ความแม่นยำของ Bruce Protocol ในการวัด VO2 Max สำหรับผู้ที่ไม่เคยฝึก

การทดสอบสมรรถภาพบนลู่วิ่งด้วย Bruce Protocol แบบมาตรฐานจะประเมินค่าความจุปอดและระบบไหลเวียนโลหิตสูงสุด หรือ VO₂ max (อัตราสูงสุดที่ร่างกายสามารถรับ ลำเลียง และนำออกซิเจนไปใช้ได้ระหว่างการออกกำลังกายอย่างหนัก) จากระยะเวลารวมจนกว่าจะหมดแรง [3, 4] แม้ว่าการคำนวณจากระยะเวลาจะมีความสัมพันธ์อย่างมากกับการวัดก๊าซหายใจโดยตรงด้วยเครื่อง metabolic cart ในกลุ่มประชากรระดับภาพรวม แต่การประเมินในระดับบุคคลมักมีความคลาดเคลื่อนอยู่ที่ประมาณ ±10% ถึง 15% [4] สำหรับผู้ที่ไม่ผ่านการฝึกฝนมาก่อน การเพิ่มความชันอย่างรวดเร็วของเกณฑ์ทดสอบนี้มักทำให้ต้องหยุดการทดสอบก่อนเวลาอันควร เนื่องจากความล้าเฉพาะที่ของกล้ามเนื้อขา มากกว่าจะเกิดจากความเหนื่อยล้าของระบบหัวใจและการหายใจอย่างแท้จริง ซึ่งส่งผลให้การคำนวณคะแนนตามเวลาผิดเพี้ยนไป [6, 8]

โครงสร้างของ Bruce Protocol

Bruce Protocol แบบมาตรฐานเดิมทีถูกพัฒนาขึ้นเพื่อคัดกรองผู้ป่วยทางคลินิกสำหรับโรคหลอดเลือดหัวใจและภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ โดยมีรูปแบบขั้นตอนการทดสอบที่ตายตัว [6, 8] การทดสอบจะแบ่งเป็นระดับ (Stage) ละ 3 นาที เริ่มต้นที่ Stage 1 ด้วยความเร็วเดิน 1.7 ไมล์/ชม. (2.7 กม./ชม.) ที่ความชันสูงถึง 10% (ความหนักประมาณ 3 ถึง 4.7 METs) [3, 6, 16] ภาระงานจะเพิ่มขึ้นทุกๆ 3 นาทีโดยการเพิ่มทั้งความเร็วและปรับความชันของลู่วิ่งขึ้นอีก 2% พร้อมกัน จนกระทั่งถึงความเร็ว 6.0 ไมล์/ชม. ที่ความชัน 22% ใน Stage 7 (ประมาณ 20 ถึง 21 METs) และสูงสุดถึง 7.0 ไมล์/ชม. ที่ความชัน 26% ใน Stage 9 [3, 6, 11, 16]

เมื่อไม่มีการใช้เครื่อง metabolic cart ตรวจวัดก๊าซหายใจแบบลมหายใจต่อลมหายใจโดยตรง จะมีการประเมิน VO₂ max จากระยะเวลารวมของการทดสอบ ($T$ ในหน่วยนาที) โดยใช้สมการถดถอยที่กำหนดไว้ [4, 6]:

• สูตรทั่วไป: ${\text{VO}}_2\text{ max }(\text{ml}\cdot {\text{kg}}^{-1}\cdot {\text{min}}^{-1})=14.76-(1.379\times T)+(0.451\times T^2)-(0.012\times T^3)$ [4, 6, 16]
• ผู้ชาย: ${\text{VO}}_2\text{ max}=2.94\times T+7.65$ [4, 6]
• ชายหนุ่ม: ${\text{VO}}_2\text{ max}=3.62\times T+3.91$ [4, 6]
• ผู้หญิง: ${\text{VO}}_2\text{ max}=2.94\times T+3.74$ หรือ $4.38\times T-3.9$ [4, 6, 16]

แบบจำลองการถดถอยเหล่านี้มีความสัมพันธ์ที่ดีกับการวัดด้วยเครื่อง metabolic cart ($r=0.85$ ถึง $0.95$) โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนมาตรฐานของการประมาณการ (SEE) อยู่ที่ประมาณ 3.0 ml·kg⁻¹·min⁻¹ [4, 16] อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสมการเหล่านี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าระยะเวลารวมสะท้อนถึงความจุแอโรบิกโดยตรง ปัจจัยใดก็ตามที่ทำให้เวลาบนลู่วิ่งสั้นลงหรือยาวนานขึ้นอย่างไม่เป็นธรรมชาติ ย่อมนำพาความคลาดเคลื่อนเข้ามาสู่คะแนนที่คำนวณได้ [15, 16]

ความชันสูงและความล้าของกล้ามเนื้อเฉพาะที่

การเริ่มต้นที่ความชัน 10% และเพิ่มขึ้น 2% ในทุกระดับ ก่อให้เกิดลักษณะทางชีวกลศาสตร์ที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากการวิ่งบนพื้นราบ [6, 8] การเดินบนทางชันทำให้กลศาสตร์ของรยางค์ส่วนล่างเปลี่ยนไป: ทำให้ระยะก้าวสั้นลง อัตราการก้าวลดลง ระยะเวลาที่เท้าแตะพื้นและจังหวะที่เท้าทั้งสองข้างสัมผัสพื้นพร้อมกันยาวนานขึ้น จุดศูนย์กลางแรงกดเลื่อนไปข้างหน้าและออกด้านข้าง และลดแรงสะท้อนจากพื้นในแนวดิ่งรวมถึงโมเมนต์การหุบเข้าของข้อเข่าภายในเมื่อเทียบกับการวิ่งบนทางราบ [19, 20]

แม้ว่าจะช่วยลดแรงกระแทกต่อข้อต่อ แต่ความชันที่สูงกลับสร้างภาระอย่างหนักเฉพาะจุดต่อกล้ามเนื้อรยางค์ส่วนล่าง [8, 19] ในผู้เข้าร่วมการทดสอบที่มีสุขภาพดีแต่ไม่เคยฝึกฝนมาก่อน การเดินขึ้นเนินที่ไม่คุ้นเคยนี้มักทำให้เกิดอาการล้าที่ขาเฉียบพลัน ตะคริว หรือความรู้สึกไม่สบายคล้ายอาการปวดล้าจากการขาดเลือด (claudication) ก่อนที่จะถึงขีดจำกัดสูงสุดของระบบหัวใจและปอดส่วนกลาง [6, 8] เกณฑ์การยุติการทดสอบสำหรับ Bruce Protocol รวมถึงอาการล้าของกล้ามเนื้ออย่างรุนแรง ตะคริวที่ขา และอาการปวดล้าจากการขาดเลือด [6] เมื่อบุคคลนั้นยุติการทดสอบก่อนเวลาอันควรเนื่องจากอาการล้าแสบกล้ามเนื้อขาเฉพาะจุดมากกว่าการหมดแรงของระบบส่วนกลาง ระยะเวลารวมบนลู่วิ่งจะสั้นลง ส่งผลให้ค่าประมาณการ VO₂ max ต่ำกว่าความเป็นจริง [8]

การศึกษาการแลกเปลี่ยนก๊าซโดยตรงยืนยันว่าระเบียบวิธีนี้สามารถจำกัดการออกแรงทางสรีรวิทยาขั้นสูงสุดได้ ในการทดลองแบบสุ่มข้ามกลุ่ม (cross-over trial) ที่เปรียบเทียบ Bruce Protocol กับเกณฑ์วิธีที่นักกีฬาเป็นผู้กำหนดเองในผู้เข้าร่วม 29 คน (โดย 22 คนไม่มีประสบการณ์การทดสอบวิ่งจนถึงระดับสูงสุดมาก่อน) ค่า VO₂ max ที่วัดได้โดยตรงแทบจะเหมือนกัน (46.8 ± 10.7 เทียบกับ 47.0 ± 9.1 ml·kg⁻¹·min⁻¹; Spearman $r=0.93$) [1] อย่างไรก็ตาม อัตราการเต้นของหัวใจสูงสุดต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อทดสอบด้วย Bruce Protocol แบบมาตรฐาน (179.7 ± 8.7 bpm) เมื่อเทียบกับเกณฑ์วิธีที่นักกีฬากำหนดเอง (182.8 ± 10.5 bpm) ซึ่งชี้ให้เห็นว่าโครงสร้างของการทดสอบนี้อาจยุติลงก่อนที่ระบบหัวใจและหลอดเลือดจะออกแรงถึงจุดสูงสุดจริง [1]

การก้าวกระโดดของภาระงานในแต่ละระดับและปัญหาการคุมจังหวะ

Bruce Protocol แตกต่างจาก Ramp Protocol ที่เพิ่มภาระงานอย่างต่อเนื่องหรือเพิ่มขึ้นทีละน้อยทุก 1 นาที โดยระดับละ 3 นาทีของ Bruce Protocol จะทำให้ภาระงานเพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดดและกะทันหัน ซึ่งสร้างความเครียดทางสรีรวิทยาแบบเฉียบพลัน [12] นอกจากนี้ ผู้ที่ไม่ค่อยได้เคลื่อนไหวร่างกายและผู้ที่ไม่ผ่านการฝึกฝนมักประสบปัญหาในการปรับเปลี่ยนชีวกลศาสตร์จากการเดินชันไปเป็นการวิ่ง ซึ่งจำเป็นต้องทำใน Stage 3 และ 4 (เริ่มต้นที่ 3.4 ไมล์/ชม. และ 4.2 ไมล์/ชม. ที่ความชัน 14% และ 16%) [2, 6]

การศึกษาเปรียบเทียบที่ประเมินเกณฑ์วิธีบนลู่วิ่งรูปแบบใหม่—ซึ่งเริ่มต้นด้วยความเร็วที่สูงกว่าแต่ใช้ความชันต่ำกว่า และปรับเพิ่มขึ้นทีละ 1 นาที—แสดงให้เห็นว่าผู้เข้าร่วมสามารถบรรลุค่า VO₂ max ที่เทียบเท่ากันได้ (ค่า Bland-Altman bias เทียบกับ Bruce = 0.824 ± 3.163 ml·kg⁻¹·min⁻¹, ค่าเฉลี่ยความคลาดเคลื่อนสัมบูรณ์ร้อยละ < 10%) โดยใช้เวลาจนถึงหมดแรงน้อยกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ทั้งยังหลีกเลี่ยงภาวะกล้ามเนื้อขาหมดแรงเฉพาะจุดก่อนเวลาอันควร [8]

ผลกระทบกวนจากการจับราวจับลู่วิ่ง

ผู้ที่ไม่ผ่านการฝึกฝนซึ่งรู้สึกไม่มั่นคงบนทางชันมักจะจับราวจับของลู่วิ่งไว้ [15, 16] การพยุงตัวด้วยราวจับส่งผลกระทบอย่างมากต่อระยะเวลาการทดสอบและทำให้การคำนวณค่า VO₂ max คลาดเคลื่อน [15, 16]:

• การจับราวด้านหน้าช่วยลดการใช้พลังงานในระดับภาระงานนั้นลงได้ถึง 10% ถึง 20% [16]
• ความต้องการพลังงานที่ลดลงนี้ทำให้เวลาบนลู่วิ่งรวม ($T$) ยาวนานขึ้นอย่างไม่เป็นธรรมชาติ ส่งผลให้สมการถดถอยคำนวณค่า VO₂ max สูงเกินจริง [15, 16]
• การจำกัดการสัมผัสให้เหลือเพียงปลายนิ้วสองนิ้วของมือข้างเดียวช่วยลดความต่างของเวลานี้ลงได้ในผู้ชายสุขภาพดี แต่ในกลุ่มผู้หญิงและผู้ป่วยทางคลินิกยังคงพบเวลาที่ถูกยืดออกไปอย่างมีนัยสำคัญ [15]

เพื่อให้คะแนน VO₂ max ที่คำนวณได้มีความถูกต้องแม่นยำ จะต้องทำการทดสอบโดยไม่เอนพิงหรือจับราวจับพยุงตัว [15, 16]

ทางเลือกอื่นสำหรับผู้ไม่ผ่านการฝึกและผู้ที่นั่งทำงานเป็นหลัก

เพื่อลดทอนความชันเริ่มต้นที่สูงเกินไปของการทดสอบมาตรฐาน การทดสอบสมรรถภาพทางคลินิกจึงมักใช้เกณฑ์วิธีที่มีการปรับเปลี่ยน:

• Modified Bruce Protocol: เพิ่มระดับภาระงานเบาเริ่มต้น 3 นาทีจำนวนสองระดับก่อนเข้าสู่ Stage 1 มาตรฐาน: Stage 0/1 ที่ความเร็ว 1.7 ไมล์/ชม. และความชัน 0% (~2.3 METs) ตามด้วย Stage 0.5/2 ที่ความเร็ว 1.7 ไมล์/ชม. และความชัน 5% (~3.5 METs) [4, 6] การค่อยๆ เพิ่มภาระงานนี้ช่วยรองรับผู้ที่นั่งทำงานเป็นหลักหรือผู้สูงอายุก่อนที่จะเริ่มเผชิญกับความชัน 10% [4, 6]
• เกณฑ์วิธีแบบเดินบนความชันสูงเพียงอย่างเดียว: สำหรับผู้ที่ไม่สามารถวิ่งได้ การทดสอบด้วยการเดินที่ความเร็วคงที่ (เช่น 3.6 ไมล์/ชม. พร้อมเพิ่มความชัน 5% ทุกๆ 3 นาทีจนถึง 25% ซึ่งสร้างภาระงานได้ประมาณ 3.88 W/kg) ให้ค่า VO₂ max ที่แท้จริงไม่แตกต่างจากผลการทดสอบด้วย Bruce มาตรฐานอย่างมีนัยสำคัญ ($44.97\pm 7.71$ เทียบกับ $45.99\pm 7.57$ ml·kg⁻¹·min⁻¹, $R=0.95$) โดย 93% ของข้อมูลตกอยู่ในช่วง ±4.5 ml·kg⁻¹·min⁻¹ จากการวิเคราะห์ของ Bland-Altman [2]
• Ramp Protocols: เกณฑ์วิธีที่มีช่วงระดับสั้นกว่า (โดยทั่วไปคือ 1 นาทีหรือเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง) จะให้การไต่ระดับที่ราบรื่นกว่า ซึ่งช่วยลดความล้าเฉพาะที่แบบกะทันหัน และช่วยให้ระบุจุดแบ่งเกณฑ์เมแทบอลิซึม (metabolic thresholds) รวมถึงจุดคงที่ของการใช้ออกซิเจน (oxygen plateaus) ได้ชัดเจนยิ่งขึ้น [8, 12]