The Effect of Respiratory Protective Surgical Mask on Physiological Markers of Endurance Performance in a Recreational Runner.

Introdução

O advento da pandemia do Coronavírus 19 (COVID-19), que se espalhou rapidamente pelo mundo, aumentando a atenção em relação ao uso de máscara de proteção facial (MPF) não somente por profissionais da saúde, mas também pela população em geral. Neste contexto, o uso de MPF durante exercícios físicos em ambiente externo pode reduzir os riscos de infecção de COVID-19. Por outro lado, o uso da MPF pode aumentar a percepção subjetiva de dificuldade respiratória a partir da formação de microclimas dentro da máscara (ou seja, temperatura e umidade) e pela restrição do fluxo expiratório.

Nos últimos anos, o número de corredores amadores aumentou significativamente entre várias populações no mundo todo, já que a corrida pode ser realizada com equipamentos mínimos e por uma ampla variedade de pessoas. É interessante notar que, durante o exercício aeróbio, a capacidade de adaptação do sistema cardiorrespiratório é de extrema importância, já que ele aumenta o transporte de oxigênio convectivo e difusivo, permitindo, assim, que o corpo atenda à demanda por oxigênio, entrega de substrato, e retirada do dióxido de carbono. Além disso, os chamados marcadores fisiológicos de desempenho aeróbio, tais como o limiar anaeróbio ventilatório, ponto de compensação respiratória, economia de corrida, e consumo máximo de oxigênio, também parecem ser importantes na definição da intensidade absoluta do exercício (ou seja, ritmo, potência).

Portanto, é importante entender claramente se o uso de MPF afeta os marcadores fisiológicos do desempenho aeróbio durante a corrida. Portanto, este relato de caso avaliou o efeito do uso de MPF 1) nos marcadores fisiológicos de desempenho aeróbio e 2) na resposta cardiorrespiratória durante o exercício em um corredor recreacional.

Relato de Caso

O voluntário que participou deste relato de caso foi um corredor saudável de 28 anos, do sexo masculino, com 10 anos de experiência em meias maratonas. Nos últimos três meses, ele correu em média 35 quilômetros por semana, com uma frequência de 3-4 sessões semanais. O participante não tinha experiência com a prática de exercícios aeróbicos com o uso de MPF. O estudo foi realizado após a obtenção do termo de consentimento informado do participante. O estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética da Universidade Federal do Piauí, Teresina, com o número de protocolo 4,429,909.

Exames laboratoriais

A investigação foi realizada em uma semana e consistiu em 2 fases. Na primeira fase, o voluntário realizou os testes de corrida usando uma MPF, e, na segunda fase, sem máscara (SM). Os testes foram realizados no mesmo período do dia, e com um intervalo de 48 horas entre si. O corredor foi submetido a 1) um teste de função pulmonar (TFP), 2) um teste de esforço cardiorrespiratório (TECR) para avaliar os limiares ventilatórios e o consumo máximo de oxigênio, e 3) um teste de carga retangular progressivo (PSWT) para avaliar demandas cardiorrespiratórias e economia de corrida.

A máscara do espirômetro foi colocada sobre a MFP e presa por faixas na cabeça de forma a impedir vazamentos (Figura 1). O ajuste foi verificado cuidadosamente pelos investigadores e pelo voluntário para confirmar a ausência de vazamento. O ajuste correto e a prevenção de vazamentos foram confirmados antes do início de cada teste.

Figura 1

Ajuste da máscara do espirômetro sobre a máscara de proteção facial.

MPF. Neste estudo, foram utilizadas máscaras cirúrgicas fabricadas em não tecido tipo II de proteção contra a COVID-19. Sua estrutura é composta por uma camada fabricada em não tecido, material filtrante (tecido meltblown), clipe de nariz e elástico. A máscara tem formato retangular e é composta por três camadas.

TFP. O do teste de função pulmonar foi realizado antes do TECR, de acordo com as recomendações da American Thoracic Society (Sociedade Torácica Americana).

TECR. O teste de esforço cardiorrespiratório foi realizado em uma esteira programável (Inbramed, modelo ATL, Brasil) para determinar o consumo máximo de oxigênio (VO2 máx), o limiar anaeróbio ventilatório (LAV) e o ponto de compensação respiratória (PCR). A carga de exercício (velocidade) foi aumentada a cada minuto para concluir a parte incremental do teste de esforço, que durou entre 8 e 15 minutos. A velocidade inicial do teste de esforço gradual foi de 7 km/h. As análises da troca gasosa pulmonar e das variáveis ventilatórias foram feitas continuamente, respiração a respiração, durante o TECR, utilizando um sistema de análise metabólica (Ergoestik Geratherm®, Alemanha). Os seguintes critérios foram usados para definir o esforço máximo: 1) o participante demonstrou evidência subjetiva de exaustão (esforço percebido, ou seja, escala de Borg acima de 17); e 2) frequência cardíaca (FC) de pico ≥90% do máximo previsto para a faixa etária ou 3) quociente respiratório (QR) no pico do exercício ≥1,10.

PSWT. 24 horas após o TECR, o corredor foi submetido a um PSWT para avaliar a economia de corrida (EC) e a resposta cardiorrespiratória em condição de ritmo estável para três domínios de exercício: 1) 80% do LAV 2) no LAV e 3) no PCR. Cada domínio de intensidade durou cinco minutos. A EC foi calculada com base na avaliação do consumo de oxigênio para uma determinada distância, utilizando a equação proposta: EC (ml O2.kg−1.km−1) = VO2 (ml.kg−1.h−1) x 60 / velocidade (Km. h−1). Para a avaliação da percepção subjetiva de esforço (PSE) foi utilizada a escala de Borg de 15 pontos (6 a 20), tanto no TCER quanto no PSWT.

Resultados

TFP. O corredor apresentou valores similares para os volumes pulmonares e resistência ao fluxo expiratório (Tabela 1) nas condições com MPF e SM. Entretanto, o corredor recreacional apresentou valores reduzidos de taxa de pico de fluxo expiratório (PFE) ao usar a MPF em comparação à situação SM (∆%=-25,0; Tabela 1).

Tabela 1

Parâmetros físicos e cardiorrespiratórios

Medidas físicas
Idade (anos)		28,0
Peso (kg)		81,0
Altura (cm)		175,0
Teste de função pulmonar		MPF	SM	∆%
CVF (L)		4,3	4,4	0,0
VEF1 (L)		4,0	4,1	0,0
VEF1/CVF (%)		92,3	92,3	0,0
PFE (L/s)		6,9	9,2	25,0
Teste de esforço cardiorrespiratório
VO2max (mL.kg¹.min¹)		45,5	45,6	0,0
VO2max (L.min¹)		3,69	3,71	0,0
VVO2max (km/h)		17,0	19,0	10,5
Pico de QR (unidades)		1,21	1,18	0,02
FC de pico (bpm)		184	185	0,0
Pico de pulso de O2 (ml/bpm)		20,3	20,1	0,0
VE max (L.min¹)		116,2	141,1	17,6
FR (b.min¹)		57	75	24,0
VC (L.min¹)		2,1	1,9	10,0
	Limiar anaeróbio ventilatório
VO2 (mL.kg¹.min¹)		30,5	28,5	0,07
VO2 (L.min¹)		2,45	2,31	0,06
Velocidade (km/h)		11,0	11,0	0,0
FC (bpm)		163	15 4	0,06
	Ponto de compensação respiratória
VO2 (mL.kg¹.min¹)		34,9	32,7	0,06
VO2 (L.min¹)		2,82	2,65	0,06
Velocidade (km/h)		13,0	13,0	0,0
FC (bpm)		17 4	16 5	0,05

Símbolos e abreviaturas: MPF: máscara de proteção facial; SM: sem máscara; CVF: capacidade vital funcional; VEF1: volume expiratório forçado em 1 segundo; VEF1/CVF: relação volume expiratório forçado em 1 segundo e capacidade vital funcional; PFE: pico de fluxo expiratório; VO2max: consumo máximo de oxigênio; VVO2max: velocidade de captação máxima de oxigênio; QR: quociente respiratório; FC: frequência cardíaca; VE: ventilação pulmonar; FR: frequência respiratória; VC: volume corrente; L: litros; L/s: litros por segundos; km/h: quilômetros por hora; bpm: batimentos por minuto.

TECR. Para ambas as condições, os dados deste estudo apresentaram valores semelhantes de VO2 máx, FC de pico, e pulso de O2. Entretanto, o corredor recreacional apresentou VVO2 máx, ventilação pulmonar (VE), e frequência respiratória (FR) menores enquanto utilizava a MPF (∆%=-10,5, -17,6 e -24.0, respectivamente; Tabela 1). Por outro lado, os resultados deste estudo apontaram valores de volume corrente (VC) mais altos com o uso da máscara (∆%=10,0, Tabela 1).

Em relação aos limiares ventilatórios, o voluntário apresentou valores de velocidade similares para ambas as condições. Entretanto, nossos achados apresentaram diferenças no VO2 (mL.kg¹.min¹ e L.min¹) e na FC (Tabela 1).

A resposta cardiorrespiratória durante o TECR está descrita na Figura 2. Em relação ao VE/VO2, o corredor apresentou valores menores enquanto usava a MPF, em comparação à situação SM (Figura 2A). Da mesma forma, foi observada uma redução na razão FR/VC (Figura 2B). Em contrapartida, o voluntário demonstrou uma resposta de FC mais alta enquanto usava a MPF, em comparação à situação SM (Figura 2C). Além disso, observou-se uma resposta semelhante de pulso de O2 para ambas as condições (Figura 2D).

Figura 2

Resposta cardiorrespiratória durante o TECR em um corredor recreacional com e sem o uso de MPF. Painel A= VE/VO2; Painel B= razão FR/VC; Painel C= FC; Painel D= pulso de O2. MPF: máscara de proteção facial; SM: sem máscara; TECR: teste de esforço cardiorrespiratório; VE/V02: equivalente ventilatório para oxigênio; razão FR/VC: razão da frequência respiratória e volume corrente; FC: frequência cardíaca.

PSWT. O corredor recreacional apresentou valores mais altos de EC, VO2 e FC enquanto usava a MPF (Figuras 3A, B e D, respectivamente). Por outro lado, o voluntário demonstrou valores de VE menores enquanto usava a MPF, em comparação à situação SM (Figura 3C).

Figura 3

Resposta cardiorrespiratória durante o PSWT em um corredor recreacional com e sem o uso de MPF. Painel A= EC; Painel B= VO2; Painel C= VE; Painel D= FC. MPF: máscara de proteção facial; SM: sem máscara; PSWT: teste de carga retangular progressivo; EC: economia de corrida; VE: ventilação pulmonar; FC: frequência cardíaca; LAV: limiar anaeróbio ventilatório; PCR: ponto de compensação respiratório.

PSE. Os resultados deste estudo demonstraram que a PSE durante o TECR foi mais alta com o uso da MPF, quando comparado à condição controle (∆=1 ponto; nas velocidades = 9,10,13,14,15,16, e 17 km/h; Figura 4A). Da mesma forma, durante o PSWT, o participante apresentou níveis elevados de PSE enquanto usava a MPF no LAV (∆=2 pontos) e no PCR (∆=2 pontos).

Figura 4

Classificação da percepção subjetiva do esforço durante o TECR (painel A) e PSWT (painel B) em um corredor recreacional com e sem o uso de MPF. MPF: máscara de proteção facial; SM: sem máscaras; TECR: teste de esforço cardiorrespiratório; PSWT: teste de carga retangular progressivo; PSE: percepção subjetiva de esforço; LAV: limiar anaeróbio ventilatório; PCR: ponto de compensação respiratória.

Discussão

Os dados deste estudo sugerem que o uso de máscara de proteção facial afetou a tolerância ao exercício e economia de corrida em um corredor recreacional. Consta na literatura que capacidade cardiopulmonar de exercício e sensação de conforto são reduzidos pelo uso de máscaras cirúrgicas, e são significativamente reduzidos com o uso de máscaras faciais FFP2/N95 em sujeitos saudáveis. Além disso, observou-se que o uso de máscara cirúrgica não afeta a capacidade de função cardiopulmonar durante exercícios que envolvem pedalada. Entretanto, até onde se sabe, este é o primeiro relato de caso que avaliou especificamente o efeito de uma máscara de proteção facial nos marcadores fisiológicos de desempenho aeróbio em um corredor recreacional.

É interessante notar que uma corrida de intensidade auto selecionável depende dos marcadores psicofisiológicos de desempenho aeróbio., Os resultados do presente estudo apresentaram uma resposta similar em relação ao VO2 máx e aos limiares ventilatórios com o uso de máscara. Por outro lado, o corredor recreacional apresentou menor velocidade na intensidade do VO2 max com o uso da MPF. É importante notar que os achados deste estudo sugerem que, embora a capacidade de transporte e utilização de oxigênio tivesse sido preservada, o corredor apresentou menor tolerância ao exercício. Vale ressaltar que o participante também apresentou redução da EC com o uso da MPF, o que sugere maiores demandas de oxigênio durante a corrida em comparação com a condição SM.

Outro ponto interessante é como a resposta ventilatória se adapta ao uso da MPF durante o TECR e o PSWT. Durante o exercício físico, há um aumento da taxa metabólica e, consequentemente, em demandas ventilatórias. Vale notar também que o corredor demonstrou resposta ventilatória menor durante o exercício com o uso da MPF. Especificamente, os resultados deste estudo apresentaram valores menores da razão VE/VO2, sugerindo maior eficiência ventilatória com o uso de MPF. Entretanto, apesar da melhoria da eficiência ventilatória, o voluntário apresentou maior desconforto respiratório com o uso da MPF.

Com base nos achados mencionados acima, surge a seguinte pergunta: quais são os mecanismos fisiológicos subjacentes ao desconforto respiratório com o uso da MPF? De fato, sugere-se que fatores associados ao aumento da obstrução do fluxo expiratório podem estar relacionados. Neste contexto, os resultados deste estudo apresentaram níveis menores de TPFE e VE no pico do exercício. Além disso, em relação ao padrão respiratório, o corredor apresentou uma razão FR/VC reduzida com o uso da MPF. É importante observar que a razão FR/VC é utilizada para avaliar indiretamente as interações mecânicas/ventilatórias durante o exercício. Neste sentido, para um determinado resultado ventilatório, o corredor aumentou o volume corrente de forma mais aguda que a frequência respiratória, aumentando consequentemente o esforço da musculatora inspiratória e, portanto, a sensação de esforço respiratório.

Por último, os dados deste estudo sugerem uma associação entre os esforços da musculatura inspiratória e um aumento das demandas de oxigênio e da resposta de frequência cardíaca durante o exercício com o uso de MPF. Neste contexto, Harms et al. demonstraram que a descarga da musculatura inspiratória durante o exercício aeróbico está associada com redução do VO2 e nível de dispnéia. Por exemplo, há evidências de que um esforço inspiratório maior durante o exercício está relacionado ao aumento da ativação do metaborreflexo do músculo inspiratório e, portanto, do fluxo simpático. É interessante notar que, no mesmo estudo, os autores observaram que cinco semanas de treinamento da musculatura inspiratória foram suficientes para aumentar a sua resistência e atenuar o aumento da frequência cardíaca durante o exercício.

Aplicações práticas

O presente relato de caso indica que a tolerância ao exercício e a economia de corrida foram reduzidas quando o corredor recreacional usou uma máscara de proteção facial. Além disso, os achados deste estudo sugerem uma possível associação entre aumento da obstrução do fluxo expiratório, maior sobrecarga mecânica na musculatura inspiratória demandas cardiovasculares mais altas durante o exercício aeróbio. É importante destacar que cada teste durou menos de 20 minutos, o que ajudou a manter a condição e o funcionamento da máscara.

Portanto, com base nos achados do presente relato de caso, sugere-se que as seguintes estratégias sejam usadas para minimizar o desconforto respiratório durante o exercício aeróbio com o uso de MPF: 1) inclusão do treinamento da musculatura inspiratória no programa de treinamento aeróbio; 2) prescrição da intensidade do exercício aeróbio com base na frequência cardíaca de reserva (FCR) (ou seja, método Karvonen) ou limiares ventilatórios (ou seja, LAV e PCR); 3) prescrição da intensidade de exercícios aeróbios em três zonas, ou seja Zona 1 - fácil (PCR); e 4) para indivíduos sedentários e pacientes com doenças crônicas, sugere-se que, nos estágios iniciais do programa de treinamento aeróbio, o exercício seja de baixa intensidade (ou seja,

Conclusões

Os resultados deste estudo sugerem que o corredor recreacional, ao usar a MPF, apresentou: 1) diminuição da resistência ao exercício apesar da resposta semelhante no VO2 máx e limiares ventilatórios; 2) diminuição economia de corrida; 3) um aumento na demanda cardiovascular em relação à resposta da frequência cardíaca; 4) aumento da carga sobre os músculos respiratórios com o padrão respiratório adotado durante o exercício, apesar da menor demanda ventilatória; e 5) um aumento na classificação da percepção subjetiva do esforço e no desconforto respiratório.

Introduction

The advent of the Coronavirus 19 (COVID-19) pandemic, which has quickly spread worldwide, has raised the attention regarding the use of respiratory protective face masks (PFM) not only by healthcare personnel, but also the general population. In this context, wearing a PFM during physical exercise in an external environment can reduce COVID-19 infection risks. On the other hand, the use of PFM can increase the subjective perception of breathing difficulty through the formation of microclimates inside the face mask (i.e., temperature and humidity) and airflow restriction.

In recent years, the number of amateur runners has significantly increased among many populations around the world, as running can be performed with minimal equipment, and by a broad variety of people. Interestingly, during endurance exercise, the adaptability of the cardiorespiratory system is of paramount importance, as it increases both convective and diffusive oxygen transport, thus enabling the body to meet the demands for oxygen, substrate delivery, and carbon dioxide removal. Moreover, the so-called physiological markers of endurance performance, such as ventilatory anaerobic threshold, respiratory compensation point, running economy, and maximal oxygen uptake, also seem to be important in determining absolute exercise intensity (i.e., pace, power output).

In this light, it is important to have a clear understanding of whether or not the use of a PFM affects physiological markers of endurance performance during running. Therefore, our case-study evaluated the effect of wearing a PFM on 1) physiological markers of endurance performance and 2) cardiorespiratory response during exercise in a recreational runner.

Case Report

The volunteer who participated in this case study was a healthy 28-year-old male runner with 10 years of half-marathon running experience. In the last three months, he ran an average of 35 kilometers per week with a frequency of 3-4 weekly sessions. The participant had no experience with the practice of aerobic exercise while wearing a protective face mask. The study was carried out after informed consent from the participant. The study was approved by the Research Ethics Committee of the Federal University of Piauí, Teresina, Brazil under protocol number 4.429.909.

Laboratory Assessment

This investigation was carried out in one week and consisted of 2 phases. In the first phase, the volunteer performed the running tests while wearing a PFM and no mask (NM) in the second phase. The tests were performed at the same time of day, and with an interval of at least 48 hours between the tests. The runner underwent 1) a pulmonary function test (PFT), 2) a cardiorespiratory exercise test (CPET) to assess ventilatory thresholds and maximal oxygen consumption, and 3) a progressive square-wave test (PSWT) to evaluate both cardiorespiratory demands and running economy.

The spirometer mask was placed over the PFM and fixed with head straps in a leak-proof manner (Figure 1). The fitting was thoroughly checked for the absence of leakage by the investigators and the volunteer. The correct fitting and leak tightness were confirmed before each test was started.

Figure 1

Fitting of the spirometer mask to the protective face mask.

PFM. In this study, a disposable non-woven COVID-19 type II surgical mask was used. Its structure comprises a non-woven fabric layer, filter material (melt-blown fabric), nose clip, and mask belt. The mask is rectangular in shape and contains three layers.

PFT. The pulmonary function test measurement was carried out before the CPET, according to American Thoracic Society recommendations.

CPET. The cardiorespiratory exercise test was conducted using a programmable treadmill (Inbramed model ATL, Brazil) in order to determine maximal oxygen consumption (VO2 max), ventilatory anaerobic threshold (VAT), and the respiratory compensation point (RCP). The exercise workload (speed) was increased every one minute to complete the incremental part of the exercise test, which lasted between 8 and 15 minutes. The starting speed in the graded exercise test was 7 km/h. Gas exchange and ventilatory variables were measured continuously breath-by-breath during the gas exchange test, using a metabolic analyzer system (Ergoestik Geratherm®, Germany). The following criteria were used to define maximal effort: 1) participant demonstrated subjective evidence of exhaustion (perceived exertion, i.e., Borg scale above 17); and either 2) peak heart rate (HR) ≥90% age-predicted maximum or 3) maximal respiratory exchange ratio (RER) ≥1.10.

PSWT. 24 hours after the CPET, the runner underwent a PSWT to determine both the running economy (RE) and cardiorespiratory response in steady-state condition at three exercise domains: 1) at 80% VAT, 2) at VAT, and 3) at RCP. Each intensity domain lasted five minutes. The RE was calculated in terms of oxygen cost to cover a given distance using the proposed equation: RE (ml O2.kg−1.km−1) = VO2 (ml.kg−1.h−1) x 60 / speed (Km. h−1). The rating of perceived exertion (RPE) was used in both CPET and PSWT with the 15-point (6-20) Borg scale.

Results

PFT. The runner showed similar values for lung volumes and airflow resistance (Table 1) in both PFM and NM conditions. However, the recreational runner demonstrated lower values of peak expiratory flow rate (PEFR) while wearing the PFM when compared to NM (∆%=-25.0; Table 1).

Table 1

Physical and Cardiorespiratory parameters

Physical measurements
Age (years)		28.0
Weight (kg)		81.0
Height (cm)		175.0
Pulmonary Function Test		PFM	NM	∆%
FVC (L)		4.3	4.4	0.0
FEV1 (L)		4.0	4.1	0.0
FEV1 /FVC (%)		92.3	92.3	0.0
PEFR (L/s)		6.9	9.2	25.0
Cardiorespiratory Exercise Test
VO2 max (mL.kg¹.min¹)		45.5	45.6	0.0
VO2 max (L.min¹)		3.69	3.71	0.0
VVO2 max (km/h)		17.0	19.0	10.5
Peak RER (Units)		1.21	1.18	0.02
Peak HR (bpm)		184	185	0.0
Peak O2 pulse (ml/bpm)		20.3	20.1	0.0
VE max (L.min¹)		116.2	141.1	17.6
RR (b.min¹)		57	75	24.0
TV (L.min¹)		2.1	1.9	10.0
	Ventilatory anaerobic threshold
VO2 (mL.kg¹.min¹)		30.5	28.5	0.07
VO2 (L.min¹)		2.45	2.31	0.06
Speed (km/h)		11.0	11.0	0.0
HR (bpm)		163	154	0.06
	Respiratory compensation point
VO2 (mL.kg¹.min¹)		34.9	32.7	0.06
VO2 (L.min¹)		2.82	2.65	0.06
Speed (km/h)		13.0	13.0	0.0
HR (bpm)		174	165	0.05

Symbols and abbreviations: PFM: protective face mask; NM: no mask; FVC: functional vital capacity; FEV1: forced expiratory volume in 1 second; FEV1/FVC: forced expiratory volume in 1 second to functional vital capacity ratio; PEFR: peak expiratory flow rate; VO2 max: maximal oxygen uptake; VVO2: the speed at maximal oxygen uptake; RER: respiratory exchange ratio; HR: heart rate; VE: pulmonary ventilation; RR: respiratory rate; TV: tidal volume; L: liters; L/s: liters per seconds; km/h: kilometers per hour; bpm: beats per minute.

CPET. For both conditions, our data showed similar values for VO2 max, peak HR, and O2 pulse. However, the recreational runner presented lower VVO2 max, pulmonary ventilation (VE), and respiratory rate (RR) while wearing the PFM (∆%=-10.5, -17.6, and -24.0, respectively; Table 1). On the other hand, our results showed higher volume tidal (VT) values with face mask use (∆%=-10.0, Table 1).

Regarding ventilatory thresholds, the volunteer demonstrated similar speed values for both conditions. However, our results showed differences in VO2 (mL.kg¹.min¹and L.min¹) and HR values (Table 1).

The cardiorespiratory response during CPET is shown in Figure 2. With respect to VE/VO2, the runner demonstrated lower values while wearing PFM when compared to NM. (Figure 2A). A similar finding was observed for the RR/VT ratio (Figure 2B). By contrast, the volunteer demonstrated higher HR response while wearing the PFM compared to NM (figure 2C). Moreover, a similar response was observed in O2 pulse for both conditions (Figure 2D).

Figure 2

Cardiorespiratory response during CPET in a recreational runner with and without PFM use. Panel A= VE/VO2; Panel B= RR/VT ratio; Panel C= HR; Panel D= O2 pulse. PFM: protective face mask; NM: no mask; CPET: cardiorespiratory exercise test; VE/VO2: ventilatory equivalent for oxygen; RR/VT ratio: respiratory rate to volume tidal ratio; HR: heart rate.

PSWT. The recreational runner showed greater values for RE, VO2, and HR while wearing the PFM (Figures 3A, B, and D, respectively). However, our data demonstrated lower values of VE while wearing the PFM compared to NM (Figure 3C).

Figure 3

Cardiorespiratory response during PSWT in a recreational runner with and without PFM use. Panel A= RE; Panel B= VO2; Panel C= VE; Panel D= HR. PFM: protective face mask; NM: no mask; PSWT: progressive square wave test; RE: running economy; VE: pulmonary ventilation; HR: heart rate.

RPE. Our results showed that RPE during the CEPT was greater while wearing the PFM when compared to the control condition (∆=1 point; at speeds= 9,10,13,14,15,16, and 17 km/h; Figure 4A). Likewise, during PSWT, the participant showed higher RPE levels while wearing the PFM for both VAT (∆=2 points) and RCP (∆=2 points).

Figure 4

Rating of perceived exertion during CPET (panel A) and PSWT (panel B) in a recreational runner with and without PFM use. PFM: protective face mask; NM: no mask; RPE: rating of perceived exertion; VAT: ventilatory anaerobic threshold; RCP: respiratory compensation point.

Discussion

Our data suggest that the use of a protective face mask affected the exercise tolerance and running economy in a recreational runner. It has already been reported that both cardiopulmonary exercise capacity and comfort are reduced by surgical masks and highly impaired by FFP2/N95 face masks in healthy subjects. Moreover, it has been observed that wearing a surgical mask does not affect cardiopulmonary function capacity during pedaling exercise. However, to the best of our knowledge, this is the first case study to specifically evaluate the effect of a protective face mask on physiological markers of endurance performance in a recreational runner.

Interestingly, a self-paced running intensity is dependent on both psychological and physiological markers of endurance exercise., In the present case study, our results showed a similar response to both VO2 max and ventilatory thresholds when wearing a face mask. On the other hand, the recreational runner showed lower speed at VO2 max while wearing the PFM. Importantly, our findings suggest that, although the ability of oxygen transport and use is preserved, the runner presented lower exercise tolerance. It is important to note that the participant also demonstrated a worsening in RE while wearing PFM, which suggests greater oxygen demands during running when compared to the NM condition.

Another interesting point is how the ventilatory response adapts to the use of a protective face mask during CPET and PSWT. During physical exercise, there is an increase in metabolic rate and, consequently, in ventilatory demands. It is also worth noting that the runner demonstrated lower ventilatory response during exercise with the use of PFM. More specifically, our results demonstrated lower values for the VE/VO2 ratio, suggesting greater ventilatory efficiency with PFM use. However, despite the improvement in the ventilatory efficiency, the volunteer showed greater respiratory discomfort wearing PFM.

Based on the above findings, the following question emerges: what physiological mechanisms underlie respiratory discomfort with wearing PFM? In fact, we suggest that factors associated with an increase in airflow impedance may be related. In this context, our results demonstrated lower levels of PEFR and VE at the peak of the exercise. Furthermore, regarding breathing patterns, the runner showed a lower RR/VT ratio when wearing a face mask. Importantly, the RR/VT ratio is used to indirectly evaluate mechanical/ventilatory interactions during exercise. In this sense, for a given ventilatory output, the runner increased the tidal volume more sharply than the respiratory rate, consequently increasing the inspiratory muscle effort and, therefore, the sense of respiratory effort.

Finally, our data suggested an association between inspiratory muscle effort and increased both oxygen demands and heart rate response during exercise with face mask use. In this context, Harms et al. demonstrated that inspiratory muscle unloading during aerobic exercise was associated with reduced VO2 and dyspnea ratings. For instance, there is evidence that greater inspiratory effort during exercise is related to increased activation inspiratory muscle metaboreflex and, thus, sympathetic outflow. Notably, in the same study, the authors observed that five weeks of inspiratory muscle training was capable of increasing inspiratory muscle strength and attenuating the rise in heart rate during exercise.

Practical Applications

The present case study indicates that both exercise tolerance and running economy are worsened when the recreational runner wore a protective face mask. Additionally, our findings suggest a possible association between increased airflow impedance, greater inspiratory muscle mechanical overload, and higher cardiovascular demands during endurance exercise. It is important to point out that each test lasted less than 20 minutes, which helped maintain the condition and functioning of the mask.

Thus, based on the findings of the present case study, we suggest the following strategies to minimize respiratory discomfort during aerobic exercise when wearing a PFM: 1) inspiratory muscle training inclusion in the endurance training program; 2) prescription of aerobic exercise intensity based on percentages of heart rate reserve (HRR) (i.e., Karvonen method) or ventilatory thresholds (i.e., VAT and RCP); 3) prescription of the aerobic exercise intensity into three zones, i.e., Zone 1 - easy ( RCP); and 4) For both sedentary individuals and patients with chronic diseases, we suggest that, in the early stages of the endurance training program, the aerobic exercise may be of low intensity (i.e., < VAT or 30- 40% HRR).

Conclusions

In conclusion, our results suggest that the recreational runner, while wearing a PFM, showed: first, decreased exercise tolerance despite similar response to both VO2 max and ventilatory thresholds; second, a worsening of the running economy; third, an increase in cardiovascular demand regarding heart rate response; fourth, despite the lower ventilatory demand, the breathing pattern adopted during exercise increased the burden on the respiratory muscles; and last, an increase in rating of perceived exertion and respiratory discomfort.