Consommation maximale d'oxygène

La consommation maximale d'oxygène ou VO₂max – terme-symbole indifféremment masculin ou féminin, dont le « V » est en principe surmonté d'un point afin de signifier qu'il s'agit d'un débit –, est le volume maximal d'oxygène qu'un organisme aérobie en général ou le sujet humain en particulier peut consommer par unité de temps lors d'un exercice dynamique aérobie maximal.

Chez l'humain, le (ou la) VO₂max s'exprime habituellement en litres de dioxygène par minute (l/min). Afin de personnaliser la mesure et tenir compte des différentes constitutions (enfant ou adulte, petits ou grands gabarits...) la valeur observée est le plus souvent rapportée à l'unité de masse corporelle pour déterminer un VO₂max dit « spécifique », qui s'exprimera alors en ml/min/kg. Cette dernière valeur est un excellent indicateur de la performance potentielle dans les épreuves d'endurance (sportives ou non) : plus elle est élevée, meilleure sera la performance éventuellement réalisée.

Valeurs courantes

Chez un sujet jeune et sain, on observe des VO₂max de l'ordre de 45 ml/min/kg chez l'homme et 35 ml/min/kg chez la femme. Les valeurs observées chez l'enfant prépubère sont légèrement plus élevées et ne diffèrent pas notablement entre filles et garçons du même âge (vers 9 - 10 ans). C'est la différence de masse grasse entre hommes et femmes adultes (proportionnellement plus élevée pour le sexe féminin) et de taux sanguin en hémoglobine (plus faible chez la femme) qui expliquent pour l'essentiel la différence de VO₂max observée entre hommes et femmes.

Hautes valeurs

Le VO₂max peut mathématiquement s'exprimer comme le produit du débit cardiaque maximal par la quantité maximale d'oxygène extraite du sang artériel par les tissus (notamment par les muscles en activité) - on parle de "différence artério-veineuse en oxygène". À cet égard, il est possible d'améliorer artificiellement le VO₂ max, en provoquant une majoration de la concentration d'hémoglobine (évaluée par la mesure de l'hématocrite) , par administration hormonale d'érythropoïétine (EPO). L'augmentation de l'hémoglobine circulante déterminera une augmentation de la capacité de transport de l'oxygène par le sang, donc une majoration de la différence artério-veineuse en oxygène, et in fine une augmentation de VO₂max. L'hématocrite normal se situe aux environs de 45 % chez l'homme et de 40 % chez la femme. On considère en pratique qu'un hématocrite supérieur à 50 % chez l'homme est pathologique... ou suspect (de dopage à l'EPO) ; sauf pour les individus vivant habituellement en haute altitude (> 4000 m).

Le débit cardiaque maximal s'améliore essentiellement, lui, par l'entraînement en endurance et notamment par le travail dit "en puissance aérobie". Ce type de conditionnement aérobie est constitué par la répétition de courtes périodes d'effort d'intensité plus ou moins proche du VO₂max, allant de quelques dizaines de secondes à quelques minutes (selon l'intensité relative d'effort adopté et le niveau préalable d'entraînement), entrecoupées de périodes de récupération de durée adaptée au projet d'entraînement. Ce type de protocole d'entraînement est dénommé 'exercice intermittent' ('interval training' des anglo-saxons) et peut se décliner sous de nombreuses formes selon le pourcentage de VO₂max choisi pour les périodes d'effort, la durée des périodes de récupération, le nombre global de répétitions des séquences ainsi déterminées.

Chez l'athlète de haut niveau on peut observer des VO₂max spécifiques atteignant 90 ml/min/kg chez l'homme et 75 ml/min/kg chez la femme (source INSEP). Les sportifs présentant les VO₂max les plus élevées sont les skieurs de fond, les coureurs de fond et les cyclistes sur route. À titre de comparaison, certains chiens de chasse peuvent présenter des VO₂max spécifiques supérieurs à 200 ml/min/kg, et certaines antilopes, comme l'espèce 'Pronghorn antelope' (Antilocapra americana), présenteraient des VO₂max pouvant atteindre 300 ml/min/kg (voire plus).

Basses valeurs

À l'inverse, des VO₂max inférieures ou très inférieures aux normes s'observent chez les insuffisants cardiaques ou respiratoires, chez qui ce paramètre constitue l'un des meilleurs indicateurs de la réserve fonctionnelle dont dispose le sujet (aptitude à se déplacer, à monter les escaliers, etc.).

Dans des conditions habituelles chez le sujet sain, la VO₂max décroît progressivement et linéairement tout au long de la vie pour atteindre vers 80 ans des valeurs de l'ordre de 30 à 40 % des valeurs observées à 20 ans. "Toutes choses égales par ailleurs" (pathologies intercurrentes aiguës ou chroniques notamment), le chiffre de VO₂max observé constitue l'un des meilleurs éléments de pronostic quant à l'espérance de survie d'un individu sain à un âge avancé.

Méthodes de mesure

Il existe plusieurs moyens de déterminer le VO₂max.

En laboratoire

La mesure précise du VO₂max s'effectue en laboratoire, sur un ergomètre de type tapis roulant ou sur ergocyclomètre, en mesurant, au cours d'un exercice dont l'intensité augmente continuellement et progressivement jusqu'à épuisement, la différence entre oxygène inhalé et oxygène exhalé par le sujet (balance de l'O₂). Cette mesure s'effectue à l'aide d'un pneumotachomètre (ou "pneumotachographe" : capteur des débits gazeux expirés) couplé à un capillaire de prélèvement des gaz expirés. Le pneumotachomètre et le capillaire sont reliés, soit à un masque bucco-nasal attaché à la tête du sujet, soit à un embout buccal direct. Seuls les débits expirés (à chaque cycle ventilatoire) et les pressions partielles d'oxygène et de dioxyde de carbone (de fin d'expiration) sont mesurés. Les autres variables utiles (débits inspirés) sont calculés par l'appareillage. Les conditions physiques de la mesure (température, pression atmosphérique, humidité ambiante) conduisent à mesurer des volumes de gaz saturés en humidité, donc en partie dépendants de ces conditions qui sont dites BTPS (Basal Temperature and Pressure Saturated). Le système de mesure normalisera par recalcul les chiffres trouvés pour des conditions STPD (Standard Temperature and Pressure Desaturated - 0°C, 1013 hPa, 0% d'humidité), chiffres de fait plus ou moins minorés au regard des chiffres BTPS, devant ainsi permettre d'évaluer la performance par comparaison à une norme commune.

Sur ergocyclomètre, l'exercice aérobie sera constitué d'un effort progressif, soit par paliers de charge croissante, soit selon une progression de la charge "en rampe". Le graphique suivant montre les cinétiques des principales variables observées lors d'un effort sur ergocyclomètre :

Le graphique présenté représente les résultats d'un protocole d'exercice dynamique aérobie caractérisé par un échauffement de 100 watts pendant 5 minutes, suivi de paliers croissants d'effort dont l'incrément avait été fixé à 10 watts par période de 30 secondes. Le tracé en rouge correspond à la cinétique de la fréquence cardiaque (FC), le tracé en bleu correspond à la cinétique du VO₂, le tracé en violet correspond à la cinétique du VCO₂ (production instantanée de dioxyde carbone rapportée à l'unité de temps) et le tracé en vert correspond à la cinétique de la ventilation expirée par minute. La flèche repère le début du croisement des courbes de VO₂ et de VCO₂, moment de l'effort qui correpond habituellement au 'seuil ventilatoire', lequel se révèle par un point de déflexion (plus ou moins marqué selon les sujets) sur le tracé de ventilation/minute (en vert). Chez ce sujet, l'exercice maximal réalisé atteint 330 watts, correspondant à un VO₂max égal à 4,400 l/min (soit 55 ml/min/kg pour ce sujet de 80 kg), avec un seuil ventilatoire à 3,400 l/min (75 % du VO₂max). Les performances aérobies observées correspondent à celles d'un sujet dit "sportif" de niveau moyen à bon.

Tests de terrain (gymnase ou piste d'athlétisme)

La détermination du VO₂max en laboratoire est très précise, mais les conditions de mesure ne peuvent reproduire les conditions réelles de l'exercice sportif. Pour cette raison d'assez nombreux chercheurs ont essayé de mettre au point différents tests de terrain, soit pour estimer plus simplement le VO₂max, soit afin de déterminer des paramètres individuels de performance tels que, par exemple, la 'vitesse maximale aérobie' (VMA) - qu'il conviendrait d'ailleurs de dénommer plus précisément 'vitesse à VO₂max', dans la mesure où à VO₂max une part non négligeable de l'énergie mécanique développée par le sujet est due à la participation de filières métaboliques non aérobies (métabolismes anaérobies lactique ou alactique).

Historiquement le premier test mis au point pour les sportifs (ou pour les militaires) a été le test de Cooper, lequel consiste à parcourir la plus grande distance possible en 12 minutes de course à pied (sur piste en principe). Le VO₂max s'estime alors comme :

VO₂max (ml/kg/min) = [distance (en mètres) - 505]/45

La valeur de VO₂max ainsi estimée est assez bien corrélée à la valeur réelle mesurée en laboratoire, mais une bonne corrélation n'empêche pas les biais de mesure et d'estimation, conduisant à des sur-estimations ou au contraire à des sous-estimations de VO₂max.

Le test de Léger ou 'test navette' est un test de terrain réalisable en gymnase, qui va permettre de déterminer une VMA et, par un calcul simple, de donner une estimation grossière du VO₂max.

VO₂Max = 3,5 x VMA - VO₂Max en ml/min/kg, VMA en km/h

La corrélation entre le test 'navette' de Léger et le VO₂max est moins bonne que celle qui caractérise le test de Cooper, mais le test 'navette' apparaît très bien adapté aux sports collectifs pour l'estimation des potentialités athlétiques du joueur et de sa performance physique lorsqu'il sera placé en situation de match.

D'autres tests, nécessitant l'utilisation d'une piste d'athlétisme aménagée ou du matériel (comme par exemple un vélo), permettent de mieux déterminer la VMA et, comme avec le test de Cooper, d'en déduire un VO₂max estimé (aux réserves près évoquées supra). En voici une liste non-exhaustive:

• Léger-Boucher (adaptation sur une piste jalonnée de plots du test navette)
• VAM Eval (Cazorla et Léger)
• Test progressif maximal par paliers derrière cycliste (Brue)
• Train maximal imposé (Gacon)
• Control Aerobic Training (Chanon et Stephan)
• Déclinaisons du cooper: demi cooper (6 minutes), Margaria (10 minutes), etc.

Pour des sportifs compétiteurs de niveau moyen, les tests de terrain, plus simples et moins coûteux à réaliser qu'une mesure de VO₂max réalisée en laboratoire, peuvent finalement se révéler plus riches d'enseignements. Les tests de terrain sont en fait et par nature plus spécifiques des conditions réelles de la compétition : pour un athlète ou pour son entraîneur, il est en effet souvent plus intéressant de connaître la VMA que le VO₂max, car la VMA correspond à une valeur concrète pouvant être utilisée à l'entraînement comme base de travail de la séance afin d'améliorer les paramètres physiologiques aérobies.

D'un autre point de vue, on sait aujourd'hui que dans une certaine plage d'efforts la fréquence cardiaque (FC) apparaît assez bien corrélée à l'intensité de l'exercice dynamique aérobie (et donc logiquement au VO₂ instantané) ainsi qu'à la vitesse de course sur piste. [Ce ne sera plus vrai en cyclisme où la résistance de l'air à l'avancement, déterminante, ne permet pas une linéarité de la relation vitesse-fréquence cardiaque.] À l'aide d'un simple cardiofréquencemètre, les tests de terrain permettent donc également de déterminer les valeurs de FC correspondant aux vitesses ou aux intensités d'effort à mettre en oeuvre à l'entraînement, et notamment de déterminer la FC au 'seuil ventilatoire' - voir Figure - (qui correspond en pratique à l'intensité d'effort où soudainement l'augmentation de la ventilation ne permet plus, par exemple, de soutenir une conversation). Le même appareil permettra également de déterminer la FCM (Fréquence Cardiaque Maximale), paramètre individuel très utile à l'entraînement. Le niveau de FC observé au cours de l'effort constitue donc pour l'athlète ou l'entraîneur un outil simple et relativement robuste pour chiffrer a priori l'intensité de l'effort aérobie à adopter relativement à la VMA. Un outil bien plus accessible qu'une vraie mesure de laboratoire du VO₂max, assez lourde et coûteuse à mettre en oeuvre. Ce dernier type d'examen reste cependant indispensable à la surveillance des athlètes de haut niveau ou en cas de baisse anormale et rapide des performances aérobies faisant craindre la survenue d'une pathologie cardiaque ou respiratoire aiguë (infection virale méconnue ou d'allure bénigne, par exemple) ou évolutive.

Exemples célèbres