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 voituresvoitures.

Courses à pied. © 12019, Pixabay, DP
Courses à pied. © 12019, Pixabay, DP

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

Le fonctionnement du métabolimètre

À l'intérieur du masque se trouve une petite turbine appelée débitmètre, qui fonctionne comme un encodeurencodeur. La vitesse de rotationvitesse de rotation est proportionnelle à la quantité d'airair 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 centraleunité centrale renferme des analyseurs de gaz, qui mesurent la concentration de dioxyde de carbonedioxyde de carbone (CO2) et d'oxygène (O2).

Principe de fonctionnement du transducteur de concentration de CO<sub>2</sub>. Plus la concentration de CO<sub>2</sub> est grande, plus le rayonnement est absorbé. © Belin
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'oxygèneoxygène et de dioxyde de carbone sont égales tant que l'athlète utilise le mécanisme aérobieaérobie, 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
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 anodeanode en plomb, une cathodecathode en métal noblemétal noble et de l'hydroxyde de potassiumpotassium comme électrolyte. Une partie de l'oxygène contenu dans l'air expulsé par les poumonspoumons traverse une membrane et entre dans la cellule, où il provoque une réaction d'oxydoréduction : l'électrode en plomb cède des électronsélectrons au circuit externe, un courant électriquecourant électrique est engendré et traverse une résistancerésistance. 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.