Brevet FR2678158A1 — publié le 19921231

METHODE ET APPAREIL POUR OPTIMISER LE POULS PENDANT L'EXERCICE D'ENDURANCE La présente invention concerne une méthode et un appareil pour l'optimisation du rythme cardiaque pendant l'exercice para-sportif d'endurance au but d'entretien, de prévention ou de réhabilitation cardiovasculaire. Chez les normaux non-entratnés à exercice d'endurance la balance vago-sympathique spontanée détermine un pouls supra-optimal. Par contre, chez les athlètes la régulation du coeur s'optimise pendant des années d'entratnement au sens du débit cardiaque maximal à la moindre sollicitation cardiovasculaire - un compromis arbitré par l'intensité et la durée de l'effort - qui fait possible la performance dans les epreuves d'endurance. Ce compromis conjugue une contractilité ventriculaire accrue assurant un vidage plus complet - d'obédience sympathique - avec une croissance du pouls - de même obddience - moderée grace au maintien d'un certain tonus vagal, ce qui assure un remplissage moins incomplet des ventricules.En bref, le pouls manifestement plus bas pendant lteffortsassocié avec la bradycardie de repos constituent la "signature" du tonus vagal supranormal du coeur athlètique (voir a ce sujet: Blume G., "Ergometrie avec cyclo-ergometre", Electromedica, 1975r no. 1, pp. 22-29). D'ailleurs, un tonus vagal accentué est consideré un signe de jeunesse cardiaque et le plus important facteur unique de pronostic positif dans la souffrance du myocarde (voir a cet egard: Eckberg D.L., Parasympathetic cardiovascular control in human disease: a critical review of methods and results, Am. J. Physiol., 198 O, vol. 239, pp. H581-H593). Recherches récentes au sujet de la stabilisation du pouls sous l'astreinte mentale ont suggéré ltéducabilité du tonus vagal du coeur grâce au développement chez l'homme des associations interneuronales cort#co-bulbaires, encore de type contingent (voir: Negoescu R., Csiki I.E., Autonomic control of the heart in some vagal maneuvers and normal sleep, Phvsioloav lBucharest). 1989, vol. 26, pp. 39-49; Negoescu R., Csiki I.E., Interaction of heart rate control menus under postural, mental and vagal interventions, Proc. 12th Ann. Int. Conf. IEEE-EMBS, 1990, vol. 12, pp. 833-834). Les techniques de biofeedback - faisant prendre conscience, au but de contrôle volontaire, des signaux physiologiques normalement en dehors de la portée des sens - sont les principaux aides à l'auto-manipulation consciente du pouls. Dans la lumière ci-dessus, l'agenture vagale de cette influence consciente apparatt particulierement claire en effort, quand le tonus sympathique est soumis a l'automatisme neuro-hormonal inexorable, de mécanisme métabolique. Ce sont Goldstein et al. qui les premiers ont demontré en laboratoire que le pouls peut être baissé moyennant le biofeedback pendant l'exercice moderé d'endurance - marche rapide au tapis roulant (Goldstein D.S. et al., Biofeedback heart rate training during exercise, Biofeedback and Self-Recxulationt 1977, vol. 2, pp. 107-125). En leur répliquant, Perski and Engel non seulement ont confirmé ces résultats-là pour l'exercice à vélo mais leurs données montrent que les sujets du groupe expérimental sous biofeedback étaient mieux adaptés à I'effort et moins soumis à la fatigue que leur collègues du groupe témoin pratiquant le meme exercice sans biofedback (Perski A., Engel B. T., Biofeed. Self-Req. 1980, vol. 5, pp. 91-104). Ces derniers auteurs notent que "les changements cardiaques observés pendant cette étude (10 - 15 jours), sont comparables aux changements obtenus au bout des 2- 3 mois d'entraînement conventionnel". A l'heure qu'iltest, néanmoins, il n'existe pas à notre connaissance des protocoles expressement concus pour optimiser vers le bas le pouls des para-sportifs moyennant le biofeedback pendant l'exercice autonome d'endurance en ambience naturelle, tel que le vélo, la course à pied, le canotage. L'induction acceléree de ltétat d'adaptation cardiovasculaire répercutant sur la performance et la tolérance (ou le plaisir) de l'effort dans l'immediat, et sur l'acquisition de la bradycardie athlètique dans un laps sensiblement moins long que par l'entraînement conventionnel - constitue la visée raisonnable, vu les ci-dessus, d'un pareil protocole. A l'égard des techniques de biofeedback cardiotachometrique (concernant le rythme cardiaque) en laboratoire, la plupart d'elles recourent à la modaliteR visuelle d'informer sur le pouls battement par battement de l'intéréssé (voir, par exemple, tous dans Biofeedback and Self-Requlation, Perski et Engel 1980, vol. 5, pp. 91-104; Goldstein et al., 1977, vol. 2, pp. 107-125; Blanchard et al., 1976, vol. 2, pp. 81-91, DeGood et Adam, 1976, voîl, pp. 373-385; Manuck, 1976, vol. 1, pp. 273-284) et parfois sur un niveau de référence permettant au sujet de mieux se situer (par exemple Perski et Engel, 1980, op. cit.). Néanmoins, cette modalité de biofeedback ne se prête pas à l'exercice naturel quand l'attention visuelle vis-a-vis du parcours vélo de la route publique ou sur le tracé parfois accidente de la course à pied est assez sollicitee. La modalite auditive, plus rare, a d'habitude la forme d'impulsion de type "bip" d'un ton fixe, au rythme cardiaque (voir, par exemple, Stern et Elder, Biofeed. Self-Rea. 1982, vol. 7, pp. 53-69; Bergman et Johnson, PsychoDhysiology, 1972, vol. 9, pp. 30-39); on fait mention, toujours dans la recherche expdrimentale de laboratoire, au ton d'une hauteur proportionnelle au pouls instantané et d'une durée soit egale à l'intervalle interbattements courant (Blanchard et Young, Journal of General Psycholoqv. 1972, vol. 87, 195-202) soit fixe et courte (ton-impulsion, voir par exemple Shapiro et al., Psvchosomatic Medicine, 1970, vol. 32, pp. 417-432). Enfin appareillage commercial offre biofeedback soit visuel du type numérique (l'intervalle interbattements converti en battements par minute - bat/min - et le résultat affiche), soit auditif du type bip à ton fixe, mais présente gabarit et poids inadaptés pour etre rapidement "oublié" par le sujet en tant qu'incommodite physique, quoique cet appareillage soit conventionnellement portable (voir, par exemple le TEMP/SC 200T decrit dans: Biofeedback and Self Requlation 1987, vol. 12, p. 335). Un "contrtleur cardiaque" distribué depuis peu en France (Notice technique, Elexis - Pulsmètre Super 1000, Chapak, Nimes, 1991) accomplit cette condition de micro-portabllit# tout en émettant un avertissement sonore a chaque franchissement du pouls-seuil inferieur ou superieur de ltécart d'entrainement optimal, pré-établi; bien qu'il soit capable d'afficher continuellement le pouls sur un #cran-montre au poignet ou moeme de délivrer des bips sonores au rythme cardiaque par la me#me montre, cet appareil est, a ltévidence, insuffisamment muni pour fournir un feedback cardiotachométrique efficace d'une manière continue à un sujet en plein effort, sous contrainte visuelle et seuil de perception auditive parfois élevé. Dans ce qui suit les termes de pouls battement par battement, pouls instantané et fréquence instantanée sont équivalents en désignant l'inverse d'un intervalle interbattements (ou intervalle RR), par différence du terme pouls moyen (ou moyenné), désignant le nombre moyen de battements du coeur [ e long d'un certain laps, même si l'unité de mesure est la même: bat/min.. La méthode selon invention permet de combler la lacune et de remédier aux inconvénients ci-dessus par ce que, selon une première caractéristique, une épreuve conventionnelle d'endurance d'une intensité/durée en accord avec les habitudes du sujet ou avec sa condition physique générale est établie et le pouls surveillé télémetriquement; ensuite une épreuve d'endurance standard a cycloergométre est établi en conformité avec les données recueillies auparavant; en se basant sur ces tests on établit la différence du pouls moyen du sujet sous examination vis-a-vis du pouls moyen du sportif de performance soumis au même effort, selon les données de litterature; cette différence va être effacée en étapes par une série de séances d'entraînement assisté par biofeedback comme il suit. La méthode et l'appareil selon l'invention, d'après une deuxieme caractéristique, présentent au sujet en exercice autonome d'endurance, par l'intermédiaire des écouteurs stéréophoniques, d'une part une impulsion-ton en rythme cardiaque, l'hauteur de ce ton étant proportionnelle à la fréquence instantanée du cycle cardiaque immédiatement précédent, et d'autre part une impulsion-ton à même rythme dont l'hauteur est constante et représente le pouls de référence a' atteindre et maintenir pendant la séance-étape en cours. L'appareil selon l'invention, d'après une troisieme caractéristique, utilise un compteur de battements et une montre en vue d'une comparaison post hoc entre le pouls moyen atteint pendant l'exercice et le pouls programmé comme référence; l'ampleur de la différence détermine l'ajustement de la référence pour la prochaine séance. Selon des modes particuliers de réalisation de l'appareil selon l'invention: - le calcul de la fréquence instantanée du cycle cardiaque peut être réalisé, à un facteur multiplicatif de dix, par le pilotage de la fréquence d'oscillation d'un circuit astable conventionnel pendant le palier d'une impulsion trapézoidale dont le front anterieur, de la forme d'une rampe non-lin#aire, se soit développé le long de l'intervalle RR justement conclu;; - la génération de l'impulsion trapézoidale peut etre réalisée à l'aide d'une logique analogique å transisteurs complémentaires autour d'un condensateur-mémoire aux faibles pertes, comportant un transisteur de chargement/mémorisation, un transisteur de lecture/changement de niveau et un transisteur pour le déchargement rapide (remise a zero) d'une durée définie par un circuit mono stable conventionnel; - les tons appliqués aux écouteurs stéréophoniques peuvent être générés directement à l'aide des deux circuits astables conventionnels dont les fréquences d'oscillation soyent pilotées par la fréquence instantanée du dernier cycle cardiaque moyennant l'impulsion trapézoidale ci-dessus décrite d'une part et par un ajustement potentiométrique établissant le ton de référence d'autre part;; - l'affichage en battements/minute du pouls instantané actuel ou du pouls de référence (selon la position d'un sélecteur de voies) peut oestre réalisé å l'aide de deux circuits conventionnels en cascade: un diviseur et un compteur/afficheur à trois décades, en partant des oscillations fournies par les générateurs ci-dessus décrits; - une seule impulsion rectangulaire déclanchée par l'onde R du signal ECG peut conduire Venchainement des fonctions analogiques et numériques ci-dessus décrites, à savoir: l'initialisation du palier de l'impulsion trapézoidale, l'autorisation de l'oscillation des deux génffrateurs de ton, le cyclage zéro (remise a zéro) St start (compte) - stop (affiche) du bloc diviseur/compteur/afficheur; en plus cette impulsion peut déclancher l'avance d'une unité du compteur de battements. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 illustre la partie instrumentale de la méthode sous la forme du sche'ma bloc de l'appareil selon l'invention. La figure 2 représente un schéma combiné bloc/principe, les détails de principe devant illustrer une réalisation de l'appareil selon l'invention. La figure 3 représente un diagramme des signaux afférents a' une réalisation de l'appareil selon l'invention. La figure 4 représente un diagramme de reglage du bloc de calcul de la frequence instantanée, afférent a une réalisation de l'appareil selon l'invention. En référence à ces dessins, l'appareil selon l'invention comporte, au niveau du schema bloc de la fig. 1, un module d'acquisition 20 destiné à l'amplification du signal ECG recueilli par des électrodes d'exercice dans une dérivation thoracique et également au conditionnement du signal pour séparer fiablement l'onde R du trace ECG. Le bloc formateur 30 assure la génération d'une impulsion rectangulaire déclanchée par le pique de l'onde R. Cette impulsion initialise le bloc de contrôle 40 chargé de la modulation de la fréquence d'oscillation du générateur 50 de telle manière qu'elle soit le multiple de dix de la fréquence instantanée en bat/min du cycle cardiaque dernièrement conclu. La me#me impulsion d'initialisation autorise l'oscillation du générateur modulé 50 ci-dessus et du generateur de référence 60 dont la fréquence d'oscillation fixe est ajustable d'une séance d'entrainement à la suivante. Les deux générateurs débitent dans les écouteurs stéréophoniques 70 permettant au sujet de comparer à la fin de chaque cycle cardiaque son pouls instantané avec la référence-model à atteindre, sous la forme des tons courts de hauteur différente; il est ainsi mis en oeuvre un systbme de feedback cardiotachométrique à double proportionnalité synérgique: par la cadence des tons relevant de la durée des cycles cardiaques (information distribuée) et par 1'hauteur du ton relevant de la fréquence cardiaque instantanée (information concentrée).Le bloc 80 assure le monitorage du pouls effectif (dans la position normale d'un sélecteur) ou du pouls de référence (pendant la mise au point précédant la séance). Le compteur/montre 90 fait le bilan du nombre total de battements et de la durée en minutes de la séance, dont le rapport est le pouls moyen pendant l'exercice, à comparer au pouls de référence afin d'établir l'ajustement de la référence pour la séance qui suit. Dans l'exposé construit autour de la fig. 2 pour détailler une réalisation préférée de l'appareil selon l'invention, les elements T sont transisteurs bipolaires à silicium, D sont diodes de signal à silicium, tandis que R sont résisteurs - tous de faible puissance. Le schéma combiné du fig 2 doit être examiné aussi par référence au diagramme des signaux - fig. 3. Dans cette réalisation la tension d'alimentation Vcc est de 5 V, la durée de l'impulsion d'initialisation est de 200 ms et la durée de l'impulsion de déchargement est de 40 ms. La fonction de mise en forme est accompliedans fig.2A par un circuit mono stable confentionnel, la l-ere moitié d'un circuit intégré double monostable de type 74123, qui fournit une impulsion rectangulaire à fonctionnalité multiple: initialisation du bloc de contre, autorisation des générateurs, cyclage du moniteur de pouls, avance du compteur de battements. Le bloc de contrôle comporte dans fig. 28 Un condensateur-mémoire C4 à tantal, cycle par le signal trapézoidale comme il suit: a) mémorisation sur la durée d'impulsion d'initialisation d'un potentiel de palier dépendant de l'intervalle RR immédiatement antérieur; b) déchargement rapide à l'aide des T42 et R45 pilotés par l'impulsion de déchargement fournie par un circuit mono stable 41 - la 2e moitié du cicuit intégré de type 74123 - déclanché à son tour par le front posterieur de l'impulsion d'initialisation; c) chargement en rampe non-line'aire à l'aide du générateur de courant constant T41-R41-R43-R44 amorti par le groupe D41-R42, les résisteurs sémiréglables R41 et R42 servant à la mise au point de la relation linéaire entre la fréquence cardiaque instantanée en bat/min et l'hauteur du ton asservi, conform#ment au diagramme de reglage de la fig. 4. Enfin, la lecture du potentiel de palier et son emplacement dans la plage de modulation quasi-linéaire en fréquence du générateur de ton asservi sont réalisés par les éléments T43, R46, D42, D43. Les générateurs 51 et 61 des fig. 2 B,C sont des circuits astables identiques, sauf le pilotage de la fréquence d'oscillation en provenance du bloc de contrôle pour le 51 et d'un ajustement potentiométrique pour le 61; ils sont développés d'une double base de temps monolithique du type 556 pour fournir oscillations de relaxation d'un facteur de remplissage proche de 50%, qui sont envoyées directement vers des écouteurs stéréophoniques prevus avec réglage individuel de volume Le moniteur de pouls 80 de la fig. 2C comporte un diviseur par 2 et un compteur/afficheur à 3 décades qui reconstituent le pouls instantané en bat/min après l'autorisation des générateurs pour 200 ms aura accompli une première division par 5. Le compteur totalisateur de battements à 5 décades et la montre solidaire à 4 chiffres tls - 100 min) sont lances et arretés manuellement par tastes zéro & start - stop, début et fin de la séance d'entrainement. A titre d'exemple non-limitatif, il est présenté le cas d'un adulte de 40 ans, sans plaintes cardiovasculaires et non-particulièrement entrainet (rares épisodes de jogging dans l'anamnèse), qui en test préliminaire réalise sur un parcours circulaire légèrement ondulé de 4,2 km un temps de 31 min contre un pouls moyen de 125 bat/min. L'épreuve au cycloergomètre indique, pour le meme profil du pouls, une puissance débitée de 100 W. Le pouls optimal de l'athlète pour la même puissance est de 95 bat/min (voir Blume G., 1975, op. cit.). On lui propose pour la première séance d'entramement à biofeedback "cardio-actif" - la référence de 110 bat/min, ce qu'il approche a 120 bat/min. Le biofeedback est implémenté par la réalisation préférée de l'appareil selon l'invention, se présentant comme deux micro-modules à 50 g chacun attachés au support des écouteurs. Le sujet est instruit d'essayer d'approcher le plus possible le ton variable - témoin de son pouls, du ton de référence - l'idéal athlétique, tout en préservant son rythme habituel de la course; en vue de cet objectif toute stratégie convenable relevant du style respiratoire, de l'imagerie mentale ou, simplement, de la "concentration" sur la modération du pouls est permise. Au bout de 5 séances sous la même référence, le sujet descend a 1l6 bat/min et son temps-parcours décroît 'a 29 min, ce qui détermine rajustement de la référence à 106 bat/min. Une séance a lieu sans biofeedback et, néanmoins, le pouls moyen se maintien à 120 bat/min (le soi-dit transfert). Apres 1 mois d'entraînement cardio-actif à raison de 4 séances par semaine, le pouls moyen se stabilise à 104 bat/min, contre une référence deja à 95 bat/min. L'indice synthétique d'effort en course de fond (vitesse moyenne * distance parcourue) progresse entre-temps de 34,1 a 42,3 km*km/h correspondant a' un temps-parcours de 25 min, tandis que le pouls basal (moyenné sur 3 minutes de repos en clinostatisme) évolue de 67 a 63 bat/min. Un sujet témoin d'âge et d'état d'entralnement comparables, A s'assumant le meme programme de course mais sans assistance de biofeedback, montre la progression suivante: pouls moyen 120-- > 116 bat/min; temps parcours: 30-- > 28 min; indice d'effort: 35,3-- > 37,8 km*km/h; pouls basal: 66 bat/min stationnaire. Ainsi, la méthode et l'appareil selon l'invention distillent des connaissances acquises par la recherche de psychophysiologie expérimentale, à l'aide d'un développement de génie biomedical, un moyen pratique - c'est a dire simple, d'une exploitation autonome après une implémentation assistée, utilisable dans la majorité des exercices d'endurance dans leur environnement naturel - pour rendre plus efficace, du point de vue de l'entretien, de la prévention ou de la réhabilitation cardiovasculaire, l'effort physique et psychique des "coureurs pour la santé", de plus en plus nombreux. REVENDICATIONS #) A#parell pour optimiser le pouls pendant l'exercice d'endurance caractérisé en ce qu'il comporte une épreuve conventionnelle d'endurance et un test standardisé au cycloergomètre pour objectiver l'excédant du pouls moyen du sujet non-entralné vis-a-vis du pouls optimal de l'athlète; cet excédant est ensuite minimisé par étapes d'entraînement autonome en conditions naturelles sous biofeedback cardiotachométrique comportant l'application par l'intermediaire des écouteurs stéréophoniques d'une part d'une impulsion-ton en rythme cardiaque, l'hauteur de ce ton étant proportionnelle à la fréquence instantanée du cycle cardiaque immédiatement précédent, et d'autre part une impulsion-ton au même rythme dont l'hauteur est fixe, représentant le pouls de référence à atteindre; en fonction de la réussite du sujet d'avoir approché son pouls moyen, compte a la fin d'une étape, du pouls de référence, la-dite référence est rajustée en bas pour l'étape suivante. 2) Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que le calcul de la fréquence instantanée du cycle cardiaque est réalisé, à un facteur multiplicatif de dix, par le pilotage de la fréquence d'oscillation d'un circuit astable conventionnel 51 pendant le palier d'une impulsion trapézoidale dont le front antérieur a la forme d'une rampe non-linéaire développée le long de l'intervalle RR justement conclu. 3) Appareil selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que la génération de l'impulsion trapézoidale est réalisée à l'aide d'une logique analogique à transisteurs complémentaires autour d'un condensateur-mémoire aux faibles pertes C4, comportant un transisteur de chargement/mémorisation T41, un transisteur de lecture/changement de niveau T43 et un transisteur T42 pour le déchargement rapide (remise a zero) d'une durée définie par un circuit mono stable conventionnel 41. 4) Appareil selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisE en ce que les tons appliqués aux écouteurs stéréophoniques 70 sont généres à l'aide des deux circuits astables conventionnels 51 et 61 dont les fréquences d'oscillation sont pilotées par la fréquence instantanée du dernier cycle cardiaque moyennant l'impulsion trapézoidale conforme à la revendication 2 d'une part, et par un ajustement potentiométrique d'autre part. 5) Appareil selon les revendications 1, 2, 3, et 4 caractérise' en ce que l'affichage en battements/minute du pouls instantané actuel ou du pouls de référence (selon la position d'un sélecteur de voies) est réalise à l'aide de deux circuits conventionnels en cascade 80: un diviseur et un compteur/afficheur a trois décades, en partant des oscillations fournies par les générateurs 51 et 61 conformément a la revendication 4. 6) Appareil selon les revendications 1, 2, 3, 4 et 5 caracterise en ce qu'une seule impulsion rectangulaire déclanchee par l'onde R du signal ECG conduit l'enchaînement des fonctions analogiques et numériques conformément aux revendications 2, 3, 4, et 5, à savoir: l'initialisation du palier de l'impulsion trapézoidale conforme a la revendication 2, l'autorisation de l'oscillation des deux générateurs de ton 51 et 61, le cyclage zéro (remise a zéro) & start (compte) - stop (affiche) du bloc diviseur/compteur/afficheur 80 et l'avance d'une unité du compteur de battements 90.