未トレーニング者におけるブルースプロトコルのVO2 max測定精度

標準的なブルース（Bruce）トレッドミルテストは、疲労困憊に至るまでの総運動時間から、高強度運動中に体が酸素を取り込み、運び、利用できる最大速度である最大酸素摂取量（VO₂ max）を推定します [3, 4]。運動時間に基づく計算値は、母集団全体で見れば呼気ガス分析装置による直接測定値と強い相関を示しますが、個人の推定値には通常±10%〜15%のばらつきが生じます [4]。未トレーニング者の場合、このプロトコル特有の急激な傾斜増加により、真の心肺機能の限界に達する前に脚の局所的な疲労によってテストが早期終了することが多く、時間ベースのスコア計算に歪みが生じます [6, 8]。

ブルースプロトコルの構成

冠動脈疾患や不整脈の臨床スクリーニングのために開発された標準ブルースプロトコルは、厳格な多段階（マルチステージ）設計に従います [6, 8]。テストは3分ごとのステージで進行し、ステージ1は時速1.7マイル（約2.7 km/h）、傾斜10%という急な上り坂のウォーキングから始まります（強度は約3〜4.7メッツ / METs） [3, 6, 16]。ワークロードは3分ごとに速度の上昇と傾斜2%の追加が同時に行われることで段階的に上がり、ステージ7では時速6.0マイル・傾斜22%（約20〜21 METs）、ステージ9では最大時速7.0マイル・傾斜26%に達します [3, 6, 11, 16]。

ブレス・バイ・ブレス方式の呼気ガス分析装置を用いて呼吸ガスを直接測定しない場合、確立された以下の回帰式を用いて、テストの総持続時間（$T$、分単位）からVO₂ maxを推定します [4, 6]：

• 一般式： ${\text{VO}}_2\text{ max }(\text{ml}\cdot {\text{kg}}^{-1}\cdot {\text{min}}^{-1})=14.76-(1.379\times T)+(0.451\times T^2)-(0.012\times T^3)$ [4, 6, 16]
• 男性： ${\text{VO}}_2\text{ max}=2.94\times T+7.65$ [4, 6]
• 若年男性： ${\text{VO}}_2\text{ max}=3.62\times T+3.91$ [4, 6]
• 女性： ${\text{VO}}_2\text{ max}=2.94\times T+3.74$ または $4.38\times T-3.9$ [4, 6, 16]

これらの回帰モデルは呼気ガス測定値と良好に相関し（$r=0.85$〜$0.95$）、推定標準誤差は約3.0 ml·kg⁻¹·min⁻¹です [4, 16]。しかし、これらの計算式は総持続時間が有酸素能力を直接反映しているという前提に基づいているため、トレッドミル上の時間を人為的に短縮または延長させる要因はすべて、計算スコアに誤差をもたらします [15, 16]。

急傾斜と局所的な筋疲労

10%の傾斜からスタートし、ステージごとに2%ずつ上昇していく設定は、平地でのランニングとは異なる生体力学的特性を生み出します [6, 8]。傾斜歩行は下肢のバイオメカニクスを変化させます。平地走と比較して、歩幅が短くなり、歩頻（ケイデンス）が低下し、接地時間および両足支持時間が増加し、圧力中心が前方および外側へシフトし、垂直方向の床反力や膝関節の内側内転モーメントが減少します [19, 20]。

関節への衝撃力は軽減されるものの、急な傾斜は下肢の筋肉群に強い局所的負荷を課します [8, 19]。健康であってもトレーニング経験のない被験者の場合、不慣れな上り坂歩行によって、中枢性の心肺機能の限界に達する前に、脚の急性疲労、痙攣、あるいは跛行（はこう）のような不快感が引き起こされることが多々あります [6, 8]。ブルースプロトコルのテスト中止基準には、重度の筋疲労、脚の痙攣、跛行が含まれています [6]。中枢の疲労困憊ではなく脚の局所的な焼けるような痛みによってテストを途中で中断した場合、総トレッドミル時間は短くなり、その結果、VO₂ maxの推定値は実際よりも低く算出されてしまいます [8]。

直接ガス交換を測定した研究でも、このプロトコルが生理学的な最大発揮を制限し得ることが確認されています。ブルースプロトコルとアスリート主導型プロトコルを比較した29名の被験者（うち22名は最大走運動テストの経験なし）によるランダム化クロスオーバー試験では、直接測定したVO₂ maxはほぼ同等でした（46.8 ± 10.7 vs. 47.0 ± 9.1 ml·kg⁻¹·min⁻¹、スピアマンの相関係数 $r=0.93$） [1]。しかし、最高心拍数はアスリート主導型プロトコル（182.8 ± 10.5 bpm）と比較して、標準ブルースプロトコル（179.7 ± 8.7 bpm）の方が有意に低く、テスト構造上の理由により真の心血管系の限界に達する前に終了してしまう可能性が示出されました [1]。

ステージ間の急激な負荷増加とペース配分

負荷を連続的または1分ごとの小さな増分で上げていくランププロトコルとは異なり、ブルースプロトコルの3分ごとのステージ移行は、急激で大きな負荷ジャンプを伴うため、急性生理的ストレスを生じさせます [12]。さらに、座位中心の生活を送る未トレーニング者は、ステージ3およびステージ4（傾斜14%および16%で時速3.4マイルおよび4.2マイルから開始）で求められる「急傾斜の歩行から走行への移行」のバイオメカニクスに適応できず苦戦することが少なくありません [2, 6]。

低い傾斜と高めの速度から開始し、1分ごとの増分を用いた新規トレッドミルプロトコルを評価した比較研究では、参加者は局所的な脚の早期疲労を回避しつつ、疲労困憊までの時間を大幅に短縮しながらブルースと同等のVO₂ max値に到達できることが示されました（ブルースに対するブランド・アルトマン解析のバイアス = 0.824 ± 3.163 ml·kg⁻¹·min⁻¹、平均絶対パーセント誤差 < 10%） [8]。

手すりにつかまることによる影響

急な傾斜でバランスに不安を感じる未トレーニング者は、トレッドミルの手すり（ハンドレール）を握ってしまいがちです [15, 16]。手すりによる支持は、テスト持続時間とその結果得られるVO₂ maxの計算値を大きく歪めます [15, 16]：

• 前方の手すりを握ると、その運動負荷の代謝コスト（エネルギー消費量）が10%〜20%低下します [16]。
• 代謝需要が低下することでトレッドミル総持続時間（$T$）が人為的に延び、回帰式によって算出されるVO₂ maxが過大評価されます [15, 16]。
• 片手の指先2本だけを触れる程度に制限すると、健康な男性ではこの時間差が縮まりますが、女性や臨床患者では依然として大幅な時間延長が見られます [15]。

算出されるVO₂ maxスコアの妥当性を保つためには、手すりに寄りかかったり握ったりせずにテストを実施する必要があります [15, 16]。

未トレーニング者や運動不足の人向けの代替プロトコル

標準テストの急激な初期負荷の上昇を緩和するため、臨床現場の運動負荷試験では以下の修正プロトコルがよく用いられます：

• 修正ブルースプロトコル（Modified Bruce Protocol）： 標準のステージ1に入る前に、低強度の3分間ステージを2つ追加します。時速1.7マイル・傾斜0%のステージ0/1（約2.3 METs）から始まり、次に時速1.7マイル・傾斜5%のステージ0.5/2（約3.5 METs）へと進みます [4, 6]。この緩やかな導入により、10%の傾斜に入る前に運動不足の人や高齢者を順応させることができます [4, 6]。
• 高傾斜ウォーキング専用プロトコル： 走ることができない人向けに、一定速度で歩きながら3分ごとに傾斜を5%ずつ最大25%まで上げていくプロトコル（時速3.6マイルなど、約3.88 W/kgに到達）は、標準ブルースの結果と有意差のない真のVO₂ max値を引き出します（$44.97\pm 7.71$ vs. $45.99\pm 7.57$ ml·kg⁻¹·min⁻¹、$R=0.95$）。ブランド・アルトマン分析ではデータの93%が±4.5 ml·kg⁻¹·min⁻¹の範囲内に収まりました [2]。
• ランププロトコル： 短いステージ（通常1分ごと、または連続的な増分）を用いるプロトコルは、よりスムーズな負荷漸増を提供し、突然の局所疲労を抑え、代謝閾値や酸素摂取量のプラトーをより明確に特定できるようにします [8, 12]。