L’interrogatoire précise le type et la sévérité des symptômes d’effort, l’horaire de la dernière prise alimentaire et recherche la prise de médicaments pouvant influer sur l’interprétation des résultats. Un examen physique, la vérification de l’indication et d’absence de contre-indication (tableau 5) à l’épreuve d’effort cardiorespiratoire, ainsi qu’un électrocardiogramme (ECG) de repos sont obligatoires. La préparation du patient est identique à celle des épreuves d’effort standard. Le positionnement des électrodes des dérivations précordiales pour l’ECG d’effort n’a pas de caractère spécifique. Pour les dérivations périphériques, il est recommandé de placer les électrodes dans la région sous-claviculaire droite (R), parasternale (L) et sous-costales droite (F) et gauche (N). Le suivi de l’ECG a trois intérêts : le calcul précis de la fréquence cardiaque, l’analyse de la repolarisation et la détection des arythmies. La qualité requise du tracé est la même que pour toute épreuve d’effort et il est recommandé d’utiliser un matériel permettant au moins de visualiser à la fois un tracé direct et un complexe moyenné avec possibilité d’impression programmée et instantanée.

Deux grands types de protocoles sont utilisables :

Les valeurs maximales de consommation d’oxygène diffèrent peu entre les deux protocoles, à la condition que dans les triangulaires, l’incrément des paliers ne soit pas trop élevé et qu’ils soient assez longs pour que le métabolisme aérobie ait le temps de s’adapter. Les protocoles continus sont les plus utilisés en routine. Les discontinus sont réservés à la recherche, à l’analyse de la cinétique d’adaptation de la VO₂ et/ou à la détermination précise du coût énergétique. Sur tapis roulant, ils peuvent être imposés par un impératif technique, mesure de PA ou prélèvement sanguin.

L’épreuve d’effort cardiorespiratoire nécessite une individualisation du protocole. Que les sujets soient sédentaires sains, patients, sportifs, la durée idéale de l’exercice doit être de 10 minutes et dans tous les cas comprise entre 8 et 15 minutes. Une durée plus courte ne permet pas l’utilisation optimale du système aérobie, dont nous avons vu l’inertie, et une durée prolongée risque de limiter la performance par une fatigue précoce. Pour garder une linéarité de la relation VO₂/intensité de l’exercice, les protocoles en rampe avec une augmentation programmée constante de la puissance ou avec des paliers courts sont à privilégier. À cette durée effective d’effort de 10 minutes, il convient d’ajouter les 2 minutes minimales d’enregistrement de repos, les 2 minutes d’échauffement (souvent recommandé) et la récupération, qui sera d’au moins 6 minutes.

Sur ergocycle, des paliers d’incrément adaptés et de durée brève (5 à 25 W par minute) permettent une bonne adaptation du VO₂. Chez les patients, les protocoles en rampe qui majorent la puissance maximale développée de 5 % en moyenne ou avec un incrément de 5 à 20 W par minute sont les plus souvent utilisés. Chez les sujets à priori sains ou les sportifs, les incréments peuvent être plus importants (20 à 50 W). La première étape d’individualisation du protocole est le calcul du VO₂ max théorique et de la puissance en watts correspondante du sujet. Ces paramètres sont en règle calculés par l’ergospiromètre une fois que les données individuelles, sexe, âge, poids et taille lui ont été fournies. Il convient de connaître la formule utilisée par la machine ou au moins de savoir si elle a été établie sur ergocycle ou sur tapis roulant, qui majore, rappelons le, le VO₂ max de 10 % en moyenne.

Il existe plusieurs équations d’estimation (+/− 20 %) du VO₂max théorique, qui pour la plupart ont été établies à partir d’échantillons assez modestes de populations sédentaires non fumeurs d’Amérique du Nord et d’Europe. Au vu de la bonne correspondance des différentes formules proposées nous avons choisi une formule composite récemment validée par Cooper et Storer (tableau 6). Des équations spécifiques sont aussi proposées (tableau 6) pour répondre aux spécificités de l’enfant et au rôle de l’activité physique habituelle du sujet. Chez le sujet sédentaire sain, il ne faut pas hésiter à majorer de 10 % la valeur théorique calculée pour tenir compte des variabilités individuelles. À l’inverse, comme les malades sont toujours surestimés par les équations d’estimation, la valeur théorique peut être diminuée de 20 à 40 %.

La puissance développée sur un ergocycle est le produit de la charge imposée par la fréquence de pédalage. Elle s’exprime en watts ou kilo pound meter (kpm).min⁻¹ avec l’équivalence 1 W = 6 kpm.min⁻¹. Lors du pédalage à vide, le coût énergétique du travail mécanique des jambes équivaut à une puissance développée voisine de 10-20 W. Sur les ergocycles à frein électromagnétique, la charge imposée s’adapte à la fréquence de pédalage. Dans le cas d’un ergocycle à frein mécanique, moins coûteux, la charge est fixe, imposant une fréquence de pédalage stable (60 à 80 cycles/min en règle) pour maintenir une puissance constante. Cependant, à puissance constante, plus la fréquence de pédalage est élevée, plus les niveaux de tachycardie et de VO₂ sont importants. La consommation maximale d’oxygène peut aussi être augmentée en cas de fréquence de pédalage rapide. Ainsi, une fréquence de pédalage de 60-70 cycles par minute, qui peut être fournie au sujet sous forme d’un signal visuel ou auditif, est recommandée.

Une fois le VO₂ max estimé, il est possible de calculer la puissance maximale théorique, PMT, (encadré 1). Ce calcul doit tenir compte du VO₂ utilisé pour le pédalage à vide et les autres fonctions de l’organisme, estimé par l’ équation 13.

La PMT est obtenu en utilisant le coût énergétique moyen d’un watt, qui est en moyenne de 10,3 mLO₂.W⁻¹ et de 12 mLO₂.W⁻¹, respectivement sur un ergocycle électromagnétique (équation 14) et mécanique (équation 15).

Comme la relation P-VO₂ est linéaire avant SV₁, il est recommandé de vérifier lors des premiers paliers de l’épreuve d’effort que le VO₂ calculé est cohérent avec la puissance développée. Deux (équations 16 et 17), qui aboutissent à des résultats proches, sont utilisables pour calculer le coût énergétique d’un effort réalisé en état stable.

Il est important de noter que l’application de ces équations n’est pas valable pour estimer avec précision le VO₂ max à partir de la PMA.

Sur tapis roulant, les VO₂max obtenus sont plus élevés en cas d’incrément de pente. Ainsi, en dehors des sportifs, il est recommandé de garder une vitesse constante et d’augmenter la pente de manière progressive. En effet, à même allure, le passage de la marche à la course augmente beaucoup le coût énergétique, surtout chez les patients. Le fait de se tenir aux barres, qui diminue le coût énergétique de près de 15 %, permet d’augmenter la consommation maximale d’oxygène. De nombreux protocoles sont proposés sur tapis roulant, ce qui signifie qu’aucun n’est parfait. Le contenu de certains d’entre eux est détaillé dans le tableau 7. Beaucoup sont assez anciens, peu linéaires et avec des paliers de longue durée, ce qui peut gêner la détermination du « seuil » ventilatoire. Ils sont en règle mal adaptés à l’épreuve d’effort cardiorespiratoire. Les protocoles de base sont utilisables pour les sujets sains, alors que les mêmes protocoles « modifiés » qui sont plus progressifs sont à priori plus adaptés aux patients. Le Bruce standard pour lequel l’incrément de palier équivaut environ à 50 W (2-4 METs) est trop dur pour les patients. Le Naughton modifié dont l’incrément est voisin de 1 MET toutes les 2 minutes ou le Weber (voir classification de Weber pour les insuffisants cardiaques –tableau 11, chapitre 5) sont mieux adaptés aux patients. Un test individualisé sur tapis roulant peut être utilisé. Il est basé sur la détermination individuelle d’une allure de marche aisée sans pente maintenue 3 minutes suivie d’un incrément individuel de la pente de 0,5 à 1,5 % par minute adaptée au niveau de la pratique physique pour obtenir un effort maximal en 10 minutes.

Le coût énergétique en oxygène sur tapis roulant peut être estimé (équation 18) à partir de la vitesse, de la pente et du type d’effort, marche ou course. La vitesse v est exprimée en en m.min⁻¹ (1 mile.h⁻¹ = 1,6 km.h⁻¹= 26,8 m.min⁻¹) et la pente p en %.

En cas de marche VO₂ v = 0,1 v et VO₂ p = 1,8 p v

En cas de course VO₂ v = 0,2 v et VO₂ p = (1,8 p.v) 0,5

Ainsi, pour un sujet qui marche à 2,5 mile.h⁻¹ avec 5 % de pente, son VO₂ est de :

(0,1 × 2,5 × 26,8) + (1,8 × 0,05 × 2,5 × 26,8) + 3,5 = 6,7 + 5,2 + 3,5 = 15,4 mL.min⁻¹.kg⁻¹.

Dans tous les cas, la récupération doit durer au moins 6 minutes. Pour prévenir les malaises vagaux, elle peut être active pendant 2 minutes à faible puissance (20-30 W ou marche à allure individuelle sans pente), puis passive. Le recueil des gaz expirés doit être poursuivi au moins 3 minutes. En cas d’anomalie électrocardiographique, tensionnelle, ou de saturation artérielle, il est recommandé de poursuivre la surveillance jusqu’à sa normalisation.

Elle est essentielle et incontournable. La qualité de la calibration journalière de l’ergospiromètre a une place majeure pour la validité des résultats. En effet, il faut se rappeler que lors d’une analyse cycle à cycle les paramètres sont mesurés sur un seul cycle, puis rapportés à la minute. Une faible erreur, en particulier sur la ventilation, peut ainsi devenir très importante.

La première étape est un préchauffage, indispensable pour les analyseurs, d’au moins 20 minutes. La calibration débute par la vérification des valeurs ambiantes (ATPS, température, hygrométrie, pression barométrique) et des concentrations en O₂ et CO₂ du gaz étalon qui doivent être programmées dans l’appareil. C’est à partir de ces valeurs que les facteurs de correction BTPS (Body Temperature Pressure Saturated) pour les volumes pulmonaires, la courbe-débit volume et STPD (Standard Temperature, Pressure, Dry) pour les VO₂ et VCO₂ seront choisis. Le volume de l’espace mort, qui dépend du type et de la taille du matériel de recueil des gaz expirés, masque ou embout buccal, doit être intégré dans l’ergospiromètre. Puis une calibration du débitmètre est réalisée avant chaque test. Pendant l’effort, sa réponse s’accordera aux données de la calibration pré-test.

Il est conseillé de calibrer avec le tube de prélèvement des gaz, qui est en règle situé entre la bouche et le capteur de débit en place. La gamme des débits ventilatoires à l’effort est comprise entre 0 et 15 L.s⁻¹, donc la calibration manuelle ou automatique doit être faite à bas et haut débit. En cas de calibration manuelle, le volume ventilé par la seringue doit être régulièrement vérifié. La calibration des analyseurs de gaz doit être au moins journalière et répétée en cas d’utilisation très importante du système, de variations possibles de la composition du gaz ambiant et/ou de mesures paraissant aberrantes. Bien sûr, le circuit de calibration ne doit pas présenter de fuite et l’idéal est d’utiliser le circuit de mesure comme circuit de calibration. En règle automatique, elle se fait le plus souvent à partir de deux échantillons gazeux, l’air ambiant (O₂ : 20,93 % et CO₂ : 0,03 %) et un gaz de composition connue (O₂ : 12 à 18 % et CO₂ : 3 à 8 %) dont la composition doit être très précise (0,02 %). En effet, la précision d’un analyseur ne peut être supérieure à celle établie pour les gaz d’échantillonnage utilisés. La pression du gaz qui arrive à l’analyseur doit être suffisante, voisine de la pression ambiante, et stable. Il faut donc veiller à ce que la bouteille de gaz d’échantillonnage garde une pression suffisante. Le débit moyen de prélèvement du gaz à analyser doit être compris entre 200 et 300 mL.min⁻¹ et la vitesse du flux du gaz de calibration doit bien sûr être supérieure à la fréquence d’échantillonnage. L’étalonnage des analyseurs permet l’ajustement de leur zéro de référence (« offset » sur la plupart des appareils) et de leur sensibilité (« gain »). La précision recommandée pour les analyseurs de CO₂ et d’O₂ est de ± 0,3.10⁻³ à ± 0,5.10⁻³ %. Pour chaque gaz, une droite de référence reliant les valeurs des deux échantillons analysés est construite. Les analyseurs vont ensuite se calibrer sur les valeurs programmées. Les données de la calibration doivent être enregistrées (figure 11). Les données des différentes calibrations devront être consignées dans un recueil pour suivre une dérive éventuelle du matériel, seulement détectable par la comparaison des valeurs d’étalonnage répétées. Une nouvelle calibration peut aussi être réalisée à la fin du test, ce qui permet de détecter une éventuelle dérive au cours du test. La maintenance des appareils doit suivre les recommandations spécifiques ainsi que le calendrier des constructeurs et doit aussi être colligée sur un document attitré. La vérification des éléments du circuit respiratoire doit être hebdomadaire et la linéarité des analyseurs doit être vérifiée tous les 6 mois.

La qualité d’acquisition des autres paramètres, ECG, PA, saturation en oxygène (SaO₂) doit aussi être vérifiée avant l’effort. Rappelons que la qualité des mesures de PA à l’effort avec les tensiomètres automatiques reste encore médiocre.

Les ergomètres doivent être calibrés au moins annuellement. La calibration du tapis roulant est plus précise si elle est réalisée avec un sujet dessus. Sa vitesse [vitesse (m.min⁻¹) = longueur de la bande de roulement (m) × nombre de révolutions/temps (min)] et le niveau et la constance de maintien de la pente doivent être vérifiées. Pour les ergocycles et autres ergomètres, des calibrations statique (tarage, zéro en l’absence de tout freinage), et dynamique (charge et fréquence) lorsqu’elle est possible, doivent être réalisées. Les autres paramètres, hauteur de selle et guidon, doivent aussi être périodiquement vérifiés.

La validation « physiologique » vérifie l’ensemble du système d’exploration, ergomètre et système d’analyse des échanges gazeux. Dans le cadre de la recherche les VO₂ calculés peuvent être comparés avec la méthode de référence associant sac de Douglas, spiromètre de Tissot et méthode de Haldane ou Scholander. Dans les autres cas, il suffit de répéter les mesures avec un volontaire sain du laboratoire avec un poids et un entraînement stables et familiarisé avec le test, qui consiste soit en un effort prolongé (5-10 minutes) sous maximal d’intensité constante en dessous du premier seuil ventilatoire, soit à la répétition de 2-3 paliers d’effort croissant d’au moins 4 minutes. Une différence de plus de 5 % par rapport à la valeur initiale impose une révision de l’ensemble du système d’exploration.

La spirométrie (figures 12 et 13), qui mesure les volumes lors d’inspiration et expiration lentes et forcées, permet de déterminer la capacité vitale forcée (CVF), le volume maximum expiré en une seconde (VEMS), les débits maximum à 75, 50 et 25 % de la capacité vitale (CV) et le débit expiré moyen (DEM) entre 25 et 75 % de la CV (DEM 25-75). Les paramètres recueillis, comparés aux valeurs théoriques, ainsi que l’allure de la courbe débit-volume, permettent d’interpréter la plupart des troubles pulmonaires fonctionnels de repos.

Les paramètres mesurés évalués par rapport aux valeurs théoriques et à partir de l’allure de la courbe débit-volume permettent d’interpréter la plupart des troubles pulmonaires fonctionnels.

La réalisation d’une courbe débit-volume (figure 13) avant toute épreuve cardiorespiratoire est justifiée par le fait que les pathologies explorées peuvent être mixtes. De plus, les facteurs limitants respiratoires peuvent être appréciés à partir de la ventilation maximale minute (VMM) individuelle. Elle peut être mesurée avant l’effort en faisant ventiler le plus vite et de la manière la plus ample possible le sujet pendant 15 secondes. Ce test peut cependant être mal toléré et en pratique la ventilation maximale minute est empiriquement estimée par l’ équation 19.

Une information précise sur le déroulement du test doit être fournie au patient et son consentement doit être obtenu. La réalisation d’un test de familiarisation est essentielle pour éviter une sous-estimation initiale (15-20 %) qui limiterait la valeur de l’interprétation des examens ultérieurs. Lors de l’exercice, le patient doit éviter de parler, un mode de communication par gestes doit donc être défini. Le recueil des gaz expirés peut se faire avec un embout buccal et une pince nasale ou un masque facial. Le masque est mieux supporté, mais son étanchéité doit être vérifiée pour éviter les fuites qui peuvent survenir, en particulier en fin d’effort si le sujet baisse la tête. Le capteur de gaz expirés doit être placé sur le dessus du débitmètre pour éviter une souillure par la salive (figure 14). Un enregistrement d’au moins 2 minutes doit être réalisé au repos chez le sujet équipé sur l’ergomètre. Les valeurs de repos stables et acceptables sont un V_E entre 6-12 L.min⁻¹, un VO₂ inférieur à 5 mL.min⁻¹.kg⁻¹ et un rapport d’échanges respiratoires (RER) inférieur à 0,85. Les valeurs de VO₂ affichées lors des premiers paliers d’effort (< SV₁) doivent être proches des théoriques estimées par les équations 16 ou 17. Une différence ≥ 150 mL/min évoque une erreur dans les paramètres mesurés. L’effort sera interrompu lorsque les critères de maximalité sont atteints ou en cas de mauvaise tolérance de l’effort (tableau 8).L’ encadré 2 propose une « check-list » de réalisation d’un test.