Dokładność protokołu Bruce'a w szacowaniu VO2 max u osób nietrenujących

Standardowy test na bieżni mechanicznej według protokołu Bruce'a szacuje maksymalny pobór tlenu (VO₂ max) – czyli maksymalną ilość tlenu, jaką organizm może pobrać, przetransportować i wykorzystać podczas intensywnego wysiłku – na podstawie całkowitego czasu do wyczerpania [3, 4]. Choć obliczenia oparte na czasie trwania silnie korelują z bezpośrednimi pomiarami za pomocą analizatora gazów wydechowych w przekroju całych populacji, indywidualne szacunki są zazwyczaj obarczone błędem rzędu ±10% do 15% [4]. U osób nietrenujących szybki wzrost nachylenia bieżni często prowadzi do przedwczesnego przerwania próby z powodu miejscowego zmęczenia mięśni nóg, a nie rzeczywistego wyczerpania krążeniowo-oddechowego, co zniekształca wynik oparty na czasie trwania testu [6, 8].

Struktura protokołu Bruce'a

Standardowy protokół Bruce'a, pierwotnie opracowany do badań przesiewowych pacjentów kardiologicznych pod kątem choroby wieńcowej i zaburzeń rytmu serca, opiera się na sztywnej, wielostopniowej strukturze [6, 8]. Test składa się z 3-minutowych etapów, zaczynając od etapu 1. z prędkością marszu 1,7 mph (2,7 km/h) przy stromym nachyleniu 10% (co odpowiada intensywności około 3 do 4,7 ekwiwalentu metabolicznego, czyli MET) [3, 6, 16]. Obciążenie wzrasta co 3 minuty poprzez jednoczesne zwiększenie prędkości i podniesienie nachylenia bieżni o 2%, osiągając 6,0 mph przy 22% nachylenia na etapie 7. (około 20 do 21 MET) oraz do 7,0 mph przy 26% nachylenia na etapie 9. [3, 6, 11, 16].

Gdy nie stosuje się bezpośredniego pomiaru gazów oddechowych oddech po oddechu (metabolic cart), VO₂ max szacuje się na podstawie całkowitego czasu trwania testu ($T$, w minutach) za pomocą ustalonych wzorów regresji [4, 6]:

• Wzór ogólny: ${\text{VO}}_2\text{ max }(\text{ml}\cdot {\text{kg}}^{-1}\cdot {\text{min}}^{-1})=14,76-(1,379\times T)+(0,451\times T^2)-(0,012\times T^3)$ [4, 6, 16]
• Mężczyźni: ${\text{VO}}_2\text{ max}=2,94\times T+7,65$ [4, 6]
• Młodzi mężczyźni: ${\text{VO}}_2\text{ max}=3,62\times T+3,91$ [4, 6]
• Kobiety: ${\text{VO}}_2\text{ max}=2,94\times T+3,74$ lub $4,38\times T-3,9$ [4, 6, 16]

Te modele regresyjne wykazują dobrą korelację z bezpośrednimi pomiarami ergospirometrycznymi ($r=0,85$ do $0,95$) ze standardowym błędem oszacowania wynoszącym około 3,0 ml·kg⁻¹·min⁻¹ [4, 16]. Ponieważ jednak równania te zakładają, że całkowity czas trwania bezpośrednio odzwierciedla wydolność tlenową, każdy czynnik sztucznie skracający lub wydłużający czas na bieżni wprowadza błąd do wyliczonego wyniku [15, 16].

Strome nachylenie a miejscowe zmęczenie mięśni

Rozpoczęcie testu przy nachyleniu 10% i zwiększanie go o 2% na każdym etapie tworzy profil biomechaniczny wyraźnie różniący się od biegu po płaskim terenie [6, 8]. Chód pod górę zmienia mechanikę kończyn dolnych: skraca długość kroku, zmniejsza kadencję, wydłuża fazę podparcia i podwójnego podparcia, przesuwa środek nacisku do przodu i bocznie, a także zmniejsza pionowe siły reakcji podłoża oraz wewnętrzny moment przywodzenia kolana w porównaniu z biegiem po płaskim [19, 20].

Mimo mniejszych sił uderzeniowych działających na stawy, strome nachylenia nakładają duże miejscowe obciążenie na mięśnie kończyn dolnych [8, 19]. U zdrowych, ale nietrenujących osób nieprzyzwyczajonych do marszu pod górę często dochodzi do ostrego zmęczenia nóg, skurczów lub dolegliwości przypominających chromanie, zanim osiągnięte zostaną centralne ograniczenia krążeniowo-oddechowe [6, 8]. Kryteria przerwania protokołu Bruce'a obejmują silne zmęczenie mięśniowe, skurcze nóg oraz objawy chromania [6]. Gdy uczestnik kończy test przedwcześnie z powodu pieczenia w mięśniach nóg, a nie ogólnego wyczerpania organizmu, całkowity czas na bieżni ulega skróceniu, co skutkuje sztucznie zaniżonym szacunkiem VO₂ max [8].

Badania z bezpośrednią analizą wymiany gazowej potwierdzają, że protokół ten może uniemożliwiać osiągnięcie maksymalnego wysiłku fizjologicznego. W randomizowanym badaniu naprzemiennym porównującym protokół Bruce'a z protokołem dostosowywanym przez sportowca u 29 uczestników (z których 22 nie miało wcześniejszego doświadczenia w maksymalnych testach biegowych), bezpośrednie pomiary VO₂ max były niemal identyczne (46,8 ± 10,7 vs 47,0 ± 9,1 ml·kg⁻¹·min⁻¹; $r$ Spearmana = 0,93) [1]. Jednak maksymalne tętno było istotnie niższe w standardowym protokole Bruce'a (179,7 ± 8,7 bpm) w porównaniu z protokołem prowadzonym przez sportowca (182,8 ± 10,5 bpm), co wskazuje, że specyfika testu może prowadzić do jego zakończenia przed osiągnięciem rzeczywistego szczytowego wysiłku sercowo-naczyniowego [1].

Duże skoki obciążenia i trudności z tempem

W przeciwieństwie do protokołów rampowych, które zwiększają obciążenie w sposób ciągły lub w małych, 1-minutowych odstępach, 3-minutowe etapy protokołu Bruce'a powodują duże, nagłe skoki obciążenia, wywołując gwałtowny stres fizjologiczny [12]. Co więcej, osoby prowadzące siedzący tryb życia i nietrenujące często mają trudności z biomechanicznym przejściem ze stromego marszu do biegu, czego wymagają etapy 3. i 4. (rozpoczynające się od 3,4 mph i 4,2 mph przy nachyleniach odpowiednio 14% i 16%) [2, 6].

Badanie porównawcze oceniające nowy protokół na bieżni – w którym zastosowano wyższe prędkości początkowe przy mniejszych nachyleniach oraz 1-minutowe przyrosty – wykazało, że uczestnicy osiągali równoważne wartości VO₂ max (obciążenie Blanda-Altmana vs Bruce = 0,824 ± 3,163 ml·kg⁻¹·min⁻¹, średni bezwzględny błąd procentowy < 10%) w znacznie krótszym czasie do wyczerpania, unikając jednocześnie przedwczesnego, miejscowego zmęczenia nóg [8].

Zakłócający wpływ trzymania się poręczy

Osoby nietrenujące, które czują się niestabilnie na stromych wzniesieniach, często chwytają się poręczy bieżni [15, 16]. Podparcie na poręczach znacząco zniekształca czas trwania testu i wynikające z niego obliczenia VO₂ max [15, 16]:

• Trzymanie się przedniej poręczy zmniejsza koszt metaboliczny wysiłku o 10% do 20% [16].
• To zmniejszone zapotrzebowanie metaboliczne sztucznie wydłuża całkowity czas na bieżni ($T$), co sprawia, że wzory regresyjne zawyżają wyliczone VO₂ max [15, 16].
• Ograniczenie kontaktu do opuszków dwóch palców jednej ręki zmniejsza tę różnicę w czasie u zdrowych mężczyzn, ale znaczne zawyżenie czasu utrzymuje się u kobiet i pacjentów klinicznych [15].

Aby obliczone wartości VO₂ max zachowały trafność, test musi być wykonywany bez opierania się o poręcze ani ich chwytania [15, 16].

Alternatywy dla osób nietrenujących i prowadzących siedzący tryb życia

Aby złagodzić gwałtowny początkowy wzrost obciążenia standardowego testu, w klinicznych próbach wysiłkowych często stosuje się zmodyfikowane protokoły:

• Zmodyfikowany protokół Bruce'a: Dodaje dwa wstępne, 3-minutowe etapy o niskim obciążeniu przed osiągnięciem standardowego etapu 1.: etap 0/1 z prędkością 1,7 mph i nachyleniem 0% (~2,3 MET), a następnie etap 0,5/2 z prędkością 1,7 mph i nachyleniem 5% (~3,5 MET) [4, 6]. Takie stopniowe narastanie ułatwia adaptację osobom o siedzącym trybie życia lub starszym przed wprowadzeniem 10% nachylenia [4, 6].
• Protokoły oparte wyłącznie na marszu pod dużym kątem: W przypadku osób niezdolnych do biegu protokoły marszowe ze stałą prędkością (np. 3,6 mph ze wzrostem nachylenia o 5% co 3 minuty aż do 25%, co pozwala osiągnąć około 3,88 W/kg) pozwalają uzyskać rzeczywiste wartości VO₂ max, które nie różnią się istotnie od wyników standardowego protokołu Bruce'a ($44,97\pm 7,71$ vs $45,99\pm 7,57$ ml·kg⁻¹·min⁻¹, $R=0,95$), przy czym 93% punktów danych mieści się w granicach ±4,5 ml·kg⁻¹·min⁻¹ w analizie Blanda-Altmana [2].
• Protokoły rampowe: Protokoły z krótszymi etapami (zwykle 1-minutowymi lub z przyrostem ciągłym) zapewniają płynniejszą progresję, która redukuje nagłe zmęczenie miejscowe i pozwala na wyraźniejszą identyfikację progów metabolicznych oraz plateau poboru tlenu [8, 12].