Science & Sports, 3 (1988) 291-301 291 © Elsevier, Paris

Revue

La d6termination du cofit 6nerg6tique des activit6s sportives sur le terrain

J .P . E C L A C H E

Laboratoire de la performance, Association sport biologie (ASB), 88, rue Jean-Sarrazin, 69008 Lyon, France

(Re¢u le 25-1-1988; accept~ le 7-9-1988)

R 6 s u m 6 - La connaissance du cofit 6nerg6tique des activit6s sportives est indispensable pour optimiser la perfor- mance et r6duire la pathologie individuelle grace ~t la mise au point de tests de d6termination indirecte de l'aptitude 6nerg6tique et h une meilleure gestion des charges de travail en cours d'entrainement et de comp6tition.

Deux groupes de t6moins biologiques peuvent rendre compte de la d6pense 6nerg&ique: d'une part les substrats et d6chets du m&abolisme 6chang6s avec le milieu ext6rieur, d'autre part les interm6diaires m&aboliques tissulaires. Parmi eux seuls les 6changes gazeux pr6sentent des cin&iques descriptives suffisamment rapides et fiables pour &re utilis6s comme t6moins du cofit 6nerg6tique des activit6s sportives; le contr61e des 6changes thermiques, l'analyse des aliments ou des egesta, les dosages tissulaires d'activit6 ou de r6cup6ration sont des techniques mal adapt6es, de r6alisation et d'interpr6tation difficiles ; en revanche, la fr6quence cardiaque (Fc), du fait de sa liaison avec la consommation d'oxy- g6ne (VO2) et de sa facilit6 d'obtention, pr6sente un int6r& consid6rable.

Les techniques de mesure de cofit 6nerg6tique sur le terrain imposent de r6duire la g~ne li6e h l'encombrement et au cofit du mat6riel de laboratoire grace/t une s6paration temporo-spatiale de tout ou pattie des principales phases m6trologiques: recueil de t6moins, analyse et num6risation des donn6es, exploitation et restitution des r6sultats. La part a&obie de la d6pense 6nerg6tique peut ~tre estim6e par: la r&ro-extrapolation des mesures d'6changes gazeux effectu6es en phase de r6cup6ration ; le recueil de la totalit6 ou d'une fraction des gaz expir6s et leur analyse diff6r6e; le couplage du sujet ~t un mobile suiveur transportant les 616ments lourds et volumineux et l'all~gement de la liaison sujet-mobile; enfin, la miniaturisation du syst6me de recueil et sa liaison t616m6trique avec une centrale d'acquisition situ6e ~t distance. Les r6sultats obtenus sont satisfaisants ~t l'exception de la derni6re m6thode, peu fiable du fait de l'absence de contr61e du d6bit expiratoire d'anhydride carbonique; par ailleurs elles imposent pendant l'activit6 le port d 'un masque ou d 'un embout buccal et d 'un pince-nez. La d6termination indirecte de VO2 ~ partir de F c 6chappe cette critique; il est n6cessaire d'6tablir au pr6alable la relation individuelle ~rO2-F c dans des conditions gestuelles et environnementales aussi proches que possible de celles de l'activit6 ~t 6tudier; l'analyse du cofit 6nerg6tique se fait par: la r&ro-extrapolation, le stockage sur cardiofr6quencem~tre m6morisateur et le traitement diff6r6, enfin le suivi t616- m6trique.

La part ana6robie n'est pratiquement pas accessible par mesure directe de ses t6moins biologiques musculaires ou sanguins : la ponction biopsie ou la r6sonance magn6tique nucl6aire imposent un arr~t ou une limitation de l'exercice, et les r6sultats sont tr6s difficilement extrapolables h l'activit6 r6elle; les cin6tiques de certains m6tabolites sanguins (acide lactique) obtenus par cath&er veineux et/ou art6riel sont plus int6ressantes, mais d'une utilisation limit6e. Les meilleures techniques sont celles qui font appel ~t l'estimation indirecte de la part ana6robie par mesure du paiement de la dette en ox:cg~ne de r6cnp6ration ou de l'estimation du d6ficit en oxygbne pendant l'activit6, par calcul de la diff6rence entre VO 2 r6ellement mesur6e et ~rO 2 th6orique d'6tat stable, estim6e ou mesur6e pr6alablement.

La mesure des 6changes gazeux par technique directe en circuit ouvert ou leur estimation indirecte/t partir de la fr6quence cardiaque restent donc les techniques de choix pour estimer le cofit 6nerg6tique des activit6s sportives sur le terrain.

sport / cofit ~nerg~tique / mesure des ~changes gazeux

292 J.P. Eclache

Summary - Determination of energy expenditure during physical activity. Knowledge of energy expenditure in sports is fundamental for performance optimization. The two main applications are: indirect measurements of physical fitness and better management of training and competition.

Two groups of biological references account for energy expenditure: substrates and metabolism wastes exchanged with environment, and metabolic intermediaries in muscle and blood. But, because of their fast kinetics, gas exchanges are the more accurate and reliable references to describe sports activities; thermal balance, analysis of nutriments and liquid or solid wastes, dosage of samples cut off during exercise or recovery, are inadequate and uneasy techniclues, and their results difficult to explain; on the other hand, heart rate (HR), a good reference of oxygen uptake (VOw), easy to obtain, is of a great interest in the fields recording.

Technical procedures of energy expenditure in the fields impose to reduce weight, volume and cost of the laboratory apparatus, thanks to temporal and spatial separation of some metrological phases from the other: registration of refe- rences, analysis and numerical conversion of data and restitution of results.

The aerobic part of energy expenditure can be obtained by different techniques; backward extrapolation of measu- rements of gas exchange achieved during recovery; part or total collection of expired gases and delayed analysis; con- necting the subject with a following vehicle carrying heavy and large instruments, and lightening the connection;finally miniaturization of recording device and~or coupling the two last techniques and a radio transmission. All the techni- ques are generally satisfactory, except the last one, not reliable because of the lack of control of carbon dioxyde in expiratory flow; nevertheless, except for the first one, these techniques impose to wear a mask or a mouth-piece and a nose-clip during exercise. These difficulties drove to develop indirect measurements of f/O 2 and particularly from HR registration: first it is necessary to establish the relationship between f/O: and HR during an increasing work- load exercise, achieved with muscles implied during sport activity and with the same environmental conditions. Then study of energy cost can be achieved either by backward extrapolation, either storage on individual memorizing heart rate tachometer and delayed analysis, or finally telemetry.

The anaerobic part cannot be reached easily by direct sampling of muscular or blood references : biopsy or nuclear magnetic resonance impose a breakdown or a limitation of exercise, and results are difficult to extrapolate to real exer- cise; kinetics of some metabolites as lactate, picked off by catheter needle inserted in a vein and~or an artery are more interesting but uneasy to achieve. The best techniques are: indirect estimation of "oxygen deficit" during activity or estimation of "'oxygen debt" during recovery; the anaerobic part of energy expenditure.is calculated as the difference between measured VO 2 (directly or estimated from HR) and steady state theoretical VO 2 estimated during exercise or forehand measured separately during recovery.

Gas exchange measurements with an open circuit and indirect estimation from heart rate remain the two best techni- ques to determine energy cost o f sports activity in the fields.

physical activity I energy expenditure I gas exchange measurements

Introduction

L'un des objectifs fondamentaux du suivi m6dico- scientifique est repr6sent6 par l'analyse du coat dnerg~tique des activit6s sur le terrain. Les explo- rations classiques r6alis6es dans diff&entes struc- tures fixes ou mobiles qui pr6sentent l'avantage ind6niable d'offrir des conditions environnemen- tales et d'activit6s simul6es parfaitement contr616es ou normalis6es et avec des moyens d'exploration sophistiqu6s, s'appliquent essentiellement ~t la d&er- ruination de l'aptitude physique.

Les mat&iels et les m6thodes utilisables sur le ter- rain, g6n6ralement moins pr6cis ou moins fiables, sont en revanche g6n6ralement plus simples et moins cofiteux et l'activit6 plus proche de la r6alit6 sportive (Astrand et Rodahl, 1980); par ailleurs, l'analyse du coot 6nerg&ique d6bouche sur les deux

applications fondamentales indispensables ~ un meilleur suivi et une meilleure optimisation des per- formances : la premi&e touche ~ la meilleure con- naissance de l'aptitude 6nerg6tique individuelle; la connaissance r6elle du coot 6nerg6tique en situation pour diff6rentes performances permet en effet de mettre au point diff&ents tests directs ou indirects de d6termination des.principaux t6moins de 1' apti- tude 6nerg6tique (VO 2 max, transition a6ro- ana6robie, cin6tiques m6taboliques, etc.) et leur suivi sur le terrain en fonction de diff&ents fac- teurs, entra~nement, 6chauffement, di6t6tique, etc. ; la seconde est une meilleure connaissance de l'influence de diff&entes variables techniques, tac- tiques, mat6rielles, sur le rendement 6nerg6tique de l'activit6 et leur s61ection ou leur adaptation en fonc- tion des caract&istiques propres de chaque athlbte.

Le premier chapitre de cet article sera consacr6

Coat ~nergdtique des activitds sportives sur le terrain 293

une revue synth6tique des principales grandeurs biologiques susceptibles d'etre utilis6es comme t6moins de la d6pense 6nerg6tique en cours d'acti- vit6. Les techniques de mesure du coat 6nerg6tique seront regroup6es en deux chapitres principaux en fonction de leurs applications h la mesure de la part a6robie et ana6robie: pour chacune d'entre elles seront syst6matiquement envisag6es les techniques de mesure directes et indirectes ainsi que les diff6- rents artifices m&hodologiques permettant de r6duire la contrainte du sujet test6, tout en conser- vant une pr6cision m6trologique suffisante.

Principes de la mesure du cofit ~nerg~tique

A priori, deux cat6gories de t~moins sont suscepti- bles de faire l'objet d'une analyse permettant d'esti- mer la d6pense 6nerg6tique: d'une part les 6changes 6nerg6tiques entre milieux ext6rieur et int6rieur, d'autre part les adaptations organiques et les trans- formations 6nerg6tiques internes.

Echanges dnerg~tiques avec le milieu ext~rieur

La machine humaine, ~ l'image des machines cons- truites par l'homme, pr6sente un rendement 6ner- g6tique relativement faible; une part importante de la d6pense 6nerg6tique se trouve donc lib6r6e sous forme de chaleur; cette production calorique a 6t6 utilis6e pendant longtemps comme ~6moin de la d6pense 6nerg6tique; les probI~mes inh6rents ~t la difficult6 de transf6rer la chaleur produite ~t un vec- teur de mesure ais6e (inertie, d6perditions...) cou- pl6s au coat et ~t la haute technicit6 du mat6riel utilis6, ~t la g~ne occasionn6e par l'obligation de r6a- liser l'activit6 et les mesures dans une enceinte de volume relativement r6duit ainsi qu'~t l'impr6cision tenant h l'utilisation d'un rendement moyen, ont fait abandonner cette technique tout an moins dans cette application.

L'analyse des compos6s solides ou liquides ingd- r~s (ingesta) et/ou rejet~s (egesta), outre les problb- mes li6s anx variations rapides des r6serves 6nerg6tiques, impose une contrainte de recueil d'informations ou d'6chantillons qui limite l'utili- sation de cette technique ~t un descriptif moyen de la d6pense 6nerg6tique sur plusieurs jours.

En revanche, l'analyse des dchanges gazeux pr6- sente un int6r~t consid6rable dans la mesure ou les tr~s faibles possibilit6s organiques de stockage ou d6pl6tion des r6serves en 02 permettent d'assimi- ler la consommation d'oxyg~ne ~t la bouche (~'O2b) ~t la consommation d'O 2 cellulaire (VO2c) et d'envisager de suivre en temps r6el la d6pense

6nerg6tique li6e au m&abolisme a6robie. Certes, l'6quivalence 6nerg6tique de la consommation d'oxyg~ne d6pend du type de substrats oxyd6s mais dans une margeteUe que l'utilisation d'un coeffi- cient moyen de 4,85 kcal/1 ne conduit qu'~ une erreur maximale de 4%. Par ailleurs, si le quotient respiratoire ~t la bouche (QRb) ne peut &re consi- d6r6 comme repr6sentatif du quotient respiratoire cellulaire (QRc) qu'en ~ 6tat stable ~, (compte tenu des possibilit6s organiques de stockage et de d6pl6- tion des r6serves organiques de CO2), sa mesure et son 6ventuelle correction ~t partir des variations de la r6serve alcaline permettent de r6duire encore cette erreur en attribuant un 6quivalent calorique de 1'O 2 brfil6 plus proche de la v6rit6. Enfin, si cette mesure est insuffisante pour suivre en temps r6el des activit6s ~t participation ana6robie, elle retrouve tout son int6r~t dans les activit6s prolong6es m~me fractionn6es dans la mesure off les ~ d6ficits en O a ~ des activit6s caract6ris6es par des phases de puissance 61ev6e ou par des augmentations rapides de puissance se trouvent obligatoirement pay6s ~t plus ou moins br6ve 6ch6ance par un paiement a6ro- bie de la dette en O z contract6e.

Le probl~me se complique lorsqu'il s'agit de d6crire, dans une activit6 sportive de dur6e plus courte allant de quelques secondes ou minutes ~t quelques heures, les phases constitutives de cette activit6, d'autant plus d'ailleurs que les masses mus- culalres mises en jeu sont susceptibles de varier et que l'intensit6 ~t laqueUe elles sont soumises se modifie en permanence, incluant 6pisodiquement des phases ~ participation ana6robie. Cependant, l'analyse cindtique des dchanges gazeux en temps r6el peut &re un excellent moyen d'estimer par dif- f6rence avec la d6pense th6orique, la part 6nerg6ti- que revenant au m6tabolisme ana6robie; ce calcul peut s'effectuer lors des phases transitoires de pas- sage d'un niveau de puissance ~t un niveau sup6rieur (estimation du d~ficit en 02) ou vice versa lors du passage d'un nivean 61ev6 h u n niveau inf6rieur (estimation du paiernent de la dette en O2) sous r6serve de conna~tre au pr6alable le coat 6nerg6ti- que global de ces diff6rents niveaux d'activit6.

Echanges ~nergdtiques internes

Ceux-ci peuvent ~tre abord6s directement par l'analyse des modifications des r~serves dnerg~ti- ques au niveau des cellules musculaires. Le pro- bl6me essentiel inh6rent h ces techniques est la difficult6 d'extrapoler les r6sultats obtenus sur un 6chantillon de volume limit6 h l'ensemble du mus- cle int6ress6 afortiori aux muscles voisins. Par all- leurs, s'il est ind6niable que la r6sonance magn6-

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tique nucl6aire permet de s'affranchir du trauma- tisme local de la ponction-biopsie et de r6p6ter la mesure ~t un intervalle de temps simplement limits par la rapidit6 d'acquisition du syt~me, cette tech- nique reste d'utilisation tr6s d61icate dans l'exercice dynamique et inutilisable sur le terrain.

L'analyse des variations de concentration san- guine de diff6rents t6moins du m6tabolisme cellu- laire (substrats, d6chets...) ne pr6sente d'int6r~t v6ritable que dans la mesure ou les pr61~vements permettent d'6tablir une cin6tique en perturbant au minimum l'activit6. L'utilisation d'un cath6ter mis en place avant l'exercice, ta r6p6tition temporelle de micropr616vements et le dosage simultan6 de dif- f6rents t6moins sont doric des conditions quasiment obligatoires pour envisager d'aborder l'estimation du cofit 6nerg6tique d'une activit6; encore serait-il n6cessaire de connaitre au pr6alable les espaces de diffusion int6ress6s et les lois g6rant les 6changes entre ces espaces.

Compte tenu de ces grandes difficult6s m6tho- dologiques et techniques, l'excellente relation liant pour un individu donn6 le d6bit cardiaque (Q) au cofit 6nerg6tique, confbre encore aujourd'hui h cette grandeur ainsi qu'h la fr~quence cardiaque (Fc) une place de choix dans la mesure du cofit 6nerg6- fique des activit6s sportives (Eclache, 1987c); la fr6- quence cardiaque est en effet dans une large gamme de puissances, lin6airement corr616e ~t VOz, tout an moins darts des conditions d'aptitude, d'environ- nement et de masses musculaires mises en je.u repro- ductibles. Un 6talonnage individuel VO2/F c respectant de telles conditions permet doric d'utili- ser F c pour mesurer VO 2 d'autant plus d'ailleurs que l'athl~te pr6sente g6n6ralement une <<insensi- bilit6)> aux contraintes neuro-sensorielles et men- tales d'autant plus marqu6e clue le cofit 6nerg6tique est 61ev6 (Eclache et Jaunet, 1986a).

Dans un certain nombre de cas, l'enregistre- merit simultan6 des caract6ristiques m6caniques de l'activit6, masse d6plac6e, distance, temps, ou de grandeurs d6riv6es des pr6c6dentes (vitesse (V), puissance (P), etc.) permet d'6tablir pour des conditions mat6rielles et environnementales con- hues une excellente corr61ation entre la d6pense 6.nerg6tique.et l'une de ces grandeurs par exemple VO2/V ou VOz/P. Dans ces conditions, l'6tablis- sement pr6alable d'un abaque, d'une courbe ou d'une formule math6matique, pe~met aux ath- letes et aux cadres techniques d'obtenir une bonne estimation de la d6pense 6nerg6tique ~t partir du simple enregistrement de cette grandeur (du temps par exemple), sur un parcours pr6alablement balis6 et 6talonn6 (Eclache et al., 1985; Eclache, 1987b).

T e c h n i q u e s d e m e s u r e

Trois 6tapes essentielles font suite/l la s61ection et 6ventuellement ~t l'6talonnage des t6moins biologi- ques du cofit 6nerg6tique : recueil ou stockage des 6chantillons, analyse et num6risation des t6moins, exploitation et restitution des donn6es num6riques (Fig. 1). Si l'ensemble de ces 6tapes est de r6alisa- tion ais6e en laboratoire tors d'une activit6 simul6e ou mod61is6e, il n'en va plus de m~me sur le ter- rain off chacune de ces phases devient susceptible d'interf6rer ou de g~ner l'activit6 proprement dite.

En d6pit d'une miniaturisation extreme et d'une perp6tuelle augmentation de la capacit6 de traite- ment des syst6mes d'acquisition de donn6es, diff6- rents artifices restent donc toujours utilis6s pour pallier ~ la g~ne occasionn6e en particulier par Ie recueil des t6moins biologiques; ils consistent essen- tiellement/t r6aliser une s6paration temporo-spatiale de tout ou pattie des trois phases pr6c6demment cit6es pour r6duire au maximum les interf6rences li6es/~ la contrainte m6trologique: - le d6calage temporel complet de la mesure en p6riode post-activit6 avec r6tro-extrapolation des donn6es obtenues; - le recueil et le stockage de donn6es pendant l'activit6, mais l'analyse et le traitement en temps diff6r6 permettant d'utiliser a posteriori des tech- niques lourdes de laboratoire; - le recueil et l'analyse partielle ou totale et l'exploitation des diff6rents t6moins coupl6e ~t tin all6gement de la liaison sujet-mat6riel ou un tern- placement par liaison radio.

Mesure de ta par t dnergdtique adrobie

Deux grandes techniques sont actuellement utili- s6es: d'une part la mesure directe des 6changes gazeux permettant d'obtenir outre les variables m6cani.ques respiratoires, la consommation .d'oxy- g6ne (VO2) et le rejet de gaz carbonique (VCO2) avec d6termination du quotient respiratoire ~ la bouche (QRb); d'autre part une estimation indirecte de ces grandeurs ~ partir de la mesure de fr6quence cardiaque ou de la performance (Fc) (puissance, vitesse, temps, cadence, etc.) apr~s 6taionnage indi- viduel permettant de lier VO z ~ l'une de ces gran- deurs (Astrand, 1967).

Mesure directe de la part adrobie Rdtro-extrapolation gt partir des mesures en phase de rdcup~ration. Cette technique consiste ~ inter- rompre brutalement l'activit6 consid~r6e hun ins- tant donn6 (to), ~ effectuer une ou plusieurs ana-

Co~t ~nerg~tique des activit~s sportives sur le terrain 295

Z H

SUJET RECUEIL TRAITEMENT RESTITUTION []m

liaison lourde

m -t:. _ f : : ....

, 5 ,

Mobile A oDligatoire

radio

Fig, 1. Techniques de mesure du cofit 6nerg6tique des activit6s sportives.

lyses en fonction du temps 6cou16 ~t partir de l'arr& de l'activit6, ~t traiter math6matiquement la d6crois- sance observ6e et ~t extrapoler les valeurs obtenues aux valeurs th6oriques du temps to (L6ger et aL, 1980). L'avantage de cette technique est d'6viter toute g~ne sur l'activit6 consid6r6e que l 'on peut consid6rer comme pure. Ses inconv6nients sont inh6rents ~t la technique retenue et en particulier aux probl6mes de stabilit6 ou d'inertie des diff6rents composants du syst6me de mesure, au rincage des espaces morts, etc.

Dans un certain nombre de cas, il est aussi pos- sible d'amener sur le lieu m~me de l'activit6 ou ~t proximit6 imm6diate des mat6riels lourds identiques

~t ceux utilis6s en laboratoire, voire m~me un labo- ratoire mobile motoris6 (du type Sportlab de l'Ecole interarm6es des sports) ou tracts (Crabe de l'Asso- ciation sport biologie) et de b6n6ficier des tech- niques les plus fiables. Dans d'autres cas, les contraintes limit6es au milieu et h l 'environnement imm6diat dans lesquels se d6roule l'activit6 impo- seront un mat6riel plus 16ger du type masque et sou- papes avec recueil des gaz expir6s dans des sacs de Douglas 6quip6s de robinets manuels ou auto- matis6s.

Les valeurs extrapol6es/t partir d 'une 6quation math6matique incluant un lissage mono-exponentiel de la courbe de r6cup6ration et une correction adap-

296 J.P. Eclache

t6e fournissent g6n6ralement une sous-estimation relative inf~rieure/t 6%, comparable g l'amplitude des erreurs de mesure qui affectent la technique directe (L6ger et al., 1983). La correction propo- s~e par ce dernier auteur devient d'ailleurs presque inutile pour les valeurs de VO 2 sup~rieures 45 ml.min-1, kg-1 ce qui explique que diff~rents auteurs aient utilis6 avec succ~s cette technique pour la d~termination de 3 0 2 max. En revanche, cette technique s'accompagne d'une surestimation syst6- matique pour les activit~s supramaximales carac- t~ris~es par un d~calage entre la fin de l'exercice et le d6but de la phase de r6cup6ration (Di Prampero et al., 1973). Dans ce type d'activit6s, une simple mesure r6alis6e sur les 20 premi6res secondes sui- vant la fin de l'exercice serait plus repr6sentative de la d6pense 6nerg6tique en cours d'activit6 (Lavoie et al., 1983; Costill et al., 1985). Recueil des donnOes en temps rdel et traitement en temps diffdrd. Un deuxi~me grand groupe de tech- niques consiste ~ limiter la contrainte m6trologique au seul recueil des gaz expir6s dans une enceinte volume variable, et ~ r6aliser secondairement et distance, l'analyse et le traitement des donn6es. Bien que cette technique permette d'affranchir le sujet de tout ou partie des systbmes d'analyse et de trai- tement souvent lourds (en particulier analyseurs de gaz, spectrom6tre de masse, etc.), il n'en demeure pas moins que le sujet doit ~tre ~quip6 comme pr~- c6demment d'un masque ou d'un embout buccal coupl6/~ un jeu de soupapes et ~ un syst~me de recueil des gaz expir6s. Le probl~me essentiel du recueil dans un sac de Douglas de volume 61ev6 tient au poids (6 h 7 kg pour 100 litres) et au volume croissant du sac transport6 qui majorent le cofit 6nerg6tique du d6placement et augmentent progres- sivement les r6sistances ~ la p6n6tration dans le milieu (Astrand et al., 1980; Fergusson et al., 1960). Ce dernier inconv6nient est sensiblement r6duit par l'utilisation d'un syst~me de recueil limit6 ~ un pourcentage restreint des gaz expir6s du type Inte- grating Motor-Pneumotachograph de Wolff ou Kofranyi-Michaelis; dans ce dernier cas l'avantage de la r6duction de charge et de volume est quelque peu contrebalanc~ par l'616vation des r6sistances expiratoires li6es au gazom~tre m6canique inclus dans le syst~me (Consolazio et al., 1963). Par ail- leurs, la g~ne sensorieUe occasionn6e par le port du masque ou de l'embout buccal associ6 hun pince- nez risque de modifier les aspects techniques et tac- tiques de l'activit6. Ce mat6riel exclut donc l'usage de cette technique dans toutes les activit6s physi- ques traumatiques ou ~ contacts; elle s'applique plus aux activit6s individuelles ne pr6sentant que peu de contraintes techniques et surtout de faibles

vitesses de d6placement. Enfin cette technique ne fournit qu'une id6e moyenne du cofit a6robie de l'activit6. All~gement de la liaison sujet-syst~me de recueil: mobile accompagnateur. Cette technique consiste /t limiter la g~ne m6trologique au port d'un mas- que et d'un syst~me pneumotachographique 16ger du type de celui utilis6 par Wolff (Wolff, 1958) reli6s ~ un ensemble d'analyse et de traitement transport~ par un v6hicule accompagnateur. La liai- son entre sujet et v6hicule (du type estafette, v6hi- cule tout terrain, scooter des neiges, charriot mobile...) s'effectue par trois tubulures de faible diam~tre, deux d'entre elles transmettant le signal de pression pour analyse du d6bit instantan6, la troisi6me ~tant r6serv6e g l'aspiration des gaz expi- res (Gonzalez de Suso et al., 1988).

Ce type de technique n'est donc en principe uti- lisable que dans les activit~s individuelles h d6pla- cement normalis~ sur route, sur piste ou en bassin (course ~ pied, cyclisme, ski de fond, natation...).

Les probl6mes essentiels de cette technique sont li6s aux mouvements des tubulures susceptibles de modifier les signaux pneumotachographiques de pression et au retard occasionn~ par la longueur de la tubulure d'aspiration des gaz. En revanche, si les probl~mes pr6c6dents sont trait~s, elles permettent de suivre en temps r6el les variations rapides du cofit 6nerg~tique de l'activit& Par ailleurs, h la gane sen- sorielle et technique occasionn~e par le masque ou l'embout peut s'ajouter celle cr66e par le mobile accompagnateur qui doit calquer son d6placement sur celui du sportif. Miniaturisation du systOme de recueil et liaison tOl~mOtrique. Cette derni~re m~thode est devenue envisageable grace ~ l'av~nement de composants 61ectroniques miniaturis6s performants. Le principe est donc d'6quiper le sujet d'un syst~me de recueil classique (masque et pneumotachographe) reli6 comme dans le cas precedent par un jeu de tubulu- res ~ un bo~tier miniaturis6 d'un poids inf6rieur au kg et d'un volume inf~rieur au litre assurant l'analyse des 6changes gazeux et l'6mission des signaux correspondant ~ distance. Ce bo~tier port6 par le sujet comporte une cha~ne de pression pour mesure du d6bit expiratoire, une microchambre dynamique avec aspiration asservie au d~bit expi- ratoire et un analyseur d'O 2 ~t sonde polarographi- que. Outre les probl~mes d~j~ signal,s concernant la gane occasionn6e par les syst~mes de recueil, le bo~tier t~16m6trique et les tubulures du pneumota- chographe, le handicap majeur de ces syst~mes est l'incapacit~ actuelle dans laquelle se trouvent les constructeurs d'y inclure un analyseur de CO 2 (Consolazio et al., 1963); le quotient respiratoire

Coat dnergOtique des activit~s sportives sur le terrain 297

est donc a priori fix6 ~ 1, ce qui exclut les explora- tions de repos et toutes les activit6s caract&istis6es par des puissances importantes et variables; par ail- leurs l'avantage li6 ~t la r6duction volumique de l'ensemble est contre-balanc6 par une importante sensibilit6 ~ la temp6rature ambiante tant en ce qui concerne l'analyse des gaz que la port6e de l'6mission-r6ception. L'utilisation de tels syst~mes par ailleurs on6reux ne pourra donc s6rieusement s'envisager que d'ici quelques ann6es apr~s r6solu- tion des probl~mes techniques actuels et pour les activit6s non traumatiques (Gonzalez de Suzo et al., 1987).

Mesure indirecte de la part a~robie Compte tenu des difficult6s pr6c6demment signa- Ides concernant en particulier la complexit6 et l'encombrement du mat&iel n6cessaire ~t la mesure directe des 6changes gazeux, diff6rentes techniques indirectes utilisant une grandeur cardio-respiratoire repr6sentative de la performance ont 6t6 analys6es : l'estimation fournie par la ventilation est trop impr6cise pour ~tre valablement utilis6e (Consola- zio et al., 1963); en revanche, pour un individu donn6 et ~t un moment donn6, il existe une excel- lente corr61ation entre la fr6quence cardiaque obser- v6e et le niveau de d6pense 6nerg6tique dans la gamme des activit6s mettant en jeu de 25% h 85% de VO 2 max; les valeurs de F c des faibles puissan- ces sont g6n6ralement rejet6es du fait de leur sensi- bilit6 aux contraintes psycho-sensorielles additionnelles (Eclache et Jaunet, 1986a); les valeurs des puissances 61ev6es sont exclues du fait de l'amorce de plafonnement visible parfois depuis 85% de VO 2 max (Davies, 1968; Maritz et aL, 1961). La connaissance de la relation Fc/VO 2 per- met dans un second temps h partir d'une simple mesure de F c de connaTtre le niveau de la con- trainte 6nerg6tique h laquelle le sujet est soumis; ces techniques n6cessitent donc darts un premier temps d'&ablir cette relation au cours d'une 6preuve de puissance progressivement croissante reproduisant aussi fid61ement que possible l'acti- vit6 qu'on souhaite analyser ou mettant en jeu les masses musculaires impliqu6es par l'activit6 et dans des conditions environnementales comparables (Eclache et al., 1987a).

Des diff6rents stigmates de l'activit6 cardiaque, seule l'activit6 61ectrique ventriculaire fournit un signal de forme et d'amplitude suffisamment nette pour envisager actuellement une exploitation 61ec- tronique satisfaisante en cours d'activit6. Les syst6- mes utilisant les variations physiques synchrones de l'activit6 cardiaque, pulsatiles de densit6 optique (transillumination) ou volumiques (pl6thysmogra-

phie) ou sonores (phonographie) sont en effet de reconnaissance difficile compte tenu du parasitage Ii6 ~t l'activit6 proprement dite.

Bien que la mesure de F c pr6sente de moindres difficult6s techniques que celles de la mesure de VO 2, les m~mes artifices de s6paration temporo- spatiale que ceux pr6c6demment d6crits ont 6t6 utilis6s. R~tro-extrapolation d partir des mesures en phase de rdcupdration. Cette technique consiste ~ mesu- rer soit normalement h l'aide d'un chronom~tre, soit h l'aide d'un cardio-fr6quencembtre ou d'un ECG la d6croissance progressive de F c observ6e l'arr6t de l'activit6. L'analyse math6matique de la courbe de r6cup6ration permet d'extrapoler h la valeur de F cen fin d'exercice et donc ~ VO 2. R6a- lis6es dans de bonnes conditions et en particulier grace h une excellente synchronisation temporelle, routes ces techniques, m~me manuelles ou audio- m6triques, peuvent fournir d'excellents r6sultats (Eclache et al., 1988).

En revanche, le comptage isol6 des battements cardiaques sur un seul intervalle de temps limit6 et pr6d6termin6 suivant imm6diatement l'arr~t de l'exercice risque de cumuler diff6rentes erreurs: celle al6atoire li6e/t la d6tection du signal; la sous- estimation syst6matique li6e ~ la dur6e du comp- tage et au d61ai entre arr~t d'exercice et d6but de comptage (MacArdle et al., 1969); la multiplica- tion de ces erreurs par le rapport entre la p6riode de r6f6rence (60 sec) et la p6riode habituelle de mesure (5 ~t 15 sec) d'ofi l'int6r~t d'effectuer un chronom6trage pr6cis sur un nombre de p6riodes cardiaques pr6d6termin6es plut6t que l'inverse.

Quoi qu'il en soit l'extrapolation au reste de l'activit6 n'est cependant possible que pour les exer- cices de puissance stable et en tenant compte de la d6rive 16g~re de la relation Fc/VO 2 li6e ~ l'616va- tion de temp6rature interne et la baisse de volume plasmatique observ6es dans les exercices prolong6s. Analyse et traitement s~par~s du recueil. Cette s6pa- ration peut ~tre temporelle ou spatiale: -temporelle: enregistrement magn6tique ou m6moire. Contrairement aux probl~mes que pose le stockage volumique, l'acquisition de fr6quence cardiaque ne n6cessite qu'un mat6riel extr~mement 16ger et miniaturis6. Diff6rents syst~mes permettent actuellement dans d'excellentes conditions un recueil de plusieurs minutes ou plusieurs heures en fonction de la capacit6 m6moire de l'appareil et du temps de moyennage. Le transfert en fin d'6preuve du signal m6moris6 sur diff6rents types de micro- processeurs ouverts ou fig6s permet d'obtenir sur scope et sur imprimante l'affichage num6rique et graphique du signal (Eclache et al., 1986b; Ecla-

298 J.P. Eclache

che, 1987b). L'introduction des caract6ristiques 6nerg6tiques individuelles et de la relation VOz/F c permet en outre d'analyser directement en 6quiva- lent 6nerg6tique l'activit6 consid6r& (Eclache et aL, 1984a);

- spatiale: mobile accompagnateur. Cette techni- que rapidement supplant& par les techniques de stockage et la t616m6trie ne pr6sente plus gu~re d'int6r&. TdlOmOtrie cardiaque. Cette technique tr6s long- temps utilis& conserve tout son int6r&, puisqu'elle permet d'associer les avantages de la surveillance tachym6trique g ceux de la surveillance morpholo- gique en temps r6el indispensable surtout dans l'activit6 physique des sujets pathologiques. Par ail- leurs, la miniaturisation ancienne des syst6mes ~metteurs a permis d6j~ depuis plusieurs ann6es d'aborder l'analyse de nombreuses activit6s, m~me traumatiques, en prenant un minimum de pr6cau- tions. Le couplage s'effectue avec un syst~me r&ep- teur, soit fixe dans le cas d'activit6s ~ d6placements limit& (stade, bassin, piste...) (Ferret et al., 1980; Eclache et al., 1984b) soit mobile lorsque les d6pla- cements d6passent plusieurs centaines de m&res ou plusieurs kilom&res (ski de fond, ski ~ roulettes, cano&kayak, cyclisme, etc.) (Eclache, 1987a; Myles et al., 1979).

Mesure de la part ~nerg~tique ana~robie

Cette estimation beaucoup plus complexe fait appel soit ~ la mesure sur 6chantillons tissulaires des stig- mates du d6ficit en 0 2 en cours d'activit6 (sang en particulier), soit ~ la mesure des t6moins biologi- ques du paiement de la dette en oxyg6ne lors des phases de r6cup6ration apr~s l'activit6 ~t analyser.

Mesure directe de la part ana~robie Contrairement ~t l'estimation de la part 6nerg&ique revenant ~ l'a6robiose, les t6moins biologiques de l'ana6robiose ne peuvent pratiquement pas fake l 'objet d'une analyse en temps r&l. En effet, l'analyse des t6moins de la part ana6robie alacti- que (ATP, PC) et lactique (acide lactique), impose soit un mat6riel excessivement complexe et lourd obligatoirement fixe (r6sonance magn&ique nucl6aire) soit une &ape interm6diaire obligatoire de pr616vement suivie en temps diff6r6 d'une analyse plus ou moins longue (Eclache, 1985). Recueil, analyse et traitement ddphasOs. Darts de nombreuses situations sportives cette situation est obligatoire. En plus des remarques pr6c6demment formul6es pour la mesure de la part a6robie, deux remarques fondamentales m6ritent d'&re faites:

- la concentration d'une substance mesur6e dans

un tissu quel qu'il soit ne permet une analyse quan- titative absolue que dans la mesure off l'espace de diffusion correspondant est connu et que la r6par- tition dans cet espace est homog6ne. Par ailleurs, cette concentration ne pr6juge en rien de l'inten- sit6 des mouvements physiques et des transforma- tions chimiques subies par cette substance au niveau des autres espaces de diffusion et territoires m6ta- boliques actifs (Gorostiaga et Eclache, 1985);

- l'obtention d'une cin6tique &olutive d'une subs- tance en phase de r&up6ration et son extrapolation

la fin de l'exercice n&essite d'avoir au pr6alable un minimum de connaissances:

• sur la capacit6 des transformations m&abo- liques pour utiliser un cadencement d'&hantil- lonnage dont la p~riode corresponde aux caract6ristiques cin&iques propres du ph6nom6ne que l'on cherche ~ d6crire;

• sur les remaniements volumiques observ& durant les phases transitoires de modification de l'intensit6 de l'activit6.

Ces deux remarques permettent de comprendre qu'un certain nombre d'interpr6tations abusives aient pu &re port&s par exemple sur (~ l'hypergly- c6mie d'exercice ~ extrapol6e de l'hyperglyc~mie de la phase transitoire de d6but de r&up6ration ou ~ l'absence de modification des concentrations des compos6s phosphoryl6s ~ dont la restauration g6n6- ralement explosive est inf6rieure/~ la seconde pour I'ATP et de l'ordre de quelques secondes ~ quel- ques minutes pour PC.

Analyses et traitement s~par~s. Si la ponction biopsie est irr6alisable en cours d'activit6, en revan- che il est possible d'6quiper un sujet de cath6ters veineux ou art6riels et d'effectuer des pr61~vements fractionn6s pendant l'activit& Dans certains cas cette technique peut m6me &re utilis& pendant les activit6s ~ d6placement marqu6 sous r6serve de relier le cath6ter ~ un prolongateur et ~ un mobile suiveur.

Cette technique est tr6s sup6rieure ~ la pr&~dente puisqu'elle permet de suivre en diff6r6 l'6volution temporelle d'une substance dans un espace liqui- dien, voire m~me de d&rire les mouvements et transformations subis au niveau d'un territoire musculaire par cath&6risme simultan6 art6riel et veineux et mesure du d6bit circulatoire. En revan- che, l'analyse qui consiste ~ injecter un traceur mar- qu6 de la substance ~ doser est particuli~rement critiquable dans la mesure off l'interpr&ation n6ces- site au pr6alable de conna~tre les cin&iques des &hanges de cette substance avec les autres territoi- res (Gorostiaga et Eclache, 1985).

La r6sonance magn6tique nucl6aire qui pr6sente l'avantage de d&rire un ph6nom6ne dans un

Co~t 4nerg~tique des activit~s sportives sur le terrain

volume tissulaire prbd6termin6 par les caract6risti~ ques du mat6riel utilis6 doit &re aussi consid6r6e comme une technique d'analyse et de traitement s~par6s dans la mesure off le ph6nom~ne biologi- que doit rester stable pendant la totalit6 de l'acqui- sition du spectre permettant de mettre en 6vidence un ou plusieurs compos6s. De plus, elle ne permet d'aborder que des activit6s limit6es ~t des segments de membres et en laboratoire sans aucune possibi- lit6 d'anaiyse sur le terrain.

Mesure indirecte de la part ana~robie Deux techniques indirectes permettent actuellement d'envisager une estimation de la part 6nerg6tique revenant au m6tabolisme ana6robie en cours d'acti- vit6: d'une part, la mesure du << paiement de la dette en O2>> en phase de r6cup6ration, d'autre part l'estimation du << d6ficit en 02 >~ en cours d'activit6. Paiement de la dette en 02. A l'arr& des exerci- ces ou lors de la r6duction d'intensit6 d'une acti- vit6, la persistance d'une d6pense 6nerg6tique a6ro- bie sup4rieure ~t ce qu'elle devrait &re pour un niveau de r6cup6ration 6quivalent consid6r6 isol6- ment, est la traduction de diff6rents ph6nom6nes impliquant en particulier la restauration des r6ser- ves 6nerg6tiques (ATP, PC et glycog~ne essentiel- lement). A ces ph6nom~nes relativement bien connus se rajoutent en r6alit6 la restauration des r6serves d'O 2 li6es ~t la myoglobine, la restauration des r6serves 6nerg6tiques lipidiques et la restructu- ration des structures tissulaires endommag6es par l'activit6 (Gorostiaga et Eclache, 1985). Le pro- bl6me se complique du fait d'une r6utilisation de diff6rents m6tabolites interm6diaires accumul6s pendant l'activit6 et dont le cofit 6nerg&ique de leur int6gration darts l'anabolisme 6nerg6tique ou struc- tural est sup6rieur h l'6nergie lib6r6e lors de leur production: tel est le cas de l'acide lactique dont une part sera r6oxyd6e ~t des fins 6nerg&iques et l'autre ~t des fins de resynth6se du glycog~ne de r6serve. Enfin, la persistance et l'61imination des d6chets terminaux du m6tabolisme apr6s l'exercice sont en eux-m~mes des facteurs de majoration de la d6pense 6nerg6tique en cours de r6cup6ration (Harris, 1969; Brooks et al., 1971; Graham et Andrew, 1973).

La mesure de la consommation d'oxyg~ne, directe (VO2) ou indirecte (Fc) pendant la p6riode suivant l'activit6, fournit doric obligatoirement une estima- tion major6e 4e la part ana6robie intervenue pen- dant l'activit6.

Dans les activit6s de type fractionn6, en particu- lier celles caract6ris6es par des phases supramaxi- males retativement br6ves, le calcul du <~ surcofit 6nerg&ique ~) de chaque phase de r6cup6ration four-

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nit une estimation int6ressante de la part ana6ro- bie mise en jeu pendant la phase intense qui pr6- c6de (Eclache et al., 1988). Ce surcofit peut se d6finir comme la diff6rence observ6e pendant la r6cup6ration active qui suit chaque exercice supra- maximal entre la <<consommation d'O 2 r6elle>> mesur6e et la <<consommation d'O 2 th6orique>> d6termin6e au pr6alable pendant une m~me activit6 de r6cup6ration active r6alis6e isol6ment. La dur6e pendant laquelle s'effectue cette int6gration peut ~tre soit arbitrairement fix6e, soit mieux, li6e ~t la dur6e de la phase supra-maximale qui pr6c~de. Calcul du ddficit en 02. Le d6ficit en 0 2 observ6 lors des phases d'augmentation rapide de la charge 6nerg6tique et des exercices de puissance supra- maximale est repr6sentatif (~t l'erreur pr6s r6sultant de l'utilisation de 1'O 2 li6 ~t la myoglobine) de la fourniture 6nerg6tique ana6robie.

Pour les exercices maximaux ou sous-maximaux, la connaissance de la valeur limite de VO 2 pour les puissances correspondantes et pour une activit6 comparable, permet de calculer simplement ce d6fi- cit par diff6rence entre les valeurs limites et les valeurs r4ellement observ6es. Pour les exercices supramaximaux ou les exercices dont on ne conna~t pas a priori le niveau en regard des possibilit6s a6ro- bies maximales individuelles, il est indispensable de d6finir la valeur th6orique maximale limite qu'aurait atteint le sportif si son potentiel a6robie avait 6t6 susceptible d'assurer h lui seul la fourni- ture 6nerg6tique correspondant au travail demand6.

La meilleure solution consiste alors ~t r6aliser l'activit6 consid6r6e ~ diff6rentes intensit6s progres- sivement croissantes, par exemple par augmenta- tion de vitesse, de cadence, de charge, etc., h tirer la relation math6matique liant la d6pense 6nerg6ti- que h cette grandeur et h calculer la valeur th6ori- que de d6pense 6nerg6tique pour la performance supra-maximale ~t analyser (Eclache et al., 1988). Dans certains cas off la simulation de l'activit6 peut &re r6alis6e dans de bonnes conditions en labora- toire, cet 6talonnage peut &re effectu6 sur ergom6- tre sp6cifique, sous r6serve de reproduire aussi fid~lement que possible l'ensemble des conditions environnementales de l'activit6 (Eclache et Jaunet, 1986a).

Conclusion

Bien que d'analyse relativement difficile sur le ter- rain, la mesure du cofit 6nerg6tique est envisagea- ble grfice au recueil et au traitement de diff6rents t6moins repr6sentatifs des parts 6nerg6tiques a6ro- bie et ana6robie intervenant en cours d'activit6.

300 J.P. Eclache

Parmi ceux-ci, la fr6quence cardiaque est un 616- merit de choix comme t6moin de la consommation d'oxyg~ne, en par.ticulier pour des efforts ne d6pas- sant pas 85% de VO 2 max. La miniaturisation des syst6mes de recueil de cette grandeur permet un large abord de la majorit6 des sports sur le terrain; la d&ermination pr6alable de la relation individuelle F c / V O 2 en respectant au max imum lors de l '6ta- lonnage les conditions propres de l'activit6 tant en ce qui concerne la position et les masses musculai- res mises en jeu que leur &at initial (niveau initial des r6serves, 6chauffement...) et les conditions envi- ronnementales, offre un excellent outil de travail; celui-ci permet d 'est imer la part quantitative des principaux processus 6nerg&iques mis en jeu tant en cours d 'entrainement qu 'en comp&ition, de g6rer de fa~on optimale le potentiel existant et de suivre son 6volution en cours de saison, enfin de pr6ciser l ' incidence des diff6rents facteurs interve- nant sur la performance.

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