Déterminer le VO2max par extrapolation à partir de la fréquence cardiaque (ExAO)

Ce document a été conçu, courant 2011, par un groupe de formateurs en ExAO de l’académie de Versailles à destination des collègues qui recherchent des pratiques pédagogiques pour construire la notion du avec leurs élèves de 2nde dans le cadre du nouveau programme.
Par souci de rigueur nous mettrons un « . » sur le V lorsque nous voudrons parler d’un volume de dioxygène consommé par un minute , c’est à dire un débit de dioxygène consommé,(exprimé en L/min) ce qui est entre autre le cas pour la notion de , afin de ne pas le confondre avec le volume de dioxygène consommé (VO2 sans le point sur le V, exprimé lui en L) que l’on trouve proposé dans la plupart des solutions ExAO.

Nous présentons ici l’intégralité de la réflexion du groupe sur les problématiques liées aux modalités de l’expérimentation, aux choix pédagogiques et aux différents fournisseurs de matériel. Nous espérons que ce document, conçu dans un souci d’exhaustivité et issu d’un travail collaboratif, permettra de faciliter la mise en œuvre d’une expérimentation pour déterminer ce .

Vos remarques et questions éventuelles sont les bienvenues et seront prises en compte avec attention pour améliorer ce document.

Le groupe ExAO :
Emilie Kuntschmann,
Fabienne Basset,
Jean Francois Bernaud,
Lucia Jakubik,
Martial Bondel,
Dalila Ouar,
Sandie Benichou,
Didier Areias,
Thierry Coince


1 - Présentation

2 - Acquisition des valeurs

3 - Exploitation des données


1 - Présentation

I – Compétences travaillées durant la séance en référence aux programmes officiels

I.1 - Extraits du programme de seconde 2010 (page 12)

ConnaissancesCapacités et attitudes
Des modifications physiologiques à l’effort
Au cours d’un exercice long et/ou peu intense, l’énergie
est fournie par la respiration, qui utilise le dioxygène et
les nutriments.
L’effort physique augmente la consommation de
dioxygène
 :
- plus l’effort est intense, plus la consommation de
dioxygène augmente ;
- il y a une limite à la consommation de dioxygène.
La consommation de nutriments dépend aussi de l’effort
fourni. L’exercice physique est un des facteurs qui
aident à lutter contre l’obésité.
Objectifs et mots clés. VO2, VO2max.
(Collège. Nutriments et dioxygène libèrent de l’énergie
utilisable pour le fonctionnement des organes.
Réactions de l’organisme à l’effort).
[Limites. Aucune étude n’est conduite à l’échelle
cellulaire.]
Convergences. Mathématiques : fonctions, tableur.
Concevoir et/ou mettre en œuvre un protocole
expérimental (ExAO, spirométrie, brassard, ...)

pour mettre en évidence un ou plusieurs aspects du
métabolisme énergétique à l’effort (consommation de
dioxygène, production de chaleur,…).
Exploiter des données quantitatives (éventuellement à
l’aide d’un tableur)
concernant les modifications de la
consommation de dioxygène et/ou de nutriments à
l’effort.

I.2 – Extraits du brevet informatique et internet (B2i) niveau lycée

  • Etre autonome dans l’usage des outils et des services (domaine 1)
  • Faire preuve d’esprit critique face à l’information et à son traitement (domaine 2)
  • Concevoir des documents numériques en choisissant le logiciel, le service ou le matériel adapté (domaine 3)

II – Intérêts de l’activité

Nos élèves sont fréquemment amenés à déterminer leur propre à partir d’abaques ou de tests standardisés réalisés en EPS ou dans le cadre de clubs sportifs. L’intérêt de la démarche basée sur l’ExAO est de rendre explicite le mode de calcul du même si en classe, il fait appel à une extrapolation puisqu’un effort de puissance maximale ne peut bien sûr être mené qu’en environnement médical.

L’activité proposée permet de développer des compétences dont celles des ECE et du B2i :

  • des capacités techniques liées à l’expérimentation : mise en œuvre d’un protocole et utilisation de logiciels.
  • des capacités de communication liées à l’utilisation d’un tableur pour présenter ses résultats sous forme graphique et l’utilisation d’un logiciel de traitement de texte pour produire un compte rendu composite, à la fois textuel et graphique.
  • des attitudes liées à la critique des résultats expérimentaux obtenus :
    • comparaison avec les résultats obtenus en EPS,
    • crédit à accorder aux résultats obtenus en classe (sans prétention médicale),
    • pertinence de la comparaison des entre élèves (elle ne dépend pas que des performances physiques).

III – Principe et perspectives méthodologiques

Le est le débit de dioxygène consommé par l’organisme lorsque la puissance de l’effort est maximale. Le débit étant de genre masculin nous utiliserons l’article défini masculin le pour actualiser l’acronyme .

Le ne peut être mesuré que dans un environnement médical. Nous déterminerons cette valeur par extrapolation à partir de la fréquence cardiaque (FC). On considère que le est atteint lorsque la FC est maximale et est égale à 220 batt./min, moins l’âge.

Pour déterminer ce , deux options s’offrent à nous

- Laisser les logiciels ExAO calculer cette valeur de par extrapolation à partir des valeurs mesurées en ExAO.

Cette solution permet de gagner du temps.

Les élèves s’approprieront beaucoup moins bien la procédure (pas toujours transparente) suivie par le logiciel pour faire le calcul du .

- Faire calculer à nos élèves cette valeur de par extrapolation sur un tableur/grapheur à partir des valeurs mesurées.

Cette solution permet de faire travailler l’élève sur les compétences du tableur/grapheur.

Cette solution nécessite plus de temps et l’utilisation de 2 outils (ExAO et tableur/grapheur)

Dans le travail que nous vous proposons ci dessous, nous avons opté pour la deuxième option.|

Remarque importante sur la sécurité  : Cette activité est réalisable par la majorité de nos élèves car ils ne doivent pas réaliser un effort à sa puissance maximale. Néanmoins, il convient de s’assurer que la réalisation d’un exercice physique ne soit pas une contre-indication médicale pour certains élèves.
Pré-requis : On considère que l’obtention et l’exploitation d’un ECG et d’une courbe de consommation de dioxygène en fonction du temps sont des compétences acquises au cours d’une séance précédente.



Pour l’obtention des valeurs de FC, trois possibilités sont envisageables
, selon le matériel que nous avons à disposition :
- soit réaliser les mesures de la FC sur le poste ExAO.
- soit réaliser les mesures de la FC à l’aide d’un cardiofréquencemètre du commerce.
- soit réaliser les mesures de la FC en prenant tout simplement le pouls juste après l’effort. Cette solution reste la moins fiable, la prise du pouls par les élèves étant quelque peu aléatoire.

Nous ne présenterons ici que des acquisitions de mesures obtenues par ExAO

L’obtention de valeurs du , quant à elle, nécessite obligatoirement de passer par l’ExAO.

IV –Planification de la séance.

Le TP s’articule en 3 activités :
- L’activité 1 consiste à mettre en œuvre un protocole expérimental pour obtenir quatre couples de mesure (FC et ) correspondant à des activités d’intensité croissante. Temps approximatif constaté en classe : 40 minutes (il faut environ 15 minutes pour l’acquisition des mesures par un élève).

- L’activité 2 consiste à construire le graphique = f(FC) à l’aide d’un grapheur.
Temps approximatif constaté en classe :

  • 5 minutes si la capacité l’on veut travailler au cours de cette séance, se limite à la construction de la courbe de tendance.
    On utilisera alors un fichier tableur déjà prêt (construction graphique faite mais vierge) qu’il faudra juste compléter.
  • 20 minutes si l’on veut faire entièrement réaliser la construction graphique par l’élève.

- L’activité 3 consiste à construire une courbe de tendance linéaire pour extrapoler les mesures obtenues jusqu’aux valeurs maximales que l’on pourra alors lire graphiquement et/ou calculer à l’aide de l’équation de la courbe de tendance.

Puis à rédiger le compte rendu. Temps approximatif constaté en classe : 30 minutes.

L’utilisation de l’ExAO se limite donc à la mise en œuvre de l’activité 1, et elle dépend de votre matériel.


2 - Acquisition des valeurs

2-1 Avec Jeulin

Les diverses possibilités avec Jeulin
Les dédiés
Le généraliste

2.2 Avec Eurosmart

2.3 Avec Sordalab (à venir)


2-1 Les diverses possibilités avec Jeulin

Les Applications ExAO Jeulin utilisables dans les lycées ont bien évoluées depuis 20 ans s’adaptant entre autre à l’évolution de l’outil informatique et proposant des améliorations sensibles quant aux traitements0 des données.
Depuis déjà 4 ans Jeulin propose un « l’atelier scientifique SVT » qui au lancement permet de choisir entre un généraliste ou les dédiés remis à jour voir enrichis. Bien sûr l’utilisation des anciens dédiés type « Cardio », « Spirom » « RéaCell » et autres est possible, car ils sont encore fonctionnels (pour combien de temps vu les contraintes techniques informatiques en perpétuelle évolution) mais bien dépassés…

Nous ne présenterons donc ici qu’une utilisation à travers « l’atelier scientifique SVT » valable pour toutes ses versions (2.11, 2.2, 2.3, 3 et 4)

- Légendes

Module généraliste de l’Atelier scientifique SVT Modules dédiés de l’Atelier scientifique SVT
Pictogramme
du logiciel
dans l’Atelier scientifique SVT
Nom du logiciel ou du module Généraliste pour les SVT
Sauf ancienne interface ESAO4 PCI (nappe donc USB)
Les échanges gazeux respiratoires chez l’homme L’activité cardiaque
chez l’homme
L’activité physique et l’adaptation à l’effort.
(version 4 uniquement)

Plusieurs solutions s’offrent à nous pour obtenir les valeurs de FC et  :

- Soit en utilisant les dédiés

Attention, il est impossible de lancer deux dédiés en même temps, il faut donc :

  • soit réaliser la mesure simultanée en utilisant 2 postes ExAO, un pour la mesure de FC l’autre pour la mesure du
    (solution 1).

Cette solution permet de gagner du temps dans l’acquisition des mesures et d’obtenir des mesures plus fiables. Cette solution est adaptée aux utilisateurs de la version 3 ou antérieure de l’Atelier scientifique.

Cette solution nécessite l’utilisation de 2 postes ExAO à proximité. Elle nécessitera un travail en groupe de 4 élèves dans la plupart des configurations de classe pour l’acquisition des données.

  • soit réaliser successivement la mesure la FC puis la mesure du sur le même poste ExAO (solution 2).

Cette solution permet à chaque binôme de travailler en autonomie.
Cette solution présente l’inconvénient de faire à chaque activité deux efforts censés être identiques : l’un pour mesurer la FC puis l’autre pour mesurer le .

Remarque  : On peut aussi palier cette contrainte des dédiés, en réalisant la mesure simultanée de la FC à l’aide d’un cardiofréquencemètre du commerce et la mesure du à l’aide d’une ExAO. (solution 3).

Cette solution présente aussi l’avantage de gagner du temps lors de la prise des mesures.

Cette solution impose l’utilisation de 2 outils différents dont un non ExAO.

- Soit en utilisant le généraliste.

Nous n’obtenons pas directement le mais nous pouvons réaliser la mesure simultanée de la FC, du volume ventilé et du taux de O2 expiré et obtenir par un calcul tout simple la valeur du à partir des mesures de volume ventilé et de taux de O2 expiré (solution 4).

Cette solution présente l’avantage de gagner du temps lors de la prise des mesures.

Cette solution permet à chaque binôme de travailler en autonomie et de développer une réflexion autour de la formule permettant de calculer le débit.

Cette solution ne peut être envisagée avec les anciennes interfaces ESAO 4 ayant besoin d’une carte PCI (avec une nappe) (La reconnaissance directe du capteur « Chronowin »ne fut possible qu’à partir de la mise en place des connexions USB)

Cette solution nécessite la réalisation d’un calcul hors ExAO pour obtenir la valeur du … Ce qui pédagogiquement est plus intéressant.

Remarque  :
Si on possède la version 4.0 de l’Atelier scientifique, on peut utiliser le logiciel dédié « L’activité physique et l’adaptation à l’effort »
qui permet d’obtenir simultanément la FC et le au cours d’un effort puis de représenter graphiquement les données (solution 5).

De plus, le calcul direct de la valeur du est proposé ;

Cette solution permet de gagner du temps en obtenant les résultats en une seule phase d’acquisition

L’élève ne met plus en œuvre le raisonnement permettant de calculer le s’il le fait calculer par le logiciel.

Cette version 4.0 est téléchargeable gratuitement sur le site JEULIN. Elle est activable seulement avec la « clé produit » de la version 3.0.

Choisir l’un des deux protocoles expérimentaux proposés ci-après correspondent à :

L’utilisation des Dédiés

(solutions 1 et 2)

L’utilisation du Généraliste.

(solution 4)

Avec les dédiés

Rappel  :

Les Applications ExAO Jeulin utilisables dans les lycées ont bien évoluées depuis 20 ans s’adaptant entre autre à l’évolution de l’outil informatique et proposant des améliorations sensibles quant aux traitements des données.
Depuis déjà 4 ans Jeulin propose un « l’atelier scientifique SVT » qui au lancement permet de choisir entre un généraliste ou les dédiés remis à jour voir enrichis. Bien sûr l’utilisation des anciens dédiés type « Cardio », « Spirom » « RéaCell » et autres est possible, car ils sont encore fonctionnels (pour combien de temps vu les contraintes techniques informatiques en perpétuelle évolution ?) mais bien dépassés…

Nous ne présenterons donc ici qu’une utilisation des dédiés à travers « l’atelier scientifique SVT » valable pour toutes ses versions (2.11, 2.2, 2.3, 3 et 4)

- Légendes

Module généraliste de l’Atelier scientifique SVT Modules dédiés de l’Atelier scientifique SVT
Pictogramme
du logiciel
dans l’Atelier scientifique SVT
Nom du logiciel ou du module Généraliste pour les SVT
Sauf ancienne interface ESAO4 PCI (nappe donc USB)
Les échanges gazeux respiratoires chez l’homme L’activité cardiaque
chez l’homme
L’activité physique et l’adaptation à l’effort.
(version 4 uniquement)
  • Activité 1 – Mise œuvre du protocole

La période de mesure peut être effectuée soit :
- pendant la fin (voir plus loin pourquoi) de la période d’activité,
- après la période d’activité.

Après avoir testé de nombreux protocoles, nous conseillons de réaliser la période de mesure immédiatement après la période d’activité afin de contourner les difficultés liées à un enregistrement au cours de l’effort.

En effet, les ECG et les spirographes obtenus pendant l’effort peuvent être parasités par l’exercice en cours. En effet, d’une part, l’ECG est parasité par l’enregistrement des contractions musculaires et d’autre part, le spirographe est parasité par une respiration peu stabilisée lors d’un effort (les élèves font involontairement des apnées).

Néanmoins, il est préférable de respirer dans le spiromètre pendant la période d’activité pour s’habituer à la respiration dans le dispositif et d’homogénéiser l’air de l’enceinte.

Nous proposons donc un protocole avec une période de mesure qui succède immédiatement à la période d’activité.

  • Déroulement de l’expérience

Légendes :

Cette phase de respiration au repos, de quelques minutes, permet d’éviter l’épuisement. Elle ne nécessite pas le retour à des valeurs basales de la FC et du tant que les activités sont réalisées dans l’ordre d’une intensité croissante.
Les étapes 2 à 4 se poursuivent par une phase d’activité (flexions) dont on peut adapter la durée de 2 à 3 min selon le temps disponible.
Chaque étape se termine par une phase de mesure. Une durée de 30 secondes peut être choisie si on souhaite entraîner les élèves au calcul d’un débit.
- Remarque sur la durée de la phase d’effort :

Lors d’un effort, le (débit d’O2) augmente progressivement jusqu’à atteindre un plateau qui dépend de l’intensité de l’effort réalisé. Le obtenu au cours de cette phase d’augmentation n’est donc pas représentatif de l’effort fourni (voir courbe ci-après).

Pour obtenir des valeurs significatives, il convient de réaliser la période de mesure pendant la phase stationnaire du . Ainsi, nous proposons de réaliser la période de mesure après la période d’activité. La durée minimale de la période d’activité est bornée à 2 minutes car les essais réalisés montrent que le se stabilise au bout de 2 minutes. Il est bien sûr possible d’effectuer un effort plus court que 2 minutes tout en sachant que les valeurs obtenues seront alors d’autant plus approximatives.


Evolution du lors d’une période d’activité entre 2 périodes de repos


Modifié d’après http://hse.iut.u-bordeaux1.fr/lesbats/physiosite/physiowhtm/Image1.jpg

- Remarque sur la durée de la période de mesure :

La période de mesure sur 30 secondes est un choix pédagogique. En effet, il serait plus intuitif mais moins formateur de choisir une durée de mesure de 1 minute car dans ce dernier cas le volume de dioxygène consommé (VO2 sans le point sur le V, exprimé en L) correspondrait au débit de dioxygène consommé ( avec le point sur le V, exprimé en L/min). L’intérêt de fixer la durée de mesure sur 30 s est de créer une réflexion autour de la relation entre débit et volume :

En outre comme la mesure se fait après l’activité, cette période de mesure est assez courte pour ne pas prendre en compte (ou très peu) des valeurs illustrant déjà la phase de récupération.

Description des étapes expérimentales proposées
Etapes Période d’activité Période de mesure
Durée Intensité de l’activité Durée
Etape 1 1 à 2 min 30 s
Etape 2 2 à 3 min 10 flexions / min 30 s
Etape 3 2 à 3 min 15 flexions / min 30 s
Etape 4 2 à 3 min 20 flexions / min 30 s

Les essais réalisés pour ce TP ont permis de faire les observations suivantes :

- L’ECG obtenu avec l’électrode violette sur la cheville gauche (position habituelle) est équivalent à celui obtenu avec l’électrode violette à proximité du coude (voir photo ci-après). Il nous paraît plus pratique d’utiliser cette dernière disposition en classe.

- Pour éviter des interférences électriques « polluant » l’ECG, il peut s’avérer utile de laisser une voie libre entre l’adaptateur « Electrophy » et les autres adaptateurs.

- L’intensité de l’activité, fixée par le nombre de flexion à la minute, ne doit pas être ni trop faible car aucune variation des paramètres mesurés ne serait observable, ni trop forte car l’activité deviendrait proche de la puissance maximale aérobie. Ainsi, nous conseillons de rester dans l’intervalle de 10 à 20 flexions à la minute.

- Lors de l’étape 1, le fait de respirer dans le spiromètre avant la période de mesure permet de s’habituer à la respiration dans le dispositif et d’homogénéiser l’air de l’enceinte à 17 % environ. Ensuite, il est inutile d’aérer l’enceinte entre chaque enregistrement.
Les essais réalisés dans le TP « Consommation de dioxygène » montrent que l’enceinte est homogénéisée en une vingtaine de secondes.

- Nous proposons une fourchette de durées pour les exercices afin d’éviter que les élèves ne perçoivent le protocole comme une « recette magique » permettant de déterminer le . Ce temps doit être assez long pour observer une variation des paramètres physiologiques et assez court pour permettre aux élèves de terminer la séance en 1h30. C’est l’occasion d’effectuer une analyse critique des résultats : «  Un même individu, obtiendrait-il un différent avec un exercice plus long ? … moins long ?  ».

Pour obtenir les 4 couples de valeurs (FC et ), on peut procéder soit :
- à des mesures simultanées  : la mesure de FC sur un poste (activité 1a) et mesure de la sur un autre poste (activité 1b). Les activités 1a et 1b sont réalisées en même temps (solution 1).
- à des mesures successives sur le même poste. L’activité 1a et l’activité 1b sont réalisées successivement (solution 2).

Les montages

Activité 1a
Photo du dispositif ExAO de mesure de la FC
Activité 1b
Photo du dispositif ExAO de mesure du VO2
Remarque : Nous avons utilisé l’interface JEULIN Primo. On obtiendrait les mêmes résultats avec les autres interfaces USB Jeulin (ESAO4+, Visio…)
Activité 1a

Acquisition des données
- Ouvrez le module dédié « L’activité cardiaque
chez l’homme
 » dans l’Atelier scientifique pour les SVT.

- Sélectionnez uniquement le module « ECG / PCG  ».

- Placez les 3 électrodes comme sur la photo ci-dessus en respectant les codes couleurs.

- Commencez par régler l’adaptateur Electrophy. Cliquez sur réglages. Suivez les consignes indiquées. Ce réglage facilite la lecture du graphique (en général il suffit de placer le curseur du bouton sur la valeur :1.5) pour bien voir les pics du cycle cardiaque

- Réglez les paramètres de l’acquisition :
Durée totale : 20 s

- Réalisez l’effort pour les étapes 2 à 4 du protocole expérimental.

- Juste après l’effort, cliquez immédiatement sur le bouton « Démarrer  » pour lancer l’acquisition des données.

Traitement des données



- Pour calculez la FC, sélectionnez l’outil « Fréquence  »
dans l’onglet « Outils ». Positionnez les marqueurs bleus
sur 2 motifs contigus en sélectionnant les boules bleues.
Le calcul effectué par le logiciel apparaît en bas (le curseur de la souris doit se trouver sur le quadrillage).

- Lancez une nouvelle acquisition et calculez à nouveau la FC pour les étapes 2 à 4.

- Enregistrer les données afin de les réutiliser si une vérification est nécessaire. Réfléchir au nom de fichier et au dossier cible.

Activité 1b
Acquisition et traitement des données

- Ouvrez le module dédié « Les échanges gazeux respiratoires
chez l’Homme
 » dans l’Atelier scientifique pour les SVT.

- Sélectionnez uniquement le module « Mesure du métabolisme ».

- Commencez par étalonner la sonde. Cliquez sur l’onglet « Matériel  » (voir point 1 sur la copie d’écran ci-dessous). Suivez les étapes indiquées. Il est important que la valeur de la concentration en dioxygène mesurée dans l’enceinte au début de l’expérience soit inférieure ou égale à 20,9 %.

- Cliquez sur l’onglet « Mesure du métabolisme » (voir point 2 sur la copie d’écran ci-dessous).

- Réglez les paramètres de l’expérience :


    • Début de l’expérience : 00:00
    • Durée de l’expérience : 00:30
    • Durée totale de l’expérience : 0,5 min



- Sélectionnez le mode de représentation des résultats « tableau » (voir point 2 sur la copie d’écran ci-dessous). La lecture de la valeur du VO2 consommé au bout de 30 secondes est plus aisée dans un tableau que dans un graphique.

- Réalisez l’effort pour les étapes 2 à 4 du protocole expérimental.

- Juste après l’effort, cliquez immédiatement sur le bouton « Démarrer » pour lancer l’acquisition des données.
N’oubliez pas de vous boucher le nez !

- Cliquer sur « ok » directement sans attendre le délai de 1 minute (explication ci-dessus)

- Lancez une nouvelle acquisition pour les étapes 2 à 4.

Enregistrement des données

- Enregistrer les données afin de les réutiliser si une vérification est nécessaire. Réfléchir au nom de fichier et au dossier cible.

Extrait du logiciel dédié « Les échanges gazeux respiratoires chez l’Homme »

Résultats expérimentaux :
Copie d’écran du tableau des résultats de mesure de la consommation de dioxygène cumulée sur 30 secondes (voir point 3 sur la copie d’écran ci-dessus) :

1ère colonne : Temps
2ème colonne : VO2 au repos
3ème colonne : VO2 à l’effort (6 flexions / min)
4ème colonne : VO2 à l’effort (12 flexions / min)
5ème colonne : VO2 à l’effort (24 flexions / min)

Description des étapes expérimentales proposées Exploitation des résultats
Etapes Période d’activité Période de mesure
Durée Intensité de l’activité Durée FC (cycles/min) (L/min)
Etape 1 30 s 76,6 0,216
Etape 2 2 à 5 min 10 flexions / min 30 s 80,2 0,276
Etape 3 2 à 5 min 15 flexions / min 30 s 100,7 0,368
Etape 4 2 à 5 min 20 flexions / min 30 s 120,6 0,440

Copies d’écran des ECG réalisés à chaque étape du protocole expérimental :

- repos

- 10 flexions

- 15 flexions

- 20 flexions

Avec le généraliste

Rappel :

Cette solution ne peut être envisagée que si vous travaillez avec des interfaces ayant une connexion USB
Donc toutes sauf les anciennes ESAO4 PCI (où une carte PCI doit être installée au préalable dans l’ordinateur)

En utilisant le généraliste
Nous n’obtenons pas directement le , mais nous pouvons réaliser la mesure simultanée de la FC, du volume ventilé et du taux de O2. expiré et obtenir par un calcul tout simple la valeur du à partir des mesures de volume ventilé et de taux de O2 expiré.

Cette solution présente l’avantage de gagner du temps lors de la prise des mesures.

Cette solution permet à chaque binôme de travailler en autonomie et de développer une réflexion autour de la formule permettant de calculer le débit.

Cette solution nécessite la réalisation d’un calcul hors ExAO pour obtenir la valeur du …ce qui pédagogiquement est plus intéressant.

  • Activité 1 – Mise œuvre du protocole

La période de mesure peut être effectuée soit :
- pendant la fin (voir plus loin pourquoi) de la période d’activité,
- après la période d’activité.

Après avoir testé de nombreux protocoles, nous conseillons de réaliser la période de mesure immédiatement après la période d’activité afin de contourner les difficultés liées à un enregistrement au cours de l’effort.

En effet, les ECG et les spirographes obtenus pendant l’effort peuvent être parasités par l’exercice en cours. En effet, d’une part, l’ECG est parasité par l’enregistrement des contractions musculaires et d’autre part, le spirographe est parasité par une respiration peu stabilisée lors d’un effort (les élèves font involontairement des apnées).

Néanmoins, il est préférable de respirer dans le spiromètre pendant la période d’activité pour s’habituer à la respiration dans le dispositif et d’homogénéiser l’air de l’enceinte.

Nous proposons donc un protocole avec une période de mesure qui succède immédiatement à la période d’activité.

  • Déroulement de l’expérience

Légendes :

Cette phase de respiration au repos, de quelques minutes, permet d’éviter l’épuisement. Elle ne nécessite pas le retour à des valeurs basales de la FC et du tant que les activités sont réalisées dans l’ordre d’une intensité croissante.
Les étapes 2 à 4 se poursuivent par une phase d’activité (flexions) dont on peut adapter la durée de 2 à 3 min selon le temps disponible.
Chaque étape se termine par une phase de mesure. Une durée de 30 secondes peut être choisie si on souhaite entraîner les élèves au calcul d’un débit.
- Remarque sur la durée de la phase d’effort :

Lors d’un effort, le (débit d’O2) augmente progressivement jusqu’à atteindre un plateau qui dépend de l’intensité de l’effort réalisé. Le obtenu au cours de cette phase d’augmentation n’est donc pas représentatif de l’effort fourni (voir courbe ci-après).

Pour obtenir des valeurs significatives, il convient de réaliser la période de mesure pendant la phase stationnaire du . Ainsi, nous proposons de réaliser la période de mesure après la période d’activité. La durée minimale de la période d’activité est bornée à 2 minutes car les essais réalisés montrent que le se stabilise au bout de 2 minutes. Il est bien sûr possible d’effectuer un effort plus court que 2 minutes tout en sachant que les valeurs obtenues seront alors d’autant plus approximatives.


Evolution du lors d’une période d’activité entre 2 périodes de repos


Modifié d’après http://hse.iut.u-bordeaux1.fr/lesbats/physiosite/physiowhtm/Image1.jpg

- Remarque sur la durée de la période de mesure :

La période de mesure sur 30 secondes est un choix pédagogique. En effet, il serait plus intuitif mais moins formateur de choisir une durée de mesure de 1 minute car dans ce dernier cas le volume de dioxygène consommé (VO2 sans le point sur le V, exprimé en L) correspondrait au débit de dioxygène consommé ( avec le point sur le V, exprimé en L/min). L’intérêt de fixer la durée de mesure sur 30 s est de créer une réflexion autour de la relation entre débit et volume :

En outre comme la mesure se fait après l’activité, cette période de mesure est assez courte pour ne pas prendre en compte (ou très peu) des valeurs illustrant déjà la phase de récupération.

Description des étapes expérimentales proposées
Etapes Période d’activité Période de mesure
Durée Intensité de l’activité Durée
Etape 1 1 à 2 min 30 s
Etape 2 2 à 3 min 10 flexions / min 30 s
Etape 3 2 à 3 min 15 flexions / min 30 s
Etape 4 2 à 3 min 20 flexions / min 30 s

Les essais réalisés pour ce TP ont permis de faire les observations suivantes :

- L’ECG obtenu avec l’électrode violette sur la cheville gauche (position habituelle) est équivalent à celui obtenu avec l’électrode violette à proximité du coude (voir photo ci-après). Il nous paraît plus pratique d’utiliser cette dernière disposition en classe.

- Pour éviter des interférences électriques « polluant » l’ECG, il peut s’avérer utile de laisser une voie libre entre l’adaptateur « Electrophy » et les autres adaptateurs.

- Avec le généraliste, on ne vous demande pas de régler le gain, mais vous pouvez optimiser l’affichage en faisant varier le bouton de l’adaptateur « Electrophy » en tournant vers la gauche (0.5) si le signal est trop fort, vers la droite (3,5) si le trop faible.

- L’intensité de l’activité, fixée par le nombre de flexion à la minute, ne doit pas être ni trop faible car aucune variation des paramètres mesurés ne serait observable, ni trop forte car l’activité deviendrait proche de la puissance maximale aérobie. Ainsi, nous conseillons de rester dans l’intervalle de 10 à 20 flexions à la minute.

- Lors de l’étape 1, le fait de respirer dans le spiromètre avant la période de mesure permet de s’habituer à la respiration dans le dispositif et d’homogénéiser l’air de l’enceinte à 17 % environ. Ensuite, il est inutile d’aérer l’enceinte entre chaque enregistrement.
Les essais réalisés dans le TP « Consommation de dioxygène » montrent que l’enceinte est homogénéisée en une vingtaine de secondes.

- Nous proposons une fourchette de durées pour les exercices afin d’éviter que les élèves ne perçoivent le protocole comme une « recette magique » permettant de déterminer le V ̇O2.max Ce temps doit être assez long pour observer une variation des paramètres physiologiques et assez court pour permettre aux élèves de terminer la séance en 1h30. C’est l’occasion d’effectuer une analyse critique des résultats : «  Un même individu, obtiendrait-il un différent avec un exercice plus long ? … moins long ?  ».

Les montages

Photo du dispositif ExAO de mesure de la FC
Photo du dispositif ExAO de mesure du VO2
Remarque : Nous avons utilisé l’interface JEULIN Primo. On obtiendrait les mêmes résultats avec les autres interfaces USB Jeulin (ESAO4+, Visio…)

Acquisition des données.

Sur l’interface sont connectés les adaptateurs « Electrophy », « Chronowin » et « Oxymètre »

- Ouvrir le logiciel généraliste de l’Atelier scientifique pour les SVT (fonctionnel sur toutes les versions).

- Placer les capteurs « Electophy » (filtré), « Volumètre » (et non débitmètre), « Oxymètre » sur l’axe des ordonnées et l’horloge sur l’axe des abscisses.

- Paramétrer la durée de l’acquisition (un peu plus de 30 secondes (35 par exemple) et le nombre de points enregistrés sur 5001 (préférable pour FC).

- Placer les 3 électrodes comme sur la photo ci-dessus en respectant les codes couleurs.

- Lancer l’acquisition pour les conditions de repos en cliquant sur le feu .

- Après chaque mesure, lancer une nouvelle acquisition (en conservant les enregistrements précédents), Nommer les par exemple effort-10 effort-15…

- Réaliser l’effort pour les étapes 2 à 4 du protocole expérimental.

Traitement des données

  • Pour calculer la FC :

Une lecture graphique s’impose

- Sélectionner l’outil « Fréquence » dans l’onglet « Outils »

- Positionner les marqueurs bleus sur 2 motifs contigus en sélectionnant les boules bleues.

Copie d’écran d’un ECG réalisé au repos :

La valeur calculée par le logiciel apparaît en bas (il faut pour cela que le curseur de la souris soit maintenu sur le quadrillage).
Ici : 76,6 cpm (coups par minute)

  • Pour calculer le  :
    Il est possible de calculer très simplement le grâce aux valeurs du volume d’air ventilé (mesuré par le spiromètre) et la [O2] dans l’air expiré (mesuré par la sonde à dioxygène) récupérables dans l’onglet « Tableau »

Puisque nous nous sommes placés dans des conditions de mesure (plus de 2 minutes après le début de l’effort) où la concentration en dioxygène expiré étant constante au cours de toute la période de mesure (voir graphique) : la concentration en dioxygène dans l’enceinte est donc également constante.

Ainsi, il est possible de calculer simplement le en appliquant la formule suivante :

Comme on considère que dans l’air inspiré le taux de O2 est de 20,9%

Concrètement : pour les mesures effectuées ci-dessous au repos, on obtient

= somme des V ventilés pendant la mesure (valeur obtenue au temps 30 sec (ici cellule C4287) * 2 (parce que seulement sur 30 sec ) x (20,9 (valeur imposée) –[O2]air expiré (valeur obtenue dans la cellule : D4287)/100)
Donc pour cet exemple : = 4,9 x2 (20,9-17,0)/100 = 0,38 L/min.
(On peut soit donner directement la formule aux élèves, soit les faire raisonner sur la formule littérale qui permet d’accéder au .)

Si on conserve le montage classique, c’est à dire avec la turbine placée juste avant l’enceinte, mesurant alors le volume d’air expiré ; la valeur affichée dans le tableau (colonne volume) sera négative, puisque c’est de l’expiré. Il suffit alors de placer la turbine sur l’embout vert du montage anti-retour pour mesurer alors le volume d’air inspiré (volume bien sur identique) ainsi la valeur s’affichant dans le tableau sera du coup positive.
Description des étapes expérimentales proposées Exploitation des résultats
Etapes Période d’activité Période de mesure
Durée Intensité de l’activité Durée FC (cycles/min) (L/min)
Etape 1 1 à 2 min 30 s 76,6 0,216
Etape 2 2 à 3 min 10 flexions / min 30 s 80,2 0,276
Etape 3 2 à 3 min 15 flexions / min 30 s 100,7 0,368
Etape 4 2 à 3 min 20 flexions / min 30 s 120,6 0,440

2.2 Avec Eurosmart

Matériel Utilisé :

    • PC avec Système d’exploitation : Windows XP, Vista et Seven
    • Version du logiciel : Latis Bio 5.0.2.24
      Mise à jour disponible sur le site d’Eurosmart

Rappel :
(voir le document : « VO2 max présentation »)

Deux solutions s’offrent à nous pour calculer le ,
- soit réaliser la mesure simultanée de la FC et du sur le même poste ExAO (solution 1)

Cette solution présente l’avantage de gagner du temps lors de la prise des mesures.

Cette solution nécessite que chaque poste d’ExAO soit équipé d’un électrocardiographe.

- soit réaliser la mesure simultanée de la FC à l’aide d’un cardiofréquencemètre du commerce et la mesure du VO2 à l’aide d’une ExAO (solution 2).

Cette solution présente aussi l’avantage de gagner du temps lors de la prise des mesures.

Cette solution impose l’utilisation de 2 outils différents.

Nous ne présenterons ici que la solution tout ExAO

  • Activité 1 – Mise œuvre du protocole

La période de mesure peut être effectuée soit :
- pendant la fin (voir plus loin pourquoi) de la période d’activité,
- après la période d’activité.

Après avoir testé de nombreux protocoles, nous conseillons de réaliser la période de mesure immédiatement après la période d’activité afin de contourner les difficultés liées à un enregistrement au cours de l’effort.

En effet, les ECG et les spirographes obtenus pendant l’effort peuvent être parasités par l’exercice en cours. En effet, d’une part, l’ECG est parasité par l’enregistrement des contractions musculaires et d’autre part, le spirographe est parasité par une respiration peu stabilisée lors d’un effort (les élèves font involontairement des apnées).

Néanmoins, il est préférable de respirer dans le spiromètre pendant la période d’activité pour s’habituer à la respiration dans le dispositif et d’homogénéiser l’air de l’enceinte.

Nous proposons donc un protocole avec une période de mesure qui succède immédiatement à la période d’activité.

  • Déroulement de l’expérience

Légendes :

Cette phase de respiration au repos, de quelques minutes, permet d’éviter l’épuisement. Elle ne nécessite pas le retour à des valeurs basales de la FC et du tant que les activités sont réalisées dans l’ordre d’une intensité croissante.
Les étapes 2 à 4 se poursuivent par une phase d’activité (flexions) dont on peut adapter la durée de 2 à 3 min selon le temps disponible.
Chaque étape se termine par une phase de mesure. Une durée de 30 secondes peut être choisie si on souhaite entraîner les élèves au calcul d’un débit.
- Remarque sur la durée de la phase d’effort :

Lors d’un effort, le (débit d’O2) augmente progressivement jusqu’à atteindre un plateau qui dépend de l’intensité de l’effort réalisé. Le obtenu au cours de cette phase d’augmentation n’est donc pas représentatif de l’effort fourni (voir courbe ci-après).

Pour obtenir des valeurs significatives, il convient de réaliser la période de mesure pendant la phase stationnaire du . Ainsi, nous proposons de réaliser la période de mesure après la période d’activité. La durée minimale de la période d’activité est bornée à 2 minutes car les essais réalisés montrent que le se stabilise au bout de 2 minutes. Il est bien sûr possible d’effectuer un effort plus court que 2 minutes tout en sachant que les valeurs obtenues seront alors d’autant plus approximatives.


Evolution du lors d’une période d’activité entre 2 périodes de repos


Modifié d’après http://hse.iut.u-bordeaux1.fr/lesbats/physiosite/physiowhtm/Image1.jpg

- Remarque sur la durée de la période de mesure :

La période de mesure sur 30 secondes est un choix pédagogique. En effet, il serait plus intuitif mais moins formateur de choisir une durée de mesure de 1 minute car dans ce dernier cas le volume de dioxygène consommé (VO2 sans le point sur le V, exprimé en L) correspondrait au débit de dioxygène consommé ( avec le point sur le V, exprimé en L/min). L’intérêt de fixer la durée de mesure sur 30 s est de créer une réflexion autour de la relation entre débit et volume :

En outre comme la mesure se fait après l’activité, cette période de mesure est assez courte pour ne pas prendre en compte (ou très peu) des valeurs illustrant déjà la phase de récupération.

Description des étapes expérimentales proposées
Etapes Période d’activité Période de mesure
Durée Intensité de l’activité Durée
Etape 1 1 à 2 min 30 s
Etape 2 2 à 3 min 10 flexions / min 30 s
Etape 3 2 à 3 min 15 flexions / min 30 s
Etape 4 2 à 3 min 20 flexions / min 30 s

Les essais réalisés pour ce TP ont permis de faire les observations suivantes :

- L’ECG obtenu avec l’électrode violette sur la cheville gauche (position habituelle) est équivalent à celui obtenu avec l’électrode violette à proximité du coude (voir photo ci-après). Il nous paraît plus pratique d’utiliser cette dernière disposition en classe.

- L’intensité de l’activité, fixée par le nombre de flexion à la minute, ne doit pas être ni trop faible car aucune variation des paramètres mesurés ne serait observable, ni trop forte car l’activité deviendrait proche de la puissance maximale aérobie. Ainsi, nous conseillons de rester dans l’intervalle de 10 à 20 flexions à la minute.

- Lors de l’étape 1, le fait de respirer dans le spiromètre avant la période de mesure permet de s’habituer à la respiration dans le dispositif et d’homogénéiser l’air de l’enceinte à 17 % environ. Ensuite, il est inutile d’aérer l’enceinte entre chaque enregistrement.
Les essais réalisés dans le TP « Consommation de dioxygène » montrent que l’enceinte est homogénéisée en une vingtaine de secondes.

- Nous proposons une fourchette de durées pour les exercices afin d’éviter que les élèves ne perçoivent le protocole comme une « recette magique » permettant de déterminer le V ̇O2.max Ce temps doit être assez long pour observer une variation des paramètres physiologiques et assez court pour permettre aux élèves de terminer la séance en 1h30. C’est l’occasion d’effectuer une analyse critique des résultats : «  Un même individu, obtiendrait-il un différent avec un exercice plus long ? … moins long ?  ».

  • Montage
Schémas de montageMatériel
1 - console d’acquisition SYSAM – V5

2 - transmetteur oxymètre

3 - enceinte respiration humaine

4 - sonde O2

5 - capteur débitmètre

6 - embout

7 - filtre antibactérien

8 - embout Y

9 - tube souple

10 - boitier électrocardiographe

11 - électrodes
Lorsqu’on branche les capteurs sur la console d’acquisition les diodes (1,2) passent du vert à l’orange, tant que les capteurs ne sont pas étalonnés. Ils repasseront au vert après étalonnage.
1 – embout

2 - filtre antibactérien

3 – bouton d’étalonnage du débitmètre

4 - embout Y

 ! Attention à bien brancher le tube souple en respectant le sens des flèches marquant la circulation d’air !
1 – bouton air/eau (réglé sur air pour ces mesures)

2 – réglage pente (étalonné dans l’air)

3 – réglage zéro (étalonné dans la solution zéro)

4 – branchement sonde O2
Disposer le joint (1) de façon à ce que la sonde d’O2 reste dans la moitié supérieure de l’enceinte de respiration (O2 plus léger).
Insérer, si besoin, la sonde CO2 (2) l’enfoncer plus profondément (le CO2 est plus lourd).

Boucher les orifices non utilisés avec des bouchons prévus ou du scotch (3).
Il est nécessaire de mesurer la fréquence cardiaque au cours des différents exercices afin de pouvoir calculer la .

1 - Boîtier électrocardiographe.

2 - Fils de branchement des électrodes avec repère coloré.

3 – Electrodes autocollantes
  • Acquisition des données
1. Paramétrage du logiciel

Dans la partie acquisition, dans la fenêtre latérale, cocher la case « ajouter les courbes » pour que toutes s’affichent dans les mêmes fenêtres constituant un même fichier.
En cas d’oubli, chaque manipulation formera un fichier différent et il ne sera pas possible de les rappeler en même temps dans une même fenêtre. Déterminer le temps d’acquisition : 60s, 1min
2. Montage du matériel

Brancher les boîtiers 15 minutes avant utilisation.
Pour l’enceinte, obturer les orifices inutilisés (bouchon ou scotch)

- Pour obtenir la fenêtre étalonnage sonde O2 : soit tout de suite lors du lancement du logiciel sinon débrancher le capteur et le rebrancher : la fenêtre apparaît. Régler le 0 après avoir placé la sonde dans la solution 0.

Pour passer dans l’air : sortir la sonde la rincer puis essuyer la membrane ; passer en % dès lors une fenêtre s’ouvre pour régler, avec pente, la valeur 20,9%.

Placer la sonde O2 sur l’enceinte et placer le joint pour la bloquer à la hauteur voulue.
Remarque : Hauteur sonde dans l’enceinte : il vaut mieux la placer avec la tête dans la moitié supérieure de l’enceinte.
- Régler le débitmètre à 0. Une fenêtre de réglage apparait lors du lancement, pour la faire réapparaitre même technique que précédemment (débrancher puis rebrancher le capteur sur la console).

-  Positionner les électrodes sur le volontaire. Nettoyer la peau avec coton et alcool, attendre le séchage avant de coller l’électrode. Comme celui-ci doit faire des flexions, les électrodes sont collées sur les bras : intérieur poignet droit (électrode rouge), intérieur poignet gauche (électrode verte), vers le creux du coude gauche (électrode noire).
3. Acquisition :
Sélectionner la touche
On obtient dans 3 fenêtres :
-  la mesure du taux d’O2 dans l’enceinte
-  l’enregistrement de l’activité électrique du cœur (ECG)
-  le débit d’air.
Enregistrer les données : sauvegarder dans un fichier.
Remarque : lorsqu’on ouvre un fichier sauvegardé, le logiciel indique quels étaient les capteurs présents et leur emplacement sur la console lors de l’enregistrement des données ; on peut donc refaire le montage à l’identique.
  • Traitement des données
Utiliser les fonctionnalités du logiciel pour obtenir le volume d’air ventilé, le VO2 consommé, la fréquence cardiaque.
Sélectionner la touche  :
• Pour accéder aux courbes des enregistrements
• Ensuite aller dans la barre des tâches, sélectionner Traitement puis Calculs spécifiques.
• Dans la nouvelle fenêtre sélectionner le calcul à réaliser.
Par exemple pour obtenir la fréquence cardiaque, cliquer sur l’ECG à traiter et le glisser dans la case ECG, choisir le type de mesure, ici Moyenne, et valider calcul.
Le résultat s’affiche au bas de la partie gauche de l’écran dans les constantes.

A répéter pour chaque traitement nécessaire
Terminer en enregistrant les nouvelles données obtenues.
  • Résultats expérimentaux :

Exemple des enregistrements obtenus, ici à l’effort (6 flexions/minute) :

Construire un tableau avec les valeurs obtenues lors du repos et des différents exercices :

Description des étapes expérimentales proposées Exploitation des résultats
Etapes Période d’activité Période de mesure
Durée Intensité de l’activité Durée FC (cycles/min) (L/min)
Etape 1 1 à 2 min 30 s 75 0,135
Etape 2 2 à 3 min 10 flexions / min 30 s 94 0,461
Etape 3 2 à 3 min 15 flexions / min 30 s 102 0,683
Etape 4 2 à 3 min 20 flexions / min 30 s 125 0,804

Le calcul du est possible avec le logiciel Eurosmart, mais pour des raisons pédagogiques (voir le document -présentation) nous avons préféré présenter une construction avec un tableur
Voir «  - exploitations graphiques »

Remarques et améliorations

- Mesures faites sur logiciel LATIS BIO 5.0.2.24, console d’acquisition SYSAM-SP5.
- Traitement des courbes, sur versions antérieures à version 5.0.2.24, clic simple sur courbe : une fenêtre s’ouvre en bas à gauche de l’écran pour en modifier l’aspect et couleur, dans la version 5.0.2.24 double clic et nouvelle fenêtre permettant les réglages.
- Dans l’ancienne version, penser à cocher le mode « acquisition lente », le graphique sera en « oxy lent » au lieu de O2 %, mais le protocole reste inchangé.

- Si vous optez pour un enregistrement pendant la période d’activité, penser à garder les bras relâchés le long du corps (ne pas contracter les muscles) pour ne pas perturber l’enregistrement.
- Solution 0 : le sachet permet de réaliser environ 3 solutions à saturation de 50 ml.

3 - Exploitations des données
  • Activité 2 – Tracer la courbe : = f(FC).
    • Option 5 minutes  :
      Faire compléter le tableau du fichier tableur, fourni ci-dessous, avec les valeurs obtenues en ExAO ; les points s’affichent alors automatiquement sur le graphique.

Fichiers à télécharger :

Graphique-VO2-max.xls Graphique-VO2-max.ods

Exemple de document à renseigner

    • Option 20 minutes :
      Faire construire le tableau et le graphique par les élèves, une fiche méthode sera nécessaire, il faudra qu’elle explique comment allonger les axes pour permettre l’extrapolation car par défaut ceux-ci se limitent à peu de chose près aux valeurs saisies.

Des fiches méthodes (pouvant servir de bases) sont téléchargeables sur le site internet : « Outils pour les activités pratiques » en SVT :
http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/bankact/

  • Activité 3 – Déterminer le par extrapolation.
    Faire tracer par les élèves la courbe tendance linéaire, en pensant à faire cocher l’option « afficher l’équation ».
    Là encore l’utilisation d’une fiche méthode sera nécessaire.

    Exemple de résultat obtenu

Ils peuvent alors obtenir :
Par lecture graphique :
correspondant à la FC = 220-âge

Par résolution de l’équation de la courbe de tendance linéaire :
Pour l’exemple ci-dessus :
= 0.03 (220-âge) – 1.15

Télécharger les documents :
Présentation


Acquisition jeulin choix


Acquisition Jeulin généraliste


Acquisition Jeulin dédiés


Acquisition Eursomart


exploitations graphiques

Le groupe ExAO :
Emilie Kuntschmann,
Fabienne Basset,
Jean Francois Bernaud,
Lucia Jakubik,
Martial Bondel,
Dalila Ouar,
Sandie Benichou,
Didier Areias,
Thierry Coince

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