Épreuves d exercice musculaire et aptitude aérobie

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1 Master 1ère année EOPS UES EOPS 1. Évaluation de la performance ECUF EOPS 1.3. Fonctions cardio-respiratoires et musculaires P. Mucci Épreuves d exercice musculaire et aptitude aérobie

2 I Définition

3 Epreuve d Exercice Musculaire: Exploration fonctionnelle effectuée dans des conditions de l exercice musculaire (niveau métabolique > repos) Permet d évaluer les capacités d adaptation des différentes fonctions de l organisme au «stress» que représente l exercice Indications : Diagnostique Evaluative Définir les facteurs limitants de l exercice musculaire

4 II Tests empiriques

5 Exemple du test de Ruffier Basé sur les effets de la condition physique sur la relation existant entre l évolution de la fréquence cardiaque et l intensité de l exercice Indice de résistance de Ruffier : IR = P0 + P1 + P P0 = pouls au repos P1 = pouls fin d effort P2 = pouls après 1 min de récup assise Condition physique : - IR = 0; Excellente - 0 à 5; Très bonne - 5 à 10; Bonne - 10 à 15; Moyenne - 15 à 20; Médiocre

6 III Tests d évaluations indirectes de VO 2max

7 Repose sur : Linéarité de l augmentation de VO 2 par rapport à l intensité d exercice (jusqu au max) Linéarité de l augmentation de Fc par rapport à l intensité d exercice (jusqu au max) Conséquences : On peut évaluer indirectement VO 2 à partir de Fc On peut évaluer indirectement VO 2max à partir de quelques valeurs reccueillies lors d exercice à des intensités sous-maximales (< PMA)

8 Exemple 1. Test de Sjostrand (ou P 170 ) Exercice sur ergocycle, 3 paliers de 5 min à 50, 100 et 150 watts Fc relevée à la fin de chaque palier Tracer la relation Fc vs Puissance Calculer la PMA théorique en utilsant la relation et la Fc max théorique (220-âge) (initialement la Fcmax = 170 bpm) Calculer VO 2max à partir de 1 watt = 10,3 ml/min de VO 2 Calcul par extrapolation

9 Exemple 2. Test d Astrand et Rythming (1954) Exercice de 6 min sur ergocycle à intensité amenant à Fc ~ 150 bpm (~2 watts / kg de MC, fréquence de pédalage ~ 70 rpm) Relevé de la Fc à la fin de chaque min Modification de la charge si Fc cible non atteinte ( bpm) à la fin de la 3 ème min Fc stable dans les 2 dernière minutes (Δ < 5 bpm) Utilisation d un Nomogramme pour calculer VO 2max

10 Nomogramme d Astrand et Ryhming Il permet d estimer VO 2max à partir d une fréquence cardiaque d exercice sous-maximal. Ici est posé l hypothèse d un rendement énergétique constant. Utilisation: - Tirer un trait horizontal soit par la puissance développé sur ergocycle (échelle a), soit par le poids du sujet si un test de montée de marche ou step-test est utilisé (échelle b). Lire sur l échelle 1, la valeur de VO 2 correspondant à l exercice effectué - Tirer une droite passant par la valeur de l échelle 1 et par la valeur de Fc relevée au cours de l exercice (échelle 2). Cette droite coupe l échelle 3 sur la valeur estimée de VO 2max. Step-test : 22,5 montées de marche/min. Marche de 33 cm pour femmes et 40 cm pour Hommes.

11 Exemple 3. Test de Cooper (1968) Parcourir la plus grande distance possible en 12 min sur piste balisée tout les 100m Calcul de VO 2max à partir de tableau de normes ou d équations prédictives : VO 2max (ml/min/kg) = (22,351 X distance (km) ) 11,288 Sédentaires = 0,022 X distance (m) 10,39 Sportifs = 0,011 X distance (m) + 21,90

12 Exemple 4. Test progressif de Léger et Boucher (1981) Courir sur piste balisée tout les 50m à des vitesse imposés à partir de 8 km/h (ou 6, ou 10 selon niveau) et augmentation de 1km/h toutes les 2 min Dernier palier complété = VMA Calcul de VO 2max par équation : VO 2max (ml/min/kg) = 14,49 + 2,143.VMA (km/h) + 0,0334.VMA 2 ou équation simplifiée : VO 2max = 3,5 VMA (km/h)

13 IV Tests de mesure directe. de VO 2max

14 1 ) Principaux éléments requis Maximum de sécurité et minimum d inconfort Minimiser les facteurs de variations externes de la mesure Surveillance rythme cardiaque Appareillage de mesure des débits ventilatoires et analyseurs d O 2 et CO 2 Ergomètre ou terrain adéquat Charge de travail musculaire modifiable à la demande et en rapport avec le statut de la personne (sédentaire, sportifs, patients ) Échauffement Durée contrôlée

15 2 ) Les ergomètres A) Ergocycles ou cyclo-ergomètres Frein mécanique

16 Frein électromagnétique

17 B) Tapis roulant

18 C) Ergomètres particuliers

19 D) Terrains Conditions environnementales à prendre en compte

20 3 ) Les protocoles d exercice Augmentation de la charge de travail progressive et régulière jusqu au max Durée optimale du test entre 6 et 15 min => ~10min d exercice (hors échauffement) Choix d incrémentation la plus confortable mais suffisante pour atteindre VO 2max Nécessité de prendre en considération les spécificités individuelles (âge, sexe, niveau d entraînement ) Inclure un échauffement

21 10 min

22 3.1 ) sur bicyclette ergométrique Exemples de protocoles standards: Hommes de 20 ans : - 3min à 30 watts (échauffement) + 25 watts/min (tout venant) - 3 min à 60 watts + 30 watts/min (sportifs endurance) Femmes de 20 ans : - 3min à 30 watts (échauffement) + 20 watts/min (tout venant)

23 Possibilités de calculer l échauffement et incréments : - 3 min à 20% de la PMA théorique - 10 min d exercices avec incrément d 1 min pour les 80% de PMA restants

24 Exemple de Calcul de la VO 2max théorique par équation de Wasserman et al (1987): VO 2max (ml/min) = MC X (50,72 0,372 âge) : Hommes VO 2max (ml/min) = (42,8 + MC) X (22,78 0,17 âge) : Femmes Enlever la VO 2 basale ~ 250 ml/min de VO 2 Convertir la VO 2max en PMA (1 watt = 10,3 ml/min de VO 2 ) Exemple : PMA théorique = 300 w 20% de PMA = 60 w (échauffement) 80% de PMA = 240 w, divisé par 10 paliers = 25 watts/min

25 3.2 ) sur Tapis roulant Exemples de protocoles standards: Utilisation du protocole Léger & Boucher avec pente de 1% pour simuler résistance de l air : possibilité de déterminer une VMA Départ 7 km/h (pente 1 à 3%), augmentation de 1 km/h par palier de 1 min, à 10 km/h augmentation de la pente de 2% par palier. Dépend de la qualité du tapis roulant.

26 4 ) Critères d atteinte de VO 2max Le protocole a été efficace à condition que la VO 2max est été bien atteinte. Pour cela il faut que l analyse des données remplisse au moins trois des critères suivant : - Plateau de VO 2 (augmentation de VO 2 entre deux paliers< ml/min ou <2ml/min/kg) - QR > 1,1 (>1 chez enfants) - Atteinte d au moins 90% de la Fc max théorique - Lactatémie > 8mM - Impossibilité de maintenir la cadence imposée malgré encouragements (limitation musculaire)

27 5 ) Influence de l incrémentation Si l exercice a été réellement maximal (durée totale comprise entre 8 et 17 min pour un protocole optimal) l incrémentation choisie n a pas d influence significative sur VO 2max, VE max, Fc max Par contre PMA est protocole dépendant (mauvais facteur) La VO 2 au seuil semble être indépendante du protocole à condition qu il y ait suffisamment de paliers (palier 1 min optimaux)

28 6 ) Influence de l ergomètre VO 2max Tapis (+10%) > Bicyclette > Bras (-20-30%) La VO 2 (l/min) au seuil Tapis > vélo mais pas exprimé en % VO 2max

29 7 ) Appareillage de mesure directe. Principe de base : VO 2 (l/min) = VE (l/min) X (FiO2 (0,293) FeO2). Mesure au niveau de la bouche (embout buccal ou masque) VE => pneumotachographe FeO2 et FeCO2 => Analyseurs CO2 et O2 ECG ou Cardiofréquencemètres

30 Mesure avec sacs (spiromètre et analyseurs) Mesures en cycle à cycle Appareillage fixe Appareillage portable

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33 7 ) Paramètres usuels mesurés Ils sont mesurés sur une durée moyenne de 15 à 30s à la fin de chaque palier 7.1) VO 2max Si critères de maximalité atteints, autrement VO 2pic (possibilité de contrôler avec un exercice rectangulaire après repos à 110% de PMA) Évaluation aérobie 7.2) PMA ou VMA Prennent en compte l économie de mouvement (course à pieds+++) Évaluation et individualisation de l entraînement 7.3) Fc max 220 âge (Asmussen) 210 0,65âge (>50ans) 208 0,7 âge (Tanaka 2001) quel que soit l entraînement ou sexe Critère de maximalité

34 7.4) Paramètres sous-maximaux : seuils ventilatoires et seuils lactiques Anciennement seuils anaérobies Intensités d exercice correspondant à des limitations de l apport énergétique aérobie à l exercice = facteur de l aptitude aérobie Corrélés à des performances d endurance Exprimé en % VO 2max, index d endurance aérobie Peuvent être caractérisés par une intensité, par une VO 2, par une Fc Intérêt particulier de SV2 pour les sportifs car apparaissent différentes limitations physiologiques à la performance aérobie (métaboliques, ventilatoires, apport en O 2 aux muscles, au cerveau )

35 Détermination des seuils ventilatoires. - VE ne varie pas linéairement - Deux Seuils Ventilatoires coïncidant plus ou moins avec seuils lactiques Acide lactiques libération de H + + HCO 3 - H 2 CO 3 H 2 O+CO 2... VE avec VE/VO 2 = SV1 Acide lactiques libération de H VE avec VE/VO 2 et VE/VCO 2 = SV2 Mais aussi implication de K +, T et catécholamines

36 Méthode de Wasserman : Graphique VE/VO 2 et VE/VCO 2 en fonction (intensité ou VO 2 ) SV1 = VE/VO 2 et VE/VCO 2 SV2 = VE/VO 2 et VE/VCO 2

37 Méthode de Beaver : Graphique VCO 2 en fonction (intensité ou VO 2 ) Cassure dans la relation = SV1 Valeurs après échauffement et avant SV2

38 Optimisation de la détermination des seuils : - enlever les valeurs de repos et échauffement - suffisamment de valeurs pour une cinétique (incrément et durée de paliers) - plusieurs évaluateurs car détermination avec une part subjective - attention aux déterminations automatiques souvent erronées Expression des seuils : - en VO 2 (évaluation : en l/min ou ml/min/kg ou %VO 2max pour l endurance) - en intensité d exercice watts ou km/h (individualisation de l entraînement mais utilisation du même ergomètre) - en Fc (bpm) transposable au terrain ou à différentes activités (individualisation de l entraînement)

39 Détermination des seuils Lactiques Implication de la filière glycolytique dans exercices aérobies SL1 première élévation de [lact] enfonction de l intensité SL2 accumulation brutale de [lact] (associé à baisse importante de ph) Détermination à partir d une cinétique et non pas de valeurs standard de [lact] tels que 2 mm pour SL1 et 4mM pour SL2 (perte de son intérêt individuel)

40 Facteurs de variations de la mesure [Lact]sanguin est la résultante : - de la production musculaire et de la diffusion dans le sang - de l élimination et utilisation par les autres tissus (oxydation, glucogenèse) Donc difficulté d interpréter les concentrations, mais interprétation possible de la cinétique Différents sites et modes de prélèvements sanguins Éviter les poses entre palier pour faciliter le prélèvement

41 Détermination d un seuil de Fc (Conconi et al, 1982) Déflection de la courbe de Fc en fonction de l intensité = intensité correspondante serait corrélé au SL2 Fc seuil Vitesse de course max Protocole spécifique : vitesse de course varie par paliers de distance (200m) débute en parcourant 200m en 72s puis on diminue le temps de 2 secondes puis 1 seconde

42 Plusieurs problèmes : La déflection n apparaît pas chez tous les sujets (relation linéaire ou accentuation chez d autres) Déflection dépend du protocole (de nombreux article décrivent l absence de ce point) Pas d explication physiologique entre SL et Seuil de Fc

43 8 ) Paramètres particuliers - Réserve ventilatoire : (Limitations respiratoires) RV (%) = [(VE max théorique VE max mesurée )/ VE max théorique ] X 100 VE max théorique = VEMS x 35 (VEMS : volume expiratoire maximal seconde) Normalement 30 à 15%, si RV épuisée alors limitation ventilatoire (rarement le cas chez sains sauf certains sportifs d endurance) - Réserve cardiaque : (Limitations cardiaques) RC = Fc max théorique Fc max mesurée Normalement ~ 0% car fonction cardiaque limitante de VO 2max

44 - Mesure de perception de l effort (RPE) : échelles de Borg (Limitations musculaires ou centrales) - Mesure de l oxygénation artérielle : SaO 2 et PaO 2 Prélèvements ou saturomètre (Limitation de l apport en O 2 ) - Mesure de l oxygénation musculaire : NIRS (spectroscopie du proche infra-rouge) ou différences artério-veineuse du Contenu en O 2 (prélèvements) (Limitation de l utilisation musculaire de l O 2 )

45 Nécessité d avoir des protocoles et des systèmes de mesure fiables Nécessité de mesures reproductibles Nécessité de calibration d appareillage de mesure