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ADAPTATION CARDIOVASCULAIRE AU SPORT


Adaptations cardiovasculaires à l'exercice musculaire les adaptations aiguës
Le système cardiovasculaire assure l'apport d'oxygène aux muscles en activité en augmentant le débit cardiaque (DC) avec diminution des résistances périphériques et en facilitant le transport par vasodilatation et redistribution du débit sanguin. Ces adaptations cardiovasculaires sont observées juste avant, ou dès le début de l'exercice, puis tout au long de celui-ci.
L'augmentation du DC, légèrement curvilinéaire au-début de l'exercice, devient linéaire au-dessus de 40-50 % de la VO2 max. Lorsque l'exercice devient très intense, le DC plafonne ou s'infléchit vers le bas. La VO2 est un bon reflet du DC, ainsi à 1 litre/min de VO2 correspondent environ 5 litres/min de DC. En fin d'effort, le DC est multiplié par un facteur 4-5 (DC maximal = 20-25 l/min). Les deux composantes du DC, la fréquence cardiaque (FC) et le volume de sang éjecté à chaque battement (VES), évoluent différemment à l'exercice.
L'évolution de la FC est plus complexe que la classique relation linéaire entre FC et intensité d'exercice. Au début, la FC augmente vite, puis l'élévation de la FC devient linéaire. Lorsque l'intensité de l'exercice s'accroît doucement, on observe un aspect de courbe sigmoïde avec deux inflexions initiale et finale (cette dernière correspondant au "seuil" de Conconi) chez 85% des sujets. L'accélération initiale de la FC est liée à la levée du frein vagal et à l'augmentation du retour veineux, les effets du système nerveux sympathique et de l'adrénaline médullo-surrénalienne sont retardés ( 50-60 % de la VO2 max). En moyenne, la relation % fc - % VO2 est linéaire, jusqu'à 85/90% de VO2max, puis plafonne. Au-delà de cette intensité, la fc ne discrimine plus les intensités d'exercice.
La FC maximale (FC max) dépend de l'âge (FC max = 220 - âge ± 10 battements ou FC max = 210 - 0,65 âge , ou : 207 - 0,7 x âge), mais variations individuelles importantes (à 40 ans, fc max comprise entre 159 et 199 bpm dans 95%), et les FC max mesurées lors de la course à pied sont souvent plus élevées.
La fc n'est pas constante au cours d'un exercice continu, surtout de longue durée avec une dérive de la fc, dont l'amplitude dépend des conditions environnementales (température, humidité, altitude, jusqu ‘à 10 à 15 %, sur 1 heure si conditions environnementales normales et jusqu’à 20 à 25 % si contrainte environnementale importante (chaleur, altitude)), expliquée par une diminution concomitante du volume plasmatique et du VES, secondaire à la déshydratation, qui est compensée par une augmentation de la fc pour maintenir le DC.
Le VES augmente dès le début de l'exercice, un peu plus tôt que la FC, puis plafonne (40-50 % de la VO2 max). Ce phénomène de plateau disparaît avec le niveau de pratique, donc un même % de fc max correspond à un % de DCmax / VO2max différent. Prescrire une intensité à partir de fc peut sur ou sous-estimer l'intensité métabolique réelle. Ce VES est voisin au repos, en position assise ou debout, de 70-90 ml et de 100-120 ml en position couchée. A l'exercice, le cœur se remplit plus en diastole et se vide mieux en systole, les pressions ventriculaire et auriculaire gauches augmentent peu. A fréquence cardiaque égale, le débit cardiaque maximal du sportif est donc supérieur à celui du sédentaire et peut atteindre 30 l/min contre 20-25 l/min.
Adaptations périphériques Elles varient selon les organes.
Au niveau des muscles squelettiques mis en jeu par l'effort, la diminution des résistances périphériques est fonction de l'intensité de l'exercice. Ainsi, tous les capillaires ne sont pas dilatés simultanément mais alternativement et le débit sanguin musculaire n'atteint jamais ses capacités maximales (300-400 ml/min/100g). La capacité vasodilatatrice du muscle squelettique est donc nettement supérieure à la capacité de pompage du coeur.
Au niveau des organes inactifs, une vasoconstriction générale est observée au début de l'effort. Quand l'exercice se prolonge, les adaptations varient selon les organes. Le débit sanguin diminue en valeur relative au niveau du tube digestif, du foie, de la rate et du rein. Au niveau cutané, une vasodilatation succède à la vasoconstriction initiale. Ces ajustements circulatoires, qualifiés de "balance circulatoire", permettent d'assurer un apport suffisant de sang aux muscles sollicités, tout en maintenant une pression sanguine de perfusion efficace et en luttant contre la chaleur. Au niveau de la circulation pulmonaire, l'augmentation des pressions ouvre des vaisseaux inutilisés au repos. Le rapport ventilation/débit sanguin est plus homogène. Comme les résistances pulmonaires baissent relativement moins que les résistances périphériques, la pression moyenne dans l'artère pulmonaire augmente relativement plus que la pression artérielle (PA) systémique. Ainsi, à l'exercice, le travail du ventricule droit est proportionnellement supérieur à celui du ventricule gauche.
• Au niveau de la circulation coronaire, l'adaptation à la demande myocardique en O2 se fait par l'augmentation du débit, car l'extraction d'O2 est déjà presque maximale au repos. Grâce à une vasodilatation importante, le débit coronarien peut être multiplié par 4-5.
• Au niveau cérébral, le débit sanguin reste stable en valeur absolue tout au long de l'exercice grâce à l'autorégulation circulatoire de cet organe.
Adaptations de la pression artérielle
La PA moyenne est la variable circulatoire régulée de l'organisme. Elle est égale au produit du DC par les résistances périphériques (RP). Ses adaptations dépendent donc des modifications de ces deux paramètres.
Malgré la baisse majeure des RP, l'importance de l'augmentation du DC et les phénomènes de "balance circulatoire" entre les différents organes expliquent l'élévation modérée de la PA moyenne. La PA systolique augmente linéairement avec l'intensité de l'effort et la PA diastolique varie peu. On observe donc un élargissement de la différentielle (PA systolique - PA diastolique) à l'exercice.
Il est difficile de proposer des chiffres maximaux acceptables de PA systolique, car plusieurs facteurs interviennent, tels le protocole d'effort, l'âge, le sexe, la puissance développée. La Société Francaise de Cardiologie (1997) propose la limite de 260 mm Hg. Sinon formule de Rost : PA max = 147 + 0,334 (puissance en watts) + 0,31 Age. La PA diastolique, elle, ne doit pas normalement augmenter de plus de 10 mm Hg. On connaït cependant la difficulté de sa mesure surtout lors des exercices très intenses.
Adaptations lors de la phase de récupération
La récupération post-exercice n'est pas hémodynamiquement stable, d'où l'intérêt d'une récupération active (sédentaires et porteurs de pathologie cardiaque). La FC diminue selon une courbe exponentielle, dès l'arrêt de l'effort par restauration immédiate du frein vagal puis par levée retardée de l'action du sympathique et des catécholamines. Le DC retrouve plus lentement son niveau basal, car le VES qui baisse à l'arrêt de l'exercice remonte un peu secondairement et dépasse les valeurs de fin d'effort (retour veineux important et action des catécholamines). Les RP retrouvent lentement leur niveau initial. Après une chute immédiate et brève, la PA remonte pour s'abaisser ensuite progressivement.Les chiffres tensionnels doivent retrouver leurs valeurs de repos en moins de 6 minutes. En fait, ils restent souvent inférieurs aux valeurs observées avant l'effort pendant les 3-4 heures post-exercice.
Adaptations cardiovasculaires aiguës chez le sportif
L'entraïnement physique améliore les adaptations cardio-vasculaires à l'exercice. Des effets bénéfiques sont observés dès qu'une activité physique régulière est réalisée, à raison de 3 séances hebdomadaires de 30-45 minutes avec une intensité d'effort comprise entre 60-80 % de la VO2 max. L'activité sympathique basale est diminuée et la sensibilité des récepteurs adrénergiques cardiaques est vasculaires et accrue.Ainsi au niveau cardiaque, le remplissage diastolique et la vidange systolique sont améliorés, ce qui se traduit par une bradycardie et un VES augmenté au repos.
Après un entraïnement suffisamment intense, en particulier de type aérobie, la VO2 max augmente en moyenne de 20-30 %, mais il existe des variations individuelles liées pour une grande part au capital génétique. Cette amélioration est liée à des adaptations cardiovasculaires et musculaires. Au niveau cardiaque, une hypertrophie-dilatation harmonieuse des 4 cavités est observée en échographie. Il s'y associe 1 hypervascularisation musculaire anatomique et fonctionnelle.
Lors d'un exercice dynamique, la pente d'accroissement de la relation FC - intensité de l'exercice est plus faible chez le sportif. La FC maximale est généralement non modifiée. Le sédentaire accroït son DC essentiellement en augmentant sa FC, alors que l'athlète majore d'abord son VES, épargnant sa FC pour les niveaux d'effort les plus élevés. Ceci est dû aux modifications anatomiques du VG, à l'efficacité accrue de la pompe musculaire squelettique (hypertrophie et hypertonie musculaire), à l'augmentation du volume sanguin (+ 20 -25 %), et à la meilleure conductance vasculaire. Le DC maximal est plus élevé chez le sportif, il peut atteindre 25-30 l/min. En récupération, le retour à la FC de repos est plus rapide chez le sujet entraïné. Les pentes d'élévation tensionnelle varient peu avec l'entraïnement mais la différentielle augmente plus vite chez les sportifs.
Variations du schéma général des adaptations cardiovasculaires
Les caractéristiques de l'exercice
Exercice statique (isométrique), qui met en jeu des masses musculaires moins importantes que les exercices dynamiques. Contraction musculaire constante sans modification de longueur du muscle contre une résistance fixe avec ventilation souvent restreinte (+/- manoeuvre de Valsalva). Ils sont rares dans la vie courante, les exercices de musculation sont mixtes, dynamique et statique. Les adaptations cardiovasculaires dépendent de la masse musculaire sollicitée, du % de la force maximale volontaire (FMV) et du temps de maintien de la contraction (augmentation tensionnelle proportionnelle à la force relative développée et à sa durée). Si le pourcentage de FMV est faible (< 20-40 %) et si l'exercice est bref, la FC s'élève modérément et le VES ne varie pas, le DC et la PA augmentent donc peu. Si l'exercice est plus intense et prolongé (> 1-2 minutes), du fait de l'élévation majeure des RP, les deux composantes de la PA augmentent beaucoup sans élargissement de la différentielle. Cette charge tensionelle est accrue en cas de manoeuvre de Valsalva associée. La FC augmente également, sans élévation du VES. Dans la circulation pulmonaire, les pressions s'élèvent proportionnellement plus que lors d'un exercice dynamique. Ce type d'exercice risque donc d'être mal toléré par les "cardiaques". On parle classiquement d'exercice avec surcharge barométrique en opposition à la surcharge volumétrique de l'exercice dynamique. Lors d'un exercice mixte, statique, dynamique, le stress tensionnel est atténué.
Exercice réalisé avec les membres supérieurs  : Lors d'un exercice avec les bras, les composantes nerveuse et catécholergique jouent un rôle majeur alors que l'influence de la "pompe" musculaire est faible. A intensité d'exercice sous-maximale égale, la FC est plus basse et les PA systolique et diastolique sont plus élevées lorsque l'exercice est réalisé avec les bras que lorsqu'il est effectué avec les jambes.
Pour un exercice dynamique d'intensité maximale, les valeurs de VO2, FC et DC sont d'autant plus élevées que la masse musculaire sollicitée est importante (tapis roulant > ergocycle > ergomètre à bras). Les valeurs maximales de PA varient peu.
Lorsque l'exercice est réalisé en position couchée (aviron, natation), le volume sanguin séquestré dans les MI est plus faible qu'en position assise ou debout. Le VTD est plus élevé, les RP sont plus faibles, le VES est plus important et la FC plus basse.
Les adaptations varient selon la durée de l'exercice. Le rendement mécanique de l'exercice musculaire est médiocre et plus de 75 % de l'énergie produite par la contraction musculaire est dissipée en chaleur. Lors d'un exercice d'intensité sous-maximale constante, après une adaptation progressive liée à l'inertie du système aérobie (3-4 min) un état d'équilibre s'installe. Si l'effort se prolonge (> 45-90 min), l'élimination de la chaleur devient un problème majeur. La déshydratation et la redistribution du volume sanguin dans les plexus veineux sous-cutanés entraïnent une baisse du volume plasmatique efficace. Celle-ci, associée à la relative fatigue myocardique et à la baisse de l'"efficacité" du geste, expliquent le phénomène de "dérive cardiovasculaire" avec élévation progressive de la FC qui compense la baisse du VES et maintient le DC constant. La PA moyenne se stabilise à un niveau inférieur au niveau de début d'effort.
Les caractéristiques individuelles
L'âge : La sensibilité des récepteurs adrénergiques, la compliance ventriculaire et surtout celle des gros vaisseaux diminuent avec l'âge. A l'effort, chez le sujet âgé, la pente d'accroissement de la relation DC-intensité de l'exercice s'aplatit.
Les valeurs maximales de la FC, du VES, donc du DC sont diminuées, ce qui explique la diminution de la VO2 max avec l'âge. Après 45-50 ans, les pressions dans la circulation pulmonaire augmentent beaucoup plus à l'exercice que chez le sujet jeune. La PA aussi, surtout systolique, augmente plus et plus vite.
Le sexe : pour un exercice sous-maximal, à intensité égale, la PA est plus basse et la FC plus élevée chez la femme que chez l'homme. Ces différences semblent dues aux réponses différentes des systèmes sympathique et catécholergique dans les deux sexes.
Les caractéristiques environnementales
En ambiance chaude, l'hypoperfusion splanchnique et la déshydratation augmentent. Si l'humidité ambiante est importante, l'évaporation de la sueur, donc l'élimination de la chaleur, sont limitées et ces modifications sont majorées. La FC est plus élevée pour compenser la baisse du volume plasmatique. Une déshydratation, même modeste, diminue la performance en particulier myocardique. Dans des cas extrêmes ou en cas de susceptibilité individuelle particulière, les phénomènes d'adaptation peuvent être dépassés et un collapsus circulatoire peut survenir. En ambiance froide, pour une intensité d'effort donnée, la FC est plus basse et le VES plus élevé qu'en ambiance neutre.
En altitude, FC et DC augmentent plus vite à l'effort. Les RP diminuent moins et la PA s'élève plus. Si les valeurs maximales de ces paramètres sont les mêmes qu'en plaine, la puissance maximale de l'exercice et la VO2 max sont diminuées. En très haute altitude (> 3 500 m), la FC maximale peut être diminuée. Après acclimatation, pour des exercices d'intensité sous-maximales, ces différences s'amenuisent, mais le DC maximal reste diminué à cause d'une baisse du volume plasmatique.

Utilisation du cardiofréquencemètre
La fréquence cardiaque : reflet fidèle de la consommation d'oxygène à l'effort (VO2 = DC X DavO2 (différence artério-veineuse en O2) et DC = FC X VES (vol d'éjection systolique). La VO2 augmente proportionnellement à l'effort, jusqu'à un seuil = VO2 max.Pour les efforts d'intensité faible : < 40 % de VO2 max la croissance de la VO2 s'effectue surtout par augmentation du VES, et de la DavO2 ; l'accélération de la FC restant modeste.Entre 50 à 100 % de VO2 max, l'augmentation de la VO2 dépend de l'accélération de la FC, alors que VES et DavO2 plafonnent. Pour ces intensités d'effort (correspondant à la dépense énergétique de toutes les allures de la course : des séances d'échauffement aux séries en fractionné), la FC se retrouve ainsi être le fidèle reflet de la consommation d'oxygène.
Mécanismes régulateurs de la fréquence cardiaque à l'effort
Jusqu'à 60 % de VO2 max, l'accélération de FC est liée à la levée du frein vagal (Tout entraïnement à faible intensité va stimuler le tonus vagal).
Au-delà de 60 % de VO2 max, l'accélération de FC est liée à l'activité sympathique (Tout entraïnement à forte intensité conserve un tonus sympathique et éviter de trop "brider" le coeur).
La relation entre les pourcentages de VO2 max et de FC max est moins directe, mais s'établit à 8-10 % près en faveur de la FC (un effort à 80 % de VO2 max sera réalisé à 88 ±1 % de la FC max).
Quoiqu'il en soit, la réserve cardiaque d'un sportif se trouve être le principal déterminant de sa VO2 max. Les athlètes de haut niveau arrivent ainsi à quadrupler leurs valeurs de FC de repos à leur VO2 max (celle-ci passant par exemple de 50/min au repos à 200/min au niveau de la VO2 max).
La participation des 2 autres déterminants de VO2 (VES et DavO2) est moindre ; avec un coefficient multiplicateur de deux à chacun.
 
Le rendement énergétique du sport d'endurance correspond au rapport entre le travail réalisé et l'énergie dépensée pour le réaliser, qui peut se traduire par : vitesse/VO2 et, donc vitesse/FC. Le but de l'entraïnement est d'améliorer ce rendement (vitesse supérieure pour un même niveau de FC). Tout état de fatigue, ou dégradation des conditions environnementales (chaleur et/ou humidité excessives) vont entraïner un moindre rendement.Cette relation n'est validée que dans les conditions d'état stable, donc en aérobie après 3 à 13 minutes selon l'intensité de l'effort. Le retour à la fréquence cardiaque initiale en phase de récupération s'effectue suivant une décroissance mono-exponentielle. On parle d'une bonne capacité de récupération si la FC baisse de 15 % à la fin de la première minute, et de 30 % à la troisième minute par rapport à la FC de fin d'effort. Toute diminution de la pente de décroissance de la FC peut témoigner d'un état de fatigue ou de surentraînement.
Les limites d'utilisation de l'indice fréquence cardiaque : dérive cardiaque lors d'un effort prolongé à intensité constante (augmentation lente et immuable de FC qui peut dépasser 10 à 15 /minute, après une période de stabilité initiale qui peut durer 20 à50 minutes). Cette dérive est d'autant plus grande : que l'effort est intense ; que les conditions climatiques sont défavorables (degré d'humidité + température sèche). Elle est réduite par 1 entraïnement spécifique (conditions climatiques de la course prévue et sur le même type de terrain ; soit lors de séances réalisées à l'allure au train).
Cardio-fréquencemètre : de la théorie à la pratique
Les repères essentiels à définir sont : la fréquence cardiaque maximale (FC max) et les fréquences cardiaques dites "aux seuils", qui ne peuvent être déterminés spécifiquement qu'après un test d'effort avec lactates. Il faut déconseiller l'évaluation de la formule d'Astrand (220 - l'âge). FC max = FC correspondant à VO2 max. Les tests de terrain : Le CAT test est le plus simple. Course de 2 000 à 3 000 mètres en accélérant progressivement de manière à terminer sur les 200 derniers m à la vitesse maximum ; la valeur de FC obtenue à l'arrivée = FC max.Le test de Conconi est une course sur piste de 400 m avec accélération progressive et régulière réglée par un moniteur et arrêt à l'épuisement.Le test de Léger et Boucher : sur piste aussi, vitesse augmentée de 1 km/h toutes les 2 minutes. La vitesse est imposée par des bips sonores ; un système de bornes placées tous les cinquante mètres permettant au sujet de mieux ajuster sa foulée sur la vitesse demandée. Le dernier palier complété donne la FC max.Ces tests sont plus pratiques à réaliser et moins onéreux que les tests de laboratoire ; ils sont plus sensibles à la motivation du sujet avec le risque de sous-évaluation. Ils dépendent des conditions climatiques le jour du test d'où une reproductibilité plus délicate.
Détermination des valeurs de fréquence cardiaque "aux seuils" : le seuil d'apparition des lactates (seuil "aérobie") et le seuil d'accumulation des lactates (seuil "anaérobie") similaire au seuil d'adaptation ventilatoire (anaérobie ventilatoire) et le seuil d'inadaptation ventilatoire (de décompensation de l'acidose respiratoire).
- au début, l'apport en oxygène suffit à assumer les besoins énergétiques ; il en résulte une élimination de CO2 (par la ventilation) parallèle à la consommation d'oxygène ;
- à partir d'une intensité d'environ 60 à 70 % de VO2 max, l'apport en oxygène ne suffit plus ; avec production de lactates et augmentation des ions H+, tamponnés par les bicarbonates avec production de CO2 ; et stimulation accrue de la ventilation (premier seuil ventilatoire) ; d'autres stimuli interviennent comme les catécholamines, l'ammonium, le potassium ; la cassure de la courbe de ventilation paraît donc multifactorielle et non exclusivement lié à la cinétique des lactates ;- à partir d'une certaine intensité, le pouvoir de l'organisme à tamponner l'acide lactique est dépassé ; avec accumulation des lactates et acidose métabolique (deuxième seuil lactique) avec une deuxième augmentation du débit ventilatoire (deuxième seuil ventilatoire) ;- la poursuite d'une activité intense au-delà de ce deuxième seuil, sera limitée en durée par l'accumulation des lactates, l'acidose et la tétanisation musculaire entraïnée par cette situation métabolique.
La détermination "statistique" des deux seuils.
Exprimés en % de FC max, mais considérable influence du niveau d'entraïnement sur ce % ; avec seuil à 4mmole entre 87 % et 118 % de la valeur de FC statistiquement retenue. Le premier seuil est proposé entre 75 % (pour les novices) et 85 - 90 % pour les entraïnés ; le second seuil entre 85 % et 95 % (voire parfois 98 à 100 % !) en retenant les mêmes précautions.
Six paramètres sont exploitables qui sont la Vam (ou la Pam) et la FC max , au premier seuil, et au second seuil.
L'exploitation pratique de ces critères varie selon les écoles.Certains privilégient l'indice vitesse. mais dépend du protocole utilisé et ne tient pas compte des conditions externes (climatique) ou des perturbations temporaires de la condition physique le jour du test. D'autres privilégient l'indice fréquence cardiaque avec excellente stabilité des valeurs de FC aux seuils, permet de dépister très tôt un surentraïnement (valeur de la FC en récupération, augmentation de la FC au repos) ou un sous-entraïnement (par la baisse du rapport vitesse/FC ou une stagnation de celui-ci au fil du temps).
Ainsi on distingue 4 "zones de travail".
La zone "d'endurance fondamentale" : travail foncier à 5 battements/min en dessous du premier seuil.
La zone "d'endurance active" : travail à 5 battements/min au-dessus du premier seuil, séance continue sur une distance égale au tiers de celle de la compétition préparée.
La zone du deuxième seuil "séance au seuil anaérobie" ou "en résistance dure"Le travail peut être soit intermittent (avec priorité à l'indice vitesse) ; soit continu (sur 30 minutes environ) à une FC légèrement supérieure au second seuil.
 La zone correspondant à la VO2 maxLe travail sera réalisé en "fractionné court" (de type 30/30 essentiellement)


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