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Grâce à des développements technologiques récents, tels que le système de positionnement par satellites GPS (Global Positioning System) en mode différentiel on est maintenant capable de mesurer avec une grande précision non seulement le profil de vitesse de déplacement d'un sujet sur la terre mais aussi sa trajectoire en faisant totalement abstraction de la chronométrie classique. De plus, des capteurs accélérométriques miniaturisés permettent d'obtenir un complément d'information biomécanique utile (fréquence et longueur du pas, signature accélérométrique individuelle).Dans cet article, un exemple d'application de ces deux techniques à des sports tels que le ski alpin (descente ou Super G) et le sprint est présenté.La combinaison de plusieurs mesures physiologiques, cinétiques et biomécaniques permettra de mieux comprendre les facteurs endogènes et exogènes qui jouent un rôle dans l'amélioration des performances de l'homme.
La vitesse de course constitue un paramètre fondamental de la performance lors d'exercices dynamiques. Par exemple en athlétisme, dans le ski alpin et le ski de fond, pour le tennis ainsi que pour les sports d'équipes (football, rugby, etc.), la vitesse de déplacement, combinée à d'autres paramètres, joue un rôle considérable dans la performance.
La vitesse de course dépend de la consommation d'oxygène maximale (VO2 max) et de l'économie énergétique au cours de l'effort. Di Prampero et coll.1 ont exprimé l'effet combiné de ces deux variables dans une équation qui permet de calculer la vitesse de course maximale que l'on peut maintenir en conditions aérobies ; c'est le rapport entre la VO2 max et le coût énergétique de la course (exprimé par kg de poids corporel et par km de distance effectuée).
Par ailleurs, d'un point de vue biomécanique, l'estimation de la vitesse est utile pour calculer l'énergie cinétique (1/2 masse corporelle x vitesse au carré) ainsi que la quantité de mouvement (masse corporelle x vitesse).
Conconi et coll.2 ont développé un test d'effort effectué sur une piste d'athlétisme permettant d'estimer grossièrement le seuil anaérobie par des mesures continues de fréquence cardiaque à des vitesses croissantes du coureur. La vitesse du coureur est calculée par des mesures de chronométrie «segmentaire» à distances fixes (vitesse = distance/temps).
N'existerait-t-il pas d'autres méthodes de mesure de la vitesse du coureur plus conviviales, en continu et d'une grande précision ?
Ce système développé par les Américains offre la possibilité de repérer sa position (ainsi que sa variation de position) sur l'ensemble de la terre grâce à un réseau d'horloges atomiques satellitaires (cf. principe fig. 1). Le temps exact de parcours de l'onde radio entre les satellites et le récepteur terrestre mobile (porté par le sujet) est connu avec une grande précision. Connaissant la position et la trajectoire précise des satellites en orbite (éphéméride) ces deux informations (positions des satellites et temps de parcours au milliardième de seconde) permettent, par triangulation, de déterminer la position exacte du sujet sur terre.3
Lors d'une compétition de ski de descente (ou de Super G), les méthodes classiques de chronométrage par cellules photo-électriques ne donnent que quelques mesures ponctuelles de vitesse ou des moyennes sur de longs tronçons. Il est néanmoins utile pour l'entraîneur de connaître le profil de vitesse d'un skieur tout au long du parcours. L'utilisation du GPS permet d'enregistrer la vitesse en continu et d'obtenir un profil de vitesses instantanées sans avoir recours à la chronométrie. Ceci permet de préciser la vitesse du skieur dans les passages techniques critiques et la trajectoire de course. Ainsi nous saurons mieux comprendre les «secrets» du maître incontesté du ski de descente actuel (Herrmann Maier) en comparaison à ses adversaires !
De nouveaux récepteurs professionnels GPS apparus récemment sur le marché permettent, en mode différentiel, de mesurer cinq à dix fois par seconde la position d'un sujet avec une précision de l'ordre du centimètre.4
La figure 2 montre l'évolution de la vitesse instantanée d'un skieur de descente d'élite lors d'une compétition d'entraînement à Crans-Montana. Nous avons pu mesurer cinq fois par seconde les variations de vitesse avec une grande précision (incertitude de l'ordre de 0,02 km/h). De plus, la «ligne de course» du skieur peut être mesurée simultanément, ce qui permet de repérer de minimes écarts de trajectoire. L'entraîneur peut également comparer les profils de vitesses de plusieurs skieurs lors du même parcours et «diagnostiquer» dans quelle portion de la course les meilleurs ont fait la différence. Il peut également comparer visuellement le style de course tout au long du parcours par analyse vidéographique en utilisant la technique de superposition d'images développées par le Pr Vetterli de L'EPFL (laboratoire de communication audiovisuelle), commercialisée par la firme helvétique «In Motion Technology».
Finalement, en combinant le DGPS avec l'accélérométrie tridimensionnelle (cf. plus loin), les variables suivantes sont susceptibles d'être mesurées lors d'une course : vitesse de propulsion au départ, temps de contact ski/neige, durée de la phase aérienne (saut), accélérations latérales, vitesses dans les virages (à l'entrée versus sortie des virages), ligne de course, trajectoire exacte du skieur dans les parties techniques par rapport aux mouvements du terrain, variations de la vitesse en fonction du dénivelé et de la phase aérienne, changements d'appuis et distance totale parcourue pendant la course.
Le principal inconvénient de la technologie GPS réside dans la perte des signaux satellitaires lorsqu'une forêt dense limite la visibilité de plusieurs satellites. Lorsque l'accès à un minimum de quatre satellites n'est plus assuré, une méthode appelée «Dead reckoning» (navigation à l'estime) fondée sur des algorithmes de prédictions (basés sur d'autres mesures non satellitaires) permet d'estimer la trajectoire ainsi que la vitesse mais d'une manière plus grossière.5.6Notons que les récepteurs de haute précision pèsent 2-3 kg (sac de montagne) et requièrent une antenne de réception GPS d'au moins 10 cm de diamètre fixée au casque (fig 2). Nos projets futurs consisteront en une miniaturisation de l'équipement et une intégration ergonomique de l'antenne au casque de descente.
Pour chaque coureur, une information importante serait de pouvoir déterminer la distribution statistique de la vitesse lors d'un parcours standard (vitesse moyenne et médiane, étendue (range) de la distribution, vitesse minimale et maximale, effet de la pente sur la variation de vitesse), ce qui permettrait de caractériser les performances individuelles du coureur et de comparer les caractéristiques de son profil à celui de son concurrent doué d'une performance supérieure.
Un accéléromètre portable est constitué par un mini-senseur piézo-électrique sensible à la variation de vitesse. Petits, peu coûteux et fiables, ces capteurs peuvent être utilisés pour évaluer le degré d'activité physique de l'homme,7 en enregistrant les déplacements engendrant des accélérations antéro-postérieures et verticales. On peut aussi obtenir des données sur la biomécanique et l'énergétique de la locomotion.8,9
La figure 3 illustre l'utilisation d'un accéléromètre tri-axial placé dans la région lombaire pour mesurer certaines caractéristiques biomécaniques de base (nombre de pas) lors d'une série de sprints chez des sportifs amateurs.
La créatine est une substance ergogénique qui améliore potentiellement les performances anaérobiques du sportif. Son effet sur l'explosivité, sur la vitesse de pointe et la fatigue est bien connu.10
Cependant, l'origine biomécanique de l'amélioration des performances lors d'un sprint demeure, à notre connaissance, inconnue. Le but d'une de nos études a été d'évaluer si l'augmentation de la performance anaérobie (sprint court) faisant suite à une prise de créatine (20 g/jour pendant une semaine) était due à une augmentation de la fréquence de pas, de la longueur de la foulée ou des deux simultanément.11 Dans ce protocole, la vitesse moyenne de course a été déterminée par chronométrie et non pas par DGPS pour des questions ergonomiques. La fréquence de pas moyenne a été calculée par une transformation de Fourier du signal accélérométrique. Cette étude a montré, pour la première fois, que l'amélioration de la performance consécutive à la prise aiguë de créatine est due à une augmentation significative (même si elle est faible), de la fréquence de pas en moyenne de 1,5% par rapport au placebo plus qu'à une augmentation de longueur de la foulée. Ces résultats sont à mettre en parallèle avec ceux récemment publiés par Van Leemputte et coll.12 qui ont montré «in vivo» que la créatine diminuait le temps de relaxation musculaire.
Notons que, grâce à des récepteurs GPS professionnels de très haute précision utilisés en topométrie, il est maintenant possible d'analyser la biomécanique de la marche libre en dehors du laboratoire (fréquence de pas, élévation du centre de gravité, vitesse et sa variation au cours du cycle de marche) ; ceci peut s'accomplir grâce à une fréquence d'échantillonnage élevée (dix mesures de positionnement dans les trois axes et de vitesse par seconde) ; toutefois le manque de miniaturisation et l'encombrement actuel de ces systèmes ne permettent pas de les utiliser, jusqu'à présent, pour calculer le travail mécanique lors de déplacements rapides (sprint).
Le profil d'accélération d'un sportif lors d'un effort d'endurance ou de type anaérobie (sprint) permet d'obtenir la «signature» du style de course. Par ailleurs, des paramètres biomécaniques de la locomotion (nombre de pas et fréquence de la foulée) peuvent être obtenus dans des conditions réelles, en s'affranchissant du tapis roulant qui peut subtilement modifier le style du coureur, et qui n'est pas utilisable pour le sprint.
Finalement, cette méthode permet aussi de quantifier l'intensité, la durée et la fréquence des efforts physiques (ainsi que de déterminer les périodes d'immobilité liées à une phase de récupération) pour des sports individuels (tennis) ou d'équipe (football, basket, etc.).
La combinaison de différents capteurs permet d'étudier l'énergétique de la locomotion humaine hors du laboratoire pendant une marche non contrainte.4 La figure 4 illustre les différentes informations que l'on peut obtenir en combinant la détermination de la dépense énergétique par calorimétrie indirecte (Cosmed K4b2),13 le positionnement satellitaire DGPS (Leica 500) et l'accélérométrie tridimensionnelle.8,14 Des sujets ont été testés lors de cinq épreuves de marche à différentes vitesses pendant lesquelles la consommation d'oxygène a été mesurée. A partir du signal accélérométrique on peut calculer la longueur du pas par combinaison avec les données de vitesse mesurées par GPS (longueur = vitesse/fréquence).
Cette approche permet d'explorer les adaptations biomécaniques et physiologiques de l'athlète (en termes de variations de vitesses, longueur et fréquence de pas) ainsi que les adaptations à différentes conditions (fatigue, pente et nature du terrain).
De plus, comme le montrent les données brutes (partie inférieure de la fig. 4), l'amplitude de l'accélération du corps lors de la marche est bien corrélée à la vitesse de déplacement.5 Il est donc possible d'utiliser l'accélérométrie lors de l'absence du signal GPS.
Finalement, la combinaison de différents capteurs couplés à la calorimétrie indirecte portable, permet, dans des conditions réelles de course, de calculer les relations entre la vitesse de course (mesurée par GPS différentiel15,16), la fréquence et la longueur du pas (mesurées par accélérométrie14) ainsi que l'oxydation des lipides et des glucides (mesurée par calorimétrie indirecte13). Les variations du coût énergétique et de l'oxydation des substrats peuvent être obtenues non seulement en fonction de paramètres cinétiques mais encore en fonction de paramètres géographiques (pente mesurée par DGPS couplé à l'altimétrie).4
En conclusion, c'est dans le but d'élargir les moyens mis à disposition des athlètes et de leur entraîneur que nous proposons de développer un véritable outil d'entraînement, c'est-à-dire un système intégré de mesures, portable léger et compact, qui combine DGPS/accélérométrie/fréquence cardiaque mesurés en continu (fig. 5). L'accent est mis sur la possibilité d'effectuer toutes les mesures cinétiques sur le lieu d'entraînement lui-même. Cette démarche offre la possibilité d'obtenir des informations objectives sur la performance d'un grand nombre de sportifs simultanément, de faciliter les séances de mesures et d'analyser les performances le jour même «in situ».
Dans le domaine du ski de compétition, il permettra d'obtenir une meilleure connaissance des facteurs endogènes et exogènes influençant le profil de vitesse de course lors d'une descente : influence du morphotype et de la composition corporelle du skieur, du type et des caractéristiques des skis, du type de fart, de la combinaison de ski, des conditions d'environnement, etc. C'est véritablement la conception d'une nouvelle stratégie d'entraînement permettant d'optimaliser la vitesse tout au long du parcours grâce à l'analyse objective de l'intégralité de la course juste avant la compétition réelle.