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Quels sont les tests physiologiques pour évaluer la performance ?

Quels sont les tests physiologiques pour évaluer la performance ?

Le testing physiologique est négligé. Il devrait pourtant faire partie du processus d’entrainement. Comme le dit l’adage, vous ne pouvez pas améliorer ce que vous ne mesurez pas. C’est pourquoi dans cet article on vous explique quel sont les différents tests physiologiques pour évaluer la performance 👇

Les tests cardio-métaboliques

Les tests cardio-métaboliques, également connus sous le nom de tests VO2max ou tests d’échanges gazeux, permettent de mesurer l’évolution des paramètres cardiopulmonaire et métabolique pendant l’exercice.

test physiologique VO2max cardio

En effet, en mettant un masque sur l’athlète testé, il est possible de mesurer directement le volume et les concentrations de gaz de l’air inspiré et expiré. Cela comprend la mesure de la consommation d’oxygène (VO2), de la production de dioxyde de carbone (VCO2) et de la ventilation (VE, volume d’air total échangé avec l’environnement). En combinant ces trois paramètres cardio-métaboliques de base, on peut évaluer la réponse cardiopulmonaire d’un individu et sa consommation énergétique (c’est-à-dire le nombre de kcal dépensées dans un laps de temps), et déterminer la contribution des deux principales sources de carburant (c’est-à-dire les glucides et les lipides) à la fourniture d’énergie.

L’analyse cardiopulmonaire

La mesure le taux d’absorption d’O2 (VO2) au cours d’un test cardio-métabolique fournit des informations précieuses sur la capacité du corps à absorber, délivrer et utiliser l’O2 pour la resynthèse de l’adénosine triphosphate (ATP). Le taux maximal d’absorption d’O2 est ce qu’on appelle le VO2max.

Les protocoles utilisés pour les tests cardio-métaboliques sont construit de façon à ce que la demande énergétique augmente progressivement. Ces protocoles permettent de détecter des ruptures de la pente des profils d’échange gazeux (VO2 et VO2) et de réponse ventilatoire (VE), ce qu’on appelle les seuils ventilatoires.

Pendant les phases d’intensité d’exercice les plus faibles (zones 1 et 2), VE augmente de manière linéaire avec VO2 et VCO2. VE augmente principalement par une augmentation du volume courant, la quantité d’air mobilisé en une respiration. En d’autres termes, à ce stade, le rythme respiratoire d’une personne reste stable, elle absorbe simplement plus d’oxygène par respiration.

Au-delà de la zone 2, la production de CO2 augmente plus vite que la consommation d’O2. Étant donné que la ventilation (VE) est régulée par l’apport de CO2 aux poumons, pour minimiser l’accumulation excessive de CO2, VE commencera également à augmenter de manière disproportionnée par rapport à VO2.

Le seuil ventilatoire 1 (SV1) marquera la transition entre zone 2 et zone 3.

En règle générale, la consommation de graisse maximale (fatmax) est atteinte avant le SV1. Notons que beaucoup de glucides sont déjà consommés, même en zone 1 et 2.

Passé le SV1, la demande métabolique est augmentée, la filière glycolytique devient par conséquent plus active et la production de lactate augmente.

Au niveau du deuxième seuil ventilatoire, SV2, le système tampon bicarbonate n’est plus en mesure de répondre à l’augmentation permanente de la production de protons H+. Cela entraine une accumulation progressive des protons H+, c’est-à-dire, le développement d’une acidose métabolique (Wasserman, Karlman et al., 2011). À cet instant, VE augmente brutalement par rapport à l’augmentation à la fois de VCO2 et de VO2.

Passé le SV2, la fréquence respiratoire et la ventilation minute (mesurée comme le volume d’air respiré par minute) augmente de manière disproportionnée par rapport à l’augmentation de la consommation d’oxygène. Cela signifie qu’on commence à respirer plus rapidement tout en consommant moins d’oxygène à chaque respiration.

Évolution théorique des paramètres ventilatoires durant un test cardio-métabolique

Évolution théorique des paramètres ventilatoires durant un test cardio-métabolique

Le taux d’incrémentation (W/min ou W/palier) et la puissance de départ doivent être choisi judicieusement pour s’assurer que la durée totale de l’exercice soit suffisamment longue pour discerner les changements dans les échanges gazeux et les profils ventilatoires (par exemple, un minimum de ~ 10 min) mais pas trop longue, au risque de ne pas atteindre VO2max.

Par la suite, il sera important de reproduire le même protocole afin de s’assurer de comparer des résultats comparables.

L’analyse cardiopulmonaire permet également de mesurer l’économie de course ou de pédalage, c’est à dire la consommation d’énergie associée à une vitesse ou un watt. À une même intensité, deux sportifs peuvent avoir une consommation d’énergie différente. Une bonne économie est un des facteurs de performance des sports d’endurance.

À savoir que l’économie évolue indépendamment des autres facteurs de performances (VO2max, seuils), elle est donc indispensable pour compléter votre profil et suivre vos progrès.

L’analyse métabolique

En combinant les trois paramètres cardio-métaboliques de base (VO2, VCO2, VE), on peut évaluer le métabolisme d’un individu.

Le métabolisme fait référence aux processus que votre corps utilise pour briser les nutriments et former des composés que les cellules peuvent utiliser pour produire de l’énergie.

Grâce aux tests cardio-métaboliques, on pourra donc mesurer pendant l’effort, la consommation énergétique (c’est-à-dire le nombre de kcal dépensées dans un laps de temps). Ainsi, on peut déterminer la contribution des deux principales sources de carburant (c’est-à-dire les glucides et les lipides) à la fourniture d’énergie.

Pour les sports d’endurance, utiliser correctement les lipides est un facteur de performance.  En effet, les réserves de lipides dans l’organisme sont illimitées, à contrario des réserves de glucide qui sont limités. Pour cela, il sera intéressant de déterminer votre fatmax en pourcentage de VO2max, l’intensité où le taux d’oxydation des graisses (consommation des lipides) est le plus élevé et votre fatmax en g/min, la plus grosse consommation de lipides par minute. En fonction de votre objectif, vous pourrez prioriser l’un ou l’autre.

L’analyse de la consommation énergétique permet aussi de mesurer le rendement brut, le rapport entre le travail généré, la puissance, et le coût total de l’énergie métabolique. En d’autres termes, à quel point vous êtes efficace. L’énergie qui n’est pas transformé en puissance mécanique est perdue sous forme de chaleur.

Les sportifs les plus efficace peuvent réaliser de meilleures performances en endurance.

Dans l’ensemble, l’analyse cardio-métabolique est sous utilisé. Historiquement, elle était réservée aux hôpitaux pour des tests d’efforts afin de déterminer votre aptitude à réaliser un effort. Ces tests n’exploitent pas toutes les valeurs d’un test cardio-métabolique. Dorénavant, des laboratoires dédiés à la performance sportive propose des tests cardio-métabolique, avec du matériel de qualité médicale, mais cette fois dans le but d’évaluer votre performance. L’analyse est donc bien plus complète qu’un test d’effort à vertu médicale.

La lactatémie

L’analyse de la lactatémie est l’indicateur objectif de votre physiologie le plus abordable et le plus simple à utiliser sur le terrain.

La lactatémie est l’équilibre entre la production de lactate et la clairance, ou utilisation, du lactate (Brooks, G A. , 1985). La production du lactate dépend de la filière glycolytique et l’utilisation du lactate, dépend de la quantité de navettes de lactate et de la capacité de la filière oxydative.

La lecture sur un analyseur de lactate nous indique la différence entre la rapidité avec laquelle le lactate est produit et consommé. Ainsi, nous pouvons déterminer deux seuils, équivalent aux seuils ventilatoires présenté précédemment.

Le seuil de lactate 1 marque l’intensité ou la production de lactate augmente de manière disproportionnée par rapport à l’augmentation de l’utilisation lactate. C’est le premier point d’inflexion sur la courbe de la lactatémie.

Le seuil de lactate 2 marque l’intensité où la production de lactate augmente brutalement. Au-delà de cette intensité, il n’est plus possible de maintenir un état stable. La lactatémie ne fera que monter et on dérivera inévitablement vers le VO2max avec le temps.

Pour que les tests de lactate soient valides, les paliers doivent être long afin que le lactate ai le temps de passer du muscle à la circulation sanguine. Si cette condition est respectée, le lactate est un indicateur fiable de l’intensité de l’exercice. Il sera utile, notamment, pour déterminer des zones d’entrainements et suivre la progression de l’athlète. Le lactate à aussi l’avantage de ne pas nécessiter un test maximal, il peut donc être inclus à n’importe quel moment au sein d’un cycle d’entrainement, sans risque que la fatigue ou la motivation influence les résultats.


Nous avons créé un programme complet dans lequel on partage toute la méthode pour mettre en place des tests de lactate

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L’oxymétrie

Le VO2max est un facteur de performance et il est possible, maintenant, d’évaluer ce qui pourrait le limiter.

Archild Hill, le chercheur à l’initiative du VO2max, à basé ses travaux sur les technologies disponible à l’époque du début des années 1900. Il a notamment calculé que le sang artériel (le sang rechargé en O2, envoyé aux muscles) serait saturé à 90 % pendant l’exercice physique et que le sang veineux (le sang déchargé de l’O2 consommé par les muscles) serait saturé à 10-30 %, et ces valeurs seraient généralisables à tous les athlètes en exercice (Bassett, D. R., Jr, & Howley, E. T., 1997). Cette hypothèse à supposer que la différence artérioveineuse (sang artériel moins sang veineux) serait presque fixe, et donc que le débit cardiaque serait le principal déterminant de la VO2max, comme l’a affirmé Hill.

Aujourd’hui, nous avons le privilège d’avoir accès à de nouvelles recherches et de nouvelles innovations technologiques, auxquelles Hill n’avait pas accès, comme la capacité de mesurer à la fois la saturation pulsée en oxygène (SpO2) et la saturation en oxygène musculaire (SmO2). En conséquence, nous savons qu’il existe une certaine variabilité dans les niveaux de saturation en oxygène artériel des athlètes pendant l’exercice d’effort maximal, grâce à la SpO2. Ainsi que dans la capacité d’utiliser l’oxygène dans les muscles qui travaillent, grâce à la SmO2.

On conséquence, on ne considère plus que la différence d’oxygène artérioveineux est identique entre les athlètes.

Cela nous ouvre alors la porte à l’exploration d’autres facteurs limitants du VO2max autres que le débit cardiaque maximal, comme les limitations de la diffusion pulmonaire ou les limitations de la capacité oxydative du muscle squelettique. Ces variations dans les facteurs limitants individuels au VO2max peuvent expliquer pourquoi les réponses des différents athlètes aux programmes d’entraînement standardisés peuvent être remarquablement diverses (Prampero PE, 2003).

La technologie qui nous permettrait d’évaluer les variations interindividuelles de limitations du VO2max est la spectroscopie de proche infrarouge (NIRS, near-infrared spectroscopy).

La lumière proche infrarouge générée par un capteur disposant de la technologie NIRS se déplace de l’émetteur du capteur à travers la peau pour interagir avec le muscle, puis la lumière est renvoyée vers les détecteurs du capteur.

NIRS Sean Seale Upside Strength
Sean Seale de Upside Strength est un des experts français de la NIRS

Le capteur prend les données brutes et les exécute à travers un algorithme utilisant la loi de Beer Lambert, pour déterminer à la fois l’hémoglobine totale, qui est une mesure relative de la quantité d’hémoglobine dans le chemin optique du capteur (ou THb, qui donne un proxy pour le volume sanguin) ainsi que le pourcentage d’hémoglobine totale saturée en oxygène (c’est-à-dire la saturation musculaire en oxygène, ou SmO2). Ces données sont basées sur le fait que l’hémoglobine oxygénée et désoxygénée a des spectres d’absorbance différents, pour simplifier, on peut parler de couleur différente.

La combinaison de l’oxymétrie de pouls (SpO2) et de la saturation musculaire (SmO2) permet d’avoir une mesure de la différence artérioveineuse maximale et d’orienter l’entrainement en fonction. Un athlète avec une SmO2 au plus bas à 10% et une SpO2 au plus bas à 97% aura une différence artérioveineuse maximale de 87%. Cet athlète, pour augmenter sa VO2max, ne pourra pas augmenter sa différence artérioveineuse maximale. Ainsi à partir de l’équation de Fick, on peut dire qu’il devra augmenter son débit cardiaque et notamment le volume d’éjection systolique. Inversement, un athlète avec une SmO2 minimum de 36% et une SpO2 minimum de 98%, devra pour augmenter sa VO2max, augmenter la différence artérioveineuse. Un entrainement orienté sur l’amélioration de l’utilisation de l’oxygène au niveau musculaire fera probablement augmenter sa VO2max. Les athlètes pour qui la SpO2 descend sous les 90% à l’effort maximal, devront plutôt travailler leur système respiratoire.

La combinaison de l’oxymétrie de pouls (SpO2) et de la saturation musculaire (SmO2) permet d’avoir une mesure de la différence artérioveineuse maximale et d’orienter l’entrainement en fonction. Un athlète avec une SmO2 au plus bas à 10% et une SpO2 au plus bas à 97% aura une différence artérioveineuse maximale de 87%. Cet athlète, pour augmenter sa VO2max, ne pourra pas augmenter sa différence artérioveineuse maximale. Ainsi à partir de l’équation de Fick, on peut dire qu’il devra augmenter son débit cardiaque et notamment le volume d’éjection systolique. Inversement, un athlète avec une SmO2 minimum de 36% et une SpO2 minimum de 98%, devra pour augmenter sa VO2max, augmenter la différence artérioveineuse. Un entrainement orienté sur l’amélioration de l’utilisation de l’oxygène au niveau musculaire fera probablement augmenter sa VO2max. Les athlètes pour qui la SpO2 descend sous les 90% à l’effort maximal, devront plutôt travailler leur système respiratoire.

Ainsi, les mesures NIRS peuvent être utilisées pour observer l’équilibre entre l’apport d’oxygène aux muscles et l’oxygène consommé. Cela fait des capteurs NIRS un outil très utile pour évaluer deux des principaux déterminants de la performance, l’apport et l’utilisation de l’oxygène.

La spirométrie

La spirométrie permet d’évaluer le système respiratoire, notamment le volume pulmonaire et la puissance expiratoire.

Le système respiratoire a deux fonctions principales : absorber l’oxygène de l’environnement et extraire le CO2 de l’organisme. Ce travail à un coût, il peut donc aussi être limitant pour la consommation maximale d’oxygène des muscles locomoteurs. En effet, la quantité d’oxygène utilisée pour faire fonctionner les muscles respiratoires lors d’un effort maximal correspond à environ 15 % du VO2max. On peut donc parler de compétition entre l’apport d’oxygène des muscles locomoteurs et des muscles respiratoires. Puisque les muscles respiratoires sont vitaux pour l’individu, on constate l’apparition d’une vasoconstriction au niveau des muscles locomoteurs dans le but de continuer à apporter de l’oxygène via le sang vers les muscles respiratoires. Cette vasoconstriction est visible pour des efforts au-dessus du deuxième seuil, ce qui a pour effet de limiter l’apport d’oxygène aux muscles locomoteurs. Avec moins d’oxygène apporté aux muscles impliqué dans la production de puissance, l’intensité est réduite.

Il est donc essentiel que les muscles impliqués dans la respiration (le diaphragme, les muscles intercostaux, les muscles situés dans le cou et les muscles abdominaux) soient forts et endurants. Il doit y avoir également une bonne coordination entre ces muscles, sans oublier une bonne mobilité thoracique.

La spirométrie est un indicateur qui permet de savoir si un entrainement des muscles respiratoires peut être pertinent à intégrer dans l’entrainement, afin d’améliorer les performances.

Conclusion

Testing physiologique

Évaluer la performance c’est naviguer entre des indicateurs interne (i.e. physiologiques) et des indicateurs externe (i.e. puissance, vitesse). Les tests de puissance ne suffisent pas.

Les mesures de puissances ne sont que la résultante du travail de différentes filières énergétiques dans le corps et elles ne permettent pas de dresser le profil du sportif. C’est un peu comme si on mesurait la vitesse d’un cycliste pour en déduire une puissance (cela va dépendre de la pente, du vent, des frottements…).

Évaluer la performance c’est aussi naviguer entre des indicateurs globaux (Lactatémie, échanges gazeux) et spécifiques (Oxymétrie musculaire et oxymétrie de pouls (NIRS), spirométrie).

La combinaison de tous ces indicateurs augmente les chances de définir ce qui limite la progression d’un athlète.

Bibliographie

Bassett, D. R., Jr, & Howley, E. T. (1997). Maximal oxygen uptake: « classical » versus « contemporary » viewpoints. Medicine and science in sports and exercise29(5), 591–603. https://doi.org/10.1097/00005768-199705000-00002

Brooks, G A. “Anaerobic threshold: review of the concept and directions for future research.” Medicine and science in sports and exercise vol. 17,1 (1985): 22-34.

Prampero PE (2003) Factors limiting maximal performance in humans. Eur J Appl Physiol 90(3-4): 42042-9

Wasserman, Karlman et al. “Arterial H+ regulation during exercise in humans.” Respiratory physiology & neurobiology vol. 178,2 (2011): 191-5. doi:10.1016/j.resp.2011.05.018

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