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

1. Principes de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice P James Villeneuve, MDCM PhD FRCSC Chirurgiethoracique Universitéd’Ottawa & l’Hôpitald’Ottawa 2014 03 05

2. 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

3. Fréquence cardiaque et l’effort • La fréquencecardiaqueaugmente 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

4. MET

5. Incompétencechronotropique • Lors d’un effort progressif, la réponsenormale de la FC estnormalementune augmentation relativementlinéaire et correspondantà environ 10 ± 2 bpm.MET-1 • Uneincompétencechronotropiqueestprésentelorsque: • FC max > 2 écart-type (> 20 bpm) de moinsque la FC max prédite chez le sujet qui est au max de sescapacités et ne prendaucunbêta-bloqueur (oucalcique). • Un index chronotropique < 0.8, calculéselon le pourcentagemétabolique de réserveatteint à n’importequel stage.

6. Variation de FCmax avec l’age Etude de 1388 evauations d d’exercice Morris 1993

7. FC en phase récupérative • Le taux de récuperationestreliéeaux niveaux de santé et de conditionnement • Une diminution du FC de <12 dans 1min = taux de mortalité4x plus élevécomparéaux patients avec unerécuperationdu FC de >12 • Risque de mortaliteélevé de 2.6x fois la norme • Récuperation<22 dans 2min • Risque de mortalitéélevé de 5x la norme • Avec unecapacitéde <5MET Cole, étudede 2428 patients; 2193 au VA

8. Tension arterielle

9. Relation entre • le débitcardiaque • volume ventriculaire • la fréquencecardiaque

10. Les modifications du volume d’éjectionsystolique (VES) à l’effort Volume de remplissage Préssion de debit Contractilité Pression sanguine Aorte Troncpulmonaire C’est le principal déterminant de la capacité d’endurance cardiorespiratoire. Il estfonction de quatrefacteurs qui réglentdirectement les variations du VES en réponse à l’augmentation de l’intensité d’exercice • Retour véneux • Capacitéventriculaire

11. Les modifications du volume d’éjectionsystolique (VES) à l’effort • La marge absolued’augmetation du VES avec l’exercisen’est pas complètementcompris (ou accepté)

12. Les modifications du volume d’éjectionsystolique (VES) à l’effort • Non-entrainé • 60mL au repos • 120mL max sous effort • Entrainé • >80-110mL au repos • 160-200mL max sous effort

13. Mécanismes d’augmentation du volume d’éjectionsystolique • Première hypothèse • Frank-Starling • le VES estfonction du degré d’étirement des paroisventriculaires • Plus la paroiventriculaireestétirée • plus le ventriculeest capable de développerune force importante, lors de la contraction suivante. • Deuxièmehypothèse • Augmentation de la contractilité des fibresventriculaires • Permetd’augmenter le volume d’éjectionsystolique • Mêmeen l’absence d’augmentation du volume télédiastolique.

14. Mécanismes d’augmentation du volume d’éjectionsystolique Position couchée Position debout Position couchée = augmentation du retour véneux F-S Contractilité • Frank-Starling = effect aux faiblesniveaux d’exercice • Augmentation de la contractilité = effet plus importants aux intensitésélevées

15. Les modifications du débitcardiaque à l’effort • Au repos • 5 L•min-1 • Avec effort, augmentation du debit • 20-40 L•min-1 • Essentiellement, cetteaugmentation sertà comblerles demandesmusculaires

16. Les modifications du débit cardiaque à l’effort Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

17. La redistribution sanguine à l’exercice • Redistribution pour favoriser les muscles • Stabilité du débit aux artèrescoronaires Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

18. La différence artério-veineuse à l’effort Utilisation accrue de l’oxygene Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

19. Les modifications de la ventilation à l’effort • Deux phases de ventilation • Immédiate • Progressive • Dépendant de l’intensité • Comble les demandesmétaboliquesinduites par l’éffort Augmentation de 100 L.min-1jusqu’a 150 à 200 L.min-1 (dépendant de la taille, et le conditionnenent physique)

20. Les modifications de la ventilation à l’effort Sous effort Récupération Prendplusieurs minutes à reganger les valeurs au repos Cen’est pas unefonction de demandemétabolique, maisplutôt les produitssecondaires Température pH, pCO2 • Ventilation s’accroît grâce à l’augmentation du volume d’air mobilisé par les poumonslors d’un cycle respiratoire • Aux intensités plus élevées • accélération de la fréquencerespiratoire.

21. Les modifications de la ventilation à l’effort Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

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

23. Les échangesrespiratoires à l’effort – seuilanaérobie • A l’équilibre (exercise modéré) • Ventilation estproportionelle au VO2 • VE/VO2 représente le volume d’air • Le seuilventilatoire • Niveaud’exercisequi nécessiteune augmentation de ventilation pour éliminer le CO2

24. Les échangesrespiratoires à l’effort – seuilanaérobie • Le seuilventilatoire • Niveaud’exercisequi nécessiteune augmentation de ventilation pour éliminer le CO2 • Le seuilanaérobie • L’intensitéou • VE/VO2 augmente par rapport au VE/VCO2 stable

25. Les échangesrespiratoires à l’effort – seuilanaérobie • Après unesérie de sprints exhaustifs, les athlètesontréalisé • un exercice à 50% de la VO2max (active) • restaientassis (passive) • En raison d’un flux sanguin local plus important, le lactate estéliminé plus rapidementlors de la récupérationactive

26. Le but de la tolérance à l’effort – épreuve cardiopulmonaire Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

27. L’épreuve cardiopulmonaire à l’effort • VO2maximplique l’évaluation de la fonctioncardiopulmonairelors d’uneépreuve à l’effort progressif qui inclut: • la mesurerégulière de la puissance • l’analyse des échangesgazeux • l’électrocardiogramme (ECG) • tension artérielle • la saturation d’O2. Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

28. VO2max • Utilise pour établirune prescription d’exerciceprécise et sécuritaire. • Le milieu clinique et pourrait assister dans la prise de décisionclinique. • La respiration cellulaireimplique: • l’oxydation du glucose, glycogène et des lipides • en utilisant les voiesmétaboliquesaérobies et anaérobies. • Le volume d’oxygène (O2) utiliséchaque minute par les muscles par le processusoxydatif (VO2), augmente de façonproportionnelle à la charge de travail exécuté

29. L’épreuve cardiopulmonaire à l’effort • Outildiagnostiqueimportant • évaluation de la consommationmaximale d’O2(VO2max) • détermination des limites de l’augmentation de la VO2 • La quantification de la réponsephysiologique par rapport • de la VO2 • production CO2 (VCO2) • et la ventilation minute (VE) • Afinde répondre à la demandemétabolique des muscles, les poumons, le coeur, la circulation pulmonaire et circulation périphériquedoiventrépondre de façoncoordonnés et appropriés. • Un ouplusieurs des systèmesmentionnés ci-haut peuventatteindreuneréponsemaximale, imposantainsiune limitation à l’effort. Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

30. L’épreuve cardiopulmonaire à l’effort - capacité aérobie • VO2max = Q x (différence a-vO2) Fréquencecardiaque X Volume d’éjectionsystolique Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

31. L’épreuvecardiopulmonaire à l’effort • La mesuredirecte de la consommationmaximale d’oxygène (VO2max) est la mesure la plus valide de mesurer la capacité • La VO2max lors d’un épreuve à l’effort maximalereflète • 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’oxygènelors d’un exercice. • Traditionnellement, un plateau dans la VO2max malgréune augmentation de la charge est un critèreutiliséafin de déterminersi la VO2max futatteintelors d’un épreuve. Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

32. Comment effectuer un épreuve à l’effort cardiopulmonaire Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

33. Comment effectuer un épreuve à l’effort cardiopulmonaire Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

34. L’épreuvecardiopulmonaire à l’effort • Capacitéaérobie (VO2max) estatteintelorsqu’il y a • Un plateau dans la consommation d’oxygèneoulorsque 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 échangerespiratoire > 1.15 • Une perception à l’effort de plus de 17 (échelle 6-20) ou > 9 (échelle 0-10) • Autrescritèrescourammentutilisés • sujetatteint FC max prédite (220-âge) • Réserverespiratoire (VE max/MVV) – valeurenormale en fin d’effort 20-40. Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

35. L’importance de la détermination de la tolérance à l’effort VO2max = facteur INDEPENDENT important prévoyant la mortalité Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

36. L’importance de la détermination de la tolérance à l’effort VO2 > 22 VO2 15-22 VO2 <15 T Kavanagh, DJ Mertens, LF Hamms, J Beyene, J Kennedy, P Corey, RJ Sherpard.Circulation 2002; 106: 666-671.

37. L’importance de la déterminationde la tolérance à l’effort Mortalité toute cause Mortalité cardiaque T Kavanagh, DJ Mertens, LF Hamms, J Beyene, J Kennedy, P Corey, RJ Sherpard. J Am Coll Cardiol 2003; 42: 2139-43. Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

38. L’importance de la détermination de la tolérance à l’effort Une estimation des bénéficesassociés à l’amélioration de la VO2crêtesur le pronostique chez des patients avec maladiecoronarienne 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 andCardiac 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. = Diminution mortalité 9% homme 10% femme VO2max + 1 ml/kg/min.

39. Prognostic Value of Training Induced Change in Peak Exercise Capacity in Patients With Myocardial Infarcts and Patients With Coronary Bypass Surgery 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 capacitéfonctionnelle post-entraînementétaitassociée à une diminution de 2%dans la mortalitécardiovasculaire. La VO2maxmesurée après un programme d’entraînement et le % d’amélioration suite à l’entraînementsont des prédicteursindépendants de la mortalitécardiovasculaire. Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

40. FOCUSED PERSPECTIVE Exercise Capacity The Prognostic Variable That Doesn’t Get Enough Respect … 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 Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

41. L’importance de la détermination de la tolérance à l’effort …malgréque l’estimation de la VO2max est la méthode le plus courammentutilisée, la mesuredirecte de la capacitéfonctionnelle (VO2max) estreconnuecommeétant plus précise et reproductible pour la mesure de la tolérance à l’effort, ainsiqu’un prédicteur plus robuste du pronostique… Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

42. Les limites de l’épreuve à l’effort – prévoir la maladiecoronarienne • Froelicher a évalué 814 hommes par l’entremise d’un épreuve à l’effort et subséquemment un angiogramme • Sensibilitéétait de 45% et spécificité de 85% pour obstruction significative de maladiecoronarienne • 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. Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

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

44. L’importance de la détermination de la tolérance à l’effort 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. Error bars represent 95% confidence intervals. Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice Adapted from Myers et al. N Engl Med 2002;346:793-801.

45. Bronchospasmeinduit à l’exercice (BIE) • BIE estune augmentation temporaire de la résistance des voiesrespiratoires après quelques minutes d’exercicesvigoureux et apparaîthabituellement après avoirarrêté l’exercice. • Suite à la perte d’eau et le refroidissement des voiesrespiratoires. Plus l’air estfroide et que la ventilationestélevée, plus grand sera le stimulus du BIE. Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

46. Bronchospasmeinduit à l’exercice (BIE) • Noterquedurant l’exercice le VEMS améliore en quelquesorte et le BIE devientseulementmanifeste après avoirarrêté l’exercice. • Le BIE peutapparaîtredurant l’exercicemaisapparaîthabituellement 5-10 min après exercice. Afrasiabi, R et Spector, SL. The Physician and Sportsmedicine 1991 Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

47. Les facteursenvironnementauxsont des déclencheurs important du BIE • Air froid et sec (humiditébasse) estparticulièrementasthmogénique • Pollution environnementale de l’air peutaggraver le BIE • Tabagisme • dioxide de souffre, smogallergènesaéroportés • moisissureet pollen Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

48. BIE – choixd’activité Incidence légere à modérée Incidence élevée Ventilation-minute élevée Basketball Cyclisme Course de longue distance Soccer/Rugby Air sec et froid Ski de fond Hockey Patinagede vitesse • Baseball/Football • Gymnastique • Golf • Arts martiaux /Boxe • Ski alpin • Sprint • Squash/racquetball • Poidset haltères/Lutte • Natation/Plongeon /Water polo • Tennis • Volleyball

49. BIE - traitement non pharmacologique • Promouvoir l’exercice physique. • Éviter l’exercicedans les températuresfroides et l’air sec estunepartieimportante de la prévention du BIE. • L’hiver, ilpeutêtrerecommandé de s’exercer à l’intérieurourecouvrir le visage (bouche et nez) avec un foulard ou masque afin de réchauffer et humidifier l’air respiré. • Un échauffementappropriéavant un effort vigoureuxoucompétitionestrecommandéparcequececipourraitinduireunepérioderéfractaire. L’échauffementdevraitêtre au moins 15 minutes (controverseexiste entre de courtedurée et intense (sprints) versus d’intensitémodérée). • Au lieu d’arrêter l’exercicebrusquement, le retour au calmepeutinduire un BIE moinssévère • Un bronchodilatateur (2 puffs) à courte action 15 minutes avant l’exercicepeutpréveniroudiminuer les symptômes du BIE. Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice

50. BIE - conditionnement • Le conditionnement physique estunepartieimportantedans la gestion du bronchospasmeinduit par exercice (BIE). • Un athlètebienentraînépeut s’exercer à une ventilation moinsélevée à une charge de travail quelconque et il sera moins susceptible de subir un BIE. • Certainschercheurscroientégalementque la persévérance à un programme d’exercicediminue la réponse des voiesrespiratoires Unité 1 – Principe de la physiologie de l’exercice et évaluation de l’exercice