Précision du protocole de Bruce pour estimer le VO2 max chez les non-entraînés

Le test standard de Bruce sur tapis roulant estime la consommation maximale d'oxygène (VO₂ max) — le débit maximal auquel l'organisme peut prélever, transporter et utiliser l'oxygène lors d'un exercice intense — à partir du temps total jusqu'à épuisement [3, 4]. Bien que les calculs basés sur la durée soient fortement corrélés aux mesures directes par analyseur métabolique au sein de populations entières, les estimations individuelles présentent généralement une marge de variabilité de ±10 % à 15 % [4]. Chez les personnes non entraînées, la progression rapide de l'inclinaison provoque fréquemment un arrêt prématuré du test en raison d'une fatigue musculaire localisée dans les jambes plutôt que d'un véritable épuisement cardiorespiratoire, ce qui fausse les scores calculés à partir du temps d'effort [6, 8].

Structure du protocole de Bruce

Initialement conçu pour dépister les maladies coronariennes et les arythmies chez les patients en milieu clinique, le protocole standard de Bruce repose sur une structure rigide par paliers [6, 8]. Le test progresse par paliers de 3 minutes, en commençant au palier 1 à une vitesse de marche de 1,7 mph (2,7 km/h) avec une pente abrupte de 10 % (soit une intensité d'environ 3 à 4,7 équivalents métaboliques, ou MET) [3, 6, 16]. La charge de travail augmente toutes les 3 minutes en augmentant simultanément la vitesse et la pente du tapis de 2 %, pour atteindre 6,0 mph à 22 % de pente au palier 7 (environ 20 à 21 MET) et jusqu'à 7,0 mph à 26 % de pente au palier 9 [3, 6, 11, 16].

En l'absence de mesure directe des gaz respiratoires à l'aide d'un analyseur métabolique souffle par souffle, le VO₂ max est estimé à partir de la durée totale du test ($T$, en minutes) à l'aide de formules de régression établies [4, 6] :

• Formule générale : ${\text{VO}}_2\text{ max }(\text{ml}\cdot {\text{kg}}^{-1}\cdot {\text{min}}^{-1})=14,76-(1,379\times T)+(0,451\times T^2)-(0,012\times T^3)$ [4, 6, 16]
• Hommes : ${\text{VO}}_2\text{ max}=2,94\times T+7,65$ [4, 6]
• Hommes jeunes : ${\text{VO}}_2\text{ max}=3,62\times T+3,91$ [4, 6]
• Femmes : ${\text{VO}}_2\text{ max}=2,94\times T+3,74$ ou $4,38\times T-3,9$ [4, 6, 16]

Ces modèles de régression sont bien corrélés aux mesures sur chariot métabolique ($r=0,85$ à $0,95$), avec une erreur standard d'estimation d'environ 3,0 ml·kg⁻¹·min⁻¹ [4, 16]. Cependant, comme ces équations supposent que la durée totale reflète directement la capacité aérobie, tout facteur qui raccourcit ou prolonge artificiellement le temps passé sur le tapis introduit une erreur dans le score obtenu [15, 16].

Pentes abruptes et fatigue musculaire localisée

Commencer à 10 % de pente et ajouter 2 % à chaque palier impose un profil biomécanique très différent de la course sur terrain plat [6, 8]. La marche en montée modifie la mécanique des membres inférieurs : elle réduit la longueur de foulée, diminue la cadence, augmente la durée d'appui et de double appui, déplace le centre de pression vers l'avant et l'extérieur, et diminue les forces d'impact verticales au sol ainsi que les moments d'adduction interne du genou par rapport à la course sur le plat [19, 20].

Bien qu'elles réduisent les forces d'impact sur les articulations, les pentes raides imposent une contrainte localisée importante sur la musculature des membres inférieurs [8, 19]. Chez les participants sains mais non entraînés, cette marche inhabituelle en côte induit fréquemment une fatigue musculaire aiguë, des crampes ou une gêne de type claudication bien avant que les limites cardiopulmonaires centrales ne soient atteintes [6, 8]. Les critères d'arrêt du protocole de Bruce incluent une fatigue musculaire sévère, des crampes dans les jambes et une claudication [6]. Lorsqu'une personne interrompt le test prématurément en raison d'une brûlure musculaire localisée plutôt que d'un épuisement central, la durée totale sur le tapis est écourtée, ce qui sous-estime artificiellement le VO₂ max [8].

Les études avec analyse directe des échanges gazeux confirment que ce protocole peut limiter l'atteinte d'un effort physiologique maximal. Lors d'un essai croisé randomisé comparant le protocole de Bruce à un protocole autorégulé par le sujet chez 29 participants (dont 22 n'avaient aucune expérience préalable de test maximal de course), les mesures directes du VO₂ max étaient quasi identiques (46,8 ± 10,7 contre 47,0 ± 9,1 ml·kg⁻¹·min⁻¹ ; $r$ de Spearman = 0,93) [1]. En revanche, la fréquence cardiaque maximale était significativement plus basse avec le protocole standard de Bruce (179,7 ± 8,7 bpm) qu'avec le protocole autorégulé (182,8 ± 10,5 bpm), ce qui indique que la conception du test peut provoquer un arrêt avant l'effort cardiovasculaire maximal réel [1].

Grands sauts de charge et gestion de l'allure

Contrairement aux protocoles en rampe, qui augmentent la charge de travail en continu ou par petits paliers d'une minute, les paliers de 3 minutes du protocole de Bruce entraînent de brusques augmentations de charge qui génèrent un stress physiologique aigu [12]. De plus, les personnes sédentaires et non entraînées ont souvent des difficultés avec la transition biomécanique entre la marche rapide en forte pente et la course, requise aux paliers 3 et 4 (débutant à 3,4 mph et 4,2 mph à des inclinaisons de 14 % et 16 %) [2, 6].

Une étude comparative évaluant un nouveau protocole sur tapis roulant — débutant à des vitesses plus élevées avec des pentes plus faibles et utilisant des incréments d'une minute — a démontré que les participants atteignaient des valeurs de VO₂ max équivalentes (biais de Bland-Altman par rapport à Bruce = 0,824 ± 3,163 ml·kg⁻¹·min⁻¹, pourcentage d'erreur absolu moyen < 10 %) en un temps d'épuisement nettement inférieur, tout en évitant l'échec musculaire prématuré des membres inférieurs [8].

L'effet confondant de l'appui sur les rampes

Les personnes non entraînées qui ressentent une instabilité sur les fortes pentes s'agrippent fréquemment aux rampes du tapis roulant [15, 16]. La prise d'appui sur les rampes fausse considérablement la durée du test et, par conséquent, les calculs de VO₂ max [15, 16] :

• Se tenir à la rampe avant réduit le coût métabolique de l'effort de 10 % à 20 % [16].
• Cette baisse de la demande métabolique prolonge artificiellement le temps total passé sur le tapis ($T$), amenant les formules de régression à surestimer le VO₂ max [15, 16].
• Limiter le contact au bout de deux doigts sur une main réduit cet écart de durée chez les hommes en bonne santé, mais une surestimation significative du temps persiste chez les femmes et les patients en contexte clinique [15].

Pour garantir la validité des scores de VO₂ max calculés, le test doit être réalisé sans s'appuyer ni s'agripper aux rampes [15, 16].

Alternatives pour les personnes non entraînées et sédentaires

Pour atténuer la difficulté de la pente initiale du test standard, l'évaluation de l'effort en clinique fait souvent appel à des protocoles modifiés :

• Le protocole de Bruce modifié : ajoute deux paliers préalables de 3 minutes à faible charge avant d'atteindre le palier 1 standard : le palier 0/1 à 1,7 mph et 0 % de pente (~2,3 MET), suivi du palier 0,5/2 à 1,7 mph et 5 % de pente (~3,5 MET) [4, 6]. Cette montée progressive est mieux adaptée aux personnes sédentaires ou âgées avant d'introduire la pente de 10 % [4, 6].
• Les protocoles de marche seule à forte inclinaison : pour les personnes incapables de courir, des protocoles de marche à vitesse constante (par exemple 3,6 mph avec des augmentations de pente de 5 % toutes les 3 minutes jusqu'à 25 %, atteignant environ 3,88 W/kg) permettent d'obtenir des valeurs réelles de VO₂ max qui ne diffèrent pas significativement de celles du protocole de Bruce standard ($44,97\pm 7,71$ contre $45,99\pm 7,57$ ml·kg⁻¹·min⁻¹, $R=0,95$), avec 93 % des points situés dans un intervalle de ±4,5 ml·kg⁻¹·min⁻¹ selon l'analyse de Bland-Altman [2].
• Les protocoles en rampe : les protocoles comportant des paliers plus courts (généralement d'une minute ou à incréments continus) offrent une progression plus fluide qui réduit la fatigue locale soudaine et permet une identification plus nette des seuils métaboliques et des plateaux de consommation d'oxygène [8, 12].