Epreuve d effort avec analyse des échanges gazeux

Epreuve d effort avec analyse des échanges gazeux Thonon 11 05 2012 F. Carré Hôpital Pontchaillou Université Rennes I INSERM UMR 1099

Indications du CPX test en cardiologie

Intérêts du CPX test Pneumologie Pré-opératoire Réhabilitation Dyspnée Autres Médecine du sport Bilan fatigue Prescription APS (obésité, maladies chroniques, )

Métabolismes énergétiques Vie à consommation d énergie = hydrolyse de l ATP ATP + H 2 O à E + ADP + H + H + + CO 3 H - à CO 3 H 2 à CO 2 + H 2 O Deux métabolismes : Anaérobie sans O 2 Aérobie avec O 2 Resynthèse permanente de l ATP

Métabolismes énergétiques Glycolyse - Pas d O2 Exercices courts Acide lactique O2 Glucides, Lipides Exercices longs H2O - CO2 ATP Pcr Pas d O2 Pas d acide lactique Exercices très brefs Modifié d après Mc Ardle WD, Katch FI, Katch VI, in Exercise Physiology,1996

Equivalent énergétique de l oxygène 1 Litre O 2 = 20 K Joules = 5 Kcal Métabolisme de base 1 Kcal/min 3,5 ml/min/kg d O 2 = 1 M.E.T.

La consommation d oxygène O 2 O 2 CO 2 Ventilation CO 2 Métabolisme aérobie VO2 = DC X D (A-V) O2 Hémoglobine Débit sanguin musculaire Débit cardiaque Modifié d après Mc Ardle WD, Katch FI, Katch VI, in Exercise Physiology,1996

Calcul du VO 2 par les échanges gazeux VO 2 = (VI x FI O 2 ) (VE FE O 2 ) VO 2 = Ve (FI O 2 FE O 2 ) VO 2 = k STPD x Ve x [(100-Fe O 2 -Fe CO 2 ) x 0.265- Fe O 2 ]/100 STPD conditions = O C, 101.3 kpa et gaz secs

Consommation d oxygène lors d un exercice constant sous-maximal VO 2 (LSTPD/min) V E (LBTPS/min) FC (bpm) 125 30 105 85 10 65 100 Watts Modifié d après Monod et Flandrois in Physiologie du Sport, 1988

2,8 2,8 La consommation maximale d oxygène V O2 L/min 2,2 1,5 0,9 V O2 max=2,8 L/min 70 Kgs V O2 max = 40 ml/min/kg PMA = 200 watts 0,25 0 50 100 150 200 250 watts

La consommation maximale d oxygène Débit maximal d oxygène prélevé par le système ventilatoire, transporté par le sang et utilisé par l organisme = LE VO 2 max. Le VO 2 max. = VO 2 stable malgré élévation de la charge Le pic de VO 2 = Valeur max de VO 2 mesurée (30 ) lors d un exercice progressif Puissance maximale aérobie (PMA) : Puissance à VO 2 commence à plafonner Maintenue entre 4 et 8 minutes Puissance maximale tolérée : Dernière puissance maintenue au moins 30 secondes

Débit cardiaque et exercice musculaire dynamique L.min -1 DC bpm FC 0 25 50 75 100 DC = FC x VES ml % VO2 max. VES 0 25 50 75 10 0 % VO2 max.

Evolution de la différence artério veineuse en oxygène (Ca-Cv)O 2. (Ca-Cv)O 2 mlo2/100ml sédentaire 20 Ca O2 16 Cv O2 12 13 8 4 1 2 3 4 5 6 Sédentaire L O2/min

Le calcul indirect du VO 2 VO 2 max estimé (ml/min) ergocycle = PMA (watts) x 10.5 + Poids (Kgs) x 3.5 VO 2 max estimé (ml/min/ kg) course = 3.5 x vitesse avec une pente nulle Autres mesures indirectes

VO 2 mesuré ou prédit chez l ICC? V O 2 m e S u r é ml/min/kg 30 20 10 ICC modérée ICC sévère Rapport VO2/W varie selon gravité ICC 10 20 30 ml/min/kg VO 2 prédit Dubach P. Europrevent 2007

Analyse des échanges gazeux : réalisation du test

Calcul du VO 2 : les limites techniques Reproductibilité : +/- 4-6 % Erreurs de procédure et de calibration à Contrôles pré, per et post examen +++

Le sujet : Causes de variation du VO 2 (1) Sain Entraînement à 30-90 ml/min/kg Sexe Femme < Homme Age baisse 1ml/mi/Kg an Patient : Pathologie Hémoglobine Traitement Stabilité Repos (24 heures) Repas équilibré 2-3 heures avant Motivation à Information ++

Le protocole : Causes de variation du VO 2 (2) Ergomètre : tapis > ergocycle (+ 10 %) Jambes > bras Horaire du test Familiarisation ++

Le préchauffage : 30 minutes Bonnes conditions de mesure L environnement : aéré température < 25 conditions ambiantes baromètre, thermomètre, hygromètre à coefficient STPD matériel de réanimation

Mesure du VO 2 : la ventilation Débitmètre : turbine pour flux laminaire ou non ++ (0-200l/min; 0-20l/s) calibration : automatique seringue à débits de ventilation variées (1-15 )

Mesure du VO 2 : les analyseurs O 2, CO 2 : analyse sur air sec Correction pour mesure linéaire : Deux points de calibration, air ambiant et bouteille Temps de réponse Transport + Remplissage O 2 Linéarité des analyseurs ++ Avant -après CO 2

Mesure du VO 2 : couplage ventilation-analyseurs Cycle à cycle = temps de retard 0, 35 s ( < 0,6s) VE CO2 % dph O2 % D après P. Flore, UCPX- 1996 Mise en phase automatique à vérifier

Exemple de rapport d étalonnage des gaz. En bleu l O 2, en rouge le CO 2. Offset = zéro, C = coefficient correction, prcgas = concentration du gaz échantilloné, D.time = délai de temps entre le lieu de prélévement et l analyse de l échantillon

Mesure du VO 2 : ergomètres Ergocycle ++ si patient Taille adaptée Calibration statique et dynamique au moins annuelle

Mesure du VO 2 : le protocole d exercice Exercice progressif et continu de 8-12 minutes : 1-3 minutes repos = vérification : QR = 0,7-0,85 Ve = 7-12 l/min VO 2 = 3 5ml/min/kg 3 minutes à vide +/- 10 minutes effort (10 watts /minutes) - (60-70C/min) 1 Met par palier, 5-10 W/min 6-10 minutes récupération (active puis passive) Vérification per effort Coût énergétique moyen quand QR < 1: ΔVO 2 / Δ watt = 9,5-11,5 ml.min -1.W -1 (électromagnétique)

Analyse des échanges gazeux: interprétation du test Sécurité du test Critères d interprétation «modernes» adaptés si protocole respecté

Courbe débit volume La courbe débit-volume prè-effort ++

Courbes débit-volume de repos syndrome obstructif pré et post et après salbutamol A pré post

Courbe débit volume d une pathologie pulmonaire restrictive (fibrose)

Évolution de l analyse de CPX Ne pas se limiter aux valeurs maximales et ou absolues, analyse des cinétiques des paramètres à l effort et en récupération Pic VO 2 VO 2 Cinétique initiale VE Récupération Paramètres sous maximaux

Les 9 graphes de Wasserman

Etapes d interprétation d une EE (1) Maximale ou non? Si non pourquoi? Cause(s) de l arrêt : Cardiaque Pulmonaire Patient (échelles de ressenti) fatigue symptômes motivation

Critères de VO 2 max. Plafonnement de V O2 FC QR > 1, 10 (1,01-1,11) Dépassement seuil(s) Epuisement (Borg) VCO 2 Lactatèmie > 6 8 mmoles/l VO 2 FC max.???

Critères de VO 2 max. VO 2 VE

Le quotient respiratoire, QR QR= VCO 2 / O 2 1000 ml O 2 + AG à 700 ml CO 2 à QR= 0,7 O 2 1000 ml O 2 + P à 800 ml CO 2 à QR= 0,8 1000 ml O 2 + HC à 1000 ml CO 2 à QR= 1

6 Échelle de Borg 7 très, très facile 8 9 très facile Dyspnée Fatigue Douleur Intensité 10 11 facile 12 13 un peu difficile 14 15 difficile 16 17 très difficile 18 19 très, très difficile 20

Analyse pas à pas de l EE cardiorespiratoire Facteur limitant subjectif? Souffle, muscles Les poumons ECG et FC max Profils PA Puissance maximale Pic de VO 2 Seuil ventilatoire Pente Ve/VCO 2 Cinétique pouls d O2 Oscillations Récupération Coût énergétique Puissance circulatoire

. Etapes d interprétation d une EE (2) Paramètres pulmonaires Saturation (stop si < 85 %) Réserve ventilatoire (VMM =VEMS x35) Adaptation ventilatoire (fr, Vt)

Etapes d interprétation d une EE (3) Paramètres cardiovasculaires ECG, rythme, repolarisation FC max ou non, cause? FC récup Profils PA effort et récupération à PAS > 120-140mmHg? Vélo Tapis Comparaison F.C mesurée/prédite O Toole 1998 220-AGE +/- 10-15 bpm!!

Etapes d interprétation d une EE (4) Performance Puissance maximale (% théorique) VO 2 pic (L/min, % théorique, ml/min/kg, METs) Seuil (ml/min/kg, % VO 2 max théorique) Cinétiques (initiale, récupération)

Le V O 2 maximal, les résultats Calcul du VO 2 : Variabilité du cycle à cycle à moyennage sur 30 ou 60 Unités : L/min, % de la théorique, ml/min/kg, METs

Quelles références utiliser : VO 2 max? Equation 1 of Cooper and Storer is a validated composite equation, drawn up using most of the equations proposed. Equations 1 and 2 of Cooper and Storer, equation 3 of Neder; equation 4 for children aged from 6 to 17 years. * Overweight if W > [70.6(H) 51.8] for men and [62.6(H) 45.5] for women according to Cooper and Storer. In athletes, muscle mass must be taken into account. W: current weight in kg; H: height in cm; A: age in years; WAS: weekly physical activity score 1: < 1 hour, 2: 1-3 hours, 3: 3-6 hours, 4: > 6 hour.

Quelles références utiliser, autres paramètres? Jones et al. 1985 Am. Rev. Respir. Dis. Hansen et al. 1984 Am. Rev. Respir. Dis. ATS/ACCP statement on cardiopulmonary exercise testing. Am.J. Respir. Crit. Care Med. 2003; 167 : 211-277

Interprétation du VO 2 max selon la valeur théorique Critères de gravité Pic VO2 (% VO 2 max théorique) SV1 (% VO2 max théorique) Athlète > 140 90-120 Sujet entraîné 110-140 60-80 Sédentaire normal 90-110 50-60 Déconditionné 80-90 40-50 Diminution légère 70-80 - Diminution modérée 50-70 - Diminution sévère 50 <40

Etapes d interprétation d une EE (5) Paramètres mixtes Ve/VCO2

Le pouls d oxygène π O 2 = V O 2 /FC VES x D(A-V)0 2 FC normal Pouls O 2

Cinétique du pouls d oxygène «supranormale» Pouls O 2 FC

ICC avec bonne réserve contractile

ICC avec réserve contractile modeste

ICC avec faible réserve contractile

Cinétique du pouls d oxygèneà HTAP

ICC coronarien avec dysfonction VG effort

ICC coronarien avec dysfonction VG effort FC Pouls O 2 CMD ischémique

Insuffisance cardiaque sévère avec oscillations per-effort

Insuffisance cardiaque sévère avec oscillations de récupération H- 78 ans-172 cm- 83,9 Kgs- FE = 20 % 40 watts 100 mm Hg 7,2 ml/min/kg 36 % théorique Récupération lente ++ - Pente Ve/ VCO2 ++

Coût énergétique de l exercice sur ergocycle D après Cohen Solal et al Propos Cardiologie 2004

Autres paramètres mixtes Puissance circulatoire VO2 (% théorique) x PAS max <5000 mauvais pronostic (Scharf C et al Chest 2002;122:1333-9) OUES Pente d efficience de la VO2 Effort sous-max possible ICC pente plus faible Mauvais pronostic si OUES <1.5 Sain ICC Y=a log Ve +b OUES =a Davies LC et al. Eur heart J 2006;27:684690

Les «seuils» ventilatoires V O2 V e SV2 SV1 Repos Exercice Recupération

Seuil ventilatoire 1 par la méthode de Beaver

Seuil ventilatoire 1 par la méthode de Beaver

Détermination du seuil ventilatoire : équivalents respiratoires SV1 SV2

Analyse des échanges gazeux normale (1)? Paramètres «Normalité» V O 2 max ou V O 2 pic > 80-84 % théorique Seuil ventilatoire 1 > 40-80 % V O 2 max théo. FC max. > 80-84 % FC max. prédite PA max. < 220/90 mm Hg Pouls d O 2 > 80 % théorique Δ FC / Δ VO 2 5-6 H et 8-9 F bpm/100 ml O 2 2.5-3.5 batt/ml.kg.min-1 FC/Ve 3.5-4.5 batt/l.min-1 ATS/ACCP statement on CPX T. Am.J. Respir. Crit. Care Med. 2003; 167 : 211-77 modifié Neder JA et al Am.J. Respir. Crit. Care Med. 2001; 164 : 1481-6 modifié

Analyse des échanges gazeux normale (2)? Paramètres «Normalité» Réserve ventilatoire Fréquence respiratoire V e/ V O 2 (SV1) V e/v CO 2 (SV2) > 11 l ou 15-35 % Ve max < 60 c/min < 34 < 30 Vd / VT PaO 2 P(a-A) O 2 Δ VO 2 / Δ W Cinétique du lactate <0,28 ; <0,30 si > 40 ans > 80 mm Hg < 35 mm Hg 10-11 (>8.5 F et 9.5 H) mlo 2 /Watt Seuils L1, L2, Lmax >8 mmoles/l ATS/ACCP statement on CPX T. Am.J. Respir. Crit. Care Med. 2003; 167 : 211-77 modifié Neder JA et al Am.J. Respir. Crit. Care Med. 2001; 164 : 1481-6 modifié

Quelques applications

Bilan d une dyspnée 1- Éliminer Anémie Intoxication 2- Responsable? Cœur Poumons Muscle Psychologie

Bilan d une dyspnée

BPCO Limitation prè-fc max.

Algorithme d étiologie d une dyspnée Modifié d après Wasserman pic VO 2 RV = réserve ventilatoire SV1 = premier seuil ventilatoire Normal 80% théorique Faible <80% théorique Anxiété Obésité Déconditionnement modeste Pathologie débutante normal 40% théorique SV 1 Précoce <40% théorique RV RV normal 30% Effort sous max Coronarien faible <30% normal 30% Déconditionnement important Pulmonaire Cardiaque faible <30% Mixte

Analyse des échanges gazeux chez l ICC : intérêts Suivi évolutif Efficacité thérapeutique Critères de gravité à transplantation Pas trop tard Pas trop tôt Participations respectives : Centrales (cœur, poumons) Périphériques (à reconditionnement)

Algorithme pour le pronostic chez un ICC Pic VO 2 QR > 1.05 Corra U Europrevent 2007 et Chest 2004;126:942-50 10 ml/min/kg 10-18 ml/min/kg 18 ml/min/kg QR 1.15 QR 1.05-1.15 Ve/VCO 2 35 Ve/VCO 2 < 35 Risque très élevé Risque élevé (?) Risque élevé Risque modéré Bas risque

Algorithme proposé pour le pronostic chez un ICC Pic VO 2 Piepoli Euro prevent 2007 Oscillations Ve Oscillations Ve = 0 10 ml/min/kg 10-18 ml/min/kg > 18 ml/min/kg PAS x VO 2 1700 PAS x VO2 >1700 Risque élevé ++ si apnée sommeil Risque élevé Risque modéré Bas risque

Pic VO2, pente Ve/VCO2, seuil < 10 ml/min/kg à risque majeur >18 ml/min/kgà faible risque 10-18 m/min/kg risque? 50 % Pic VO2 théorique Pente Ve/VCO2 > 35 Seuil < 40 % VO2 théorique Pic VO2/P <9 mlo2/watt? Beta-bloquants Pic VO2 change peu Pente Ve/VCO2 diminue Pronostic 11-12 ml/min/kg 30-35 % pic vo2 théorique CPX chez l ICC Cinétique de VO 2 : linéaire, oscillations? récupération < 60% en 3 minutes rebond post effort Obèses? 19 ml/min/kg masse maigre = 14 chez non obèse

Participations centrale et périphérique Clinique : cause d arrêt amyotrophie Seuils ventilatoires : précocité pic VO2 individuel(< 50%)? Pouls d oxygène

Insuffisance cardiaque avec participation périphérique F, 50 ans 80Watts 16.2ml/min/kg 77% théo 160 mm Hg FC VCO2 VO2 Pouls O2 Eq O2 Ve Eq CO2 SVe

Indications de l EE + analyse des échanges gazeux en cardiologie du sport? Doute sur l intégrité du système cardiovasculaire de l athlète 1- Bilan d une symptomatologie chez un sportif : Dyspnée Cardiopathie étiquetée +/- autre signe fonctionnel 2- Diagnostic différentiel du cœur d athlète : Cardiomyopathie hypertrophique Dilatation ventriculaire majeure

Analyse des échanges gazeux en cardiologie du sport Cycliste 24 ans (350 km/sem.) E Cycliste 24 ans (350 km/sem.) R Endurance Résistance douce Résistance dure

CPX test dans le bilan «d opérabilité» avant pneumonectomie. VEMS = volume d air maximal expiré en une seconde, TLCO=capacité de diffusion du CO Bilan CV normal ou pathologie équilibrée Bilan pneumologique: VEMS et TLCO normaux (>80%) modifié d après Brunelli A, Eur Respir J, 2009 VEMS ou TLCO<80% <35% théorique ou <10 ml/min/kg Test d effort, VO 2 max 30-75% théo ou 10-20 ml/min/kg >75% théorique ou > 20ml/min/kg Valeurs post-opératoires prédictibles (pop) VEMS et de TCO >30% <35% ou <10 ml/min/kg Au moins une <30% popvo2max >35% théo ou >10ml/min/kg Inopérable Résection adaptée en fonction du calcul prédit Pneumectomie possible

Recherche d hyperinsufflation dynamique per effort Sujet normal Patient BPCO effort effort D après J Mercier 2007

Exemple VO2

Exemple VO2

Exemple VO2

Exemple VO2

Exemple VO2

Exemple VO2

Exemple VO2