非動力密閉淨氣式濾毒罐面罩與N95口罩在濕熱環境下之生理負荷與主觀不適之影響評估; Assessment of the physiological loads and subjective discomforts for non-powered tight-fitting air-purifying respirator with canister and N95 facemask under thermo and humid condition
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(2) 誌謝 光陰似箭，學習的一個階段又要結束了，回想起這兩年，真是過得 萬分充實，走過必留下痕跡，而本書正是曾努力過的證明。 首先我得感謝我的家人，奶奶的體貼關心、父母的辛勞資助、兩位 妹妹的鼓勵支持，沒有他們，我無法生活、唸書、以健康的身體迎接各 種挑戰、衣食無缺的走完學習生涯。 同時我也要感謝我的指導教授許文信老師，大學時就曾在老師的教 導下獲益良多、增廣見聞，升學後又有幸能繼續接受老師的指導，感謝 老師和氣容忍我的慢手慢腳，不厭其煩諄諄善誘，力求完美也讓我學習 到細心處事的重要，有些事情並沒做得很完善，甚至有的延宕而改道， 再次感謝您的包容與寬恕。 感謝黃瑞隆老師教導暴露艙控制和流力解惑，感謝陳振菶老師給予 呼吸防護具的分析與建議，擔任口試委員並更新知識，感謝黃彬芳老師 指出並改善統計方法上的瑕疵，感謝袁素娟老師擔任口試委員並細心指 點文章中的結構與建議，在此感謝所有提出問題給予建議的老師們。 感謝建立儀器記錄方法的惟潔，和幫忙進行實驗的學妹們，身為副 手的怡如完成了許多實驗的操作，與昭陽的人脈找到許多熱心的受試 者，嘉欣、佳蒨和雅婷在考試中抽空幫助，晏潔、楷涵和思瑀的輪班支 援，整理盤根錯節的數據。感謝付出勞力的學弟們，資深的炫宇和文彬、 守時的鴻基和政宏、熱情的主宜、宗頴等，還有陪我一年的萬和及辛苦 的昱安，在實驗的前測多鍛鍊了好幾次，你們青春的汗水，滋養了本書 的長成。感謝所有給予叮嚀和鼓勵的同學熱心幫助，還有解決了許多大 小事的雯倩，為我人生的這個階段畫下了完美的圈，在此謹將本書獻給 所有給予過幫助的人們，和閱讀本書的您，謝謝。 感恩賜與，回報無限，學習永不停止，只因生命永恆。 I.
(3) 摘要 本研究針對一般工業最常用之全面式面罩搭配濾毒罐與 N95 口罩， 在濕熱環境下對使用者造成的生理負荷與主觀不適進行評估，分兩個實 驗進行，實驗一配戴全面式面罩進行實驗，並以無過濾功能的四分面罩 作為對照組，實驗二則配戴無閥和有閥之折疊式船型 N95 口罩進行實 驗。每個實驗之受試者皆為 16 位男性大專生，自變項皆為兩種呼吸防護 具、工作負荷（45W 輕度工作和 85W 中度工作） 、環境溫度（25℃和 35℃） 和環境相對濕度（50%和 70%） ，應變項主要包括工作時心跳、呼吸頻率、 吸/吐氣壓力、吸/吐氣時間、潮氣容積、分通氣量、耗氧量、面罩內溫度 以及評估主觀不適程度的問卷。 研究結果發現在相同的面罩、工作負荷和濕度下，溫度上升皆會顯 著增加工作時心跳、工作心跳、呼吸頻率、吸氣壓力、面罩內溫度、潮 氣容積（僅實驗一） 、主觀不適程度，吸氣時間則顯著降低，其中配戴全 面式面罩的工作時心跳在輕度工作時增加了 9-10 bpm、中度 12-15 bpm， 配戴無閥 N95 口罩時為 4-6 和 7-8 bpm，而配戴有閥 N95 口罩則為 7-8 和 9 bpm；在相同的面罩、工作負荷和溫度下，濕度上升會顯著增加耗氧量、 工作心跳、呼吸頻率（實驗一） 、吸氣壓力和分通氣量（實驗二）和主觀 不適程度。 生理指標與主觀不適相關性比較，實驗一有顯著相關的為工作心 跳、耗氧量，實驗二為面罩內溫度、呼吸頻率和吸氣時間。若將溫濕度 合併成 WBGT 值分析，隨著 WBGT 的上升，工作時心跳也會顯著增加， 其中執行中度工作時心跳增加的程度較輕度時高。建議在濕熱環境下配 戴呼吸防護具工作應調整適當的工作-休息時間。 關鍵字：呼吸防護具、N95 口罩、熱環境、生理負荷. II.
(4) Abstract This study aimed to evaluate the physiological workloads and subjective discomforts for the most frequently employed full-facepiece respirators with canister and N95 facemasks under thermo environment. Two seperate experiments. were. conducted.. The. first. experiment. evaluated. the. full-facepiece respirator and using a low respiratory resistance quarter-face mask as the control condition. The second experiment assessed two N95 facemasks with one equipped with valve and the other one without valve. Sixteen physically fit male university students participated in each experiment. The evaluated independent variables were identical in the two experiments including respirator type (RT), workload (WL; light work 45W and moderate work 85W), environmental tepmerature (ET; 25℃ and 35℃) and relative humidity (RH; 50% and 70%). The main mesured dependent variables for both experiments included heart rate at working (HRwork), work pulse (WP), breathing frequence (BF), peak inspiratory and expiratory pressure (PIP/PEP), inspiratory and expiratory time (Ti, Te), tidal volume (VT), minute ventilation (VE), oxygen consumption (VO2), temperature in mask (Tm) and subjective rate of perceptual exertion (RPE). Results indicated that working in higher ET imposed significant physiological and psychological strain added to that caused by significantly increased HRwork, WP, BF, PIP, Tm, VT (first experiment only), and RPE and decreased Te for same RT, WL and RH. Compared with work at ET = 25℃, work at ET=35℃ and equipped with RF, the HRwork significantly increased 9 to 10 bpm for light WL and 12 to 15 bpm for moderate WL. As for RNV, working at ET = 35℃, the HRwork were reported significantly increased 4 to 6 bpm for light WL and 7 to 8 bpm for moderate WL compared with work at ET = 25℃. Regarding RWV, the increased HRwork were 7 to 8 bmp for light WL and 9 bmp for moderate WL when ET shifted from 25℃ to 35℃. Increased III.
(5) RH were reported with significantly increased VO2, HRwork, WP, BF (experiment 1 only), PIP (experiment 2 only), VE (experiment 2 only) and RPE for same WL, ET, and RT. RPE were found significantly correlated with HRwork, WP, and VO2 for the first experiment and with Tm, BF, and Ti for the second experiment. When combined the two ET conditions and two RH conditions into 4 corresponded wet bulb globe temperature index (WBGT) levels, it was found that the HRwork significantly increased with higher WBGT. The degree of increased HRwork was significantly higher for moderate WL compared with light WL. It is suggested that the work-rest ratio should be decreased when wearing respirator under thermo work environment. Key Word：Respirator, N95 face mask, Thermo environment, Physiological load. IV.
(6) 目錄 誌謝 ................................................................................................................... I 中文摘要 .......................................................................................................... II 英文摘要 .........................................................................................................III 目錄 .................................................................................................................. V 表目錄 .............................................................................................................IX 圖目錄 ........................................................................................................... XII 英文縮寫全名與中文名稱..........................................................................XVI. 第一章 緒論 .....................................................................................................1 第一節 研究背景......................................................................................... 1 第二節 研究之重要性................................................................................. 2 第三節 研究目的......................................................................................... 3 第二章 文獻探討.............................................................................................4 第一節 濕熱環境與呼吸防護具的相關理論............................................. 4 2.1.1 濕熱環境對人造成的生理負荷..................................................... 4 2.1.2 呼吸防護具造成的影響............................................................... 12 第二節 濕熱環境與呼吸防護具的文獻回顧........................................... 21 2.2.1 濕熱環境下的生理負荷............................................................... 21 2.2.2 濕熱環境下配戴呼吸防護具導致的生理負荷........................... 22 第三節 研究流程....................................................................................... 24 第三章 研究方法...........................................................................................25 第一節 實驗對象....................................................................................... 25 第二節 實驗儀器設備與量測方法........................................................... 25 V.
(7) 3.2.1 呼吸防護具................................................................................... 25 3.2.2 呼吸生理訊號分析儀與量測方法............................................... 27 3.2.3 腳踏車測功儀............................................................................... 29 3.2.4 暴露艙........................................................................................... 30 3.2.5 配戴呼吸防護具之耗氧量量測方法........................................... 30 3.2.6 ECG 心跳量測方法....................................................................... 31 3.2.7 呼吸防護具內壓力量測方法....................................................... 32 3.2.8 呼吸防護具溫度量測方法........................................................... 33 3.2.9 呼吸頻率量測方法....................................................................... 34 3.2.10 吸氣、吐氣時間比..................................................................... 34 3.2.11 模擬作業內容與作業負荷設定................................................. 36 3.2.12 模擬作業的環境溫濕度設定...................................................... 39 3.2.13 配戴呼吸防護具進行作業負荷之主觀不適問卷..................... 40 第三節 實驗設計....................................................................................... 41 3.3.1 自變項........................................................................................... 41 3.3.2 應變項........................................................................................... 41 3.3.3 控制因子....................................................................................... 44 第四節 實驗流程....................................................................................... 44 3.4.1 個人最大耗氧量量測................................................................... 44 3.4.2 溫濕環境下的作業負荷............................................................... 47 第五節 分析及統計方法........................................................................... 49 第四章 結果 ...................................................................................................51 第一節 實驗用呼吸防護具吸氣與吐氣阻力曲線................................... 51 4.1.1 呼吸防護具之吸氣阻力............................................................... 51 4.1.2 呼吸防護具之吐氣阻力............................................................... 53. VI.
(8) 第二節 全面式面罩在濕熱環境下造成生理負荷與主觀不適之實驗結 果 ................................................................................................... 55 4.2.1 客觀生理指標結果....................................................................... 59 4.2.2 主觀不適問卷結果....................................................................... 85 4.2.3 各種溫濕度下之耗氧量對心跳的關係....................................... 91 4.2.4 生理負荷與主觀不適之關聯性分析........................................... 92 第三節 有閥與無閥 N95 口罩在濕熱環境下造成生理負荷與主觀不適 之實驗結果................................................................................... 97 4.3.1 客觀生理指標結果..................................................................... 102 4.3.2 主觀不適問卷結果..................................................................... 125 4.3.3 各種溫濕度下之耗氧量對心跳的關係..................................... 131 4.3.4 生理負荷與主觀不適之關聯性分析......................................... 131 第五章 討論 .................................................................................................136 第一節 全面式面罩與 N95 口罩之吸氣與吐氣阻力............................ 136 第二節 配戴全面式面罩與 N95 口罩在濕熱環境下之生理負荷........ 137 5.2.1 受環境溫濕度影響較顯著的生理指標..................................... 137 5.2.2 各 WBGT 下的平均心跳變化................................................... 142 第三節 配戴全面式面罩與 N95 口罩在濕熱環境下之主觀不適........ 146 第六章 結論與建議.....................................................................................149 第一節 結論............................................................................................. 149 第二節 研究應用..................................................................................... 151 第三節 研究限制..................................................................................... 151 參考文獻 .......................................................................................................152 附錄一 受試者同意書.................................................................................155 附錄二 受試者基本資料調查表.................................................................156. VII.
(9) 附錄三 實驗一受試者環境主觀不適問卷.................................................157 附錄四 實驗二受試者環境主觀不適問卷.................................................158 附錄五 實驗一與實驗二受試者執行作業主觀不適問卷.........................159 附錄六 學術研究人權維護審查同意書.....................................................160 附錄七 學術研究人權維護審查同意書英文版.........................................161. VIII.
(10) 表目錄 表 2-1 相關機構對熱壓力的建議溫度允許暴露值 ....................................11 表 2-2 American Conference of Industrial Hygienists（ACGIH）規定熱暴露 下溫度之 TLV 值 ...........................................................................................11 表 2-3 NIOSH 針對 N、P、R 之口罩之吸氣與吐氣阻力規定 ..................15 表 2-4 重要相關研究之設定條件 ................................................................17 表 2-5 評估呼吸阻力造成生理負荷時常用的生理指標 ............................18 表 3-1 實驗一受試者基本資料（n= 16） ...................................................25 表 3-2 鼻溫偵測器在不同溫度區間之溫度差 ............................................34 表 3-3 以能量消耗程度推估定義之工作負荷分級 ....................................39 表 3-4 功率與耗氧量的關係 ........................................................................39 表 3-5 本實驗模擬之環境溫濕度對應之 WGBT 值 ..................................40 表 3-6 實驗應變項及其說明 ........................................................................42 表 3-7 最大耗氧量負荷設定 ........................................................................46 表 4-1 呼吸防護具吸氣阻力回歸方程式與流量 85L/min 時的阻力 .........51 表 4-2 呼吸防護具吐氣壓力回歸方程式與流量 85L/min 時的阻力 .........53 表 4-3 全面式面罩與對照面罩在濕熱環境下之生理負荷與主觀不適重複 量數變異數分析結果(n=16)..........................................................................56 表 4-4 全面式面罩與對照面罩在濕熱環境下之生理負荷描述性統計資料 (mean±S.D.) ....................................................................................................57 表 4-5 全面式面罩與對照面罩在濕熱環境下之主觀不適描述性統計資料 (mean±S.D.)與無母數兩相依樣本威爾森檢定結果 ....................................58 表 4-6 全面式面罩與對照面罩在濕熱環境下之工作時心跳、工作心跳和 心率儲備百分比描述性統計資料與配對樣本 t 檢定統計結果 .................62 表 4-7 全面式面罩與對照面罩在濕熱環境下之吸氣與吐氣壓力描述性統 IX.
(11) 計資料與配對樣本 t 檢定統計結果..............................................................66 表 4-8 全面式面罩與對照面罩在濕熱環境下之呼吸頻率、吸氣和吐氣時 間描述性統計資料與配對樣本 t 檢定統計結果..........................................71 表 4-9 全面式面罩與對照面罩在濕熱環境下之分通氣量、潮氣容積、潮 氣容積佔肺活量之百分比描述性統計資料與配對樣本 t 檢定統計結果 .76 表 4-10 全面式面罩與對照面罩在濕熱環境下之耗氧量、最大耗氧量百分 比、單位體重耗氧量、新陳代謝率和通氣當量描述性統計資料與配對樣 本 t 檢定統計結果..........................................................................................80 表 4-11 全面式面罩與對照面罩在濕熱環境下之面罩內溫度描述性統計 資料與配對樣本 t 檢定統計結果..................................................................84 表 4-12 全面式面罩與對照面罩在濕熱環境下之生理負荷與主觀不適關 聯性分析 .........................................................................................................94 表 4-13 無閥與有閥 N95 口罩在濕熱環境下之生理負荷與主觀不適重複 量數變異數分析結果(n= 16).........................................................................99 表 4-15 無閥與有閥 N95 口罩在濕熱環境下主觀不適描述性統計資料 (mean±S.D.)與無母數兩相依樣本威爾森檢定結果統計結果..................101 表 4-16 無閥與有閥 N95 口罩在濕熱環境下之工作時心跳、工作心跳和心 率儲備百分比描述性統計資料與配對樣本 t 檢定統計結果 ...................103 表 4-17 無閥與有閥 N95 口罩在濕熱環境下之吸氣和吐氣壓力描述性統 計資料與配對樣本 t 檢定統計結果............................................................107 表 4-18 無閥與有閥 N95 口罩在濕熱環境下之呼吸頻率、吸氣和吐氣時間 描述性統計資料與配對樣本 t 檢定統計結果............................................111 表 4-19 無閥與有閥 N95 口罩在濕熱環境下之分通氣量、潮氣容積、潮氣 容積佔肺活量之百分比描述性統計資料與配對樣本 t 檢定統計結果 ...115 表 4-20 無閥與有閥 N95 口罩在濕熱環境下之耗氧量、最大耗氧量百分. X.
(12) 比、單位體重耗氧量、新陳代謝率和通氣當量描述性統計資料與配對樣 本 t 檢定統計結果........................................................................................119 表 4-21 無閥與有閥 N95 口罩在濕熱環境下之面罩內溫度和血氧濃度描 述性統計資料與配對樣本 t 檢定統計結果................................................123 表 5-1 我國法規規定之高溫作業下每小時作息時間比例分配表 ..........145 表 5-2 ACGIH 規定之高溫作業下每小時作息時間比例分配表 .............146. XI.
(13) 圖目錄 圖 2-1 四分面罩（Quarter-mask） ..............................................................14 圖 2-2 半罩式面罩（half-mask） ................................................................14 圖 2-3 全罩式面罩（full-facepiece） ..........................................................14 圖 2-4 寬鬆式（Loose-Fitting）...................................................................14 圖 2-5 計畫研究流程圖 ................................................................................24 圖 3-1 對照面罩（RC） ...............................................................................27 圖 3-2 全罩式面罩（RF）............................................................................27 圖 3-3 無閥 N95 口罩（RNV） ...................................................................27 圖 3-4 有閥 N95 口罩（RNV） ...................................................................27 圖 3-5 生理訊號接收放大器 ........................................................................28 圖 3-6 上為流量計下為氣體分析儀 ............................................................28 圖 3-7 腳踏車測功儀(ergometer)..................................................................29 圖 3-8 暴露艙，左圖為暴露艙內部，右圖為溫濕度控制台 ....................30 圖 3-9 全罩式面罩轉接頭 ............................................................................31 圖 3-10 N95 口罩轉接頭................................................................................31 圖 3-11 胸導電極貼片位置 ..........................................................................32 圖 3-12 生理訊號放大器 ..............................................................................32 圖 3-13 壓力轉換計.......................................................................................33 圖 3-14 壓力偵測位置...................................................................................33 圖 3-15 水銀壓力計.......................................................................................33 圖 3-16 鼻溫偵測器.......................................................................................33 圖 3-17 受測者執行作業時所量測到的口罩內壓力波形 ..........................35 圖 3-18 假人頭模擬呼吸道之正反面圖（左為正，右為反） ..................36 圖 3-19 模擬呼吸防護具呼吸阻力量測示意圖 ..........................................36 XII.
(14) 圖 3-18 實驗流程圖.......................................................................................48 圖 4-1 呼吸防護具流量對吸氣壓力關係圖 ................................................52 圖 4-2 呼吸防護具吐氣壓力與流量關係圖 ................................................54 圖 4-3 各溫溼度下執行輕中工作之工作時心跳數 ....................................63 圖 4-4 各溫溼度下執行輕中工作負荷之工作心跳 ....................................63 圖 4-5 各溫溼度下執行輕中工作負荷之心率儲備百分比 ........................64 圖 4-6 各溫溼度下執行輕中工作之分通氣量吸氣壓力 .............................67 圖 4-7 各溫溼度下執行輕中工作之吐氣壓力 ............................................67 圖 4-8 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸頻率 ............................................72 圖 4-9 各溫溼度下執行輕中工作之吸氣時間 ............................................72 圖 4-10 各溫溼度下執行輕中工作之吐氣時間 ..........................................73 圖 4-11 各溫溼度下執行輕中工作之分通氣量 ..........................................77 圖 4-12 各溫溼度下執行輕中工作之潮氣容積 ..........................................77 圖 4-13 各溫濕度下執行輕中工作之 VT/VC ..............................................78 圖 4-15 各溫溼度下執行輕中工作之最大耗氧量百分比 ..........................81 圖 4-16 各溫溼度下執行輕中工作之單位體重耗氧量 ..............................82 圖 4-17 各溫溼度下執行輕中工作之新陳代謝量 ......................................82 圖 4-18 各溫溼度下執行輕中工作通氣當量 ..............................................83 圖 4-19 各溫濕度下執行輕中工作之面罩內溫度 ......................................85 圖 4-20 呼吸防護具之主觀不適問項總平均分布圖 ..................................86 圖 4-21 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸防護具主觀不適 RPE 值.........88 圖 4-22 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸防護具吸氣困難程度 ..............88 圖 4-23 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸防護具吐氣困難程度 ..............89 圖 4-24 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸防護具內溫度不適程度 ..........89 圖 4-25 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸防護具內流汗不適程度 ..........90. XIII.
(15) 圖 4-26 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸防護具整體不適程度 ..............90 圖 4-27 各溫度下耗氧量對工作時心跳的影響 ..........................................91 圖 4-28 各溫度和濕度下耗氧量對工作心跳的影響 ..................................92 圖 4-29 整體不適對工作心跳相關圖 ..........................................................95 圖 4-30 整體不適對最大耗氧量百分比相關圖 ..........................................95 圖 4-31 整體不適對吸氣時間相關圖 ..........................................................96 圖 4-32 整體不適對面罩內溫度相關圖 ......................................................96 圖 4-33 各溫溼度下執行輕中工作之工作時心跳 ....................................104 圖 4-34 各溫溼度下執行輕中工作之工作心跳 .........................................104 圖 4-35 各溫溼度下執行輕中工作之心率儲備百分比 .............................105 圖 4-36 各溫溼度下執行輕中工作之吸氣壓力 ........................................108 圖 4-37 各溫溼度下執行輕中工作之吐氣壓力 ........................................108 圖 4-38 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸頻率 ........................................112 圖 4-39 各溫溼度下執行輕中工作之吸氣時間 ........................................112 圖 4-40 各溫溼度下執行輕中工作之吐氣時間 ........................................113 圖 4-41 各溫溼度下執行輕中工作之分通氣量 ........................................116 圖 4-42 各溫溼度下執行輕中工作之潮氣容積 ........................................116 圖 4-43 各溫溼度下執行輕中工作之 VT/VC ............................................117 圖 4-44 在各溫溼度下執行輕中工作之耗氧量 ........................................120 圖 4-45 各溫溼度下執行輕中工作之耗氧量百分比 ................................120 圖 4-46 各溫溼度下執行輕中工作之單位體重耗氧量 ............................121 圖 4-47 各溫溼度下執行輕中工作之新陳代謝量 ....................................121 圖 4-48 各溫溼度下執行輕中工作通氣當量 ............................................122 圖 4-49 配戴各口罩執行輕中工作在各溫溼度下之口罩內溫度 ............124 圖 4-50 配戴各口罩執行輕中工作在各溫溼度下之血氧濃度 ................124. XIV.
(16) 圖 4-51 呼吸防護具之主觀不適問項總平均分布圖 ................................126 圖 4-52 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸防護具主觀不適 RPE 值........127 圖 4-53 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸防護具吸氣困難程度 ............128 圖 4-54 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸防護具吐氣困難程度 ............128 圖 4-55 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸防護具內溫度不適程度 ........129 圖 4-56 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸防護具內流汗不適程度 ........129 圖 4-57 各溫溼度下執行輕中工作之呼吸防護具整體不適程度 ............130 圖 4-58 各溫度下各溫度下耗氧量對工作時心跳的影響 ........................131 圖 4-59 整體不適對呼吸頻率相關圖 ........................................................134 圖 4-60 整體不適對面罩內溫度相關圖 ....................................................134 圖 4-61 整體不適對吸氣壓力相關圖 ........................................................135 圖 4-62 整體不適對工作心跳相關圖 ........................................................135 圖 5-1 各 WBGT 下配戴全面式面罩與對照面罩的工作時心跳變化平均值 .......................................................................................................................143 圖 5-2 各 WBGT 下配戴無閥與有閥 N95 口罩的工作時心跳變化平均值 .......................................................................................................................144. XV.
(17) 英文縮寫全名與中文名稱 縮寫. 全名. 中文名稱. Percentage of maximal oxygen. 最大耗氧量百分. Consumption. 比. %HRR. Percentage of Heart Rate Reserve. 心率儲備百分比. BF. Breathing Frequency. 呼吸頻率. EQv. Ventilatory Equivalent. 通氣當量. HRwork. Heart Rate at working. 工作時心跳. HRmax. Maximal Heart Rate. 最大心跳. M. Metabolic Rate. 新陳代謝率. MVV15. Maximum Voluntary Ventilation over. 15 秒內自主最大. 15 sec. 通氣量. PIP. Peak Inspiratory Pressure. 吸氣壓力. PEP. Peak Expiratory Pressure. 吐氣壓力. RC. Control Mask. 對照面罩. RF. Full-facepiece Respirator. 全面式面罩. RH. Relative Humidity. 相對濕度. RNV. N95 face mask without valve. 無閥 N95 口罩. RPE. Subjective rate of perceptual exertion. 主觀不適程度. RT. Type of Respirator. 呼吸防護具型式. RWV. N95 face mask with valve. 有閥 N95 口罩. SO2. Oxygen Saturation. 血液含氧量. ET. Environmental Temperature. 環境溫度. %VO2max. XVI.
(18) 英文縮寫全名與中文名稱（續） 縮寫. 全名. 中文名稱. Ti. Inspiratory Time. 吸氣時間. Te. Expiratory Time. 吐氣時間. Tm. Temperature in Mask. 面罩內溫度. VC. Vital Capacity. 肺活量. VE. Minute Ventilation. 分通氣量. VO2. Oxygen Consumption. 氧氣消耗量. VO2mass. Oxygen Consumption / mass. 單位體重耗氧量. VO2max. Maximal Oxygen Production. 最大氧氣消耗量. VT. Tidal Volume. 潮氣容積. WBGT. Wet Bulb-Globe Temperature Index. 綜合溫度熱指數. WL. Work Load. 工作負荷. WP. Work Pulse. 工作心跳. XVII.
(19) 第一章 緒論. 第一節 研究背景 營造一個安全舒適的工作環境，是職業安全衛生工作者最終的目 標，但實際上危害風險是難以降低為零的，經過工程控制與管理後，若 仍有較低濃度的危害物存在，個人防護具即成為可能保護工作者的最後 一道防線了。呼吸防護具可以保護勞工不會吸入過量有害的物質，包括 蒸汽、氣體、粉塵、煙霧、霧滴及煙或噴霧；或是提供乾淨的氣體（通 常為一般空氣）給作業的勞工，而有些呼吸防護具也可以保證勞工所吸 入的氧氣不會低於危險值(1)。 在眾多呼吸防護具中，最令人熟知且輕易使用的便是密閉淨氣式濾 毒罐面罩與 N95 口罩，在工業界，會用到高毒性溶劑或氣體的場所，或 是有意外事故發生，如火災爆炸、儲槽發生洩漏或逃生之時，或是在濃 度尚未達立即危害生命或健康之空氣中濃度值（Immediately Dangerous to Life or Health Concentrations，IDLHs）時，密閉淨氣式濾毒罐面罩是快速 簡便的防護面罩，亦列屬於 C 級防護中的呼吸防護具。一般在生活中， 輕便的單片口罩是最常見的基本防護具，其中以 N95 系列最具有效的過 濾效果，廣泛使用於工業、醫療業等，可用來過濾非油性顆粒，如粉塵、 霧滴等粒狀污染物，以及過濾生物性氣膠，美國也有規定 N95 及以上等 級能做為預防肺結核感染之呼吸防護具（42 CFR Part 84）(2)。 國外研究指出，在評估為需使用呼吸防護具的場所，有提供呼吸防 護具且員工確實有使用的僅有約 20%至 30%(3,4)，而國內也有許多勞工抱 怨配戴呼吸防護具會導致不舒服的情形，台灣自從嚴重急性呼吸道症候 1.
(20) 群（Acute Respiratory Syndrome, SARS）流行之後，N95 口罩便開始普及 為大眾所知及使用，但配戴後造成的不舒適感，一直影響著民眾的配戴 意願，許多配戴過的人皆會有呼吸困難與悶熱的感覺而不願配戴，在日 常生活或媒體上也常發現有戴上口罩卻因悶熱不舒服而調整出空隙之不 安全行為，使得防護具無法發揮功效。 N95 口罩是最基本常見的呼吸防護具，常見於一般危害工作場所， 但是對身體造成的生理負荷與配戴行為的研究卻不多，推測可能是由於 常使用在毒性危害較低的場所，且吸氣與呼氣阻力較濾毒罐低，造成的 生理負荷比研究較多的自攜式呼吸防護具輕，不過值得注意的是，在長 時間使用後，或伴隨工作上需進行口語溝通時，口罩內的水分逐漸增加， 使得罩體潮濕，吸氣與呼氣阻力相對變大，呼出的熱氣也難以消散，此 時造成的生理負荷可能會增加，隨著作業內容與 N95 口罩型式的不同， 變化可能也不一樣，這部分確實值得進行研究探討。 台灣地處亞熱帶，四面環海環境濕熱，在因各種限制而無法提供空 調的工作場所中，悶熱是最常被抱怨的不舒服感覺，此時若再配戴呼吸 防護具，其造成的生理負荷與主觀不適會比有空氣調節的環境中還嚴 重，因此有必要進行研究。 第二節 研究之重要性 有關配戴密閉淨氣式濾毒罐面罩所造成之生理負荷研究資料較多， 但 N95 口罩相關研究則相當缺乏，主觀不適方面則缺乏系統性之研究， 而相關研究均指出其對使用者的配戴行為具有關鍵性的影響。 呼吸防護具使用大多在工程改善之後，仍具有相當程度的危害物暴 露時的場所，而 N95 近年亦廣泛用於呼吸道疾病等空氣傳染病之生物性 2.
(21) 危害的防範上，但是在防護具本身對人體造成不舒服的情況下，使用者 往往會有不願意或不正確的配戴方式出現，若是在較為潮濕及溫熱的環 境工作，在人體必須負擔熱造成負荷的情況下，再加上呼吸防護具本身 造成的負擔，想必使用者更不願意配戴，因此有需要評估在濕熱的負荷 下，呼吸防護具對人體造成的影響，得知造成不適的關鍵之處，供日後 改善控制之參考。 第三節 研究目的 本研究分為二部分： (1) 全面式面罩在濕熱環境下造成生理負荷與主觀不適之影響評估 以暴露艙模擬溼熱的穩定工作環境，請受試者配戴工業常用之密閉 淨氣式全面式面罩搭配化學式濾毒罐，與一低吸氣與呼氣阻力之對照四 分面罩，執行模擬定量工作負荷的腳踏車測功儀踩踏作業，工作負荷為 分為輕度工作（耗氧量為 0.5～1.0 L/min）和中度工作（耗氧量為 1.0～ 1.5 L/min） ，在控制工作與休息時間的條件下，紀錄受試者在作業過程的 心跳、呼吸等生理指標與主觀感覺，並與非濕熱之一般溫濕度環境下的 實驗結果做比較，來評估溼熱環境的影響。 (2) 無閥與有閥 N95 口罩在濕熱環境下造成生理負荷與主觀不適之影 響評估 與第一部份實驗條件相同，使用的呼吸防護具換成無閥與有閥 N95 口罩，執行模擬作業並紀錄生理指標與主觀數據進行比較與評估。. 3.
(22) 第二章 文獻探討 第一節 濕熱環境與呼吸防護具的相關理論 2.1.1 濕熱環境對人造成的生理負荷 一般而言，在溫濕熱環境下工作，除了本身的工作負荷外，同時必 須負擔熱造成的負荷，通常此類環境的工作者的新陳代謝率比一般還 高，尤其在高濕高溫的作業下，人的呼吸、脈搏、血壓等都會變化，造 成身體上的疲勞與不舒服，此時若再配戴呼吸防護具，則更會加重身體 上的負荷對身體的生理負荷，而具有濕熱環境的工作如鋼鐵業、地下工 程、汽車塗裝、陶瓷業、採礦作業、造紙業、染整業、洗衣業等(5)，皆有 可能會使用到呼吸防護具。 高溫作業在一般的工業界是存在的，而高溫作業亦可能伴隨著重體 力的勞動，在作業過程中，身體內部產生的熱，會由於外界溫度高的關 係而不易散發出來，若又處於高濕的環境下，汗腺分泌的汗水會因濕度 高而不易蒸發，進而妨礙了散熱與排汗，熱量累積在體內，使身體需額 外負擔這部分熱的影響，在超過人體可以忍受的極限之後，將會降低工 作的效率，身體也會有不舒服的感覺，甚至引發一些與熱相關的疾病或 症狀，以下主要參考 NIOSH（The National Institute for Occupational Safety and Health）（1973）. (6). 和 Chongvisal（1980）(7)之文獻加以說明。. 2.1.1.1 濕熱的來源 在工作時，會影響人體的熱源主要有兩個來源，分別為環境產生的 熱量和水氣，以及身體產生的熱，分別說明如下：. 4.
(23) (1) 環境產生的熱量與水氣 常見的熱量主要來源：操作設備或鍋爐等容器外表面的散熱量、金 屬冷卻散熱量、電動設備與焊接設備散熱量、照明設備、加熱設備水槽 等。常見的濕氣來源：水槽或操作設備的潮濕表面、沿地面流動的熱水 表面的蒸發量、機器冷卻液的散濕量、燃料燃燒過程產生的水氣。由於 是直接和人體接觸，因此會影響到人體與外界環境的熱交換，也造成不 舒服的感覺。 (2) 身體產生的熱 體內產生熱量的來源是身體進行新陳代謝時產生的熱，細胞、組織、 器官等運作都會進行氧化作用，養分或葡萄糖燃燒的新陳代謝過程都會 產生熱，一般成年男性（體重 70Kg，體表面積 1.8m2）的基礎代謝量(休 息狀態下的新陳代謝量)為 1.5 Kcal/min，American Industrial Hygiene Association（AIHA）定義執行輕度工作時為 2.5～5 Kcal/min，中度工作 為 5～7.5 Kcal/min，重度工作則為 7.5～10 Kcal/min （AIHA, 1971）(8)， 因此一位執行中度工作的勞工一天工作 8 小時，則其工作期間的新陳代 謝量至少為 2400 Kcal，亦即每小時至少會產生 300 Kcal 的熱量。 2.1.1.2 人體與環境的熱交換 人體與環境間熱量的交換途徑包括：對流(Convection, C)、傳導 (Conduction, K)、輻射(Radiation, R)、蒸發(Evaporation, E)，簡易說明如 下： (1) 對流 對流是指皮膚表面的溫度與周圍空氣的溫度間，因溫度差而引發氣 5.
(24) 體流動，藉此達到移除體內熱量的過程，並且會受到與環境風速所影響， 若環境風速增加，熱量就能夠更迅速的排除。 (2) 傳導 傳導是發生於直接與皮膚接觸時熱得以傳遞的過程，熱量會先藉由 傳導傳遞到皮膚表面上極薄的一層空氣層中，再以對流或其他的方式逸 散到環境中。在穿著衣物的部分，熱量則是先傳導至衣物，再傳導到衣 物表面上的空氣薄層，若皮膚有與工作台或其他固體接觸時，也會發生 熱量的傳導，不過一般來說，傳導佔熱交換的量相當少。 (3) 輻射 熱的輻射不需靠介質，是直接以電磁波的方式傳遞出去的，當身體 表面溫度和周圍固體的表面溫度有差距時，就會有熱輻射傳遞，而其周 圍環境的熱交換量與皮膚表面溫度和環境的固體表面溫度的四次方差值 成正比的關係。 (4) 蒸發 熱量可以藉由皮膚表面水的蒸發而發散到周圍環境中，最常見的是 發生在汗腺分泌的汗水進行蒸發時的過程，蒸發量與皮膚表面的蒸氣分 壓和環境空氣的水蒸氣壓之差值成正比關係，空氣的水蒸氣壓小於皮膚 表面的蒸氣分壓時，汗水或皮膚表面的水氣可以順利蒸發。在濕熱環境 下，蒸發會受到環境中濕度的影響而限制水分蒸發的量，溼度上升時環 境中空氣的水蒸氣壓會增加，當等於或大於皮膚表面的蒸氣分壓時，皮 膚表面的汗水或水氣便會受壓力影響而不易蒸發。 人體在舒適的環境下，休息時會經會由呼吸道和皮膚散發水分，同 6.
(25) 時也會帶走熱量，此情況散發的水分約為 30 g/hr，熱量則佔基礎代謝量 約 25%。這種熱量的損失因不會造成體溫太大的變化，屬於不可感知熱 損，而傳導、對流、輻射造成的體溫變化較易感覺得出來，屬於可感知 熱傳遞。 (5) 熱蓄積（Heat storage, S） 熱量在體內的蓄積程度，亦為上述各個熱量在人體與環境中交換的 過程中，一定時間內存在人體內的熱量，其數學模式為 S = (M-W) ± C ± K ± R ± E，單位為 J/hour，其中 M 表身體產生的代謝熱量，W 為作業時對 外作的功，C、K、R、E 分別為人體與環境進行對流、傳導、輻射、蒸 發時所交換的熱量，若 S 值接近 0 表示感覺舒適，負值時感覺漸涼，正 值時感覺漸暖(9)。 2.1.1.3 熱環境對人體的影響 熱會改變人的生理狀況，但長久的暴露則會有適應性，而適應的快 慢與暴露熱的程度及持續時間有關，人體的體溫調節機制會因應做出適 當的反應。 2.1.1.3.1 人體對熱的反應 人體的體溫調節中樞在下視丘，當體內的熱產生速度大於散熱速度 時，就會對體溫的變化做出適當的反應，主要有三： (1) 增加血流量與心跳率 人體的皮膚是最主要的散熱區，身體產生的熱快速運送到皮膚的微 血管，才能立即的進行對流、傳導、蒸發等散熱方式，因此體溫上升時，. 7.
(26) 皮膚的血管會擴張以增加血液的循環速度，皮膚表面溫度增高也有助於 體內熱量的散發。當環境溫度低於皮膚溫度時，熱可以很順利的散發， 若環境溫度等於或大於皮膚溫度時，環境的熱量反而會藉此途徑快速的 傳到體內。 增加血流量時心跳率也會跟著上升，才能提供充足的循環速度，因 此心跳率可作為熱壓力的指標，同時也代表了濕熱環境、工作負荷、體 內溫度的上升的綜合影響。 (2) 出汗 當傳導、對流、增加血液流量等方式無法將多餘的熱量排除時，身 體便會增加流汗量，以大量的蒸發來帶走更多熱量，一公升的汗水蒸發 可帶走 500～600 Kcal 的熱量。汗水蒸發的過程會受到皮膚表面的水蒸氣 壓、風速、濕潤的體表面積所影響，若在潮濕的環境下，汗水的蒸發受 到限制，體溫調節機制則會激發更多汗腺，增加濕潤體表面積。 (3) 增加呼吸頻率 增加呼吸頻率可以呼出更多的水氣，將呼吸循環系統中及體內產生 的熱量帶走。 (4) 體溫（核心溫度） 一般正常人的體溫是 37±0.5℃，隨著時間的不同會有稍微的變化， 下午會高於清晨時的體溫，工作時會高於休息時的體溫，世界衛生組織 建議工作人員執行作業時體溫不應超過 38℃。 當身體散發的熱量小於獲得的量時，最直接的反應就是體溫的上. 8.
(27) 升，當上升到一臨界值時，可能會對體溫調節系統造成傷害，嚴重者甚 至會干擾散熱機制，降低流汗率，因此體溫可作為一個身體受到熱危害 的指標。 2.1.1.3.2 熱引發的疾病 當處於熱環境中身體的熱無法散發而蓄積在體內，且人體的生理反 應無法確實處理熱的蓄積時，可能會造成熱相關的疾病發生，主要的有(9)： (1) 熱衰竭（Heat exhaustion） ：血管擴張，心輸出血的血壓無法達到 要求，使得大腦皮質血液供應不足導致虛脫，主要是因環境悶熱、 濕度太高、不通風、出汗過多造成體內水分及鹽分不足導致。 (2) 失水（Dehydration） ：體內水分的流失使血液量減少，引起熱衰竭， 失水過多會導致細胞功能異常。 (3) 熱痙攣（Heat cramps） ：在高溫環境中大量流汗，使得身體的鹽分 降低，持續下去又補充大量水分時會使得體內電解質濃度不平 衡，引起肌肉的疼痛或痙攣等現象。 (4) 中暑（Heat stroke）：人體的體溫調節中樞因過度負荷而失常，無 法控制體溫，汗腺失去排汗功能等。 (5) 熱疹（Prickly heat） ：皮膚上的汗水若不易蒸發，使汗管阻塞、汗 腺發炎，皮膚上產生紅點紅疹。 2.1.1.3.3 對熱的忍耐力 (1) 熱適應 熱適應是指讓身體能夠習慣在熱環境下正常工作的生理調節效果。 一般健康人當初在熱環境下工作時，會有心跳加速和體溫升高等難以忍. 9.
(28) 受的狀況，但連續暴露在熱環境下幾天之後，身體調節機制會慢慢適應 而保持正常生理狀況，可以讓人回復到原本一般環境下的工作效率。 NIOSH(6)有對執行高溫作業的員工訂定熱適應的方法與規範，新進員 工都要有一週的熱適應期，第一天暴露到熱環境的時間為 50%，之後每 天增加 10%的工作時間，至少一週後身體便可適應這環境，至於長久沒 執行高溫作業的員工，超過 9 天以上皆需重新進行熱適應，第一天時間 為 50%，之後每天增加約 20%，重新適應所需要的日數較短。 (2) 熱適應的特徵： z. 工作時心跳速率不會明顯上升. z. 皮膚溫度和體溫（核心溫度)較低. z. 發汗速率增加. z. 蒸發效率增加. z. 汗水中含鹽分降低. (3) 對熱的忍受力 每個人對熱的忍受力皆不同，主要會受到生理狀況、工作負荷能力、 年齡、性別、體表面積與體重的比值、服用藥物習慣、生活習慣、熱適 應等影響。 2.1.1.4 熱環境指標 NIOSH 建議男性的工作環境勿超過 26.1℃的 WBGT、女性則為 24.4℃，若超過則要給予防護設施，並保持工作人員的體溫不超過 38℃。 表 2-1 為各著名研究機構對熱壓力的建議 WBGT 值(10)，表 2-2 為 ACGIH 對高熱環境的建議工作-休息時間比(11)，兩表皆適用於已有熱適應的人。 10.
(29) 表 2-1 相關機構對熱壓力的建議溫度允許暴露值（℃，WBGT） Work Load. ACGIH. AIHA. OSHA. ISO. NIOSH. 我國(11). 33 (≦1.67). Resting (Kcal/min). 32.2 (1.67). Light (Kcal/min). 30 30 (1.67~3.33) (3.33). 30.0A, 32.2B 30 30 (<3.33) (1.67~3.35) (<3.33). 30.6 (<3.33). Moderate (Kcal/min). 26.7 26.7 (3.35~5.83) (5.00). 27.8A, 30.6B 28 28 (3.35~5) (3.35~5.17) (3.35~5). 28.0 (3.33~5.83). 26 25.9 26.1A, 28.9B 25 A, 26B (>5.02) (5.17~6.72) (5.02~6.67) (>5.83). Heavy (Kcal/min) Very Heavy (Kcal/min). 23A, 25B (>6.72). 25 (5.83~8.33). 25 (6.68~8.33). A. Low velocity, BHigh velocity. 出處：AIHA, 2003(10). 表 2-2 American Conference of Industrial Hygienists（ACGIH）規定熱暴露 下溫度之 TLV 值（℃，WBGT) Work-Rest regimen 75%work50%work25%workWork Load Continuous 25% rest, 50% rest, 75% rest, work each hr. each hr. each hr. Light (≦4.16 Kcal/min). 27.5. 30.5. 31.5. 32.5. Moderate (4.16~5.74 Kcal/min). 27.5. 28.5. 29.5. 31. Heavy (5.74~7.46 Kcal/min). 26. 27.5. 28.5. 30. 27.5. 29.5. Very Heavy (＞7.46 Kcal/min). 出處：ACGIH, 2006(12). 11.
(30) 2.1.2 呼吸防護具造成的影響 呼吸防護具初期原是用於控制職業病，NIOSH 在 1970 年建議可以用 來防止環境空氣造成的危害。 2.1.2.1 呼吸防護具的種類 以下參考 NIOSH(13)之文獻整理說明。呼吸防護具以配戴面罩時的密合 面（inlet covering）之構造為依據，可分為密閉式（tight-fitting）與寬鬆 式（loose-fitting）兩種，此二種不同構造與使用時呼吸空氣之來源有關， 因而通常被分別對應到淨氣式呼吸防護具（air-purifying respirators）與供 氣式呼吸防護具（atmosphere supplying respirators） ，其中淨氣式呼吸防護 具大多為密閉式，而供氣式呼吸防護具則大多為寬鬆式；密閉淨氣式呼 吸防護具包含淨氣單元（air-purifying element）與面罩（facepiece）兩部 分，依據其淨氣單元所過濾危害物型式不同，可分類為： (1) 使用過濾器（filter）來過濾粉塵（dust）、煙霧（fume）、及（或） 霧滴之粒狀物過濾呼吸防護具（particulate filtering respirators） (2) 使用濾毒罐（canister/cartridge）來去除有害蒸氣和氣體之蒸氣與 氣體脫附呼吸防護具（vapor and gas removing respirators） 。 密閉淨氣式呼吸防護具所使用之面罩依據其包覆範圍可分為僅罩住 口和鼻之四分面罩（quarter-mask） 、包覆範圍從鼻子到下巴之半面式面罩 （half-mask）與覆蓋的範圍大約從頭部髮際線到下巴以下之全面式面罩 （full-facepiece）（圖 2-1 至 2-3） ，此外為了降低使用密閉淨氣式呼吸防 護具之呼吸阻力（breathing resistance） ，亦有一類動力淨氣式呼吸防護具 （powered air-purifying respirator），它是用一個抽氣機將汙染的空氣經由 過濾裝置移除有毒物質，並將過濾後的空氣送至面罩內，但其面罩通常 12.
(31) 為寬鬆式（圖 2-4） 。 本研究所針對之呼吸防護具係以一般工業最常用之濾毒罐式面罩與 N95 口罩為主，此兩種面罩均屬非動力（non-powered）密閉淨氣式呼吸 防護具，其中濾毒罐式面罩罩體包含全面式、半面式與四分面罩。N95 口罩之 N 表示為非油性顆粒，95 代表其過濾的效能為 95%，因此 N95 表示其可以過濾非油性顆粒效能達 95%，另外有兩種 R 與 P 系列口罩， 可過濾油性顆粒(2)，其中 R 級的防護油性顆粒的效能僅八小時，而 P 級 則無此限制，但要視使用場合而定。N95 口罩是屬於非動力密閉淨氣式 四分面罩一種，其面罩罩體本身即為淨氣單元，其過濾對象為非油性顆 粒，因此亦屬於粒狀物過濾呼吸防護具，而 N95 口罩除了防塵之外，也 可以作為醫護人員防護肺結核及嚴重急性呼吸道症候群（SARS）感染之 防護，因此是很常被使用的呼吸防護具。. 13.
(32) 圖 2-1 四分面罩（Quarter-mask） 圖 2-2 半罩式面罩（half-mask）. 圖 2-3 全罩式面罩（full-facepiece）. 圖 2-4 寬鬆式（Loose-Fitting）. 圖片出自 NIOSH guide to Industrial respiratory protection(13). 14.
(33) 2.1.2.2 呼吸防護具相關法規 NIOSH(2) 對呼吸防護具的研發與使用提出了對人體適合的呼吸阻 力，以流量為 85±2 L/min 時的呼吸阻力值定為標準，如下表 2-3 所示，。 此處的建議值適用所有 N、P、R 之口罩，其中吐氣阻力比吸氣阻力低是 考量到人在進行吐氣時，體內肺臟的壓力會大於體外壓力，為了減少吐 出時負擔呼吸防護具給予的額外阻力，故將呼氣的阻力訂得較低。 表 2-3 NIOSH 針對 N、P、R 之口罩之吸氣與吐氣阻力規定 Resistance at flow rate = 85±2 L/min 35 mmH2O 25 mmH2O. 吸氣阻力(Inhalation resistance) 吐氣阻力(exhalation resistance). 本研究有對全罩式面罩與不同形式 N95 口罩之呼吸阻力作比較，實 驗所用的呼吸防護具之吸氣與吐氣阻力關係在第三章有列入實驗前的基 本量測中，並在第四章第一節呈現結果，與上述 NIOSH 訂定的吸氣及吐 氣壓力規定值比較，研究使用的呼吸防護具皆合乎規定。 2.1.2.3 呼吸防護具導致的生理負荷與主觀不適對使用者配戴情形的影響 Louhevaara(14)在 1984 年針對呼吸防護具發表的綜合回顧研究指出， 使用者不願配戴呼吸防護具的原因有三大類，包括(1)配戴時因為呼吸阻 力（breathing resistance） 、無效腔（dead space）及防護具本身重量所增加 之生理負荷，與(2)使用者本身相關之心理因子（包含主觀不適），及(3) 因環境與防護具本身所造成之熱負荷（thermo stress） ，分別說明如下： 2.1.2.3.1 主要造成生理負荷之因子. 15.
(34) 第一類主要是來自呼吸防護具本身的物理特性所引起，說明如下： (1) 額外吸氣/吐氣阻力 呼吸阻力（R）是指人在呼吸時，氣體流動造成的壓差（Δp）和單位 時間內氣體的流量（f）之比值，即 R=Δp/f(15)，使用呼吸防護具時，吸氣 時罩體內壓差為負值，吐氣時為正值，而單位時間流量與壓差呈正相關， 單位時間內流量越大，流動造成的壓差越大，隨著氣體流量的增加，呼 吸阻力越大時，其罩體內的壓力增加的越快(16)，但不是呈線性相關(16,. 17,. 18). ，所以一般呼吸防護具有標示呼吸阻力時，通常也有對應的氣體流量。 配戴防護具所產生的呼吸阻力是造成生理負荷增加的主因，亦為以. 往研究呼吸防護具之生理負荷評估最多的因子(16, 17, 22, 23, 24)，一般成年人 配戴呼吸防護具時的呼吸阻力約在 0.6 至 2.3 cmH2O×sec/liter(19)，而當呼 吸阻力在休息時達到正常呼吸阻力的 3 倍時，會有呼吸困難（dyspnea） 之現象(19)。 為了能評估出呼吸阻力對生理負荷增加之影響，以往研究大多以濾 毒罐式之呼吸防護具為主，並對濾毒罐之呼吸阻力加以改變（通常以改 變進氣口徑之方式）以評估其影響，而且大多以吸入的呼吸阻力 （inspiratory resistance)為主，呼氣時由於防護具大多設置低阻力之單向出 氣閥，影響較低而較少被評估，重要相關研究中所採用的呼吸阻力範圍 在 0.3 至 84.7 cmH2O×sec/liter，參閱表 2-1，其中 Heus(15)與 Johnson(16)等 人研究為採用改造之進氣單元，故能評估較高之吸氣阻力影響，而 Sulotto(21)，Jetté(22)與 Lerman(23)等人之研究為採用非改造之進氣單元，其 吸氣阻力在 0.3 到 4.6 cmH2O×sec/liter 間。. 16.
(35) 表 2-4 重要相關研究之設定條件 吸入阻力 (cmH2O s l-1) 2.45 – 84.7A. 受試者. 實驗作業負荷. 人數/性別 年紀（歲） Maximum. Reference. 9 位男性. 32±9.5. Heus(15)等，2004. 6男6女. 25.2±4.9. Johnson(16)等，. performance test 0.78 – 7.64. 80 to 85% of max VO2 to. 1999. voluntary stop 4.2B. Progressive. 30 位男性 25(23-46). exercise to 90%. Sulotto(21)等， 1993. max heart rate 2.49 – 3.44C. Treadmill test to 12 位男性 23±3. Jetté(22)等，1990. exhaustion 0.3 – 4.6. 80% max VO2. 20 位. 19. Lerman(23)等， 1983. A. 數據經過換算，0.24 至 8.3 kPa s/L，1kpa = 10.2 cmH2O 由文獻提供之圖計算所得（35 mmH2O at 50 L/min） C 數據經過換算，0.13 至 0.18 kPa at 32 L/min 資料來源：本研究整理 B. 評估呼吸阻力造成生理負荷時常用的生理指標如表 2-2 所示，Heus 等(15)之研究發現呼吸阻力增加時，TTE 顯著下降，VO2、VCO2、VE 與 BF 並無顯著改變。Johnson 等 (16) 發現呼吸阻力增加會導致過度換氣 (hyperventilateion)之現象，TTE 顯著下降，以及顯著較低的 VE 與 VO2， Sulotto 等(21)之研究指出呼吸阻力增加時，BF、VE、VO2、VCO2、VO2max 會顯著下降，HR 則無顯著改變。Jetté 等(22)之研究因比較的呼吸阻力差異 較小，因此呼吸阻力增加時，包括 TTE、VO2max 與 HR 等均無顯著差異。 Lerman(23)等之研究發現呼吸阻力增加時，TTE、HR 與 VT 下降，PIP 則會 17.
(36) 上升。 表 2-5 評估呼吸阻力造成生理負荷時常用的生理指標 生理負荷指標 z. 定義說明. VO2：氧氣消耗量. 指人體活動消耗氧氣的量，單位為 L/min 或. (Oxygen Consumption). ml/min。通常實驗測量呼吸生理負荷會測量受 測者在休息的耗氧量及運動時的耗氧量，以比 較運動過程中是否有顯著變化。. z. z. VO2max：最大氧氣消耗 劇烈運動時，人體能夠攝取氧氣最大的量，這 量 (Maximal Oxygen. 時氧氣的消耗量不會再增加，單位為 L/min。. Consumption). 一般人體最大的耗氧量為 4.6L/min。. VCO2：二氧化碳產生量 指人體活動時每分鐘產生二氧化碳的量，單位 (Carbon Dioxide. 為 L/min。. Production) z. VE：分通氣量 (Minute 每分鐘呼吸的氣體容積量，單位為 L/min。 Ventilation). z. z. z. HR：工作時心跳. 在執行作業時的心跳頻率，單位為 bpm (Beat. (Working Pulse). per minute, beat/min)。. WP：工作心跳 (Work. 因為執行工作而增加的心跳，將工作時心跳減. Pulse). 去休息時心跳即為工作心跳，單位為 bpm。. BF：呼吸頻率. 呼吸的頻率，單位為 cycle/min。. (Breathing Frequency) z. PIP：吸氣壓力 (Peak. 吸氣時面罩內的壓力，單位為 mmH2O。. Inspiratory Pressure) z. PEP：吐氣壓力 (Peak. 吐氣時面罩內的壓力，單位為 mmH2O。. Expiratory Pressure). 18.
(37) 生理負荷指標 z. 定義說明. PIP/PEP：呼吸時面罩內 呼氣或吸氣時面罩內之最大壓力。 之最大壓力 (Peak Inspiratory / Expiratory Pressure). z. Dead space：無效腔. 在本研究中指在呼吸防護具內無法進行氣體 交換的空間。. z. RE：呼吸當量. 由 VO2 及 VCO2 計算所得，其計算公式為. (Respiratory Equivalent) VCO2/VO2，意義為每消耗每一公升的氧氣產 生二氧化碳的量。 z. z. TTE：放棄時間 (Time 受測者從開始做負荷運動到最後覺得體力透 to Exhaustion). 支，無法繼續並停止，所持續的時間。. EQv：通氣當量. 由分通氣量及氧消耗量計算所得，其計算公式. (Ventilatory Equivalent) 為： EQv = VE/VO2，意義為每消耗一公升的 氧氣需要的分通氣量 z. z. VT：潮氣容積 (Tidal. 每次呼氣或吸氣時的容積，通常是測量一段時. Volume). 間（如 1 分鐘）內的通氣量除以呼吸次數得出. SO2：血氧飽和度. 血紅素含氧的飽和度，測量方式分侵入式和非. (Oxygen Saturation). 侵入式，其中以侵入式的較為準確，而非侵入 式的是利用紅外線穿透血管組織，偵測波長衰 減的改變量來得知血液中氧氣的飽和度。. (2) 無效腔 無效腔指呼吸過程中吸入之氣體無法到達肺泡以進行氣體交換之空 19.
(38) 間，在人體的氣管與肺部也有無效腔的存在。這些無效腔所囤積的氣體， 有較高濃度的二氧化碳及較低濃度的氧氣，因此當我們呼吸時，所吸入 的空氣為吸入的空氣再加上無效腔內的氣體混合，所需的氧濃度會被無 效腔中的二氧化碳所稀釋。因此無效腔不但會減少可吸入的氣體體積， 還會減少可利用的氧氣濃度。呼吸防護具依其罩體特性（大小、有無內 罩） ，會增加無效腔的體積，因為二氧化碳會無法完全排出，所以下次呼 吸時也會跟著被吸入，造成氧氣濃度變小，二氧化碳濃度提高，進而影 響到人體，使得吸氣較困難、工作的執行能力降低等，因此呼吸防護具 的無效腔體積越大，配戴者每次的呼吸分通氣量也越大，呼吸壓力也有 增加的趨勢、呼吸時間縮短，但在工作時心跳的部分則不明顯(14, 24)。 (3) 防護具重量 與供氣式的呼吸防護具比起來，如自攜式呼吸防護具（Self-contained breathing apparatus, SCBA）重量在 10 到 15 公斤左右，本研究針對的非 動力密閉淨氣式之呼吸防護具，重量輕了許多，但仍會在 N95 和全面式 面罩的配戴上進行主觀不適的重量影響與評估。 2.1.2.3.2 心理 Morgan(25,26)在 1983 年針對配戴呼吸防護具的心理問題進行詳細之回 顧 ， 其 研 究 指 出 雖 然 有 關 配 戴 呼 吸 防 護 具 之 主 觀 不 適 （ subjective discomfort）缺乏系統性之研究，但幾乎相關研究均同意配戴呼吸防護具 時之主觀不適對使用者之配戴行為具有關鍵性影響，研究指出會受到使 用者之個人心理特質（Psychological charactistics）所影響，這些特質包括 性別外向性（extroversion） 、神經質（neuroticism） 、焦慮（anxiety）與憂 鬱（depression）所影響。. 20.
(39) Bently(18)之研究中利用心理生理問項(psycholophysical category scale) 來評估主觀生理指標與主觀不適之關連性，其研究發現受測者對配戴呼 吸防護具之主觀不適主要受到吸氣時面罩內壓力（PIP）之影響，並建議 若 PIP 低於 17cmH2O 時，90%使用者不會感受到主觀不適。 2.1.2.3.3 熱負荷 在濕熱環境下工作，會使得人體的生理負荷增加，相關研究指出 (James, 1984)(27)，高溫 43.3°C 相較於常溫 25°C 之下，使用者配戴全罩式 呼吸防護具相較於未配戴呼吸防護具，其工作心跳平均每分鐘增加 8.4 bpm（低工作負荷）到 21.4 bpm（高工作負荷） ，而口腔溫度平均上升 0.4 （低工作負荷）至 2.3 ℉（高工作負荷） 。在配戴供氣式面罩時，主觀的 可接受程度是由環境溫度決定，但會受到口罩內溫濕度而的影響，潮濕 的空氣會降低面罩的可接受程度（Nielsen, 1987）(28)。本計畫先前研究也 發現，N95 在配戴時口罩內溫度是造成主觀不適的主要來源。 第二節 濕熱環境與呼吸防護具的文獻回顧 2.2.1 濕熱環境下的生理負荷 Chompusakdi(5)等研究在不同溫度、濕度、風速、輻射熱下執行 6 種 負荷的腳踏車測功儀作業，每次實驗時間 45 分鐘，所消耗的能量為 200 Kcal/hr，約為輕度至中度作業之間，並將生理指標與 11 種熱壓力指數作 相關性統計，結果發現數據型式的熱壓力指數與平均皮膚溫度有極佳的 關連性，而百分比型式的熱壓力指數與心跳率和流汗率有極佳的關連 性。研究者提出 WGT（The Wet Globe Temperature）和 CET（The Corrected Effective Temperature）是用來初步調查工作場所內濕熱環境最好的指標。. 21.
(40) 2.2.2 濕熱環境下配戴呼吸防護具導致的生理負荷 James 等（1984）(27)研究在環境溫度為 25℃和 43. 3℃下，配戴供氣 式全面式面罩、半面式面罩和無配戴面罩執行負荷為 58W 和 116W 的跑 步機測功儀 1 小時的實驗，，結果發現配戴全面式面罩時會顯著增加心 跳、分通氣量、耗氧量、新陳代謝率、口腔內溫度，並且在執行輕度和 重度工作時，在熱環境下配戴呼吸防護具時對熱的忍受力會顯著下降， 尤其以全面式面罩更明顯，研究者認為降低其無效腔可以改善此情況， 並建議應該增加休息次數或限制工作時間，以減少工作者的生理負荷。 Nielsen 等（1987）(28)研究在溫度為 7、16、25℃的環境下配戴主動 供氣式口罩，執行次最大耗氧量的踩踏腳踏車測功儀 15 分鐘的實驗，供 氣口罩能提供受者試呼吸的空氣，提供之溫度為 22、27、33℃，濕度為 61%和 86%，以問卷的主觀可接受程度作為評估。結果發現，在溫暖的 環境下，提供的空氣溫度小於 27℃為完全可接受，在較冷的環境下，提 供的空氣溫度大於 27℃為完全可接受，至於濕度方面，提供溫暖且潮濕 的空氣會降低面罩的可接受程度。 Johnson 等（1997）(29)研究在溫濕度為 35℃及 90%的環境下，配戴全 面式面罩靜坐 90 分鐘並量測出汗率的實驗，，結果發現臉部、頭部和頸 部會產生 0.203 g/min 的汗水，其中以頸部最多，且男性高於女性，實驗 結束後臉部皮膚溫度上升 2℃，研究者推論此上升可能是由於面罩的不舒 服所引起的。 Chongvisal（1980）(7)研究在溫度為 27℃和 43℃的環境下，配戴全面 式面罩、半面式面罩和研究者設計的面罩，執行固定負荷（300Kcal/hr） 的腳踏車測功儀踩踏作業。結果發現在 27℃時，任何面罩都不會顯著增. 22.
(41) 加心跳和核心溫度，而在 43℃時，配戴全面式面罩與無配戴面罩比較起 來，心跳與核心溫度都有顯著的增加（心跳為 11 bpm，核心溫度為 0.06℃） ，作者還有比較 WBGT 與心跳的關係，對於 OHSA（Occupational Safety and Health Administration）建議在中度工作時的 WBGT 連續工作容 許值 28℃應該在配戴呼吸防護具時降低，以維持原本未配戴防護具時的 心跳，配戴半面式面罩的工作時應降低成 27.3℃，全面式面罩則為 26.8℃。而在主觀不適方面，高溫時的不舒服程度比一般溫度高，且三種 面罩中以全面式面罩的不舒服程度最高，主要造成主觀不適的因子為呼 吸防護具引起的悶熱、流汗、搔癢感。. 23.
(42) 第三節 研究流程 本研究之流程如圖 2-5 所示。. 文獻回顧與先期測試 基本評估儀器設備與實 驗作業流程之設置 整理有關溫濕環境的文獻 並設定適合模擬實驗的環 境參數. 測量實驗所需面罩之呼 吸阻力. 進行先前實驗以設定及量測下列參數： 1.設定客觀生理指標紀錄方式 2.確認環境參數及 WGBT 值量測 （一天） 量測受測者的最大耗氧量等. 基本資料 （四天）. （四天）. 實驗一 全面式面罩在濕熱環境 下生理指標與主觀不適 評估實驗. 間隔一個月. 實驗二 無閥與有閥之 N95 口罩 在濕熱環境下生理負荷 與主觀不適評估實驗. 分析結果與探討 結論與建議 圖 2-5 計畫研究流程圖. 24.
(43) 第三章 研究方法 第一節 實驗對象 本研究找尋大專以上男性學生參與，實驗一與實驗二皆為 16 人，有 11 人重複，皆確認無心肺功能相關疾病史，無經過熱適應，且無抽煙習 慣方予以參加。實驗開始前會先與受測者講解實驗過程，並讓受測者詳 讀受測者同意書，簽完名才開始實驗。本實驗內容通過本校中國醫藥大 學學術研究人權維護審查（如附錄六、七），並予以受試者補助津貼。 表 3-1 實驗一受試者基本資料（n= 16）. Age (years). 實驗一 mean±S.D Range 22±3 20.0~28.0. 實驗二 mean±S.D Range 22±2.0 20.0~27.0. Height (m). 1.7±0.1. 1.7~1.8. 1.7±0.0. 1.7~1.8. Weight (Kg). 70.7±11.4. 57.2~91.5. 73.5±12.7. 58.9~101.9. BMI (Kg/m2). 23.7±3.6. 19.0~33.6. 24.3±3.8. 19.5~34.0. VO2max (L/min). 2.7±0.6. 1.2~4.2. 2.7±0.4. 2.1~3.3. HRmax (bpm) VC (L). 170.1±13.8 145.1~187.1 4.0±0.7. 2.9~5.0. 165.6±14.2 139.9~183.0 3.8±0.7. 2.0~4.7. 第二節 實驗儀器設備與量測方法 3.2.1 呼吸防護具 本實驗分為兩部分，實驗一為全面式面罩在濕熱環境下造成生理負 荷與主觀不適之影響評估，使用之面罩分為實驗組和對照組，實驗組為 一全面式面罩，對照組為一低吸氣與吐氣阻力之四分面罩，以下簡稱對 照面罩。實驗二為無閥和有閥 N95 口罩在濕熱環境下造成生理負荷與主 25.
(44) 觀不適之影響評估，使用之面罩即為無閥 N95 口罩和有閥 N95 口罩。 實驗一的全面式面罩是使用 MSA（USA）製造之 Advantage 3000 Full Face Respirator 全面式面罩（簡稱 RF），如圖 3-2，型號為 Adv 3000，其 無效腔體積為 800ml，搭配化學濾毒罐使用，濾毒罐名稱為 GMA 有機， 型號為 815355。對照面罩（簡稱 RC）為 ADInstruments 公司（Australia） 設計之呼吸實驗套組中的 Face mask，型號為 MLA1028，如圖 3-1，針對 呼吸生理方面的研究所設計，主要是用以採集呼出氣體，具有單向閥的 構造，可用來分隔吸氣與吐氣的出入口，以便在出口收集氣體進行分析， 無任何過濾功能，在本實驗中視為未配戴呼吸防護具的狀態，但須注意 的是，無論面罩型式為何，只要配戴上去就相對於多了異物，面罩的無 效腔也會增加人的進氣量、分通氣量(13)，且為了讓面罩密合於臉部，會 調整後方鬆緊帶，對受試者可能會造成頭部的緊繃感，因此配戴對照面 罩時仍會造成一定的負荷，但相較於全面式面罩來說，應接近於未配戴 任何面罩之情況。 實驗二是使用 3M 公司（USA）生產的無閥 N95 船型折疊式口罩與 有閥 N95 船型折疊式口罩進行實驗，如圖 3-3 與 3-4，以下簡稱為無閥 N95 口罩（簡稱 RNV）和有閥 N95 口罩（簡稱 RWV） ，無閥 N95 口罩型 號為 9210，有閥 N95 口罩型號為 9211，面體是摺疊式，需完全撐開才能 正確使用，兩種面罩撐開後的容積是相同的，量得的無效腔體積均為 220ml。. 26.
(45) 實驗一. 圖 3-1 對照面罩（RC）圖 3-2 全罩式面罩（RF）. 實驗二. 圖 3-3 無閥 N95 口罩 （RNV）. 圖 3-4 有閥 N95 口罩 （RNV）. 3.2.2 呼吸生理訊號分析儀與量測方法 本實驗紀錄之儀器記錄主機為 ADInstruments 公司所設計之生理訊號 記錄器（Power Lab System），如圖 3-5 所示，型號為 ML795，儀器設定 的採樣頻率全部皆為每秒 1000 筆數據，此主機接收本實驗所測量之各種 數據，並輸出至軟體 Chart 5.0，以將原始數據做進一步分析。. 27.
(46) 圖 3-5 生理訊號接收放大器. 圖 3-6 上為流量計 下為氣體分析儀. 吐氣氣體是使用 ADInstruments 公司所生產之氣體分析儀來進行分 析，如圖 3-6，其包括氣體分析儀及呼吸流量計兩部份，氣體分析儀（Gas Analiser）型號為 ML206，呼吸流量計（Spirometer）型號為 ML141。氣 體分析儀用來分析受測者所吐出氣體中氧氣及二氧化碳的濃度，氣體分 析儀對二氧化碳的偵測極限為 10%，因此若氣體中的二氧化碳濃度超過 10%，便無法偵測其正確濃度；呼吸流量計所量測單位為 L/s，量測的範 圍最高為 1000 L/s。 收集分析氣體之前，為使分析數據精確，每使用 48 小時即校正一次。 校正的方法是採用兩點校正法。準備兩種標準氣體，一為標準大氣：氧 氣濃度為 20.93%，二氧化碳濃度為 0.03%；另一氣體為標準校正氣體分 析儀之氣體，氧氣濃度為 16.08%，二氧化碳濃度為 4.12%。校正時讓儀 器分別抽取上述兩種校正氣體並分析讀取此濃度時的電壓值，於校正後 輸入相對應的電壓轉換，並再度測試其讀取分析的濃度是否正確。需注 意氣體分析儀在校正時，應避免鋼瓶中的氣體氣流直接衝擊於氣體抽取 孔，避免氧氣及二氧化碳濃度會因為流量產生的壓力而失真。 氣體分析的部份是將受測者所吐出的氣體經由軟管導至氣體混合筒. 28.
(47) （Mixchamber）中，再由氣體混合筒中抽取氣體至氣體分析儀中分析， 在分析的過程中，因空氣中會有雜質，且人體呼出的氣體有水氣，為氣 體分析儀器之準確性，在進氣孔處需接上過濾之濾紙及乾燥劑，以確保 儀器不會因為空氣中的雜質及溼氣，降低儀器的敏感度。 3.2.3 腳踏車測功儀 本實驗模擬工作負荷之測功計為 Lode B.V.公司（Netherlands）所生產 之腳踏車測功儀 Lode Corival Ergometer V2，如圖 3-7 所示，其最大可以 負荷之重量為 160kg；阻力的設定可由 0 至 999 W (瓦特)，精確度在 100 W 以下小於 3 W，100 至 500W 時小於 3%，大於 500 W 時小於 5%；踏板 轉速可由 0 至 180 rpm(轉)。當踏板轉速小於 25 rpm 時，阻力將會歸零； 踏板轉速達 30 rpm 以上時，才會達到所設定的阻力。面板可以顯示當時 的轉速及設定的阻力(瓦特數)，阻力設定的方式為手動調整，一次增加 1 W。. 圖 3-7 腳踏車測功儀(ergometer). 29.
(48) 3.2.4 暴露艙 為了模擬一穩定的濕熱環境，受試者執行工作負荷時均在本系的暴 露艙進行實驗，如圖 3-8，該暴露艙之設定溫度範圍可從 20℃至 40℃， 精確度為±0.5℃，相對濕度範圍可由 40%至 90%，精確度為±5%。. 圖 3-8 暴露艙，左圖為暴露艙內部，右圖為溫濕度控制台. 3.2.5 配戴呼吸防護具之耗氧量量測方法 本實驗為量測配戴呼吸防護具時之耗氧量，特別針對所使用全面式 面罩及 3M 有閥之 N95 口罩自行開發轉接頭（圖 3-9、3-10)。在實驗開始 前將轉接頭固定至全面式面罩及 N95 有閥口罩之出氣閥，並利用熱熔膠 加以密合，再經由軟管導至氣體混合筒中，即可由此偵測並分析所吐出 之氣體及吐氣流量。其中全面式面罩因為完全密閉狀態，因此所測得之 耗氧量即為受測者配戴時執行作業之準確耗氧量，而 N95 口罩因吐出之 氣體仍可由其面體逸出，因此由出氣閥所測得之吐氣流量會較低，因而 可能會低估配戴時執行作業之耗氧量。. 30.
(49) 圖 3-9 全罩式面罩轉接頭. 圖 3-10 N95 口罩轉接頭. 3.2.6 ECG 心跳量測方法 本研究是使用 ECG 心電圖計算心跳。需以電極貼片接收心肌電位的 變化，電極貼片依黏貼位置可分為肢導及胸導兩種：(1) 肢導是將電極貼 片貼在左右手腕及右腳踝等三個地方，其中左手腕連接至電極正極，右 手腕連接至電極負極，而有腳踝的部分則是連接地線；(2) 胸導是將電極 貼片貼在左胸倒數第三根肋骨、右邊鎖骨下方以及肩膀處，其中左邊肋 骨是接至電極正極，右邊鎖骨下方接至電極負極，肩膀後方之肩胛肌則 是連接地線，如圖 3-11，Ｇ為接地線。因本實驗需踩踏腳踏車模擬工作 負荷，因此選擇干擾較小的胸導，因其電極貼片所黏貼的部位極少有肌 肉參與運動，因此造成的干擾最小，若是使用肢導則易因肢體擺動，增 加干擾，影響數據之準確性。 量測 ECG 時，訊號需經由生理訊號放大器 Dual Bio Amp 進行接收與 放大，生理訊號放大器為 ADInstruments 製造，型號為 ML135，如圖 3-12， 設定其最大採樣範圍為 10mV，高低濾波分別為 3Hz 及 500Hz，並設定在 60Hz 做記號。電極貼片的黏貼皆由受過訓練的實驗人員執行，黏貼前先 以酒精棉片擦拭黏貼處，去除皮膚表面的油脂或皮屑，以免干擾電位傳 遞，並減少記錄時的雜訊。. 31.
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