12/11/2019 Adaptations cardiovasculaires à l’effort INTRODUCTION Pr Abdoulaye BA Laboratoire de Physiologie Faculté de Médecine – UCAD • Activité physique = contrainte la plus importante qui puisse être imposée à la circulation • Mise en jeu des muscles striés squelettiques (MSS): tissu le plus abondant de l’organisme (40% du poids corporel) • Mobilisation des MSS augmentation de la consommation d’O2 (VO2) et du rejet de CO2 (VCO2) • Le système cardio-vasculaire, assujetti aux besoins des MSS doit s’adapter • La charge imposée au cœur et au système vasculaire dépend du type d’exercice • Les modifications vont intéresser L’organisme en entier: VO2 globale, débits sanguins des différents organes Le cœur: débit cardiaque et ses composantes, circulation coronaire La circulation périphérique : secteur artériel (pression artérielle et résistances hémodynamiques), secteur veineux, secteur capillaire Les muscles: débit sanguin musculaire, VO2 musculaire • Sur le terrain • Au laboratoire: on peut utiliser Bicyclette ergométrique Tapis roulant MOYENS D’ETUDE • Type exercice L’épreuve d’effort à charge ou à puissance croissante = progressive = triangulaire. Elle peut être maximale ou sous-maximale selon les capacités du sujet L’épreuve d’effort à charge ou puissance constante = rectangulaire.Elle permet d’apprécier l’endurance du sujet et a un intérêt certain dans les programmes de réhabilitation à l’effort. 1 12/11/2019 • En cas d’épreuve d’effort progressive, plusieurs protocoles possibles Sur bicyclette ergométrique: 30 Watts / 3min 20 W / min = montée rapide Commencer par 50 ou plus et augmenter par 20 ou 30 W toutes les 1 à 2 min, etc. Sur tapis roulant Protocole de Bruce Protocole choisi par l’opérateur et adapté au sujet Tapis roulant Bicyclette ergométrique • Au cours d’une épreuve d’effort, mesurer: Fréquence cardiaque (FC) Pression artérielle (PA) Les échanges gazeux respiratoires: évolution de la courbe de consommation d’oxygène (VO2) et du rejet de CO2 (VCO2) Les gaz du sang artériel (par capillarisation): PaO2, PaCO2, saturation de l’hémoglobine en O2 (SaO2), pH Lactates, K+ dans des prélèvements de sang veineux: EPREUVE D’EFFORT A CHARGE CONSTANTE • Surveillance ECG permanente • Lorsque la puissance imposée est faible, l’exercice peut se poursuivre pendant des heures • L’épuisement peut être vite atteint (en quelques minutes) à des puissances et fréquences de pédalage élevées • Lors d’un exercice à puissance constante modérée (Ex: 150 W), la VO2 augmente progressivement (phase d’installation), atteint un état d’équilibre en 4 à 5 min chez l’adulte sédentaire (état stable) et diminue pour revenir à l’état basal à l’arrêt de l’effort (récupération) Etat stable Installation Récupération Evolution de la consommation d’oxygène (VO2) en fonction du temps (fig. en bas) au cours d’un exercice à puissance constante (150 W) (Fig. en haut) 2 12/11/2019 VO2 (mlSTPD. min-1) • Au début de l’exercice Déficit d’oxygène VO2 reste pendant quelques min inférieure à sa valeur d’équilibre: on parle de déficit d’O2 (Fig: surface A ou zone hachurée à gauche) La quantité d’énergie dépensée > celle fournie par le métabolisme aérobie Dette d’oxygène remboursée ou Excès de consommation d’oxygène post-exercice • A l’arrêt de l’exercice VO2 reste de quelques min à plusieurs heures supérieure à sa valeur de repos: on parle de dette d’oxygène remboursée (Fig: surface B ou zone hachurée à droite) Certains préfèrent le terme “ Excès de consommation d’O2 post-exercice” (Exces Post exercise Oxygen consumption, EPOC) VO2 de repos Temps (min) Epreuve d’effort à charge constante: évolution de la VO2 Le débit cardiaque (DC) et la fréquence cardiaque (FC) ont une allure évolutive presque similaire à celle de la consommation d’oxygène (VO2) EPREUVE D’EFFORT A CHARGE CROISSANTE Evolution de la VO2 en fonction du temps au cours d’une épreuve d’effort à charge constante • On augmente la puissance par palier jusqu’à l’épuisement du sujet • La consommation d’oxygène (VO2) augmente de façon linéaire avec la puissance de l’exercice jusqu’au maximum que le sujet puisse consommer appelé VO2max. Le retour à la valeur de repos se fait progressivement pendant la récupération VO2 (ml/min) VO2max 300 Puissance croissante (W) Récupération Evolution de la consommation d’oxygène (VO2) au cours d’un exercice à charge croissante 3 12/11/2019 Variable mesurée (ml/min) Qc Q sanguin musculaire Conditions Activité maximale (sujet sédentaire) 5000 – 6000 20000 – 25000 750 - 1000 15000 – 20000 Repos Q coronaire VO2 300 300 Repos x 4: (1200) 3000 - 4000 VO2 musculaire 50 2000 – 3000 VO2 coronaire 30 - 35 - • L’athlète peut porter son Qc à 40 l/min sa VO2 à 6500 ml/min, Son Q coronaire à 7 fois la valeur de repos son Q sanguin musculaire à 25000 – 30000 ml/min L’extraction d’O2 (CaO2 – CvO2)/CaO2 coronaire est presque maximale au repos (75%) VO2 coronaire augmente surtout par augmentation du débit Le débit cardiaque Adaptations centrales (le cœur) • Le débit cardiaque (Qc) est le produit de la fréquence cardiaque (FC) par le volume d’éjection systolique (VES) Qc = FC x VES La fréquence cardiaque • La fréquence cardiaque (FC) augmente de façon linéaire avec l’intensité de l’exercice (puissance) • FC maximale (FCmax) diminue avec l’âge. Elle est donnée par la formule d’Astrand: Débit cardiaque (Qc en l.min-1) en fonction du % VO2max La pente de la courbe est plus importante entre 0 et 25% de la VO2max où la relation est presque linéaire FCmax = 220 – âge du sujet (en années) 4 12/11/2019 Le volume d’éjection systolique (VES) FCmax = 220 – âge FC VO2max VO2max VO2 • VES est la différence entre volume télédiastolique (VTD) et volume télésystolique (VES) VES = VTD – VTS = 120 ml – 40 ml = 80 ml en moyenne au repos • VES augmente avec l’intensité de l’exercice jusqu’aux environs de 50 à 60% de la VO2max puis plafonne à partir de ce moment, le débit cardiaque croît grâce à la seule augmentation de FC Récupération Puissance croissante La fréquence cardiaque à l’exercice croissant et à la récupération Le volume d’éjection systolique (VES) • VES est conditionné par le volume télédiastolique (VTD) • Le VTD est assimilé à la précharge, pour le ventricule et dépend Epreuve d’effort progressive: évolution du volume d’éjection Systolique (VES) selon le pourcentage par rapport à la VO2max Le volume d’éjection systolique (VES) • Facteurs augmentant le retour veineux : Contractions des muscles qui travaillent surtout aux membres inférieurs (compression veineuse, rôle des valvules veineuses) Battements artériels (artères et veines sont souvent dans une même gaine fibreuse et l’ondée artérielle est transmise à la veine) Mouvements inspiratoires amples • L’augmentation de FC réduit d’abord la diastole donc le temps de remplissage ventriculaire et le VTD. Les tachycardies très importantes réduisent aussi la systole donc à la fois VTD et VES Du retour veineux Du temps de remplissage ventriculaire De la distensibilité ventriculaire De la contribution auriculaire au remplissage L’ensemble de ces facteurs contribuent à déterminer les pressions de remplissage Le volume d’éjection systolique (VES) • VES et VTS Dépendent de la précharge = VTD (loi de FrankStarling) Plus le muscle cardiaque est étiré au cours du remplissage, plus grandes seront les forces de contraction et la quantité de sang éjecté dans l’artère cible (aorte ou AP) Dépendent de la post-charge: pression dans l’aorte ou dans l’artère pulmonaire Du SNA: sympathique (nerfs + médullosurrénale); 5 12/11/2019 La pression artérielle (PA) Adaptations dans la circulation artérielle La pression artérielle (PA) • Les résistances (R) sont données par la formule: R = 8µL / π r4 µ = viscosité sanguine; L = longueur du vaisseau; r = rayon de la section du vaisseau • Le débit sanguin (Q) dans une artère est directement proportionnel à la différence de pression entre 2 points de cette artère (∆PA) et inversement proportionnel à la résistance à l’écoulement du sang (R): Q= ∆PA / R Loi de Poiseuille ∆PA = Q x R La pression artérielle PA = Qc x RPT Qc = débit cardiaque (litres/min) RPT = résistances périphériques totales La pression artérielle (PA) • La PA systolique (PAS) augmente de façon linéaire avec la puissance de l’exercice pour atteindre un maximum pouvant dépasser 200 mmHg • Des augmentations importantes de PAS peuvent être observées chez la sujet âgé et le sportif. Le maximum admis est de 250 mmHg • La PA moyenne (PAM) croît aussi avec l’intensité de l’exercice mais de façon moins importante que la PAS: de 90 mmHg au repos à 140 mmHg au maximum de l’exercice • La PA diastolique (PAD) n’augmente pas en général et peut même baisser aux derniers paliers par chute des résistances Les résistances • Les résistances hémodynamiques globales baissent légèrement • Au niveau des MSS Evolution de la pression artérielle systolique (PAs), moyenne (PAm) et diastolique (PAd) selon le % VO2max au cours de l’exercice à charge croissante Libération de métabolites: NO, CO2, H+, K+, bradykinine Vasodilatation artériolaire les résistances baissent considérablement le débit local augmente 6 12/11/2019 Les résistances • Les résistances augmentent au niveau du foie du rein du tube digestif de la rate • Les résistances diminuent au niveau des Muscles striés squelettiques des artères coronaires de la peau • Les résistances varient moins au niveau du cerveau Evolution des résistances périphériques totales (RPT) selon le pourcentage par rapport à la VO2max Circulation capillaire Adaptations dans les circulations capillaire et veineuse • Le sang arrive dans les tissus par des artérioles et en sort par des veinules • Les artérioles se divisent en plusieurs petits vaisseaux d’où naissent les capillaires • Le capillaire a un sphincter à l’origine mais non à l’embouchure veinulaire • Le débit capillaire augmente à l’effort Par vasodilatation artériolaire musculaire Par ouverture des sphincters précapillaires • Nombre total de capillaires = 4.1010 ¼ est actif au repos la surface d’échange va passer de 300 m2 au repos à 500 voire 700 m2 à l’exercice maximale Circulation veineuse • Au niveau des veines, on a une vasoconstriction Ce qui favorise le retour veineux Augmentation de la pression dynamique en amont (au niveau capillaire) échanges capillaro-tissulaires favorisés CONCLUSION • Au cours de l’effort, le système cardiovasculaire se met au service des muscles squelettiques • A court terme les modifications peuvent se traduire par des écarts importants par rapports à l’état de repos • La régularité de l’entraînement impliquent des adaptations particulières dans le but d’augmenter les performances physiques 7
