日本ヒートアイランド学会論文集 Vol.18 (2024)

学術論文

Journal of Heat Island Institute International Vol.18 (2024)

暑熱環境下における運動後の超低温冷却の有効性
EFFECT OF CRYO-STIMULATION AFTER EXERCISE IN A HOT ENVIRONMENT ON THE
CARDIOVASCULAR SYSTEM AND THERMOREGULATION
金谷和幸*1，河端 隆志*1

Kazuyuki KANATANI*1, Takashi KAWABATA*1
関西大学大学院人間健康研究科 Laboratory of Environmental Physiology for Exercise, Graduate School of Healthand Well-being, Kansai University, Japan*1

Corresponding author: Takashi KAWABATA, E-mail :takakaw@kansai-u.ac.jp
ABSTRACTThe aim of the present study was to examine the effect of cryo-stimulation after exercise in a hot environment. The subjects
completed a submaximal (70% Vo₂max) constant-load exercise test for 30 min in a hot environment (Ta35°C, RH60%). After
exercise, four experimental conditions were set: no cooling (CNT), whole-body cryo-stimulation (WBC) and lower limb
cryo-stimulation (LLC) using a cryo-bath at -120°C, plantar cryo-stimulation (PC) using an ice pack at -55°C for 2 min. There wasa significant decrease in esophageal temperature, heart rate, muscle (thigh) temperature and forearm blood flow, and thermal
sensation and a significant increase stork volume in after cryo-stimulation compared to CON. Skin temperature decreased
significantly in WB and LL. After exercise cryo-stimulation cooled the skin, which caused vasoconstriction, and the flow of cooled
blood from periphery to center, resulting in a decrease in core temperature. Two minutes of cryo-stimulation also reduced heatstress after exercise in a hot environment, suggesting the effectiveness of cryo-stimulation after exercise in a hot environment.
キーワード:全身超低温刺激,下肢超低温刺激,足底部超低温刺激,体温調節機能，熱中症
Key Words : Whole-body cryo-stimulation, Lower limb cryo-stimulation, Plantar cryo-stimulation, Thermoregulation, Heat stroke

１． 緒言

医療行為として利用されることが多く,世界で初めて低温療法が使用されたのは,1970 年代の日本であった.山内は,慢性関節リウマチ膝関節に対し,氷嚢や冷湿布薬,温浴の寒冷療法,温熱療法など様々な方法と効果を比較し,-18℃での冷凍マッサージが優れていることを報告した(12).
高体温の状態から冷却することによって深部体温,皮膚および筋肉の温度を速やかに低下させることで身体へのストレスを軽減することが報告されている(13)(14)(15).冷却温度が低ければ素早く体温を低下させることが可能であり,超低温の空気によって身体を瞬時に冷却することは高体温状態からの回復を促進させる.超低温の冷却機能を使用することは近年の気温上昇による熱中症患者の増加予防のための有効な手段ではないかと考えられる.
そこで本研究では,cryo-stimulation(超低温刺激)を使用し,暑熱環境下での運動直後の高体温状態から全身,下肢および足底部への超低温冷却の有効性について運動環境生理学的視点から明らかとすることを目的とした.本研究では,自転車運動による活動筋の熱放散のため,活動筋への冷却として下肢冷却,末梢の動静脈吻合(AVA)を冷却し(13),下肢の血液を冷却するため足底部冷却を行った.

地球温暖化により猛暑日の発生や熱波の頻度が増加傾向にあり,暑熱環境の悪化が進んでいる.地球規模でみても年平均気温は上昇しており,日本でも上昇している (1)(2).都市部などの人口密集地域では,地表面被覆の人工化や人工排熱が原因となり都市部の気温が郊外に比べて上昇するヒートアイランド現象が起こっている.
こういったことを背景に,日常生活,スポーツ活動中,労働現場など様々なところで熱中症の発生件数が増加傾向にあり社会問題となっている(3).総務省消防庁によると,2023 年 7~9月の間に全国で熱中症により救急搬送された者は 80577 名で,この内 107 名の死亡が報告されている(4).
人は暑熱環境への暴露により深部体温が上昇すると,血管を拡張し皮膚血流を増加させ発汗によって体外への熱放散を促進させる.しかし,熱放散がうまくいかず過度に体温が上昇
すると生命維持に支障をきたし,熱中症や死の危険を伴う.また,労働や運動など身体活動中であるとさらに体温上昇は促進され,より一層の熱中症への注意が必要である(5)(6)(7)(8).そのため,こまめな水分補給や身体冷却によって体温を下げることが重要となってくる.身体冷却の手法としてはシャワーや冷水浴,氷嚢や冷却タオルを用いて全身や体の一部を冷却する方法が用いられている(9)(10).
近年,日本のみならず世界的に全身冷却療法(Whole-bodycryotherapy)という冷却療法が注目されてきている.Whole-body cryotherapy は,特別に設計されたチャンバーまたはキャビンのいずれかで,身体を最小限の服を着たまま超低温の空気(-130~-100℃)にさらす(11)ことで体温を急速に低下させ炎症や筋肉の痛みを軽減する.そのため, Whole-body cryotherapy は２． 方法
2.1 被験者
被験者は定期的に運動を行っている健常な成人 6 名(男性 5名，女性 1 名，年齢:24±2 歳，身長:175.5±4cm，体重:71.3±5.8kg)を対象とした.男女を含めたヒトとして測定を行った.性差間については議論していない.被験者には,まず本実験の趣旨および内容などを十分説明し,同意を得たものについて被験者とした.女性の被験者は月経周期の影響を受けないよう1周期(卵胞期)を統一し,卵胞期と黄体期の間に生じる体温調節の違いを制御した(16).
実験に先立ち,実験時の被験者への運動強度を決定するた
めに,プレテストとして人工気候室(Ta25℃, RH40%)にて最大酸素摂取量(VO2max)の測定を行った.

い,1:やや暖かい,0:どちらでもない,-1:やや涼しい，-2:涼しい，-3:寒い，-4:非常に寒い)のスケールを用いて行った(22)．測定のタイミングは運動終了時，運動終了後2 分(冷却刺激終了後)，運動終了後 10 分(冷却刺激終了後 8 分)，運動終了後 15 分(冷却刺激終了後 13 分)，運動終了後 20 分(冷却刺激終了後 18 分)とした．

2.2 環境条件と運動様式
環境条件は,深部体温の上昇を促すため暑熱環境(Ta35℃,RH60％)を設定し,人工気候室 (ESPEC 社製) 内において実施した.30 分以上の椅坐位安静を取り,確認をしたのちデータとして 10 分間の安静時計測を行った.その後,持久性運動能力の指標の一つである VO2max の生理的負荷強度(70%VO2max)に相当する一定負荷運動(最大下運動)(17)(18)を 30分間遂行した.運動終了後,クライオバスに 2 分間入り全身の冷却を行う全身冷却条件(whole-body cryo-stimulation:WBC)とクライオバスに下肢のみを入れる下肢冷却条件(lower limb
cryo-stimulation:LLC),足底部を保冷材で 2 分間冷却する足底部冷却条件(plantar sole cryo-stimulation:PC)と何もせず椅坐位安静(CNT)の 4 条件を実施した.運動終了後 20 分間は椅坐位安静を保ち,実験終了とした.実験は 4 条件とも同時刻に行い,実験間隔は,前の運動の影響がないように十分な期間(1 週間以上)を空けて実施した.

2.6 冷却装置本研究で全身および下肢を冷却するために冷却装置クライオバス(クライオバスⓇ,エイディーディー社製)を使用した．電気式の冷却装置であり，最大-120℃の冷気を生成することができる．このクライオバスは，液体窒素を使用していないため，生体への危険性も低いものと言える．また，足底部を冷却する保冷材(ADDCOLDⓇ-45,エイディーディー社製)は温度:-55~-60℃, 接触部位温度:19~28℃(測定機器;電極:RS PRO
熱電対用延長ケーブル, T タイプ,アールエスコンポーネンツ社製, 記録計:TR-W550, KEYENCE 社製)になるものを使用した．使用する際には, 保冷材をタオル(綿素材で厚さ 2mm 程度)に包み床に置き靴下を着用したまま使用した．
2.7 統計解析
本実験の測定値は平均値±標準偏差(mean±SD)で示した．
運動時および運動後の Tes，HR，CO，SV，平均皮膚温，大腿部筋温，FBF，温熱感覚スケールは２要因(条件×時間)の繰り返しのある分散分析を用いて分析した．有意差が検出された場合には各群間の差をボンフェロニー法を用いて多重比較検定を行った．すべての統計処理における有意水準は p＜0.0
5 とした．
なお本実験は関西大学人間健康学部研究倫理委員会の承認(2021-16)を得て実施した．

図 1 環境条件と運動様式
2.3 測定項目
Tes(食道温),大腿部筋温,皮膚温,HR(心拍数),CO(心拍出量),SV(一回心拍出量),FBF(前腕皮膚血流量)を安静時より 1分ごとに連続測定を行った.

３． 結果
運動終了後 2 分間の冷却刺激が深部温(Tes)に及ぼす影響についてみると，冷却刺激 2 分間終了後の WBC(38.2±0.5℃)，
LLC(38.3±0.6℃)および PC(38.4±0.4℃)それぞれの値は，CNT(38.6±0.5℃)と比較して有意に低値を示し，この有意な差は実験終了まで維持された.また,冷却部位の違いによる比較では,冷却刺激終了後2 分目から PC(38.2±0.4℃)による Tes反応よりも WBC(37.8±0.4℃)および LLC(37.9±0.4℃)による値に有意な低値が示され,実験終了まで維持された.さらに,冷却刺激終了後3分からLLC(37.8±0.4℃)に対してWBC(37.6±0.4℃)の Tes が有意に低値を示し,実験終了まで有意な低値が維持された (図 2)．
FBF 反応に及ぼす運動終了後の冷却刺激の影響についてみると,冷却刺激 2 分間終了後より,CNT(13.1±3.1ml/min/100g)と 比 較 し て WBC(8.9 ± 1.2ml/min/100g) ， LLC(9.9 ±4.1ml/min/100g)および PC(10.2±3.1 ml/min/100g)の値が有意に低値を示した(図 2).また,冷却刺激暴露条件間(WBC, LLC,PC)には FBF 反応の差を認めることはできなかった.
運動終了後 2 分間の冷却刺激における大腿部筋温の動態をみると,冷却刺激 2 分間終了後の WBC(37.9±0.4℃)およびLLC(38.1±0.6℃)の値は CNT(38.7±0.7℃)および PC(38.5±0.6℃)と比較して有意に低値を示し,その後実験終了まで有意に低値を示した.また,PC の動態をみると冷却刺激 7 分目から CNT(38.4±0.7℃)と比較して PC(38.1±0.5℃)の値が有意に低値を示し,実験終了まで有意に低い値が示された(図 3).
皮膚温の反応を平均皮膚温でみると,運動終了後の冷却刺激開始 1 分より WBC(34.3±0.7℃)および LLC(35.3±1.0℃)に2.4 実験プロトコル
被験者は,来室後,短パンとＴシャツに着替えてから約300ml の水を摂取した後排尿をして体水分の平衡を行った.
つぎに,人工気候室内にて椅坐位安静を取り,その間に計測機器を装着した.はじめに,心拍センサー(PolarH10)を装着した.CO,SV,平均動脈圧(EV-1000, Edward Lifescience Ltd.)は左手中指の指尖部にカフを装着し,ボリュームクランプ法およびフィジオキャル法により指尖動脈圧から上腕動脈圧を算出して連続的に測定を行った(19)(20).さらに,Tes はサーミスター(LT-8, GramCorporation)を鼻腔より身長の 1/4cm 挿入し測定した.FBF はレーザードップラー法による血流測定器（ALF21,アドバンス社製）を左前腕外側部に装着して測定した.皮膚温は電極(RS PRO 熱電対用延長ケーブル, T タイプ,アールエスコンポーネンツ社製)をそれぞれ測定部位(胸部, 前腕外側部,大腿直筋, ふくらはぎ, 右足母指球, 右足踵)に装着し記録計(TR-W550, KEYENCE 社製)を使用し測定し,平均皮膚温は 4点法(胸部,前腕外側部,大腿直筋,ふくらはぎ)を用いて算出した (21).大腿部筋温は熱流補償法を用いた深部温度計(Coretemp CM-210, Termo 社製)を使用して,大腿部に深部温測定用プローブ PD1, Termo 社製)を貼り付けて大腿直筋の筋温として測定した.
2.5 主観的温熱指標(温熱感覚スケール)
温熱感覚スケールは 9 段階(4:非常に暑い,3:暑い,2:暖か2

低下がみられ, CNT(36.8±0.5℃) と比較して有意に低値を示した(図 3).PC における平均皮膚温には CNT との有意な差を認めることはなかった.また,WBC と LLC との間には有意な差は認められなかった．
PC における保冷材(ADDCOLDⓇ-45)と接地していた足底部の皮膚温(母指球, 踵)については，冷却刺激により母指球部位(24.9±3.9℃)および踵部位(19.2±2.7℃)の低値を示した．また，実験終了時では母指球部位(37.1±0.4℃)および踵部位(36.2±1.0℃)の皮膚温を示した(図 4)．
冷却刺激に対する心臓・循環器系反応についてみると，冷却刺激後 2 分目の HR は，WBC(123±13bpm)，LLC(130±16bpm)および PC(128±12bpm)のそれぞれにおいて CNT(135±12bpm)よりも有意に低値を示し，それらの低値傾向は運動終了 20 分目まで維持された(図 5)．SV においては冷却刺激終了後 2 分目から WBC(79±7ml)，
LLC(83±12ml)および PC(:77±12ml)それぞれの条件下で，CNT(73±9ml)の値と比較して有意に高値を示し，その傾向は実験終了まで維持した．HR，SV ともに冷却方法の違いによる差は認められなかった．HRと SV の積である CO については，冷却部位の違いによる影響および CNT との間に差は認められなかった(図 5)．
温熱感覚スケールで計測した冷却刺激後の主観的温熱感
覚については，冷却刺激終了時で WBC(0.3±1.4)，LLC(0.8±0.7)および PC(2.2±1.1)の値が CNT(3.7±0.5)と比較して有意に低値を示した．さらに冷却刺激終了後 8 分目においてもWBC(1.0±0.8)および LLC(1.2±1.1)の温熱感覚は CNT(2.7±0.9)より有意に低値を示した.その後,冷却刺激終了後 13 分以降の温熱感覚については CNT と有意な差を認めなかった(図6)．

図3 大腿部筋温,平均皮膚温の安静時及び運動時の動態 ‡ P<0.05 CNT, PC vs WBC, LLC. ＃P<0.05 CNT vs PC (mean± SD).

図 4 足底部皮膚温(母指球, 踵)の安静時及び運動時の動態

図2 Tes, FBF の安静時及び運動時の動態 *P<0.05 CNT vsWBC, LLC, PC.§P<0.05 PC vs WBC.§¹P<0.05 LLC vs W
BC (mean±SD).

3

LLC および PC では冷却温度が異なるため Tes に差があらわれた．また，四肢部と体幹部の熱放散量(13)および身体部の冷却面積の違いによって WBC と LLC での差がみられた．
平均皮膚温では, CNT および PC と比較して WBC およびLLC で有意に低値を示した．皮膚温は冷却後急速に低下する(14).皮膚温の変化の大きさは,温度勾配(23)，表面積(14)と正の相関がある.そのため,冷却面積が大きく,冷却温度の低いWBCと LLC では有意に低値を示し,冷却温度が高く,冷却面積の少ない PC では CNT と差がみられなかったと示唆される(図3).
外部環境(暑熱環境)および運動による筋収縮による熱産生で,血液に熱が伝わることによって深部温が上昇する.その熱が皮膚表面から発汗,伝導,放射,対流などによって体外に放散される.皮膚血流では血流量を多くし,熱放散を促進させるため,冷却を行わなかったCNTにおいてFBFが高値を示したと考えられる．皮膚血管の拡張・収縮は深部体温や皮膚温(全身および局所)の変化が，視床下部の体温調節中枢に入力され，反射性に皮膚血管の収縮または拡張を引き起こす(24)．本研究
ではレーザードップラー法による血流測定器を使用し，実測値で示しているため，測定部位，体動などの影響が考えられるものの冷却条件(WBC，LLC，PC)で FBF の有意な低下が示された．
大腿部筋温の動態では，WBC および LLC において超低温の冷却刺激によって皮膚表面の冷却と冷却された血液により大腿部筋温の低下を引き起こしたと考えられる(図 3)．PC においても保冷材と接地していた足底部の皮膚温が母指球部位で 24.9±3.9℃，踵部位で 19.2±2.7℃まで低下し(図 4)，AVAを介し冷却された血液が大腿部の筋肉との熱交換を促進し,筋温の低下を引き起こしたと示唆される(図 3)．
また,冷却刺激によって血管拡張が抑制されて静脈還流量が増加し,運動後の SV の低下が抑制されたのではないかと考えられる(26).体温の上昇により発汗による体液損失と FBFの増加による皮膚静脈への血液の貯留が静脈還流量を減少させ, 右心房圧の低下を引き起こし,SV が減少する(27)．これは心臓の内因性機構としてのFrank-Starling機序によるものである．静脈から心臓に還ってくる血液が多い(静脈還流量が増加する)と心室の拡張期終末の容積が大きくなり，SV も増加する．反対に静脈還流量が減少すると SV が減少する．身体冷却によって皮膚血管拡張を軽減し，静脈還流量を増加させ，HR の増加を抑制することが報告されており(28)(29)，CNT と比較し WBC，LLC および PC において超低温冷却刺激によって皮膚血管拡張が抑制されて静脈還流量が増加し,運動後のSV の低下が抑制されHRが低値を示したと考えられる(図5)．
また,静脈還流の増加により血流量が増加すると,乳酸などの老廃物を除去する能力が高まり,運動からの回復も促進されることが報告されている(10)．
温熱感覚スケールにおいても超低温冷却刺激において低値を示し,冷却条件において主観的な温熱ストレスが軽減できていると考えられる(図 6).超低温冷却によって体温,循環器系および温熱感覚に改善がみられたため,暑熱環境下での高体温状態での超低温冷却は有効ではないかと示唆される.

図 5 HR, SV, CO の安静時及び運動時の動態 *P<0.05 CNTvs WBC, LLC, PC (mean ± SD).

図 6 運動後の温熱感覚スケールの動態 **P<0.05 vs CNT
４． 考察
本研究では,暑熱環境下での運動後の高体温の状態から全身,下肢および足底部への超低温冷却を行い有効性について検討した．
運動後の超低温冷却刺激において CNT と比較し Tes，筋温，FBF，HR において有意な低値を示し，SV では有意に高値を示した．
冷却刺激によって, 血管収縮を引き起こし,冷却された血液が静脈還流して,深部温を低下させることが報告されている(25)．Tes では冷却後，CNT と比較し冷却条件において有意に低値を示し，実験終了まで低値を維持した(図 2)．WBC，

５． 結論
2 分間の超低温冷却によって CNT と比較して WBC およびLLC では Tes，大腿部筋温，FBF，HR の有意な低下が認められ，SV において有意な増加が認められた．足底部の超低温冷却においても CNT と比較して Tes の低下，HR の有意な低下が認められ，SV において有意な増加が認められた.
4

運動後の高体温の状態から超低温冷却によって皮膚表面が冷却されたことにより,血管収縮を引き起こし,末端から中心部へと冷却された血液が流れ,深部温が低下した.また,超低温冷却は短時間で皮膚表面だけでなく筋温も低下させることが示された.よって,運動後の超低温冷却は短時間での体温の低下と循環器系機能の回復の方法として有効であると考え,熱中症患者の増加予防のための有効な手段ではないかと考えられる.しかし,超低温冷却を行うには本実験で使用した装置や設置スペースを必要とするため費用や運用面で課題が残る.

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(Received January 19, 2024, Accepted April 20, 2024)

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