布鲁斯方案评估无训练人群 VO2 Max 的准确性

标准布鲁斯（Bruce）跑步机测试方案通过力竭总时间来估算最大摄氧量（VO₂ max）——即人体在高强度运动中摄取、运输和利用氧气的最大速率 [3, 4]。尽管在群体层面上，基于运动时长的计算结果与使用代谢车直接测得的数据高度相关，但具体到个体的估算通常存在 ±10% 至 15% 的误差 [4]。对于没有训练基础的人群而言，该方案快速上升的坡度往往会因腿部局部肌肉疲劳而导致测试过早终止，而非真正达到了心肺耐力极限，从而造成基于时间的得分计算出现偏差 [6, 8]。

布鲁斯方案的设计结构

标准布鲁斯方案最初是为临床筛查冠状动脉疾病和心律失常患者而开发的，采用了严格的分级递增负荷设计 [6, 8]。测试每 3 分钟为一个阶段，第 1 阶段从 1.7 mph（2.7 km/h）的步行速度和 10% 的陡峭坡度开始（运动强度约为 3 至 4.7 个代谢当量，即 METs） [3, 6, 16]。之后每 3 分钟增加一次负荷，同时提升速度并在跑步机坡度上增加 2%，到第 7 阶段达到 6.0 mph 和 22% 坡度（约 20 至 21 METs），在第 9 阶段最高可达 7.0 mph 和 26% 坡度 [3, 6, 11, 16]。

如果不使用逐次呼吸代谢车直接测量呼吸气体，则可以使用成熟的回归公式，根据测试的总持续时间（$T$，以分钟计）来估算 VO₂ max [4, 6]：

• 通用公式： ${\text{VO}}_2\text{ max }(\text{ml}\cdot {\text{kg}}^{-1}\cdot {\text{min}}^{-1})=14.76-(1.379\times T)+(0.451\times T^2)-(0.012\times T^3)$ [4, 6, 16]
• 男性： ${\text{VO}}_2\text{ max}=2.94\times T+7.65$ [4, 6]
• 年轻男性： ${\text{VO}}_2\text{ max}=3.62\times T+3.91$ [4, 6]
• 女性： ${\text{VO}}_2\text{ max}=2.94\times T+3.74$ 或 $4.38\times T-3.9$ [4, 6, 16]

这些回归模型与代谢车实测值高度相关（$r=0.85$ 至 $0.95$），估算标准误约为 3.0 ml·kg⁻¹·min⁻¹ [4, 16]。然而，由于这些方程式默认总时长能直接反映有氧耐力，任何人为缩短或延长跑步机时间的因素都会给计算结果带来误差 [15, 16]。

陡坡与局部肌肉疲劳

以 10% 的坡度开始并在每个阶段递增 2%，这造成了与平地跑步截然不同的生物力学特征 [6, 8]。与平地跑步相比，坡度步行改变了下肢力学模式：它会缩短步幅、降低步频、延长支撑相和双支撑相时长、使足底压力中心向前及外侧偏移，并减小垂直地面反作用力和膝关节内侧内收力矩 [19, 20]。

尽管陡坡降低了关节冲击力，但它对下肢肌群提出了极高的局部力量要求 [8, 19]。在健康但未经训练的受试者中，不习惯的爬坡步行往往会在达到中心心肺极限之前，便诱发急性腿部疲劳、痉挛或类似间歇性跛行的不适感 [6, 8]。布鲁斯方案的测试终止指征包括严重的肌肉疲劳、腿部痉挛和跛行 [6]。当受试者因局部腿部酸痛灼胀而非全身性耐力力竭而过早结束测试时，跑步机上的总持续时间便会缩短，导致算出的 VO₂ max 估算值被不自然地压低 [8]。

直接的气体代谢研究证实，该方案可能会限制受试者发挥出最大的生理潜能。在一项随机交叉试验中，研究人员在 29 名受试者（其中 22 人之前没有进行最大负荷跑步测试的经验）中对比了布鲁斯方案与运动员自主控制方案，两种方案直接测得的 VO₂ max 几乎完全相同（46.8 ± 10.7 对比 47.0 ± 9.1 ml·kg⁻¹·min⁻¹；Spearman $r=0.93$） [1]。然而，在标准布鲁斯方案中，受试者的最大心率（179.7 ± 8.7 bpm）显著低于自主控制方案（182.8 ± 10.5 bpm），这表明布鲁斯测试的设计可能会在心血管系统真正达到极限峰值前就提前终止 [1]。

阶段跨度过大与配速问题

与连续增加负荷或以 1 分钟微小幅度递增的斜坡（ramp）方案不同，布鲁斯方案每 3 分钟一次的阶段跳跃会带来较大且突发的负荷增加，产生急性生理压力 [12]。此外，久坐和缺乏训练的人群通常难以应对第 3 阶段和第 4 阶段中从陡坡快走到慢跑的生物力学转变（这两个阶段的起始速度分别为 3.4 mph 和 4.2 mph，坡度分别为 14% 和 16%） [2, 6]。

一项评估新型跑步机方案的对比研究显示，采用较高初始速度、较低初始坡度并以 1 分钟为增量递增负荷的方案，使受试者在力竭时间显著缩短的情况下达到了相当的 VO₂ max 值（与布鲁斯方案相比，Bland-Altman 偏差为 0.824 ± 3.163 ml·kg⁻¹·min⁻¹，平均绝对百分比误差 < 10%），同时避免了局部腿部肌肉过早力竭竭尽 [8]。

抓握扶手的干扰效应

在陡坡上感到不稳定的无训练人群经常会抓握跑步机扶手 [15, 16]。抓握扶手会显著扭曲测试时长以及由此算出的 VO₂ max 数据 [15, 16]：

• 抓住前侧扶手会使该运动负荷下的代谢消耗降低 10% 至 20% [16]。
• 这种代谢需求的降低人为延长了跑步机总时间（$T$），导致回归公式算出的 VO₂ max 虚高 [15, 16]。
• 仅用单手的两根手指轻触扶手虽可减少健康男性的时长偏差，但在女性和临床患者中，时间依然会显著虚增 [15]。

为了确保计算出的 VO₂ max 分数有效，测试必须在不倚靠或不抓握扶手的情况下进行 [15, 16]。

适合无训练与久坐人群的替代方案

为了缓解标准测试中初始负荷过陡的问题，临床运动测试常采用改良方案：

• 改良布鲁斯方案（Modified Bruce Protocol）： 在进入标准第 1 阶段之前增加了两个 3 分钟的低负荷预备阶段：第 0/1 阶段为 1.7 mph 和 0% 坡度（约 2.3 METs），随后是第 0.5/2 阶段为 1.7 mph 和 5% 坡度（约 3.5 METs） [4, 6]。这种平缓的阶梯递增在引入 10% 坡度前为久坐或老年人群提供了适应过程 [4, 6]。
• 大坡度纯步行方案： 对于无法跑步的人群，恒速步行方案（如 3.6 mph，每 3 分钟增加 5% 坡度直至 25%，达到约 3.88 W/kg）能够激发真正的 VO₂ max，其数值与标准布鲁斯方案无显著差异（$44.97\pm 7.71$ 对比 $45.99\pm 7.57$ ml·kg⁻¹·min⁻¹，$R=0.95$），Bland-Altman 分析显示 93% 的数据点落在 ±4.5 ml·kg⁻¹·min⁻¹ 之内 [2]。
• 斜坡方案（Ramp Protocols）： 采用更短阶段（通常为 1 分钟或连续递增）的方案负荷过渡更平滑，可减少突发的局部疲劳，并有助于更清晰地识别代谢阈值和摄氧量平台期 [8, 12]。