.0）%、静息每分钟通气量（minute ventilation at rest，VE）显著减少（23.1±13.6）%、潮气量显著减少（9.9±11.3）%、呼吸频率显著减少（14.4±13.0）%、动脉-静脉血氧含量差显著减少（16.7±11.2）%。该实验提示相比佩戴N95口罩，佩戴外科口罩对健康人肺通气的影响更小。
Kim等［29］于2013年发现健康受试者佩戴N95口罩超过10 min后，血氧饱和度（oxygen saturation，SO2）下降幅度<1%，具有统计学意义（P<0.001）。另外佩戴N95口罩1 h后，受试者平均HR、呼吸频率及经皮二氧化碳分压均显著增加。
2021年Epstein等［30］研究发现健康人佩戴N95口罩锻炼会引起PetCO2水平的增加，且随着运动负荷的增加，差异更加显著。与不佩戴口罩相比，当佩戴N95口罩的受试者运动至力竭时PetCO2增高8 mmHg（P=0.001）。
Kyung等［31］于2020年招募了97例慢阻肺患者进行了一项前瞻性交叉研究。在佩戴N95口罩后的10 min休息和6 min步行试验期间，监测了受试者的症状和生理变化。该研究发现与未佩戴口罩的基线数据相比，佩戴N95口罩静息10 min后呼吸频率［（20.7±2.3）次/minvs（19.7±1.2）次/min，P<0.01］、SO2［（96±1.5）%vs（96.4±1.6）%，P<0.01］及PetCO2［（25.7±7.3）mmHgvs（24.8±6.8）mmHg，P<0.01］均存在显著差异。另外与未佩戴N95口罩相比，佩戴N95口罩进行6 min步行距离后HR［（92.4±17.2）次/minvs（87.7±17.0）次/min，P<0.001］、呼吸频率［（25.7±7.5）次/minvs（23.3±2.6）次/min，P=0.002］、SO2［（93.0±2.6）%vs（93.8±2.6）%，P<0.001］和PetCO2［（35.5±7.6）mm Hgvs（34.0±7.8）mmHg，P<0.001］存在显著不同。该研究还得出改良版英国医学研究委员会呼吸问卷评分≥3分（OR值为167；95%CI：8.4~999.99，P<0.008）和FEV1占预计值%<30%（OR值为163；95%CI：7.4~999.99，P<0.001）是导致试验失败的独立风险因素。该研究提示佩戴N95口罩对慢阻肺患者气*换带来了诸多负面影响，慢阻肺患者应避免佩戴N95口罩。
2021年Samannan等［32］的研究中发现慢阻肺患者受试者使用外科口罩进行6 min步行试验后，在气*换方面未表现出显著的生理变化，特别是在二氧化碳潴留方面。同年Hirai等［33］通过对37例慢阻肺患者行6 min步行试验发现佩戴外科口罩不影响运动期间的SO2、HR及步行距离。以上两项研究均认为佩戴外科口罩对慢阻肺患者的气*换等生理变化影响较小。提示在COVID-19流行期间，慢性阻塞性肺病患者在公共场所使用外科口罩是较合理的。
在新型冠状病毒全球流行期间，虽然国内N95口罩供应充足，但国际上口罩供应缺口仍比较大。华盛顿大学医学中心曾提出了通过使用外科口罩覆盖N95口罩作为外部屏障来延长N95口罩使用寿命的建议。Rebmann等［34］在2013年发表的研究中招募了10名护士在12 h/d的工作中佩戴N95口罩或佩戴N95口罩的同时于N95口罩外覆盖外科口罩，发现与仅佩戴N95口罩的人相比，同时佩戴两种口罩的受试者经皮PCO2增加，虽然没有导致PCO2增高到高碳酸血症的程度，但PCO2明显升高的证据是确切的。另外佩戴后感觉呼吸困难、气短加重，且头痛、头晕和沟通困难等症状也在随着佩戴时间的延长而愈加严重。因此不建议慢阻肺患者同时佩戴N95口罩及外科口罩。
谨慎使用N95口罩的原因涉及安全问题，因为佩戴口罩后产生的不适常被归因于肺通气变化导致的二氧化碳潴留和低氧血症，另外戴口罩进行峰值运运锻炼会减少可用氧气，增加呼吸道死腔，减少二氧化碳交换。虽然血液中PO2的降低会持续刺激呼吸中枢，但短时间大量二氧化碳潴留对慢阻肺患者的影响也是不可忽视的，尤其在最大自主通气无法继续代偿增加后通气-中枢耦联出现显著异常时［35］。中重度及极重度慢阻肺患者中常已存在不同程度的PO2下降及PCO2升高，如果佩戴N95口罩导致上述两种气体分压的进一步变化，该后果可能是极具危险性的。
医用外科口罩和N95口罩在慢阻肺患者中应用产生的影响是大不相同的。与佩戴外科口罩相比，慢阻肺患者在佩戴N95口罩时可出现更多的肺通气改变及呼吸困难症状。我国于2020年5月发表的《新型冠状病毒肺炎疫情期间慢性阻塞性肺疾病医疗和防范须知》中推荐慢阻肺患者以佩戴一次性外科口罩为主，尽量避免佩戴N95口罩［36］。
三、小结和展望
综上所述，多项研究证实佩戴N95口罩对中重度以上的COPD患者呼吸道死腔、呼吸阻力、肺通气等产生了一定影响，结合当前研究建议慢阻肺患者尽量避免佩戴N95口罩。目前关于慢阻肺患者佩戴N95口罩的研究仍少，未来还需要随机多中心、大样本量的前瞻性研究来进一步证实N95口罩对不同分级的慢阻肺患者的影响。此外，还需对个体风险因素进行联合评估，通过多因素分析构建临床预测模型，准确评估可能导致佩戴慢阻肺患者佩戴N95口罩时出现异常通气的风险因素，以方便进行慢阻肺患者佩戴N95口罩的个体化指导。
利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突
参考文献略
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