Activités
MESURES CARDIOVENTILATOIRES ET RESPIRATOIRES
REALISEES CHEZ L'ÊTRE HUMAIN

STAGE "RELATION ACTIVITÉ PHYSIQUE - PARAMÈTRES PHYSIOLOGIQUES"
Lycée J.Callot 54500 VANDOEUVRE - FÉVRIER 2001

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Jean-Yves Boulanger
Professeur de SVT - Lycée J.Callot 54500 VANDOEUVRE les NANCY

 

Objectifs :   - mesure de l'évolution conjointe des fréquences cardiaque et ventilatoire et de la consommation de dioxygène
                       selon l'activité physique ;
                    - approche de paramètres physiologiques associés à l'activité physique.

Matériel :   - élèves aptes à l'EPS
                    - matériel d'Ex.A.O. en physiologie cardioventilatoire et respiratoire
                    - cardiofréquencemètres éventuellement.

Plan :

5.1. Remarques médicales générales
5.2. Mesures en établissement scolaire
    5.2.1. Ex.A.O.
    5.2.2. Cardiofréquencemètres et mesure de la fréquence cardiaque
5.3. Mesures en milieu médicalisé
    5.3.1. Test rectangulaire
        Tableau des résultats
    5.3.2. Test triangulaire
        Tableau des résultats
        Évolution de la fréquence cardioventilatoire en fonction de l'effort
        Évolution de la consommation en dioxygène en fonction de l'effort
        Évolutions de la fréquence cardioventilatoire et de la consommation en dioxygène en fonction de l'effort
        Évolution du volume courant en fonction de l'effort
        Approche de la puissance maximale de travail théorique (P max. en W)
        Approche de la consommation maximale de dioxygène (VO2 max.)
        Approche de la Puissance Maximale Aérobie
 

5.1. Remarques médicales générales

    Celles-ci proviennent d'un stage réalisé dans l'académie en collaboration avec :

  • CHU NANCY-BRABOIS Laboratoire d'exploration fonctionnelle des voies respiratoires (Pr Uffholtz ; Dr Gimenez)
  • COLLÈGE et LYCÉE CALLOT Vandoeuvre (Mr Marty Professeur EPS ; Mr Boulanger Professeur de SVT)
  • LYCÉE POINCARÉ Nancy (Mr Berche Professeur de SVT)
  • Mr Mathieu, Préparateur Physique.

   

L'observation des évolutions conjointes des fréquences cardioventilatoires et de la consommation en dioxygène, en relation avec des niveaux différents mais toujours brefs et mesurés d'activité physique, conduit à rechercher les modalités de cette synchronisation. Il est donc exclu de soumettre des élèves à des efforts importants, la performance physique n'étant ni notre but, ni de notre compétence.
Il est nécessaire de rappeler qu'un exercice physique mal contrôlé peut entraîner par exemple :

- une température corporelle de 38°C, voire de 39°C ;
- un asthme d'effort ;
- une ischémie cardiaque, des extrasystoles ou des arythmies dangereuses (fréquemment impliquées dans les cas de mort sur le terrain) ;
- une hypoxémie (pouvant descendre à 70 % de saturation de l'hémoglobine), cause de problèmes cardiaques et cérébraux plus ou moins importants ;
- un « point de côté », fréquent chez l'enfant, dû en particulier à une augmentation du flux sanguin hépatique nécessaire à la détoxification des métabolites acides, et responsable d'une hypertension portale (le débit cardiaque peut passer de 3 L.min-1 à 30 L.min-1).
De la même façon, il est hors de question de travailler à la fréquence cardiaque maximale (ex : mesure de la VO2 max. d'un élève) ou à des valeurs proches. Un effort pratiqué à la fréquence cardiaque maximale ne peut être testé que sous contrôle médical dans des conditions de sécurité strictement adaptées.
Tout exercice physique doit être suivi d'une phase de récupération active qui consiste le plus souvent en une marche lente.
Enfin, la quantité de dioxygène extraite d'un même volume d'air inspiré dépend des sujets. C'est un indicateur d'efficacité de la ventilation. Le volume d'air inspiré (L.min-1) rapporté au volume de dioxygène consommé (L.min-1) est l'"équivalent respiratoire dioxygène". Sa valeur au repos est proche de 25, supérieure à 35 en activité.
5.2. Mesures en établissement scolaire
 
5.2.1. Ex.A.O.
  • mesures Ex.A.O. pratiquées depuis longtemps, sans problème particulier ;
  • utilisation nécessaire d'un filtre antimicrobien à usage unique pour chaque manipulateur ;
  • désinfection régulière des valves et flexibles ;
  • possibilité d'interrompre l'enregistrement à la fin de l'activité physique si on ne veut pas être confronté au problème de la dette en dioxygène qui est hors-programme de seconde ;
  • intérêt des interfaces portables qui permettent notamment à l'élève une phase de récupération active par une marche lente, ce que n'autorisent pas les interfaces fixes.
5.2.2. Cardiofréquencemètres et mesure de la fréquence cardiaque
Un cardiofréquencemètre est un petit appareil électronique constitué :

- d'une ceinture pectorale dans laquelle sont noyées des électrodes captant les signaux électriques de la contraction cardiaque et un petit émetteur ;
- d'un bracelet équipé d'un cadran où s'affichent la fréquence cardiaque et, selon les modèles, le temps, une fréquence cardiaque supérieure et une fréquence cardiaque inférieure que l'on peut fixer.

Son emploi, simple en salle comme sur le terrain, est fréquent en EPS. Différents distributeurs en proposent.

Fiche « UTILISATION DU CARDIOFRÉQUENCEMÈTRE »

I. MISE EN PLACE DE LA CEINTURE A ÉLECTRODES

1. Humidifier éventuellement les électrodes avec de l'eau.
2. Placer la ceinture à même la peau, l'émetteur positionné à l'endroit et à la base du sternum.
3. Rechercher un réglage optimal, obtenu quand les deux extrémités de la ceinture non tendue sont distantes de 15 cm. Ce serrage doit être suffisant pour éviter le déplacement de la ceinture pendant l'activité physique, mais ne doit pas être oppressant.

II. MISE EN PLACE DU BRACELET RÉCEPTEUR

1. Ajuster le bracelet au poignet. Le port simultané de montres électroniques et de bracelets métalliques est déconseillé.
2. Vérifier que le récepteur capte bien les signaux de l'émetteur et qu'une fréquence cardiaque s'affiche. Sinon, modifier légèrement la position de la ceinture à électrodes.

III. EXERCICES DE MANIPULATION DU CARDIOFRÉQUENCEMÈTRE

 Consulter la notice technique propre à chaque type d'appareil.

Par ces enregistrements, l'élève observe l'évolution des paramètres cardioventilatoires et respiratoires.
Mais les activités  difficiles à calibrer en terme de puissance, et les mesures d'une précision parfois insuffisante, gagneront à être complétées par des résultats scientifiquement validés.
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5.3. Mesures en milieu médicalisé

Les données suivantes ont été obtenues au Laboratoire d'exploration fonctionnelle des voies respiratoires par le Dr Gimenez. Deux types de tests sont ici proposés, réalisés sur un cycliste de 22 ans :

  • test rectangulaire : test à puissance constante ;
  • test triangulaire : test à puissance progressive.
    5.3.1. Test rectangulaire
     
      • Tableau des résultats :
    5.3.2. Test triangulaire
     
      • Tableau des résultats :



    Ces résultats peuvent être combinés pour représenter l'évolution de différents paramètres physiologiques ou bien obtenir leurs valeurs approchées selon les cas.

      • Évolution de la fréquence cardioventilatoire en fonction de l'effort :
      • Évolution de la consommation en dioxygène en fonction de l'effort :
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      • Évolutions de la fréquence cardioventilatoire et de la consommation en dioxygène en fonction de l'effort :
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      • Évolution du volume courant en fonction de l'effort :

       
      • Approche de la puissance maximale de travail théorique (P max. en W) :

       

      L'augmentation de l'effort s'accompagne d'une augmentation approximativement linéaire de la fréquence cardiaque :

 Or la fréquence cardiaque maximale théorique d'un individu est donnée par la formule empirique suivante :

 F max. = 220 – âge en années .
 Le sujet étudié étant âgé de 22 ans, on obtient :
 F max. = 220 – 22 = 198 cycles par minute .
L'extrapolation de la droite obtenue permet de tracer une horizontale passant par cette fréquence cardiaque maximale. A partir du point d'intersection entre ces deux droites, on abaisse d'abaisser une verticale sur l'axe des abscisses. La valeur obtenue en x donne la puissance maximale de travail théorique. Ici, en valeur arrondie :
 P max. = 360 W .

 

      • Approche de la consommation maximale de dioxygène (VO2 max.)

        - Première méthode
         Lors d'un test triangulaire qui consiste à réaliser un effort de puissance croissante par paliers de 30 W par exemple, on observe une augmentation approximativement linéaire du volume de dioxygène consommé avec l'accroissement de l'exercice physique :

L'extrapolation de la droite obtenue permet d'élever une verticale du point d'abscisse correspondant à la puissance maximale de travail théorique de l'individu (voir ci-dessus). A partir du point d'intersection entre ces deux droites, on projette une horizontale sur l'axe des ordonnées. La valeur obtenue en y donne le volume maximal de consommation de dioxygène théorique ou VO2 max. Ici, en valeur arrondie :

VO2 max. = 6,15 L.min-1

- Deuxième méthode
 L'expression du volume de dioxygène consommé en fonction de la fréquence cardiaque donne un nuage de points. La droite de régression permet une extrapolation qui approcher le volume maximal théorique de consommation de dioxygène nommé VO2 max. Celui-ci est en effet atteint à la fréquence cardiaque maximale. Celle-ci s'estime par la formule empirique :

F.C. max. = 220 - âge en années.

 L'élévation d'une verticale à partir de cette F.C. max. estimée coupe la droite d'extrapolation en un point duquel on tire une horizontale vers l'axe des Y. Ceci permet d'estimer le volume maximal de dioxygène consommable par l'organisme. Ici, en valeur arrondie :

VO2 max. = 6,15 L.min-1

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      • Approche de la Puissance Maximale Aérobie

    L'expression de VO2 en fonction du travail fourni (en W) amène à l'approche de la Puissance Maximale Aérobie, c'est-à-dire l'effort théorique maximal en watts, à VO2 max.

Ici l'effort théorique maximal en watts est d'environ  360 W.

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