心拍予備能（HRR）ゾーンは実際の代謝閾値と一致するのか？

カルボーネン法によって算出される心拍予備能（HRR）の計算式は、集団レベルにおける代謝作業率の大まかな推定値を提供しますが、個々の換気性作業閾値や血中乳酸閾値と正確に一致しないことがよくあります [2, 17]。集団平均では予測可能なパターンが示されるものの、個人の閾値心拍数は体力レベル、性別、健康状態によって大きく異なります [8, 11, 19]。標準的なHRRパーセンテージに厳密に依存すると、アスリートや臨床対象者が意図したよりも高い、あるいは低い代謝ドメインでトレーニングしてしまうことが頻繁に生じます [8, 14, 17]。

3つの代謝強度ドメインモデル

持久系運動生理学では、作業出力を2つの生理学的境界点によって分けられる3つの主要な代謝強度ドメインに分類します [19]：

1. 中等度ドメイン（Moderate Domain）: 第1換気性作業閾値（VT1）または第1乳酸性作業閾値（LT1）未満の作業率 [19]。このドメインでは、血中乳酸値はベースライン付近に維持され（ベースラインから0.5 mM未満の上昇と定義されることが多い）、脂質酸化が高まります [5, 17]。
2. 重度ドメイン（Heavy Domain）: 第1代謝閾値（LT1/VT1）と第2代謝閾値（LT2/VT2、クリティカルパワー、またはクリティカルベロシティ）の間の作業率 [19]。血中乳酸値はベースラインを超えて上昇しますが（経験則としてベースラインから $\ge$1.5 mM の上昇とされることが多い）、持続的な運動下では安定し、最大乳酸定常状態（MLSS）に近づきます [3, 17]。
3. 過度ドメイン（Severe Domain）: 第2代謝閾値と最大酸素摂取量（$\dot{V}{\text{O}}_2\text{max}$）の間の作業率であり、乳酸の維持不可能な上昇と急激な疲労を特徴とします [3, 19]。

エリート持久系アスリートは、脂質代謝を最適化し、ミトコンドリアの効率を高め、筋グリコーゲンを節約するために、トレーニング量の約80%を一貫して中等度ドメイン（ゾーン2以下）に割り当てています [5]。

HRRの平均値と個人差

カルボーネン法では、安静時心拍数に心拍予備能の一定割合を加算して目標心拍数を算出します：$\text{目標心拍数}={\text{HR}}_{\text{rest}}+\text{強度割合}\times ({\text{HR}}_{\text{max}}-{\text{HR}}_{\text{rest}})$ [2]。安静時心拍数を考慮することでベースラインの副交感神経緊張を反映しやすくなりますが、標準的なパーセンテージゾーンは直接測定した生理学的数値から乖離することが多々あります [2]。

厳密に管理されたサイクリング試験において、集団平均はHRRと代謝マーカーの間の合理的な対応を示しています。有酸素トレーニングを積んだ男性サイクリスト33名（平均 $\dot{V}{\text{O}}_2\text{max}$: 62.1 $\pm$ 4.6 ml·kg⁻¹·min⁻¹）のコホートでは、生理学的指標は以下の平均値に対応していました [3]：

• VT1: 184 $\pm$ 36 W (66 $\pm$ 9% HRR) [3]
• MLSS ($n=14$のサブグループ): 256 $\pm$ 31 W [3]
• VT2: 298 $\pm$ 36 W (88 $\pm$ 6% HRR) [3]
• $\dot{V}{\text{O}}_2\text{max}$: 390 $\pm$ 34 W (100% HRR) [3]

漸増負荷試験（25 W·min⁻¹ ランプ）に基づき、5つのトレーニングゾーンが導き出されました：R0 (53–62% HRR)、R1 (62–71% HRR)、R2 (74–86% HRR)、R3 (86–99% HRR)、R3+ (100% HRR) [3]。

しかし、広範なメタアナリシスデータは、個人の閾値の位置がこれらの平均値の周囲に劇的に散らばっていることを示しています [17]。25の研究と412名のランナーを対象としたメタアナリシスでは、生理学的閾値における個人の心拍数は極めて広い範囲に及びました [17]：

• LT1の範囲: 65%～90% HRR（または 69%～94% ${\text{HR}}_{\text{max}}$） [17]
• LT2の範囲: 73%～95% HRR（または 80%～98% ${\text{HR}}_{\text{max}}$） [17]

このばらつきのため、例えば75% HRRといった任意の目標を設定すると、あるランナーは中等度ドメイン内のLT1未満に安全に収まる一方で、別のランナーはLT1を大きく超えて重度ドメインに入ってしまう可能性があります [17, 19]。ラボテストを受けずにLT1未満を厳密に維持する確率を95%にするには、アスリートは65% HRR未満（または70% ${\text{HR}}_{\text{max}}$ 未満）を保つ必要があります [17]。

心拍数計算式と代謝閾値の乖離要因

計算式ベースのHR予備能モデルが、リアルタイムの血中乳酸閾値やガス交換閾値と一致しない背景には、いくつかの要因があります：

1. ${\text{HR}}_{\text{max}}$ 推定に内在する誤差

年齢から最大心拍数を予測する標準的な計算式には、$\pm$10〜12 bpm の推定誤差が含まれます [2]。1999年にMeyerらは、${\text{HR}}_{\text{max}}$ の一律85%で運動を処方すると、個人の運動強度が個別に測定された無酸素性作業閾値の87%から116%にまで散らばることを観察しました [2]。

2. 有酸素性作業能力と非線形な閾値のシフト

有酸素能力と閾値の位置との関係は、体力レベル間で一様ではありません [11]。863名の参加者を対象とした統合研究では、酸素摂取量予備能に対するVT時の酸素摂取量（VT%$\dot{V}{\text{O}}_2\text{R}$）はU字型の曲線を描きました [11]。最下点は $\dot{V}{\text{O}}_2\text{peak}$ が約40 ml·kg⁻¹·min⁻¹ の個人において約43% $\dot{V}{\text{O}}_2\text{R}$ で発生したのに対し、$\dot{V}{\text{O}}_2\text{peak}$ が最も低いおよび最も高い参加者では平均VT%$\dot{V}{\text{O}}_2\text{R}$ が約75%まで上昇しました [11]。

3. 性差

固定された目標閾値は、男女間で同一には作用しません [19]。165名の市民ランナーを対象としたコホートでは、女性ランナーは男性ランナーと比較して、LT1における相対的心拍数、$\dot{V}{\text{O}}_2$、および走速度が有意に高く（$p<0.001$）、一律の心拍数目標が男女間で異なる代謝負荷をもたらすことが浮き彫りになりました [19]。

4. 臨床対象者と変時不全

固定された心拍目標ガイドラインと生理学的閾値の乖離は、臨床コホートで特に顕著です [8, 14]。350名を対象とした研究では、標準的なガイドラインに基づく強度ドメインにおいて、心疾患患者の67.1%（過去のガイドライン）および79.6%（2020年ESCガイドライン）でVT1が中等度ではなく高強度に誤分類されましたが、健康な非活動群では90%、競技アスリートでは93.9%の適合率でした [8]。

同様に、慢性心不全患者18名において、40〜70% HRRから算出した目標心拍数は実測された閾値よりも有意に高く、換気性作業閾値や呼吸代償点を超える重度または過度の運動を処方してしまうリスクがありました [14]。これらの患者の実測 ${\text{HR}}_{\text{max}}$ は、標準的なベータ遮断薬による控除を適用した後であっても、年齢予測値より12%低い結果となりました [14]。

実用的な代替手法と指標

メタボリックカートによる直接測定（VT1/VT2の測定）や血中乳酸分析が利用できない場合、実際の生理学的変化に合わせて調整するための代替手段がいくつか存在します：

• 自覚的運動強度（RPE）: 体力レベルが低い層から高度に鍛えられたアスリートに至るまで、絶対的な作業率に大きな差があるにもかかわらず、VTは一貫してボルグスケールRPE平均12.5 $\pm$ 0.93 付近で出現します [11]。
• 心拍変動（HRV）: トレンド除去変動解析（DFA $\alpha 1$）を用いた非線形HRV解析は、フラクタル相関特性の変化を捉え、低作業率での約1.5からVT1/LT1付近の0.75に向かって低下します [22, 23]。エリートトライアスリートおよび男性ランナーのコホートにおいて、DFA $\alpha 1=0.75$ の閾値はLT1およびVT1と極めて高い一致を示し、平均差はわずか1.7〜2.0 bpmでした [22, 23]。
• パフォーマンスを基準とした指標: 市民ランナーにおいて、走速度に基づく固定の推定法は、心拍数やRPE単独と比較してLT1およびLT2の特定における誤差が小さくなりますが、最大速度を直接測定せずに推定すると閾値の誤差が増加します [19]。