Santé

Le métabolimètre pour mesurer les efforts du sportif

Dossier - Sport : la technologie au service des champions
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Le talent et le travail des grands sportifs sont désormais accompagnés par les technologies afin que ces champions dépassent les limites établies. Quelles sont ces technologies au service du sport d'aujourd'hui et de demain ?

  
DossiersSport : la technologie au service des champions
 

Les dispositifs utilisés pour mesurer la VO2 max, le coût énergétique ainsi que d'autres paramètres, prennent le nom de métabolimètres, ou dispositifs d'épreuve d'effort cardiopulmonaire. Ces instruments sont aux athlètes ce que les analyseurs de gaz d'échappement sont aux voitures.

À l'intérieur du métabolimètre se trouve une turbine pour la mesure du flux d’air du sportif. © Belin

Un métabolimètre est formé d'un masque, semblable à celui qu'utilisent les pilotes de chasse, et d'une unité d'acquisition. Grâce à la progressive miniaturisation des composants, les métabolimètres peuvent désormais être portés par l'athlète en situation réelle et transmettre immédiatement les données en modalité sans fil. À l'intérieur du masque se trouve une petite turbine appelée débitmètre, qui fonctionne comme un encodeur. La vitesse de rotation est proportionnelle à la quantité d'air qui circule dans le tube, et le sens de la rotation indique s'il s'agit d'une inspiration ou d'une expiration. L'unité centrale renferme des analyseurs de gaz, qui mesurent la concentration de dioxyde de carbone (CO2) et d'oxygène (O2).

Principe de fonctionnement du transducteur de concentration de CO2. Plus la concentration de CO2 est grande, plus le rayonnement est absorbé. © Belin

Les quantités d'oxygène et de dioxyde de carbone sont égales tant que l'athlète utilise le mécanisme aérobie, qui transforme l'oxygène en dioxyde de carbone. Lorsque l'intensité de l'effort augmente, la quantité de CO2 augmente plus rapidement que celle de l'oxygène. Le mécanisme anaérobie s'est enclenché et produit du dioxyde de carbone sans apport externe d'oxygène.

Pour mesurer la quantité de CO2, on utilise la technologie NDIR (Non-dispersive Infrared) : on place dans un compartiment une cellule émettrice d'infrarouges et une  cellule réceptrice. L'air provenant des poumons passe à travers le compartiment. Le CO2 a la propriété d'absorber les rayons infrarouges : plus la concentration de CO2 sera élevée, plus la quantité de rayonnement infrarouge qui parviendra au récepteur sera petite. Le récepteur fournit une tension V qui est proportionnelle à l'intensité du rayonnement infrarouge reçu, et le signal est envoyé au microcontrôleur.

Cellule galvanique pour la mesure de la concentration d’oxygène. © Belin

Pour mesurer la concentration d'oxygène, on emploie une cellule galvanique, une sorte de petite pile avec une anode en plomb, une cathode en métal noble et de l'hydroxyde de potassium comme électrolyte. Une partie de l'oxygène contenu dans l'air expulsé par les poumons traverse une membrane et entre dans la cellule, où il provoque une réaction d'oxydoréduction : l'électrode en plomb cède des électrons au circuit externe, un courant électrique est engendré et traverse une résistance. On mesure la tension aux bornes de la résistance. Plus la concentration d'oxygène est importante, plus le courant et par conséquent la tension sont élevés.

On associe en général au métabolimètre un cardiofréquencemètre, de façon à enregistrer et à visualiser sur le même écran en temps réel les principaux indicateurs du fonctionnement du système cardiaque et pulmonaire.

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