Bruce 方案測量未受訓者 VO2 Max 的準確度

標準 Bruce 跑步機測試是根據力竭總時間來估算最大攝氧量（VO₂ max）——即人體在高強度運動期間攝取、輸送和利用氧氣的最大速率 [3, 4]。雖然在不同人群中，基於時間的計算結果與代謝車的直接測量值高度相關，但個別估算值通常存在 ±10% 至 15% 的誤差範圍 [4]。對於未受過訓練的人而言，該方案急劇的坡度上升經常導致受試者因局部腿部肌肉疲勞而非真正的心肺力竭而提早結束測試，進而扭曲基於時間的推算分數 [6, 8]。

Bruce 方案的結構設計

標準 Bruce 方案最初是為了篩檢冠狀動脈疾病和心律不整等臨床患者而開發，採用嚴格的多階段設計 [6, 8]。測試以 3 分鐘為一個階段進行，第 1 階段始於以 1.7 mph（2.7 km/h）的速度行走於 10% 的陡坡上（強度約為 3 至 4.7 個代謝當量，即 METs）[3, 6, 16]。隨後每 3 分鐘同時提高速度並增加 2% 坡度來提升負荷，到第 7 階段達到 6.0 mph 及 22% 坡度（約 20 至 21 METs），在第 9 階段最高可達 7.0 mph 及 26% 坡度 [3, 6, 11, 16]。

若未採用逐次呼吸代謝分析儀直接測量呼吸氣體，則會透過既定的迴歸公式，根據測試總持續時間（$T$，以分鐘為單位）來估算 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]
• 年輕男性： ${\text{VO}}_2\text{ max}=3.62\times T+3.91$ [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]

這些迴歸模型與代謝車測量值具有良好的相關性（$r=0.85$ 至 $0.95$），估計標準誤約為 3.0 ml·kg⁻¹·min⁻¹ [4, 16]。然而，由於這些公式假定總時間能直接反映有氧能力，任何人為縮短或延長跑步機時間的因素都會為計算出的分數帶來誤差 [15, 16]。

陡峭坡度與局部肌肉疲勞

從 10% 的坡度開始並在每個階段增加 2%，會產生與平地跑步截然不同的生物力學特徵 [6, 8]。坡度行走會改變下肢力學：與平地跑步相比，它會縮短步幅、降低步頻、增加支撐期與雙支撐期時間、將壓力中心向前及向外側移動，並減少垂直地面反作用力與膝關節內部內收力矩 [19, 20]。

儘管陡坡能減少關節衝擊力，但會對下肢肌肉組織帶來極大的局部負荷 [8, 19]。在健康但未受過訓練的受試者中，不習慣的上坡行走往往會在達到中樞心肺極限之前，引發急性腿部疲勞、抽筋或類似跛行的不適感 [6, 8]。Bruce 方案的終止標準包含嚴重肌肉疲勞、腿部抽筋和跛行 [6]。當個人因局部腿部灼熱感而非中樞力竭而提早結束測試時，跑步機總時間就會縮短，導致計算出的 VO₂ max 估算值偏低 [8]。

直接氣體交換研究證實，該測試設計可能會限制受試者達到最大生理極限。在一項包含 29 名受試者（其中 22 人先前沒有最大跑步測試經驗）的隨機交叉試驗中，研究比較了 Bruce 方案與運動員主導方案，結果顯示兩者的直接 VO₂ max 測量值幾乎相同（46.8 ± 10.7 對比 47.0 ± 9.1 ml·kg⁻¹·min⁻¹；Spearman $r=0.93$）[1]。然而，標準 Bruce 方案的最大心率（179.7 ± 8.7 bpm）顯著低於運動員主導方案（182.8 ± 10.5 bpm），這表示該測試設計可能在達到真正的心血管峰值負荷之前就已結束 [1]。

階段負荷跳躍過大與配速問題

不同於以連續或 1 分鐘微幅遞增負荷的斜坡式（Ramp）方案，Bruce 方案的 3 分鐘階段會產生大幅度、驟升的負荷跳躍，從而帶來急性生理壓力 [12]。此外，久坐與未受過訓練者通常難以適應第 3 和第 4 階段（分別以 3.4 mph 和 4.2 mph 的速度在 14% 和 16% 的坡度上進行）從陡坡快走到慢跑的生物力學轉換 [2, 6]。

一項評估新型跑步機方案的對照研究（該方案以較高速度、較低坡度開始，並採用 1 分鐘遞增階段）顯示，受試者達到了同等的 VO₂ max 數值（與 Bruce 相比的 Bland-Altman 偏差 = 0.824 ± 3.163 ml·kg⁻¹·min⁻¹，平均絕對百分比誤差 < 10%），但達到力竭的時間明顯縮短，同時避免了過早出現的局部腿部疲勞力竭 [8]。

抓握扶手的干擾效應

在陡坡上感到不穩定的未受訓者經常會抓住跑步機扶手 [15, 16]。扶手支撐會大幅扭曲測試時間以及最終估算出的 VO₂ max 數據 [15, 16]：

• 握住前方扶手會使該負荷下的代謝消耗降低 10% 至 20% [16]。
• 這種代謝需求下降會人為延長跑步機總時間（$T$），導致迴歸公式計算出虛高的 VO₂ max [15, 16]。
• 若將接觸限制在單手兩指指尖，可減少健康男性的時間膨脹差異，但女性與臨床患者的時間仍會顯著虛高 [15]。

為了確保計算出的 VO₂ max 分數有效，測試時絕不能倚靠或抓握扶手支撐 [15, 16]。

針對未受訓者與久坐人群的替代方案

為了減緩標準測試陡峭的初始負荷躍升，臨床運動測試常採用改良方案：

• 改良型 Bruce 方案（Modified Bruce Protocol）： 在進入標準第 1 階段之前，增加兩個 3 分鐘的低負荷初始階段：第 0/1 階段速度為 1.7 mph、坡度 0%（約 2.3 METs），接著第 0.5/2 階段速度為 1.7 mph、坡度 5%（約 3.5 METs）[4, 6]。這種漸進式升級讓久坐或年長者在面對 10% 坡度前能有所適應 [4, 6]。
• 純高坡度步行方案： 對於無法跑步的個體，等速步行方案（例如 3.6 mph，每 3 分鐘增加 5% 坡度直至 25% 坡度，達到約 3.88 W/kg）所測出的真實 VO₂ max 數值與標準 Bruce 測試無顯著差異（$44.97\pm 7.71$ 對比 $45.99\pm 7.57$ ml·kg⁻¹·min⁻¹，$R=0.95$），在 Bland-Altman 分析中，93% 的數據點落在 ±4.5 ml·kg⁻¹·min⁻¹ 範圍內 [2]。
• 斜坡式方案（Ramp Protocols）： 階段時間較短（通常為 1 分鐘或連續微幅遞增）的方案能提供更平滑的強度進展，減少突發的局部疲勞，並能更清晰地識別代謝閾值與攝氧量高原期 [8, 12]。