Độ chính xác của bài kiểm tra VO2 Max Bruce ở người chưa tập luyện

Bài kiểm tra trên máy chạy bộ theo giao thức Bruce tiêu chuẩn ước tính lượng oxy tiêu thụ tối đa (VO₂ max)—tốc độ tối đa mà cơ thể có thể tiếp nhận, vận chuyển và sử dụng oxy trong khi vận động gắng sức—dựa trên tổng thời gian đến khi kiệt sức [3, 4]. Mặc dù các phép tính dựa trên thời gian có mối tương quan chặt chẽ với các phép đo trực tiếp bằng máy phân tích chuyển hóa khí thở trên nhiều quần thể, các ước tính riêng lẻ thường có mức sai số dao động từ ±10% đến 15% [4]. Đối với những người chưa qua tập luyện, việc tăng độ dốc nhanh chóng của giao thức này thường khiến họ phải dừng bài kiểm tra sớm do mỏi cơ chân cục bộ thay vì kiệt sức tim mạch hô hấp thực sự, làm sai lệch kết quả tính điểm dựa trên thời gian [6, 8].

Cấu trúc của giao thức Bruce

Ban đầu được phát triển để sàng lọc bệnh nhân mắc bệnh động mạch vành và rối loạn nhịp tim trong lâm sàng, giao thức Bruce tiêu chuẩn tuân theo một thiết kế đa giai đoạn nghiêm ngặt [6, 8]. Bài kiểm tra tiến triển qua các giai đoạn kéo dài 3 phút, bắt đầu ở Giai đoạn 1 với tốc độ đi bộ 1,7 mph (2,7 km/h) ở độ dốc lớn 10% (cường độ khoảng 3 đến 4,7 đương lượng chuyển hóa, hay METs) [3, 6, 16]. Khối lượng vận động tăng dần sau mỗi 3 phút bằng cách tăng đồng thời cả tốc độ và thêm 2% độ dốc máy chạy bộ, đạt 6,0 mph ở độ dốc 22% vào Giai đoạn 7 (khoảng 20 đến 21 METs) và lên tới 7,0 mph ở độ dốc 26% trong Giai đoạn 9 [3, 6, 11, 16].

Khi không sử dụng máy phân tích chuyển hóa khí thở từng nhịp để đo trực tiếp các khí hô hấp, VO₂ max được ước tính từ tổng thời gian kiểm tra ($T$, tính bằng phút) bằng các công thức hồi quy đã được thiết lập [4, 6]:

• Công thức chung: ${\text{VO}}_2\text{ max }(\text{ml}\cdot {\text{kg}}^{-1}\cdot {\text{min}}^{-1})=14.76-(1.379\times T)+(0.451\times T^2)-(0.012\times T^3)$ [4, 6, 16]
• Nam giới: ${\text{VO}}_2\text{ max}=2.94\times T+7.65$ [4, 6]
• Nam giới trẻ tuổi: ${\text{VO}}_2\text{ max}=3.62\times T+3.91$ [4, 6]
• Nữ giới: ${\text{VO}}_2\text{ max}=2.94\times T+3.74$ hoặc $4.38\times T-3.9$ [4, 6, 16]

Các mô hình hồi quy này tương quan tốt với các phép đo từ máy phân tích chuyển hóa ($r=0.85$ đến $0.95$) với sai số chuẩn ước tính khoảng 3,0 ml·kg⁻¹·min⁻¹ [4, 16]. Tuy nhiên, vì các phương trình này giả định rằng tổng thời gian phản ánh trực tiếp dung tích hiếu khí, nên bất kỳ yếu tố nào làm rút ngắn hoặc kéo dài thời gian trên máy chạy bộ một cách giả tạo đều tạo ra sai số trong kết quả tính toán [15, 16].

Độ dốc lớn và hiện tượng mỏi cơ cục bộ

Bắt đầu ở độ dốc 10% và tăng 2% sau mỗi giai đoạn tạo ra một đặc tính cơ sinh học khác biệt rõ rệt so với chạy trên mặt phẳng [6, 8]. Đi bộ dốc làm thay đổi cơ học chi dưới: rút ngắn độ dài sải chân, giảm guồng chân (cadence), tăng thời gian tiếp đất và thời gian tiếp xúc hai chân, chuyển tâm áp lực về phía trước và ra ngoài, đồng thời làm giảm lực phản lực thẳng đứng từ mặt đất cũng như mô-men khép khớp gối trong so với chạy bằng phẳng [19, 20].

Mặc dù giúp giảm lực tác động lên khớp, độ dốc lớn lại đặt ra yêu cầu rất nặng nề lên hệ cơ bắp chi dưới [8, 19]. Ở những người khỏe mạnh nhưng chưa qua tập luyện, việc đi bộ leo dốc không quen thường gây ra mỏi cơ chân cấp tính, chuột rút hoặc cảm giác khó chịu tương tự như đau cách hồi trước khi cơ thể đạt đến giới hạn tim phổi trung tâm [6, 8]. Các tiêu chí dừng bài kiểm tra của giao thức Bruce bao gồm mỏi cơ nghiêm trọng, chuột rút ở chân và đau cách hồi [6]. Khi một người kết thúc bài kiểm tra sớm do cảm giác nóng rát cơ chân cục bộ thay vì kiệt sức toàn thân, tổng thời gian trên máy chạy bộ sẽ bị rút ngắn, dẫn đến ước tính VO₂ max thấp hơn thực tế [8].

Các nghiên cứu trao đổi khí trực tiếp xác nhận rằng giao thức này có thể hạn chế khả năng gắng sức sinh lý tối đa. Trong một thử nghiệm bắt chéo ngẫu nhiên so sánh giao thức Bruce với một giao thức do vận động viên tự điều chỉnh ở 29 người tham gia (22 người trong số đó chưa từng có kinh nghiệm kiểm tra chạy tối đa trước đây), các phép đo VO₂ max trực tiếp gần như giống hệt nhau (46,8 ± 10,7 so với 47,0 ± 9,1 ml·kg⁻¹·min⁻¹; Spearman $r=0.93$) [1]. Tuy nhiên, nhịp tim tối đa ở giao thức Bruce tiêu chuẩn thấp hơn đáng kể (179,7 ± 8,7 bpm) so với giao thức do vận động viên tự điều chỉnh (182,8 ± 10,5 bpm), cho thấy thiết kế bài kiểm tra có thể kết thúc trước khi đạt tới mức gắng sức tim mạch đỉnh thực sự [1].

Bước nhảy cường độ lớn giữa các giai đoạn và vấn đề phân phối sức

Không giống như các giao thức dốc thoải (ramp protocols) tăng khối lượng vận động liên tục hoặc theo các bước tăng nhỏ 1 phút một lần, các giai đoạn 3 phút của giao thức Bruce tạo ra những bước nhảy khối lượng vận động đột ngột và lớn, gây ra căng thẳng sinh lý cấp tính [12]. Hơn nữa, những người ít vận động và chưa qua tập luyện thường gặp khó khăn với sự chuyển đổi cơ sinh học từ đi bộ dốc sang chạy ở Giai đoạn 3 và 4 (bắt đầu ở 3,4 mph và 4,2 mph với độ dốc 14% và 16%) [2, 6].

Một nghiên cứu so sánh đánh giá một giao thức máy chạy bộ mới—bắt đầu với tốc độ cao hơn cùng độ dốc thấp hơn và sử dụng các bước tăng 1 phút—đã chứng minh rằng những người tham gia đạt được các giá trị VO₂ max tương đương (độ lệch Bland-Altman so với Bruce = 0,824 ± 3,163 ml·kg⁻¹·min⁻¹, sai số phần trăm tuyệt đối trung bình < 10%) trong thời gian đến khi kiệt sức ngắn hơn đáng kể, đồng thời tránh được tình trạng mỏi cơ chân cục bộ sớm [8].

Tác động gây nhiễu của việc vịn tay vịn

Những người chưa qua tập luyện khi cảm thấy không vững trên độ dốc lớn thường bám vào tay vịn của máy chạy bộ [15, 16]. Việc vịn tay vịn làm biến dạng đáng kể thời gian kiểm tra và các phép tính VO₂ max thu được [15, 16]:

• Việc nắm tay vịn phía trước làm giảm mức tiêu hao năng lượng chuyển hóa của khối lượng vận động từ 10% đến 20% [16].
• Nhu cầu chuyển hóa bị giảm này kéo dài tổng thời gian trên máy chạy bộ ($T$) một cách giả tạo, dẫn đến các công thức hồi quy tính ra chỉ số VO₂ max bị thổi phồng [15, 16].
• Việc giới hạn tiếp xúc chỉ bằng đầu hai ngón tay của một bàn tay có thể làm giảm sự chênh lệch thời gian này ở nam giới khỏe mạnh, nhưng sự kéo dài thời gian đáng kể vẫn tồn tại ở phụ nữ và bệnh nhân lâm sàng [15].

Để đảm bảo điểm số VO₂ max tính toán có giá trị, bài kiểm tra phải được thực hiện mà không dựa hoặc nắm vào các điểm tựa tay vịn [15, 16].

Các giải pháp thay thế cho người chưa tập luyện và người ít vận động

Để giảm bớt bước nhảy độ dốc lớn ban đầu của bài kiểm tra tiêu chuẩn, kiểm tra gắng sức lâm sàng thường sử dụng các giao thức điều chỉnh:

• Giao thức Bruce sửa đổi (Modified Bruce Protocol): Bổ sung thêm hai giai đoạn khởi đầu kéo dài 3 phút với khối lượng vận động thấp trước khi bước vào Giai đoạn 1 tiêu chuẩn: Giai đoạn 0/1 ở tốc độ 1,7 mph và độ dốc 0% (~2,3 METs), tiếp theo là Giai đoạn 0.5/2 ở tốc độ 1,7 mph và độ dốc 5% (~3,5 METs) [4, 6]. Mức tăng dần này giúp những người ít vận động hoặc người cao tuổi thích nghi trước khi bước vào độ dốc 10% [4, 6].
• Giao thức chỉ đi bộ trên độ dốc lớn: Đối với những người không thể chạy, các giao thức đi bộ với tốc độ không đổi (chẳng hạn như 3,6 mph và tăng 5% độ dốc sau mỗi 3 phút lên đến tối đa 25%, đạt khoảng 3,88 W/kg) mang lại giá trị VO₂ max thực sự không khác biệt đáng kể so với kết quả Bruce tiêu chuẩn ($44.97\pm 7.71$ so với $45.99\pm 7.57$ ml·kg⁻¹·min⁻¹, $R=0.95$), với 93% các điểm dữ liệu nằm trong khoảng ±4,5 ml·kg⁻¹·min⁻¹ theo phân tích Bland-Altman [2].
• Giao thức dốc thoải (Ramp Protocols): Các giao thức với các giai đoạn ngắn hơn (thường là 1 phút hoặc tăng liên tục) mang lại sự tiến triển mượt mà hơn, giúp giảm tình trạng mỏi cơ cục bộ đột ngột và cho phép xác định rõ ràng hơn các ngưỡng chuyển hóa cũng như điểm bình nguyên oxy (oxygen plateau) [8, 12].