Principes de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice P James Villeneuve, MDCM PhD FRCSC Chirurgie thoracique Université dOttawa & lHôpital

Principes de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

P James Villeneuve, MDCM PhD FRCSC

Chirurgie thoraciqueUniversité d’Ottawa & l’Hôpital d’Ottawa2014 03 05

Objectifs

• Décrire les modifications de la ventilation et du débit cardiaque qui surviennent au cours d’un exercice physique

• Expliquer la relation entre la consommation d’oxygène, la production de dioxyde de carbone et le volume de travail au cours d’un exercice physique.

• Décrire l’importance et la détermination de la consommation maximale d’oxygène (VO2max), du volume de travail maximal (Wmax) et du seuil d’anaérobiose.

• Connaître les facteurs qui limitent l’exercice physique chez une personne en santé, et savoir comment et pourquoi les fonctions cardiaque et pulmonaire peuvent limiter l’exercice physique en présence d’une maladie.

• Expliquer la notion de bronchospasme d’effort.• Énumérer les indications et les limites d’une épreuve d’effort

Fréquence cardiaque et l’effort

• La fréquence cardiaque augmente en proportion avec l’intensité de l’activité

• Aux intensités fixes, la fréquence cardiaque atteint un plateau– Un niveau optime par

rapport à l’activité• FCmax

MET

Incompétence chronotropique

• Lors d’un effort progressif, la réponse normale de la FC est normalement une augmentation relativement linéaire et correspondant à environ 10 ± 2 bpm.MET-1

• Une incompétence chronotropique est présente lorsque:

– FC max > 2 écart-type (> 20 bpm) de moins que la FC max prédite chez le sujet qui est au max de ses capacités et ne prend aucun bêta-bloqueur (ou calcique).

– Un index chronotropique < 0.8, calculé selon le pourcentage métabolique de réserve atteint à n’importe quel stage.

Variation de FCmax avec l’age

Etude de 1388 evauations d d’exerciceMorris 1993

FC en phase récupérative

• Le taux de récuperation est reliée aux niveaux de santé et de conditionnement

• Une diminution du FC de <12 dans 1min = taux de mortalité 4x plus élevé comparé aux patients avec une récuperation du FC de >12

• Risque de mortalite élevé de 2.6x fois la norme– Récuperation <22 dans 2min

• Risque de mortalité élevé de 5x la norme– Avec une capacité de <5MET

Cole, étude de 2428 patients; 2193 au VA

Tension arterielle

• Relation entre – le débit cardiaque– volume ventriculaire– la fréquence cardiaque

Les modifications du volume d’éjection systolique (VES) à l’effort

Volume de remplissage

• Retour véneux• Capacité ventriculaire

Préssion de debit

• Contractilité• Pression sanguine

– Aorte– Tronc pulmonaire

C’est le principal déterminant de la capacité d’endurance cardiorespiratoire. Il est fonction de quatre facteurs qui réglent directement les variations du VES en réponse à l’augmentation de l’intensité d’exercice


• La marge absolue d’augmetation du VES avec l’exercise n’est pas complètement compris (ou accepté)


• Non-entrainé– 60mL au repos– 120mL max sous effort

• Entrainé– >80-110mL au repos– 160-200mL max sous

effort

Mécanismes d’augmentation du volume d’éjection systolique

• Première hypothèse– Frank-Starling

• le VES est fonction du degré d’étirement des parois ventriculaires

• Plus la paroi ventriculaire est étirée– plus le ventricule est

capable de développer une force importante, lors de la contraction suivante.

• Deuxième hypothèse• Augmentation de la

contractilité des fibres ventriculaires

• Permet d’augmenter le volume d’éjection systolique– Même en l’absence

d’augmentation du volume télédiastolique.

Mécanismes d’augmentation du volume d’éjection systolique

Position couchée Position deboutPosition couchée = augmentation du retour véneux

F-S

Contractilité

• Frank-Starling = effect aux faibles niveaux d’exercice • Augmentation de la contractilité = effet plus importants aux intensités

élevées

Les modifications du débit cardiaque à l’effort

• Au repos– 5 L•min-1

• Avec effort, augmentation du debit– 20-40 L•min-1

• Essentiellement, cette augmentation sert à combler les demandes musculaires

Les modifications du débit cardiaque à l’effort

Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

La redistribution sanguine à l’exercice


• Redistribution pour favoriser les muscles• Stabilité du débit aux artères coronaires

La différence artério-veineuse à l’effort


Utilisation accrue de l’oxygene

Les modifications de la ventilation à l’effort

• Deux phases de ventilation– Immédiate– Progressive

• Dépendant de l’intensité– Comble les demandes

métaboliques induites par l’ éffort

Augmentation de 100 L.min-1 jusqu’a 150 à 200 L.min-1 (dépendant de la taille, et le conditionnenent physique)


Sous effort• Ventilation s’accroît grâce à

l’augmentation du volume d’air mobilisé par les poumons lors d’un cycle respiratoire

• Aux intensités plus élevées– accélération de la fréquence

respiratoire.

Récupération• Prend plusieurs minutes à

reganger les valeurs au repos

• Ce n’est pas une fonction de demande métabolique, mais plutôt les produits secondaires– Température– pH, pCO2



Les échanges respiratoires à l’effort - seuil anaérobie

En dessous du seuil ventilatoire, la ventilation augmente proportionnellement à l’intensité de l’exercice. Au-delà de

ce seuil, la ventilation augmente proportionnellement davantage pour éliminer le CO2 en excès.


Les échanges respiratoires à l’effort – seuil anaérobie

• A l’équilibre (exercise modéré)– Ventilation est

proportionelle au VO2– VE/VO2 représente le

volume d’air

• Le seuil ventilatoire– Niveau d’exercise qui

nécessite une augmentation de ventilation pour éliminer le CO2


• Le seuil ventilatoire– Niveau d’exercise qui

nécessite une augmentation de ventilation pour éliminer le CO2

• Le seuil anaérobie– L’intensité ou– VE/VO2 augmente par

rapport au VE/VCO2 stable


• Après une série de sprints exhaustifs, les athlètes ont réalisé– un exercice à 50% de la

VO2max (active)– restaient assis (passive)

• En raison d’un flux sanguin local plus important, le lactate est éliminé plus rapidement lors de la récupération active

Le but de la tolérance à l’effort – épreuve cardiopulmonaire


L’épreuve cardiopulmonaire à l’effort


• VO2max implique l’évaluation de la fonction cardiopulmonaire lors d’une épreuve à l’effort progressif qui inclut:– la mesure régulière de la puissance– l’analyse des échanges gazeux– l’électrocardiogramme (ECG)– tension artérielle– la saturation d’O2.

VO2max

• Utilise pour établir une prescription d’exercice précise et sécuritaire.

• Le milieu clinique et pourrait assister dans la prise de décision clinique.

• La respiration cellulaire implique:– l’oxydation du glucose, glycogène et des lipides– en utilisant les voies métaboliques aérobies et

anaérobies.– Le volume d’oxygène (O2) utilisé chaque minute par les

muscles par le processus oxydatif (VO2), augmente de façon proportionnelle à la charge de travail exécuté


• Outil diagnostique important– évaluation de la consommation maximale d’O2(VO2max) – détermination des limites de l’augmentation de la VO2

• La quantification de la réponse physiologique par rapport– de la VO2

– production CO2 (VCO2)– et la ventilation minute (VE)

• Afin de répondre à la demande métabolique des muscles, les poumons, le coeur, la circulation pulmonaire et circulation périphérique doivent répondre de façon coordonnés et appropriés.

• Un ou plusieurs des systèmes mentionnés ci-haut peuvent atteindre une réponse maximale, imposant ainsi une limitation à l’effort.


L’épreuve cardiopulmonaire à l’effort - capacité aérobie

VO2max = Q x (différence a-vO2)

Fréquence cardiaque X Volume d’éjection systolique

•



• La mesure directe de la consommation maximale d’oxygène (VO2max) est la mesure la plus valide de mesurer la capacité

• La VO2max lors d’un épreuve à l’effort maximale reflète

– La capacité du coeur, poumons et, le sang à transporter de l’oxygène aux muscles qui travaillent; et

– la capacité des muscles à utiliser l’oxygène lors d’un exercice.

• Traditionnellement, un plateau dans la VO2max malgré une augmentation de la charge est un critère utilisé afin de déterminer si la VO2max fut atteinte lors d’un épreuve.


Comment effectuer un épreuve à l’effort cardiopulmonaire


Comment effectuer un épreuve à l’effort cardiopulmonaire


L’épreuve cardiopulmonaire à l’effort• Capacité aérobie (VO2max) est atteinte lorsqu’il y a

– Un plateau dans la consommation d’oxygène ou lorsque la VO2 augmente de moins de 150 ml/min avec une augmentation de l’intensité.

– Absence d’augmentation de la FC avec une augmentation de l’intensité d’exercice.

– Une concentration de lactate sanguin de 8 mmol/L ou plus post-exercice.

– Un échange respiratoire > 1.15

– Une perception à l’effort de plus de 17 (échelle 6-20) ou > 9 (échelle 0-10)

• Autres critères couramment utilisés– sujet atteint FC max prédite (220-âge)

– Réserve respiratoire (VE max/MVV) – valeure normale en fin d’effort 20-40.


L’importance de la détermination de la tolérance à l’effort


VO2max = facteur INDEPENDENTimportant prévoyant la mortalité


T Kavanagh, DJ Mertens, LF Hamms, J Beyene, J Kennedy, P Corey, RJ Sherpard.Circulation 2002; 106: 666-671.

VO2 > 22

VO2 15-22

VO2 <15

L’importance de la déterminationde la tolérance à l’effort

T Kavanagh, DJ Mertens, LF Hamms, J Beyene, J Kennedy, P Corey, RJ Sherpard. J Am Coll Cardiol 2003; 42: 2139-43.

Mortalité cardiaqueMortalité toute cause



Une estimation des bénéfices associés à l’amélioration de la VO2crête sur le pronostique chez des patients avec maladie coronarienne

Prediction of Long-Term Prognosis in 12169 Men Referred for Cardiac Rehabilitation.

T Kavanagh, DJ Mertens, LF Hamms, J Beyene, J Kennedy, P Corey, RJ Sherpard.Circulation 2002; 106: 666-671.

Peak Oxygen Intake and Cardiac Mortality in Women Referred for Cardiac Rehabilitation.

T Kavanagh, DJ Mertens, LF Hamms, J Beyene, J Kennedy, P Corey, RJ Sherpard. J Am Coll Cardiol 2003; 42: 2139-43.

VO2max

+ 1 ml/kg/min.

Diminution mortalité

9% homme10% femme=

Vanhess L, Fagard, R, Thjs L, Staessen J, Amery A. Am J Cardiol 1995; 76: 1014-19.

VO2max augmenté de 33% après entraînement.

Une augmentation de 1% de la capacité fonctionnelle post-

entraînement était associée à une diminution de 2% dans la

mortalité cardiovasculaire.

La VO2max mesurée après un programme d’entraînement et le

% d’amélioration suite à l’entraînement sont des

prédicteurs indépendants de la mortalité cardiovasculaire.

Prognostic Value of Training Induced Change in Peak Exercise Capacity in Patients With Myocardial Infarcts and Patients With Coronary Bypass Surgery


Exercise Capacity The Prognostic Variable That Doesn’t Get Enough Respect

FOCUSED PERSPECTIVE

… these findings demonstrate that both a relatively

high exercise capacity at baseline and an

improvement over time yield marked reduction

of risk…

Daniel B. Mark MD, MPH; Micheal S. Lauer, MD. Circulation 2004; 109



…malgré que l’estimation de la VO2max est la méthode le plus

couramment utilisée, la mesure directe de la capacité

fonctionnelle (VO2max) est reconnue comme étant plus précise

et reproductible pour la mesure de la tolérance à l’effort, ainsi

qu’un prédicteur plus robuste du pronostique… Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

Les limites de l’épreuve à l’effort – prévoir la maladie coronarienne

Froelicher a évalué 814 hommes par l’entremise d’un épreuve à l’effort et subséquemment un angiogramme

Sensibilité était de 45% et spécificité de 85% pour obstruction significative de maladie coronarienne

55% faux négatifs

15% faux positifs

Faux positifs environ 50 % chez femmes

Froelicher et al. The electrocardiographic exercise test in a population with reduced workup bias: diagnostic performance, computerized interpretation, and multivariable prediction. VA Cooperative Study in Health Services. Quantitative Exercise Testing and Angiography. Ann Intern Med 1998;128(12 Pt 1):965-74.


Les limites de l’épreuve à l’effort - cependant ...

• Tolérance à l’effort limité par symptôme <5 METS

• Dépression segment ST ≥ 2mm avec pente descendante ou horizontale débutant à < 5 METS, impliquant plusieurs dérivations, ou persiste ≥ 5 minutes en récupération

• Élévation du segment ST induit par exercice

• Tachycardie ventriculaire soutenue reproductible (>30 sec) ou tachycardie ventriculaire symptomatique



Error bars represent 95% confidence intervals. Adapted from Myers et al. N Engl Med 2002;346:793-801.

Relative risks of death from any cause among participants with various risk factors who achieved an exercise capacity of less than 5 METs or 5-8 METs, as compared with participants whose exercise capacity was more than 8 METs.


Bronchospasme induit à l’exercice (BIE)

BIE est une augmentation temporaire de la résistance des voies respiratoires après quelques minutes d’exercices vigoureux et apparaît habituellement après avoir arrêté l’exercice.

Suite à la perte d’eau et le refroidissement des voies respiratoires. Plus l’air est froide et que la ventilation est élevée, plus grand sera le stimulus du BIE.


Bronchospasme induit à l’exercice (BIE)

Noter que durant l’exercice le VEMS améliore en quelque sorte et le BIE devient seulement manifeste après avoir arrêté l’exercice.

Le BIE peut apparaître durant l’exercice mais apparaît habituellement 5-10 min après exercice.

Afrasiabi, R et Spector, SL. The Physician and Sportsmedicine 1991



Les facteurs environnementaux sont des déclencheurs important du BIE

• Air froid et sec (humidité basse) est particulièrement asthmogénique

• Pollution environnementale de l’air peut aggraver le BIE– Tabagisme– dioxide de souffre, smog

allergènes aéroportés• moisissure et pollen

BIE – choix d’activité

Incidence légere à modérée• Baseball/Football• Gymnastique• Golf• Arts martiaux /Boxe• Ski alpin• Sprint• Squash/racquetball• Poids et haltères/Lutte• Natation/Plongeon /Water polo

• Tennis • Volleyball

Incidence élevée• Ventilation-minute

élevée– Basketball– Cyclisme– Course de longue distance– Soccer/Rugby

• Air sec et froid– Ski de fond– Hockey– Patinage de vitesse

BIE - traitement non pharmacologique

• Promouvoir l’exercice physique.

• Éviter l’exercice dans les températures froides et l’air sec est une partie importante de la prévention du BIE.

• L’hiver, il peut être recommandé de s’exercer à l’intérieur ou recouvrir le visage (bouche et nez) avec un foulard ou masque afin de réchauffer et humidifier l’air respiré.

• Un échauffement approprié avant un effort vigoureux ou compétition est recommandé parce que ceci pourrait induire une période réfractaire. L’échauffement devrait être au moins 15 minutes (controverse existe entre de courte durée et intense (sprints) versus d’intensité modérée).

• Au lieu d’arrêter l’exercice brusquement, le retour au calme peut induire un BIE moins sévère

• Un bronchodilatateur (2 puffs) à courte action 15 minutes avant l’exercice peut prévenir ou diminuer les symptômes du BIE.


BIE - conditionnement

• Le conditionnement physique est une partie importante dans la gestion du bronchospasme induit par exercice (BIE).

• Un athlète bien entraîné peut s’exercer à une ventilation moins élevée à une charge de travail quelconque et il sera moins susceptible de subir un BIE.

• Certains chercheurs croient également que la persévérance à un programme d’exercice diminue la réponse des voies respiratoires


BIE - la pollution de l’air

Wilmore, J. H. et Costill, D. L. Physiologie du sport et l’exercice.


• Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz inodore qui pénètre très rapidement dans le sang.– L’affinité de l’hémoglobine pour le CO est à peu près 240 fois celle de

l’O2.– Un certain nombre d’étude ont montré que la VO2max diminuait

linéairement avec l’augmentation de la concentration de monoxyde de carbone dans le sang.

• L’ozone (O3) est l’oxydant photochimique le plus courant.– Après 2 hrs d’exercice intermittent, avec exposition à 0.75 ppm

d’ozone, on note une baisse significative de la VO2max.

Bronchospasme induit à l’exercice (BIE) - la pollution de l’air (suite)

Wilmore, J. H. et Costill, D. L. Physiologie du sport et l’exercice.


• Le dioxyde de soufre (SO2) est un autre agent polluant. – concentration de 1 ppm de ce gaz dans l’air entraîne une

gêne fonctionnelle qui perturbe la performance.

– Le dioxyde de soufre est un irritant des voies respiratoires supérieures et des bronches.

• Il est de lus en plus évident qu’il est prudent de cesser les activités sportives en cas de pollution importante qui expose les athlètes à un certain nombre de risques.

• P. ex Beijing pendant les Olympiques

Objectifs

• Décrire les modifications de la ventilation et du débit cardiaque qui surviennent au cours d’un exercice physique

• Expliquer la relation entre la consommation d’oxygène, la production de dioxyde de carbone et le volume de travail au cours d’un exercice physique.

• Décrire l’importance et la détermination de la consommation maximale d’oxygène (VO2max), du volume de travail maximal (Wmax) et du seuil d’anaérobiose.

• Connaître les facteurs qui limitent l’exercice physique chez une personne en santé, et savoir comment et pourquoi les fonctions cardiaque et pulmonaire peuvent limiter l’exercice physique en présence d’une maladie.

• Expliquer la notion de bronchospasme d’effort.• Énumérer les indications et les limites d’une épreuve d’effort

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