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

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

2 Objectifs Décrire les modifications de la ventilation et du débit cardiaque qui surviennent au cours dun exercice physique Expliquer la relation entre la consommation doxygène, la production de dioxyde de carbone et le volume de travail au cours dun exercice physique. Décrire limportance et la détermination de la consommation maximale doxygène (VO2max), du volume de travail maximal (Wmax) et du seuil danaérobiose. Connaître les facteurs qui limitent lexercice physique chez une personne en santé, et savoir comment et pourquoi les fonctions cardiaque et pulmonaire peuvent limiter lexercice physique en présence dune maladie. Expliquer la notion de bronchospasme deffort. Énumérer les indications et les limites dune épreuve deffort

3 Fréquence cardiaque et leffort La fréquence cardiaque augmente en proportion avec lintensité de lactivité Aux intensités fixes, la fréquence cardiaque atteint un plateau – Un niveau optime par rapport à lactivité FCmax

4 MET

5 Incompétence chronotropique Lors dun 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 nimporte quel stage.

6 Variation de FCmax avec lage Etude de 1388 evauations d dexercice Morris 1993

7 FC en phase récupérative Le taux de récuperation est reliée aux niveaux de santé et de conditionnement Une diminution 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

8 Tension arterielle

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

10 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 Cest le principal déterminant de la capacité dendurance cardiorespiratoire. Il est fonction de quatre facteurs qui réglent directement les variations du VES en réponse à laugmentation de lintensité dexercice

11 Les modifications du volume d éjection systolique (VES) à l effort La marge absolue daugmetation du VES avec lexercise nest pas complètement compris (ou accepté)

12 Les modifications du volume d éjection systolique (VES) à l effort Non-entrainé – 60mL au repos – 120mL max sous effort Entrainé – >80-110mL au repos – mL max sous effort

13 Mécanismes d augmentation du volume d éjection systolique Première hypothèse –Frank-Starling le VES est fonction du degré détirement 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 daugmenter le volume déjection systolique –Même en labsence daugmentation du volume télédiastolique.

14 Mécanismes d augmentation du volume d éjection systolique Position couchéePosition debout Position couchée = augmentation du retour véneux F-S Contractilité Frank-Starling = effect aux faibles niveaux dexercice Augmentation de la contractilité = effet plus importants aux intensités élevées

15 Les modifications du débit cardiaque à leffort Au repos – 5 Lmin -1 Avec effort, augmentation du debit – Lmin -1 Essentiellement, cette augmentation sert à combler les demandes musculaires

16 Les modifications du débit cardiaque à leffort Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

17 La redistribution sanguine à lexercice Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice Redistribution pour favoriser les muscles Stabilité du débit aux artères coronaires

18 La différence artério-veineuse à leffort Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice Utilisation accrue de loxygene

19 Les modifications de la ventilation à leffort Deux phases de ventilation – Immédiate – Progressive Dépendant de lintensité – Comble les demandes métaboliques induites par l éffort Augmentation de 100 L. min -1 jusqua 150 à 200 L. min -1 (dépendant de la taille, et le conditionnenent physique)

20 Les modifications de la ventilation à leffort Sous effort Ventilation saccroît grâce à laugmentation du volume dair mobilisé par les poumons lors dun cycle respiratoire Aux intensités plus élevées – accélération de la fréquence respiratoire. Récupération Prend plusieurs minutes à reganger les valeurs au repos Ce nest pas une fonction de demande métabolique, mais plutôt les produits secondaires – Température – pH, pCO 2

21 Les modifications de la ventilation à leffort Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

22 Les modifications de la ventilation à leffort – seuil ventilatoire Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

23 Vue générale des adaptations cardiorespiratoires à l effort Wilmore, J. H. et Costill, D. L. Physiologie du sport et lexercice. Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

24 Les échanges respiratoires à l effort - seuil anaérobie En dessous du seuil ventilatoire, la ventilation augmente proportionnellement à lintensité de lexercice. Au-delà de ce seuil, la ventilation augmente proportionnellement davantage pour éliminer le CO 2 en excès. Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

25 Les échanges respiratoires à leffort – seuil anaérobie A léquilibre (exercise modéré) – Ventilation est proportionelle au VO2 – VE/VO2 représente le volume dair Le seuil ventilatoire – Niveau dexercise qui nécessite une augmentation de ventilation pour éliminer le CO2

26 Les échanges respiratoires à leffort – seuil anaérobie Le seuil ventilatoire – Niveau dexercise qui nécessite une augmentation de ventilation pour éliminer le CO2 Le seuil anaérobie – Lintensité ou – VE/VO2 augmente par rapport au VE/VCO2 stable

27 Les échanges respiratoires à leffort – seuil anaérobie Après une série de sprints exhaustifs, les athlètes ont réalisé – un exercice à 50% de la VO2max (active) – restaient assis (passive) En raison dun flux sanguin local plus important, le lactate est éliminé plus rapidement lors de la récupération active

28 Le but de la tolérance à leffort – épreuve cardiopulmonaire Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

29 L épreuve cardiopulmonaire à l effort Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice VO 2max implique lévaluation de la fonction cardiopulmonaire lors dune épreuve à leffort progressif qui inclut: – la mesure régulière de la puissance – lanalyse des échanges gazeux – lélectrocardiogramme (ECG) – tension artérielle – la saturation dO 2.

30 VO2max Utilise pour établir une prescription dexercice précise et sécuritaire. Le milieu clinique et pourrait assister dans la prise de décision clinique. La respiration cellulaire implique: – loxydation du glucose, glycogène et des lipides – en utilisant les voies métaboliques aérobies et anaérobies. – Le volume doxygène (O 2 ) utilisé chaque minute par les muscles par le processus oxydatif (VO 2 ), augmente de façon proportionnelle à la charge de travail exécuté

31 L épreuve cardiopulmonaire à l effort Outil diagnostique important – évaluation de la consommation maximale dO 2 (VO 2 max) – détermination des limites de laugmentation de la VO 2 La quantification de la réponse physiologique par rapport – de la VO 2 – production CO 2 (VCO 2 ) – 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 leffort. Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

32 L épreuve cardiopulmonaire à l effort - capacité aérobie VO 2 max = Q x (différence a-vO 2 ) Fréquence cardiaque X Volume déjection systolique Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

33 L épreuve cardiopulmonaire à l effort La mesure directe de la consommation maximale doxygène (VO 2 max) est la mesure la plus valide de mesurer la capacité La VO 2 max lors dun épreuve à leffort maximale reflète – La capacité du coeur, poumons et, le sang à transporter de loxygène aux muscles qui travaillent; et – la capacité des muscles à utiliser loxygène lors dun exercice. Traditionnellement, un plateau dans la VO 2 max malgré une augmentation de la charge est un critère utilisé afin de déterminer si la VO 2 max fut atteinte lors dun épreuve. Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

34 Lépreuve cardiopulmonaire à leffort Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice Ces mesures, determines directement est tres complexe

35 Comment effectuer un épreuve à l effort cardiopulmonaire Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

36 Comment effectuer un épreuve à l effort cardiopulmonaire Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

37 L épreuve cardiopulmonaire à l effort Capacité aérobie (VO 2 max) est atteinte lorsquil y a – Un plateau dans la consommation doxygène ou lorsque la VO2 augmente de moins de 150 ml/min avec une augmentation de lintensité. – Absence daugmentation de la FC avec une augmentation de lintensité dexercice. – Une concentration de lactate sanguin de 8 mmol/L ou plus post-exercice. – Un échange respiratoire > 1.15 – Une perception à leffort 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 (V E max/MVV) – valeure normale en fin deffort Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

38 L importance de la détermination de la tolérance à l effort Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice VO2max = facteur INDEPENDENT important prévoyant la mortalité

39 L importance de la détermination de la tolérance à l effort T Kavanagh, DJ Mertens, LF Hamms, J Beyene, J Kennedy, P Corey, RJ Sherpard.Circulation 2002; 106: VO2 > 22 VO VO2 <15

40 L importance de la détermination de 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: Mortalité cardiaqueMortalité toute cause Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

41 L importance de la détermination de la tolérance à l effort Une estimation des bénéfices associés à lamélioration de la VO 2 crête sur le pronostique chez des patients avec maladie coronarienne Prediction of Long-Term Prognosis in Men Referred for Cardiac Rehabilitation. T Kavanagh, DJ Mertens, LF Hamms, J Beyene, J Kennedy, P Corey, RJ Sherpard. Circulation 2002; 106: 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: VO 2 max + 1 ml/kg/min. Diminution mortalité 9% homme 10% femme =

42 Vanhess L, Fagard, R, Thjs L, Staessen J, Amery A. Am J Cardiol 1995; 76: % VO 2 max augmenté de 33% après entraînement. 1% 2% Une augmentation de 1% de la capacité fonctionnelle post-entraînement était associée à une diminution de 2% dans la mortalité cardiovasculaire. La VO 2 max 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 Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

43 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 Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

44 L importance de la détermination de la tolérance à l effort …malgré que l estimation de la VO 2 max est la méthode le plus couramment utilisée, la mesure directe de la capacité fonctionnelle (VO 2 max) 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 lexercice et évaluation de lexercice

45 Les limites de l épreuve à l effort – prévoir la maladie coronarienne Froelicher a évalué 814 hommes par lentremise dun épreuve à leffort 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): Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

46 Les limites de l épreuve à l effort - cependant... Tolérance à leffort 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 lexercice et évaluation de lexercice

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

48 Bronchospasme induit à l exercice (BIE) BIE est une augmentation temporaire de la résistance des voies respiratoires après quelques minutes dexercices vigoureux et apparaît habituellement après avoir arrêté lexercice. Suite à la perte deau et le refroidissement des voies respiratoires. Plus lair est froide et que la ventilation est élevée, plus grand sera le stimulus du BIE. Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

49 Bronchospasme induit à l exercice (BIE) Noter que durant lexercice le VEMS améliore en quelque sorte et le BIE devient seulement manifeste après avoir arrêté lexercice. Le BIE peut apparaître durant lexercice mais apparaît habituellement min après exercice. Afrasiabi, R et Spector, SL. The Physician and Sportsmedicine 1991 Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

50 Les facteurs environnementaux sont des déclencheurs important du BIE Air froid et sec (humidité basse) est particulièrement asthmogénique Pollution environnementale de lair peut aggraver le BIE – Tabagisme – dioxide de souffre, smog allergènes aéroportés moisissure et pollen

51 BIE – choix dactivité 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

52 BIE - traitement non pharmacologique Promouvoir lexercice physique. Éviter lexercice dans les températures froides et lair sec est une partie importante de la prévention du BIE. Lhiver, il peut être recommandé de sexercer à lintérieur ou recouvrir le visage (bouche et nez) avec un foulard ou masque afin de réchauffer et humidifier lair respiré. Un échauffement approprié avant un effort vigoureux ou compétition est recommandé parce que ceci pourrait induire une période réfractaire. Léchauffement devrait être au moins 15 minutes (controverse existe entre de courte durée et intense (sprints) versus dintensité modérée). Au lieu darrêter lexercice brusquement, le retour au calme peut induire un BIE moins sévère Un bronchodilatateur (2 puffs) à courte action 15 minutes avant lexercice peut prévenir ou diminuer les symptômes du BIE. Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

53 BIE - conditionnement Le conditionnement physique est une partie importante dans la gestion du bronchospasme induit par exercice (BIE). Un athlète bien entraîné peut sexercer 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 dexercice diminue la réponse des voies respiratoires Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice

54 BIE - la pollution de l air Wilmore, J. H. et Costill, D. L. Physiologie du sport et lexercice. Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz inodore qui pénètre très rapidement dans le sang. – Laffinité de lhémoglobine pour le CO est à peu près 240 fois celle de lO 2. – Un certain nombre détude ont montré que la VO 2 max diminuait linéairement avec laugmentation de la concentration de monoxyde de carbone dans le sang. Lozone (O 3 ) est loxydant 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 VO 2 max.

55 Bronchospasme induit à l exercice (BIE) - la pollution de l air (suite) Wilmore, J. H. et Costill, D. L. Physiologie du sport et lexercice. Unité 1 – Principe de la physiologie de lexercice et évaluation de lexercice 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

56 Objectifs Décrire les modifications de la ventilation et du débit cardiaque qui surviennent au cours dun exercice physique Expliquer la relation entre la consommation doxygène, la production de dioxyde de carbone et le volume de travail au cours dun exercice physique. Décrire limportance et la détermination de la consommation maximale doxygène (VO2max), du volume de travail maximal (Wmax) et du seuil danaérobiose. Connaître les facteurs qui limitent lexercice physique chez une personne en santé, et savoir comment et pourquoi les fonctions cardiaque et pulmonaire peuvent limiter lexercice physique en présence dune maladie. Expliquer la notion de bronchospasme deffort. Énumérer les indications et les limites dune épreuve deffort


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