2 - M1 EOPS - Limitations respiratoires à lexercice - 2016-2017 [Mode de compatibilité].pdf

Master 1ère année EOPS
Parcours Préparation du Sportif
Les limitations respiratoires dans la
performance à l’exercice physique
I
Ventilation et Exercice
Apport d’O2 et élimination de CO2
Métabolisme aérobie
Muscles respiratoires
Mouvement d’entrée et de sortie
mise en jeux des muscles respiratoires
Ventilation modérée :
- Inspiration: Diaphragme+++ et muscles intercostaux externes
- Expiration: relâchement musculaire + force de rétraction élastique pulmonaire
donc passive
Ventilation + intense ~ >50L.min-1 : recrutement des muscles respiratoires accessoires
- Inspiration: scalènes, Sterno-cléïdo-mastoïdien
- Expiration: intercostaux internes et abdominaux +dorsaux, lombaires…
Rappel : Ventilation et intensité d’exercice
.
- VE ne varie pas linéairement
- Deux Seuils Ventilatoires coïncidant plus ou moins avec seuils lactiques
Exercice et Régime ventilatoire
.
. Ventilatoire:
Régime
.
VE avec l’intensité d’exercice par :
-
de Vt et fr jusqu’à ~ SV2
fr alors que Vt plafonne
Implications sur coût énergétique de
la ventilation
Coût de l’augmentation du VT
∆V
Hauts vol pulm
∆V
∆P
Bas vol pulm
CL=
∆V
∆P
A fort volume, la même
augmentation de volume
pulmonaire nécessite de
développer des variations
de
pression
plus
importantes (Wresp+++)
Intérêt de respirer à bas
volumes pulmonaire (bien
« vidés ») en privilégiant le
volume courant
∆P
B.Whipp R.Pardy
Au-dessus de SV2, le débit ventilatoire est très
fortement augmenté et ajusté à des niveaux élevé
correspondant
- à des valeurs de VE qui peuvent être très
importante
-
à
une
relativement élevée
dépense
énergétique
(VO2resp)
II
Ventilation
et Entraînement
Demande vs Capacité
VO2 (max) = VE(max) x (FiO2-FeO2) (max)
Avec l’entraînement :
demande énergétique maximale d’exercice (VO2max),
niveaux maximaux de VEmax pour apporter l’O2 nécessaire
( de 80 à 120 L.min-1
150-200L.min-1)
Limitations mécaniques pulmonaires ?
L’
de VE jusqu’à des valeurs très élevées est-elle suffisante pour répondre
au besoin en O2 ?
VE et notamment VEmax est-il limité à l’exercice par les propriétés mécaniques
du poumon (volume, compliance des structures pulmonaires…)?
Réserve ventilatoire et entraînement
RV
RV
RV
VE max théorique
VE max mesurée
RV (%)= [(VE max théorique - VEmax mesurée)
/ VE max théorique] x 100
VEmax mesurée = mesurée à VO2max
Entraînement intensif
Entraînement modéré
sédentaire
Réserves ventilatoires en théorie jamais
épuisées
sauf
d’endurance
D’après B.J.Whipp and R.Pardy modifié, 1986
VEmax théorique :
Soit VEMS x 35
Soit Ventilation Maximale Volontaire sur 12s
chez
des
sportifs
Limites mécaniques et Entraînement
En théorie, chez la plupart des sujets sains il n’y a pas de limitation
mécanique de le respiration sauf :
- chez certains sportifs d’endurance hoùùes et femmes+++
(hauts VO2max et hauts VEmax)
- ou chez des enfants (croissance pulmonaire)
- ou chez des seniors sportifs (vieillissement pulmonaire)
⇒ Conséquences possibles :
- Le renouvellement de l’O2 peut alors être insuffisant par rapport aux besoins
- Apparition d’un gêne respiratoire (Dyspnée)
- Augmentation du coût de la ventilation
III
Implication de limitations
respiratoires dans les
limitations de la
performance physique
Limitations de la performance des sportifs d’endurance
O2
O2
Implication du système respiratoire dans les limites de la
performance des sportifs ?
Exemples de limites respiratoires de l’exercice
Hypoxémie Induite par l’Exercice
Coût énergétique de la ventilation et performance
Fatigue des Muscles Respiratoires à l’Exercice
I - Sportifs et Hypoxémie Induite par l’Exercice (HIE)
Dempsey et al., J Physiol, 1984
Désaturation à l’exercice chez des sportifs d’endurance
(Adapté de Legrand et al. , Med Sci Sports Exerc , 2005)
SaO2 > 4% et PaO2 d’au moins10 mmHg (Préfaut et al., Sports Med, 2000)
Exceptionnellement SaO2 jusque des valeurs < 85 % (Dempsey & Wagner, J Appl Physiol, 1999)
HIE touche une partie des sportifs d’endurance :
Hommes ~ 40-50% de sportifs élites d’endurance (18-35 ans)
Prévalence + importante chez les sportives (20-45 ans) et les
seniors (> 55 ans)
Demspey & Wagner, J Appl Physiol, 1999
Préfaut et al., Sports Med, 2000
Nielsen, Scand J Med Sci Sports, 2003
Réponse ventilatoire inadéquate à la demande métabolique
Exercices sous-maximaux (modérés à intenses):
VE relativement restreinte par une moindre régulation pendant l’exercice physique
(Harms & Stager, J Appl Physiol, 1995 ; Mucci et al., Eur J Appl Physiol, 1998)
sensibilité au CO2 des centres respiratoires
CO2 à cause d’une moindre utilisation des lipides
H+ à même niveau d’exercice
Exercices très intenses à maximaux (VO2max)
Sportifs d’endurance = très hauts débits ventilatoires d’exercice (>150 L.min-1) mais insuffisant
Contraintes mécaniques pulmonaires associées à la haute demande ventilatoire
(Derchack et al., Med Sci Sport Exerc, 2000 ; Dominelli et al, J Physiol, 2013)
- Réserves ventilatoires « épuisées »
- Limitations mécaniques de l’expiration
Alréartion des échanges gazeux pulmonaires chez les sportifs
d’endurance
Altération des échanges pulmonaires en O2
- temps de transit sanguin pulmonaire insuffisant (~0,25s)
(Hopkins et al., Respir Physiol, 1996)
- hétérogénéité de l’équilibre entre ventilation et perfusion pulmonaire
(Hopkins et al., J Appl Physiol, 1998)
- micro-œdème pulmonaire
(Zavorsky, Acta Physiol, 2007)
HIE et limitation de la performance aérobie
HIE = moindre SaO2 et PaO2 et donc limitation de CaO2 à l’exercice
Limitation de la disponibilité en O2 pour les muscles actifs
Limitation de la performance aérobie
.
HIE et impact sur VO2max
Adapté de Grataloup et al., Eur J Appl Physiol, 2005
HIE
Non-HIE
hyperoxie
hyperoxie
normoxie
normoxie
+3%
+6%
.
.
VO2max
4%
VO2max
13 %
Supplémentation en O2 (FiO2 = 0,30)
SaO
. 2 + importante
VO
. 2max + importante
VO2max corrélée à
SaO2 (r=0,71; P<0,01)
.
HIE limite de VO2max par moindre
disponibilité en O2
HIE et impact sur la performance motrice
Performance cycliste sur 5 km chez des sportifs hypoxémiques avec supplémentation en
O2 (Amann et al., J Physiol, 2006).
331 ± 13 W
*
314 ± 13 W
*
HIE et PERFORMANCE
La HIE représente une limitation de la performance aérobie à cause
d’un apport systémique en O2 restreint :
Etudes par une supplémentation en O2 (hyperoxie) montrent une
limitation de :
.
- VO2max (Powers et al., 1989 ; Harms et al., 2000 ; Grataloup et al., 2005)
- du temps d’exercice à PMA (Powers et al., 1989)
- capacité maximale de travail (Koskolou et McKenzie, 1994)
des effets négatifs de l’altitude sur VO2max : chute dès une
augmentation d’altitude de 600m (Gore et al., 1996)
II – Travail respiratoire et limitation du débit sanguin
musculaire
.
Exercice intense > 80 % VO2max
Demande en O2 élevée
Apport sanguin
Muscles
Respiratoires
. (MR)
Muscles
Locomoteurs (ML)
.
VE
Performance
motrice
(
travail ML )
Limites du débit cardiaque
+
contraintes
mécaniques
(
travail MR )
.
Réponse ventilatoire et VO2 des muscles respiratoires à l’exercice
.
VO2RM
.
15-17 % VO2max
(Aaron et al., J Appl Physiol, 1992)
Demande énergétique (en O2) des MR
Turner et al., J Appl Physiol, 2012
en concurrence avec celle des ML
.
car Qcardiaque ~ maximal
Harms et al., J Appl Physiol, 1998
Legrand et al., Med Sci Sport Exerc, 2007
.
.
Effet des variations du travail respiratoire sur Qsanguin et VO2 des ML et
résistances vasculaires du quadriceps (RVJbe) lors d’un exercice maximal
Assistée N
Résistée
Assistée N
Résistée
Assistée N
Résistée
(Adapté de Harms et al., J Appl Physiol,1997)
Travail respiratoire
Vasoconstriction des ML
Altération de l’apport en O2 au ML
.
Limitation de la VO2 des ML
Travail respiratoire et limitation de la performance motrice
.
.
Temps de maintien à 90%VO2max chez sportif avec VO2max > 60 ml.min-1.kg-1
• Respiration « assistée »
• Respiration « normale »
• Respiration « résistée »
Harms et al, J Appl Physiol, 2000
W respiratoire
performance (+15%)
.
.
VO2 Totale ( VO2 MR)
Unload
▲Control
∆ Load
W respiratoire
performance (-14%)
.
.
VO2 Totale ( VO2 MR)
Fatigue des ML (
tlim)
.
Exercice > 85%VO2max
Travail respiratoire
Fatigue des ML + Fatigue des MR
(Johnson et al., J Physiol, 1993 ; Babcock et al., J Appl Physiol, 2002)
D’après Harms et al, J Appl Physiol, 2000
W respiratoire
Temps (+15%)
Meilleure perception de l’effort
Plus faible score de dyspnée
Unload
▲Control
∆ Load
W respiratoire
performance (-14%)
Dégradation perception de l’effort
Plus haut score de dyspnée
Unload
▲Control
∆ Load
Fatigue des Muscles Respiratoires et Métaboréflexe
D’après Dempsey et al., Respir Physiology Neurobiol, 2006 ; Amann, Exp Physiol, 2012
Métaboréflexe des
muscles respiratoires
Activité efférences sympathiques
Vasoconstriction des ML
Apport en O2
Fatigue des ML
Difficulté perçue
Fatigue des muscles respiratoire
Dyspnée
Accumulation de métabolites
Activation afférences phréniques groupe IV
Perspectives de l’entraînement
Un entraînement spécifique des muscles respiratoires
pourrait :
- améliorer la capacité oxydative, la force… des m.
respiratoires
- diminuer ainsi la fatigue des m. respiratoires et la
compétition de l’apport en O2 avec muscles locomoteurs
Utilisé chez les BPCO
Exemple d’un appareil permettant de respirer contre
résistances et utilisé pour l’entraînement des muscles
respiratoires
Étude sur la vitesse critique
•
8 hommes (sport loisir) : 23 ± 2ans ; 73 ± 7 kg ; 179 ± 7 cm
•
6 semaines d’EMR : 5 séances/sem
10 minutes matin et soir
30s respiration contre résistance
30s respiration normale
•
Tests avant et après EMR:
– Épreuve incrémentale maximale en course à pieds (tapis roulant)
détermination de VMA et VO2max
.
– Détermination des Tlim à 90, 100, 110 %VMA pré-entraînement et de la Vcrit
(modèle linéaire)
Résultats
Pré
Entraînement
Post
Entraînement
Gain
14,2± 1,3
14,44± 1,3 ($)
46,12± 7,3
43,49± 4,3
Tlim 90% (s)
743,8± 252,3
917,3± 243,7 ($)
26,3% ±18 ($)
Tlim 100% (s)
384,3± 59,9
454,3± 103,2 ($)
17,4% ±14,1 ($)
Tlim 110% (s)
227,3± 24,2
247,3± 46,3
8,5%± 14,3
11,39±1,1
11,69± 1,1 ($)
2,7% ±3 ($)
-1
VMA (km.h
)
-1
VO2Max (ml.kg
.min-1)
-1
Vcrit (km.h
)
1,8% ±1,9 ($)
4,8%± 9,3
$ = significativement différent entre Pré et Post Entraînement
.
VMA
VMA
et VO2max ~
et VEmax ~
Tlim 110 ne varie pas
Tlim 100 et 90 de 17 et 26%
Meilleure efficience motrice
Meilleure efficience respiratoire (EMR)
Ventilation pas suffisamment impliquée
Nets effets de EMR
Amélioration globale de la performance aérobie (VMA, Tlim90 et 100, Vcrit)
• D’autres études ont aussi montré que des améliorations de la
performance aérobie sur des exercices sous-maximaux ou
maximaux étaient liées à une augmentation de la force et de
l’endurance des muscles respiratoires
• Une diminution de lactatémie pour une intensité d’exercice donnée
a été aussi décrite
En conclusion :
Le système respiratoire peut connaître des limitations mécaniques
et fonctionnelles à l’exercice, en dehors de toute pathologie, dans
une partie de la population des sportifs d’endurance (HIE)
Chez tous, l’activité du système respiratoire est un des facteurs
limitant la performance motrice à des intensités > 80-85% de
.
VO2max par :
- le métabolisme des Muscles Respiratoires
- la fatigue des Muscles Respiratoires