Second-Order Modeling for the Oxygen Uptake Kinetics in Humans

La consommation d'oxygène (V ̇O2) est une mesure physiologique qui représente le taux avec lequel un individu extrait, transporte et utilise l'oxygène de l'environnement.L'étude de la cinétique du V ̇O2 en réponse aux variations de l'intensité de travail physique (WR) peut fournir des informations précieuses sur la fonction métabolique d'un individu, dans la mesure où elle reflète la fonctionnalité et l'interaction de différents systèmes de l'organisme, tels que les systèmes cardiovasculaire, respiratoire et neuromusculaire.Outre son utilité dans la compréhension de la physiologie du corps humain, l'analyse de la cinétique du V ̇O2 représente un levier important dans l'évaluation de la condition physique et la détection des pathologies.La pertinence des résultats de cette analyse dépend fortement du modèle adopté.Datant du début des années 1970, le modèle Multi-Exponentiel du Premier Ordre (FOME) reste l'état de l'art pour la modélisation de la réponse du V ̇O2 à l'entrée échelon positive de la WR.Bien que les deux ou trois exponentielles du premier ordre du modèle FOME décrivent bien les trois phases typiques de la réponse du V ̇O2 à l'entrée échelon, elles restent incapables de modéliser l'oscillation connue comme le dépassement (ou l'overshoot) dans la cinétique du V ̇O2 (OV ̇O2K) au cours de la phase II dans certains cas.Ce patron de dépassement, très commun aux courbes du second ordre, peut être utilisé par le modèle FOME seulement en ajoutant un terme additionnel de dépassement à sa composante fondamentale.Néanmoins, cette approche est dépourvue de l'aspect physiologique et augmente le nombre de paramètres de courbe du modèle.De plus, la modélisation du premier ordre du OV ̇O2K pourrait mener à des évaluations erronées pour des indicateurs physiologiques importants comme le déficit en O2, la constante de temps et l'amplitude de la composante fondamentale.Un autre phénomène, « la composante lente du V ̇O2 », appelée dans ce travail de recherche l'augmentation lente de la cinétique du V ̇O2 (V ̇O2SA), nécessite aussi l'ajout d'un terme additionnel au modèle FOME pendant la phase III de la réponse du V ̇O2.Dans ce cas, le terme ajouté présume la théorie d'un délai de recrutement additionnel des fibres musculaires de type II.Grace à ce délai, le recrutement survient seulement au « début » du V ̇O2SA, même avec une WR constant.De plus, l'ajout de la composante lente du premier ordre est limité aux transitions des vi intensités supra-modérées, où la V ̇O2SA est présente.Pour cela, le concept d'un modèle unique de cinétique du V ̇O2 pour l'ensemble du spectre de WR n'est pas pris en charge par le modèle FOME.Avec l'objectif de développer et implémenter un modèle de la cinétique du V ̇O2 pour les humains qui serait capable de représenter les réponses à l'entrée échelon positive de l'exercice pour n'importe quelle WR et indépendamment de la présence du OV ̇O2K ou de la V ̇O2SA, deux modèles basés sur les courbes du second ordre sont proposés.Outre les résultats de la littérature scientifique, les données collectées pour cette étude à partir de tests de cyclergométrie avec 14 cyclistes et triathlètes bien entraînés sont utilisées pour l'appui mathématique et conceptuel des modèles proposés.Dans le premier modèle, le Mixed Multi-Exponentiel (MiME), la composante fondamentale du modèle FOME, responsable de la forme de la phase II de la réponse du V ̇O2 à l'échelon, est remplacée par une courbe du second ordre.Ainsi, au lieu de « corriger » la courbe du premier ordre dans le cas d'un OV ̇O2K, le modèle MiME présente sa réponse de dépassement comme une possibilité parmi d'autresles courbes de non-dépassement habituelles comprisesreprésentées à partir d'une simple adaptation des paramètres de courbe du second ordre.Pour le deuxième modèle proposé, le terme additionnel avec un délaiutilisé pour représenter la V ̇O2SA dans les modèles FOME et MiMEsera supprimé.Ce modèle, construit à partir de deux composantes simultanées du second ordre (SOSC), va représenter la réponse du V ̇O2 indépendamment de la présence du OV ̇O2K ou de la V ̇O2SA.Contrairement au modèle MiME, ces différentes formes de courbe peuvent être réalisables dans la dynamique SOSC tout simplement au moyen de la modification des paramètres internes du modèle.Ainsi, l'ajout d'un terme complémentaire n'est pas nécessaire et la structure du modèle reste qualitativement inchangée pour toutes les transitions échelon de WR.La dépendance continue entre les amplitudes des composantes du modèle SOSC et la WR permet non seulement d'éliminer le problème de discontinuité présenté par le FOME et le MiME dans la transition des intensités modérées à supramodérées, mais aussi de réinterpréter d'importants concepts physiologiques, tels que le seuil d'accumulation de lactate, la puissance critique et l'état stable maximal de lactatémie.De plus, la dynamique du SOSC permet des notions alternatives concernant les patrons du recrutement des fibres musculaires supplémentaires pendant l'exercice.Ce recrutement supplémentaire des fibres, bien que non nécessairement refusé, n'est plus obligatoire dans le modèle SOSC.vii Enfin, les résultats issus de la comparaison entre la racine des erreurs quadratiques moyennes des courbes du modèle démontrent une performance d'ajustement globale nettement meilleure du SOSC par rapport au MiME et de ces deux derniers modèles par rapport au modèle FOME.Ainsi, compte tenu des résultats des analyses statistiques et conceptuelles issus de ce travail de recherche, le modèle MiME et, surtout, le modèle SOSC représentent des alternatives cohérentes et complètes pour l'amélioration de la modélisation de la cinétique du V ̇O2 chez les humains.viii

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