Bruce-Protokoll: Wie verlässlich ist die VO2max bei Untrainierten?

Der standardmäßige Bruce-Laufbandtest schätzt die maximale Sauerstoffaufnahme (VO₂max) – die maximale Rate, mit der der Körper bei intensiver Belastung Sauerstoff aufnehmen, transportieren und verwerten kann – anhand der Gesamtdauer bis zur Erschöpfung [3, 4]. Obwohl zeitbasierte Berechnungen über ganze Populationen hinweg stark mit direkten Spiroergometrie-Messungen korrelieren, weisen individuelle Schätzungen typischerweise eine Abweichung von ±10 % bis 15 % auf [4]. Bei untrainierten Personen führt der steile Anstieg der Steigung häufig zu einem vorzeitigen Testabbruch aufgrund lokaler Beinermüdung statt echter kardiorespiratorischer Erschöpfung, was die zeitbasierten Berechnungen verzerrt [6, 8].

Aufbau des Bruce-Protokolls

Das standardmäßige Bruce-Protokoll wurde ursprünglich entwickelt, um klinische Patienten auf koronare Herzkrankheiten und Arrhythmien zu untersuchen, und folgt einem starren Stufenkonzept [6, 8]. Der Test verläuft in 3-minütigen Stufen und beginnt in Stufe 1 mit einer Gehgeschwindigkeit von 1,7 mph (2,7 km/h) bei einer steilen Steigung von 10 % (einer Intensität von etwa 3 bis 4,7 metabolischen Äquivalenten bzw. METs) [3, 6, 16]. Die Belastung wird alle 3 Minuten gesteigert, indem gleichzeitig die Geschwindigkeit erhöht und die Steigung um 2 % angehoben wird; in Stufe 7 werden 6,0 mph bei 22 % Steigung erreicht (ca. 20 bis 21 METs) und bis zu 7,0 mph bei 26 % Steigung in Stufe 9 [3, 6, 11, 16].

Wenn keine Atemgasanalyse (Spiroergometrie) zur direkten Messung eingesetzt wird, erfolgt die Schätzung der VO₂max aus der Gesamttestdauer ($T$, in Minuten) über etablierte Regressionsformeln [4, 6]:

• Allgemeine Formel: ${\text{VO}}_2\text{ max }(\text{ml}\cdot {\text{kg}}^{-1}\cdot {\text{min}}^{-1})=14,76-(1,379\times T)+(0,451\times T^2)-(0,012\times T^3)$ [4, 6, 16]
• Männer: ${\text{VO}}_2\text{ max}=2,94\times T+7,65$ [4, 6]
• Junge Männer: ${\text{VO}}_2\text{ max}=3,62\times T+3,91$ [4, 6]
• Frauen: ${\text{VO}}_2\text{ max}=2,94\times T+3,74$ oder $4,38\times T-3,9$ [4, 6, 16]

Diese Regressionsmodelle korrelieren gut mit Spiroergometriemessungen ($r=0,85$ bis $0,95$) bei einem Standardschätzfehler von rund 3,0 ml·kg⁻¹·min⁻¹ [4, 16]. Da die Formeln jedoch davon ausgehen, dass die Gesamtdauer direkt die aerobe Kapazität widerspiegelt, führt jeder Faktor, der die Laufbandzeit künstlich verkürzt oder verlängert, zu Fehlern im berechneten Wert [15, 16].

Steile Steigung und lokale Muskelermüdung

Der Beginn bei 10 % Steigung und die Erhöhung um 2 % pro Stufe erzeugen ein biomechanisches Profil, das sich deutlich vom Laufen in der Ebene unterscheidet [6, 8]. Das Gehen bergauf verändert die Mechanik der unteren Extremitäten: Es verkürzt die Schrittlänge, senkt die Schrittfrequenz, verlängert die Stand- und Doppelstandphase, verlagert das Druckzentrum nach vorne und außen und reduziert die vertikalen Bodenreaktionskräfte sowie die internen Knieabduktionsmomente im Vergleich zum Laufen in der Ebene [19, 20].

Trotz geringerer Stoßbelastung für die Gelenke stellen steile Neigungen erhebliche lokale Anforderungen an die Beinmuskulatur [8, 19]. Bei gesunden, aber untrainierten Personen führt das ungewohnte Bergaufgehen häufig zu akuter Beinermüdung, Krämpfen oder Claudicatio-artigen Beschwerden, noch bevor zentrale kardiopulmonale Leistungsgrenzen erreicht werden [6, 8]. Zu den Abbruchkriterien des Bruce-Protokolls zählen schwere Muskelerschöpfung, Beinkrämpfe und Claudicatio [6]. Bricht eine Person den Test vorzeitig wegen brennender Beine statt zentraler Erschöpfung ab, wird die Gesamtlaufzeit verkürzt, was zu einer künstlich zu niedrig geschätzten VO₂max führt [8].

Direkte Gasaustauschstudien bestätigen, dass das Protokoll die maximale physiologische Ausbelastung einschränken kann. In einer randomisierten Crossover-Studie, die das Bruce-Protokoll mit einem von den Athleten selbst gesteuerten Protokoll bei 29 Teilnehmern verglich (von denen 22 keine Vorerfahrung mit maximalen Ausbelastungstests hatten), waren die direkt gemessenen VO₂max-Werte nahezu identisch (46,8 ± 10,7 vs. 47,0 ± 9,1 ml·kg⁻¹·min⁻¹; Spearman-$r=0,93$) [1]. Die maximale Herzfrequenz war beim Standard-Bruce-Protokoll jedoch signifikant niedriger (179,7 ± 8,7 S/min) als beim selbstgesteuerten Protokoll (182,8 ± 10,5 S/min), was darauf hindeutet, dass der Test enden kann, bevor eine echte kardiovaskuläre Maximalbelastung erreicht ist [1].

Große Stufensprünge und Pacing-Probleme

Im Gegensatz zu Rampenprotokollen, die die Belastung kontinuierlich oder in kleinen 1-Minuten-Schritten steigern, erzeugen die 3-minütigen Stufen des Bruce-Protokolls große, abrupte Belastungssprünge, die akuten physiologischen Stress verursachen [12]. Zudem fällt es sitzenden und untrainierten Personen oft schwer, den biomechanischen Übergang vom steilen Gehen zum Laufen zu bewältigen, der in den Stufen 3 und 4 erforderlich wird (beginnend bei 3,4 mph und 4,2 mph bei 14 % bzw. 16 % Steigung) [2, 6].

Eine Vergleichsstudie zu einem neuartigen Laufbandprotokoll – das mit höheren Geschwindigkeiten bei geringerer Steigung startete und 1-minütige Intervalle nutzte – zeigte, dass die Teilnehmer gleichwertige VO₂max-Werte (Bland-Altman-Bias vs. Bruce = 0,824 ± 3,163 ml·kg⁻¹·min⁻¹, mittlerer absoluter prozentualer Fehler < 10 %) in deutlich kürzerer Zeit bis zur Erschöpfung erreichten und vorzeitiges lokales Beinversagen vermieden wurde [8].

Der verfälschende Einfluss des Festhaltens am Geländer

Untrainierte Personen, die sich auf steilen Steigungen unsicher fühlen, halten sich häufig an den Handläufen des Laufbands fest [15, 16]. Dieses Festhalten verfälscht die Testdauer und die daraus resultierenden VO₂max-Berechnungen erheblich [15, 16]:

• Das Festhalten am vorderen Handlauf senkt die metabolischen Kosten der Belastungsstufe um 10 % bis 20 % [16].
• Dieser reduzierte Energiebedarf verlängert die Gesamtlaufzeit ($T$) künstlich, wodurch die Regressionsformeln eine überhöhte VO₂max berechnen [15, 16].
• Die Beschränkung des Kontakts auf zwei Fingerspitzen einer Hand verringert diesen Zeitunterschied bei gesunden Männern, doch bei Frauen und klinischen Patienten bleibt eine signifikante Verlängerung der Testzeit bestehen [15].

Damit die berechneten VO₂max-Werte gültig bleiben, muss der Test ohne Festhalten oder Abstützen am Geländer durchgeführt werden [15, 16].

Alternativen für Untrainierte und Bewegungsmuffel

Um den steilen Anfangssprung des Standardtests abzumildern, kommen in der Leistungsdiagnostik häufig modifizierte Protokolle zum Einsatz:

• Das Modifizierte Bruce-Protokoll: Fügt zwei vorbereitende 3-minütige Stufen mit niedriger Belastung vor der regulären Stufe 1 ein: Stufe 0/1 bei 1,7 mph und 0 % Steigung (~2,3 METs), gefolgt von Stufe 0,5/2 bei 1,7 mph und 5 % Steigung (~3,5 METs) [4, 6]. Dieser schrittweise Anstieg eignet sich für inaktive oder ältere Personen, bevor die 10%ige Steigung erreicht wird [4, 6].
• Reine Gehprotokolle mit hoher Steigung: Für Personen, die nicht laufen können, erzielen Gehprotokolle mit konstanter Geschwindigkeit (z. B. 3,6 mph mit einer Steigerung um 5 % alle 3 Minuten bis zu 25 % Steigung, was etwa 3,88 W/kg entspricht) echte VO₂max-Werte, die sich nicht signifikant von den Standard-Bruce-Ergebnissen unterscheiden ($44,97\pm 7,71$ vs. $45,99\pm 7,57$ ml·kg⁻¹·min⁻¹, $R=0,95$), wobei 93 % der Datenpunkte in der Bland-Altman-Analyse innerhalb von ±4,5 ml·kg⁻¹·min⁻¹ liegen [2].
• Rampenprotokolle: Protokolle mit kürzeren Stufen (typischerweise 1 Minute oder kontinuierliche Steigerungen) bieten eine gleichmäßigere Progression, verringern plötzliche lokale Ermüdung und ermöglichen eine klarere Bestimmung von Laktatschwellen und VO₂-Plateaus [8, 12].