Épreuves isocinétiques de résistance à la fatigue

Lett. Méd. Phys. Réadapt. (2013) 29:54-58
DOI 10.1007/s11659-013-0353-4
DOSSIER
ARTICLE ORIGINAL / ORIGINAL ARTICLE
Épreuves isocinétiques de résistance à la fatigue
Isokinetic fatigue resistance tests
J.-L. Croisier · L. Bosquet · D. Maquet · J.-F. Kaux · F. Delvaux · J.-M. Crielaard · B. Forthomme
© Springer-Verlag France 2013
Résumé En complément aux épreuves classiques évaluant la
force musculaire maximale, l’isocinétisme permet l’exploration de la fatigue musculaire. L’utilisation clinique des épreuves de résistance à la fatigue reste actuellement plus confidentielle. Une mise au point méthodologique préalable s’impose.
L’élaboration de protocoles devra prendre en considération la
qualité de reproductibilité et la spécificité physiologique. Le
choix des paramètres caractérisant la fatigue et l’obtention de
valeurs de référence constituent également une étape indispensable. Les conséquences en particulier cardiovasculaires
de telles épreuves ne pourront être négligées.
Mots clés Isocinétisme · Fatigue · Méthodologie · Genou ·
Épaule
Abstract In addition to classic tests assessing the maximum
muscular strength, isokinetics enables muscle fatigue to be
investigated. The clinical use of fatigue resistance tests currently remains confidential. A preliminary update of the
methods is essential. Development of protocols should take
into account the quality of reproducible results and physiological specificity. The selection of parameters characterising fatigue and obtaining reference values are also essential
stages. Consequences, in particular cardiovascular complications, of these tests should also be considered.
Généralités
L’évaluation isocinétique des performances musculaires
concerne classiquement la qualité de force maximale. Après
échauffement et familiarisation, les protocoles concernent le
mode de contraction concentrique à différentes vitesses et
parfois le mode excentrique. Les séries comportent peu de
répétitions (classiquement trois à cinq selon la vitesse angulaire et le mode de contraction) et le temps de repos entre
deux séries successives de contractions atteint au moins une
minute. Ces précautions méthodologiques visent à obtenir
une exploration spécifique de la filière anaérobie alactique,
en évitant l’interférence de la fatigue.
L’outil isocinétique peut également contribuer à l’évaluation d’autres qualités musculaires : l’accroissement suffisant
de la durée de l’exercice permettra d’aborder la filière anaérobie lactique et fournira des indicateurs relatifs à la fatigue
musculaire [1]. Cependant, les protocoles visant à explorer
cette qualité restent d’une utilisation plus confidentielle
en pratique clinique. Parmi les motifs possibles, nous
mentionnons :
•
•
Keywords Isokinetics · Fatigue · Methodology · Knee ·
Shoulder
J.-L. Croisier (*) · D. Maquet · F. Delvaux · B. Forthomme
Kinésithérapie, département des sciences de la motricité,
université et CHU de Liège, ISEPK, B21,
4, allée des Sports, B-4000 Liège, Belgique
e-mail : [email protected]
L. Bosquet
Laboratoire MOVE (EA 6314), université de Poitiers-VIII,
allée Jean-Monnet, F-86000 Poitiers, France
J.-F. Kaux · J.-M. Crielaard
Médecine physique, département des sciences de la motricité,
université et CHU de Liège, CHU Sart-Tilman, B35,
B-4000 Liège, Belgique
•
•
le manque d’études scientifiques validant un protocole ou
établissant la reproductibilité des paramètres mesurés et
calculés ;
l’absence de valeurs de référence et de « limites » de normalité, compliquant l’interprétation des résultats sur le
plan clinique : tel patient ou tel sportif présente-t-il un
profil normal ou anormal ;
la méconnaissance de ses conséquences sur le plan
cardiovasculaire ;
le caractère très spécifique d’une telle épreuve : quelles
activités quotidiennes, professionnelles ou sportives exigent des contractions musculaires maximales consécutives durant 30 à 60 secondes ?
L’élaboration d’une épreuve destinée à apprécier la fatigue musculaire nécessite une réflexion quant à la durée de
l’exercice et à sa pénibilité. L’épreuve doit induire une fatigue suffisante, permettant une quantification objective et une
mesure discriminante. Elle doit cependant éviter que le
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facteur « motivation » ne devienne prépondérant et n’interfère avec les composantes physiologiques (ainsi une durée
excessive pourrait constituer un biais).
La conception d’un protocole utilisant le dynamomètre
isocinétique peut différer :
•
•
•
le mode de contraction isométrique permet l’exploration
d’un groupe musculaire donné. Soit le sujet maintient une
contraction maximale, qui décroît progressivement jusqu’à un seuil prédéterminé ; soit il maintient le plus longtemps possible une intensité sous-maximale prédéterminée (intérêt du feed-back visuel sur l’écran). Pour de
nombreux groupes musculaires, les conditions statiques
restent cependant éloignées de la réalité fonctionnelle et
de la gestuelle sportive ;
en conditions dynamiques, l’exercice peut concerner les
modes de contraction concentrique et excentrique. Certains groupes musculaires jouant un rôle frénateur lors de
gestes sportifs spécifiques pourraient bénéficier d’une
exploration de la résistance à la fatigue en mode excentrique. D’autant plus que ce mode de contraction, parfois
combiné aux phénomènes de fatigue, participe à l’étiopathogénie lésionnelle (des muscles ischiojambiers par
exemple) [2,3]. Le mode excentrique apparaît cependant
particulier par les DOMS (delayed onset muscle soreness,
signifiant douleurs musculaires d’apparition retardée)
qu’il induit dans le cadre de protocoles intenses et prolongés [4]. De telles épreuves isocinétiques excentriques prolongées paraissent pertinentes dans le but d’étudier les
mécanismes physiopathologiques sous-jacents aux DOMS
[5]. L’apparition des DOMS, bien que de disparition spontanée, reste cependant problématique sur le plan clinique
par les gênes fonctionnelles et les possibles inhibitions
résiduelles qui peuvent entraver, durant quelques jours,
les programmes de rééducation et/ou d’entraînement ;
en pratique clinique, les protocoles destinés à explorer la
fatigue musculaire retiennent plus régulièrement le mode
de contraction concentrique. Ces protocoles impliquent
régulièrement les muscles agonistes et antagonistes (par
exemple : quadriceps et ischiojambiers) au cours d’une
même épreuve qualifiée de réciproque. Il ne semble pourtant
pas exister de réel consensus dans la définition des modalités
optimales du protocole concentrique [6–11]. La plupart des
auteurs privilégient des vitesses rapides (180 à 300/s) ; les
vitesses lentes paraissent plus pénibles dès le début de
l’exercice, impliquant davantage le facteur « motivation »
pour la poursuite de l’exercice. Sur le plan fonctionnel, le
choix de vitesses plus rapides semble également justifié.
Par ailleurs, l’exploration de la filière anaérobie lactique
impose une durée d’exercice d’au moins 20 à 30 secondes,
et il semble judicieux que le protocole induise un décrément
de performances suffisant. Un compromis devra donc s’établir entre vitesse angulaire et nombre de répétitions.
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Alors que les épreuves isocinétiques courtes retiennent
souvent le paramètre « moment de force maximum »
(MFM), les épreuves de résistance à la fatigue s’intéressent
également au paramètre « travail » (W). Le W correspondant
à l’intégration de la surface sous la courbe, l’utilisateur veillera à rigoureusement standardiser l’amplitude du mouvement (par exemple : 100 de débattement pour le mouvement
de flexion–extension du genou).
Nous abordons, aux points suivants, des aspects spécifiques relatifs à l’application au genou et à l’épaule.
Application au genou
L’étude de Bosquet et al. [12] concerne la méthodologie, en
particulier la qualité de reproductibilité (paramètres mesurés
et calculés) et l’influence de la durée de l’exercice (nombre
de répétitions).
L’analyse au sein d’une population masculine sédentaire
saine permet les observations suivantes :
•
•
•
•
•
reproductibilité relative ou absolue ne différant pas entre
les paramètres MFM et W pour l’évaluation de la performance cumulée (ou moyenne) lors d’une épreuve de résistance à la fatigue ;
la reproductibilité du paramètre W total (Wtot) cumulé
apparaît peu influencée par la durée du protocole (20 à
50 répétitions maximales) pour le quadriceps ;
un effet d’apprentissage apparaît par contre au niveau des
ischiojambiers entre 30 et 50 répétitions. Ce phénomène
est illustré par une augmentation significative du Wtot
cumulé entre le premier et le troisième test (analyse sur
30, 40 et 50 répétitions) ainsi qu’entre le premier et le
deuxième test (analyse sur 50 répétitions) ;
la reproductibilité paraît similaire pour les différents indicateurs de fatigue construits dans cette étude (index,
décroissance et pente) et de meilleure qualité au quadriceps qu’aux ischiojambiers ;
en plus de la qualité de reproductibilité des paramètres, le
choix de la durée du protocole de résistance à la fatigue au
genou (nombre de répétitions) doit prendre en considération la spécificité de la mesure. Sur le plan de la réponse
physiologique à un exercice maximal, la contribution aérobie s’accroît exponentiellement dès les premières secondes
et devient prépondérante après 60 à 70 secondes d’exercices [13]. Au-delà de 45 à 50 secondes d’un effort maximal,
une modification de la performance devient difficile à interpréter, pouvant provenir de la capacité anaérobie, de la
capacité aérobie ou des deux processus combinés. Il faut
également tenir compte de l’effet d’apprentissage démontré
lors du test au niveau des ischiojambiers [12], confirmé par
Impellizzeri et al. [14]. Dès lors, un protocole basé sur
30 répétitions concentriques maximales de flexion–
56
•
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extension du genou à la vitesse de 180/s (durée d’épreuve
de l’ordre de 40 secondes) devrait représenter un compromis adéquat entre reproductibilité et spécificité physiologique. Notons par ailleurs que l’étude de Bosquet et al.
[12] porte exclusivement sur des sujets sains. Dans un
contexte pathologique, les facteurs motivation et sensations nociceptives pourraient compromettre la reproductibilité des mesures en cas d’exercice prolongé au-delà de
30 répétitions ;
au cours d’une épreuve de résistance à la fatigue, la vérification du développement de la performance maximale
dès le début de l’épreuve (au moyen de l’information
visuelle sur l’écran) s’impose. Cela contribue certainement à la reproductibilité satisfaisante de l’index de fatigue de type « moyenne 3 dernières répétitions/moyenne
3 premières répétitions ». Les cliniciens en charge de telles épreuves de résistance à la fatigue ne restent parfois
pas suffisamment vigilants. Sur le plan pratique, lorsqu’on observe une majoration de la performance au-delà
de la troisième répétition, nous recommandons d’interrompre l’évaluation, d’accorder deux minutes de récupération (en réexpliquant le principe de l’effort maximal
immédiat), avant de relancer un nouveau test. Tenant
compte d’un possible biais, l’index de fatigue pourrait
aussi prendre la forme suivante : « moyenne 3 dernières
répétitions/W maximal (Wmax) ».
Application à l’épaule
Quelques auteurs suggèrent un protocole adapté au
complexe de l’épaule [15–17], mais aucun consensus
n’apparaît quant aux modalités de ces tests. Les points
communs entre ces études concernent les groupes évalués
(les rotateurs internes [RI] et externes [RE] de l’épaule) et
la position sur le dynamomètre (décubitus dorsal, bras à
90° d’abduction [Abd] frontale). Ellenbecker et Roetert
[16] utilisent 20 répétitions d’intensité maximale à 300/s en
mode concentrique. Chandler et al. [15] fatiguent des
joueurs de tennis avec 15 répétitions à 300/s en concentrique. Dans le but de comparer la fatigue induite par des
modes de contraction différents, Mullaney et McHugh [17]
fatiguent, pendant 3 × 32 répétitions à 120/s, les rotateurs
d’épaule en concentrique pour un bras et excentrique pour
l’autre.
Le choix des paramètres mesurés (MFM, Wmax, W
cumulé) et calculés reste également inconstant. Les indices
de fatigue calculés se construisent régulièrement par le rapport
entre la moyenne du moment de force fourni par les cinq
dernières répétitions et les cinq premières [17] ou le ratio du
travail moyen fourni lors des dix dernières répétitions rapporté au travail moyen développé lors des dix premières [16].
Forthomme et al. [18] ont étudié en particulier la reproductibilité et l’influence du positionnement articulaire
(45 versus 90° Abd d’épaule) au sein de populations sédentaires saines masculine et féminine. Le protocole concentrique consiste en 30 répétitions maximales à la vitesse de
180/s, sur une amplitude constante de 120° de rotation. En
complément des paramètres classiquement mesurés, différents index de fatigue ont été établis, rapportant les moyennes des trois ou cinq dernières répétitions (M3D et M5D)
aux moyennes des trois ou cinq premières (M3P et M5P)
ou au Wmax. Cette étude fournit les informations suivantes :
•
•
•
les paramètres Wmax et Wtot peuvent être considérés
comme globalement reproductibles ;
les index de fatigue M3D/M3P et M5D/M5P apparaissent
régulièrement moins reproductibles que l’index M3D/
Wmax. Il est donc suggéré de conserver ce dernier index,
dont il faudra également définir le pouvoir discriminant
dans des contextes pathologiques ;
la position d’Abd (45 ou 90°) modifie peu la reproductibilité des paramètres sélectionnés. Le choix de la position
dépendra davantage du type de population étudiée :
90° d’Abd reste plus spécifique du geste sportif, 45° d’Abd
s’adressant davantage aux populations pathologiques [19].
En effet, des tests cliniques et une mesure dolorimétrique
(douleur à la pression) ont montré dans un travail préliminaire [20] une sensibilité des muscles de l’épaule et des
tendons de la coiffe majorée après l’évaluation à la fatigue
dans la position de 90° d’Abd. La sensibilité musculaire
sur le grand pectoral reste par ailleurs objectivable par la
dolorimétrie jusqu’à deux jours après l’évaluation à 90° et
normalisée sept jours après l’épreuve [20].
Dans l’analyse des résultats des RI, nous n’observons pas
d’influence de la position (45 ou 90° d’Abd) sur les paramètres Wtot, Wmax et index de fatigue pour les femmes et
les hommes. Par contre, des valeurs plus élevées sont mesurées pour les RE à 90° par rapport à 45° d’Abd chez les
femmes (Wmax, Wtot) et chez les hommes (Wmax). Cette
augmentation du potentiel musculaire maximal des RE à
90° d’Abd concerne également le paramètre moment de
force maximal [21]. L’association du test isocinétique à
l’électromyographie de surface confirme d’ailleurs une
plus grande activité musculaire de la coiffe postérieure dans
cette position (résultats non publiés). De façon originale,
les RE des hommes présentent un index de fatigue de 0,55
à 45° Abd et de 0,51 à 90° Abd sur le bras dominant, cette
dernière position semblant refléter davantage une fatigabilité
majorée de la coiffe postérieure. Cette fatigue semble perdurer dans le temps. Dans un travail préliminaire, nous avons
mesuré les conséquences sur le Wmax développé deux à
sept jours après une évaluation de résistance à la fatigue
[20]. Une diminution du Wmax développé par les RE apparaît encore deux jours après le test à 90° d’Abd [20]. Cette
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particularité de fatigabilité de la coiffe postérieure observée
pour les sédentaires se retrouve chez les sportifs « asymétriques ». En effet, deux études sur des joueurs de tennis
[15,16] indiquent une différence significative de fatigabilité
entre RI et RE, les RE ayant une résistance moindre à la
fatigue.
Conséquences des épreuves de fatigabilité
Aspects cardiovasculaires
L’épreuve isocinétique de résistance à la fatigue, bien que
localisée à des groupes musculaires spécifiques, s’exécute
à intensité maximale et apparaît de durée relativement prolongée. Il semble judicieux de s’interroger sur les sollicitations cardiovasculaires induites par le protocole, afin d’en
définir plus objectivement d’éventuelles contre-indications.
La fréquence cardiaque (FC) a ainsi été enregistrée en
continu au moyen d’un cardiofréquencemètre (Polar), lors
d’un protocole expérimental appliqué au genou [1]. Au sein
d’une population masculine jeune sans antécédent pathologique, lors du test unilatéral appliqué à la jambe dominante,
nous exprimons la FC en pour cent de la FC maximale théorique (FCMT : 220 — âge en années). Ainsi au départ de
l’épreuve, après échauffement en dehors et sur le dynamomètre, la FC se situe à 53 % de la FCMT. L’augmentation de
FC au cours de l’épreuve apparaît très significative : dès la
20e répétition, la FC atteint 83 % de la FCMT. Après 50 répétitions, nous observons une FC équivalant à 87 % de la
FCMT. Les sujets, restant assis et immobiles sur le dynamomètre isocinétique, se situent à 58 % de la FCMT deux minutes après l’arrêt de l’exercice.
Ces résultats représentent un argument supplémentaire
pour limiter l’épreuve concentrique maximale à 30 répétitions à la vitesse de 180/s pour les fléchisseurs–extenseurs
du genou. L’âge du patient et ses éventuels antécédents sur
le plan cardiovasculaire seront pris en considération. Des
examens cardiovasculaires préalables seront parfois nécessaires avant l’application d’un protocole isocinétique de
résistance à la fatigue.
57
maximales de flexion–extension du genou à la vitesse angulaire de 180/s, nous avons étudié la cinétique d’apparition de
la CPK chez des sujets sains [23]. Il s’agissait de huit sujets
féminins et de neuf sujets masculins, de 20 à 30 ans, sédentaires ou sportifs de loisir. Aucun ne rapportait d’affection
neuromusculaire ou dégénérative, ni d’antécédent traumatique aux membres inférieurs. Ces sujets devaient éviter tout
effort physique et activité inhabituelle durant les 72 heures
précédant l’épreuve isocinétique ainsi que jusqu’à la fin de
l’expérimentation (72 heures postexercice).
Comparativement aux valeurs prétest (respectivement
113 ± 60 UI/l et 77 ± 16 UI/l pour les hommes et les femmes), le protocole isocinétique concentrique induit une augmentation significative des valeurs de CPK, qui deviennent
maximales à la 24e heure (respectivement 330 ± 226 Ul/l et
136 ± 46 UI/l pour les hommes et les femmes). À la 48e heure
postexercice, l’activité sérique CPK reste supérieure à la
valeur dosée avant l’exercice. De façon originale, les valeurs
CPK demeurent significativement inférieures dans la population féminine comparativement aux sujets masculins entre
la 24e heure et la 72e heure postexercice. Les effets induits
par le protocole concentrique restent homogènes dans la
population féminine : les écarts-types sont relativement
réduits et aucun sujet ne dépasse 212 UI/l à la 24e heure.
La réaction apparaît plus hétérogène dans la population masculine : écarts-types élevés et valeurs individuelles atteignant
parfois 800 UI/l à la 24e heure. Cette observation, portant sur
l’effort concentrique au sein d’une population masculine,
ramène au concept de high and low responders décrit pour
l’exercice excentrique [5].
Si nous restons très éloignés des valeurs induites par
l’exercice excentrique, nous retiendrons cependant l’augmentation significative de l’activité sérique de CPK au terme
de l’épreuve concentrique de résistance à la fatigue appliquée au genou.
Conflit d’intérêt : les auteurs déclarent ne pas avoir de
conflit d’intérêt.
Références
Microlésions musculaires
La littérature indique, lors d’exercices isocinétiques excentriques intenses et prolongés, des valeurs de créatine-kinase
(CPK, considérée comme marqueur indirect de dommages
musculaires) parfois très élevées [22], éventuellement supérieures à 30 000 UI/l.
Nous pouvons nous interroger, sur le plan des microlésions induites au niveau musculaire, quant aux conséquences
d’une épreuve concentrique de résistance à la fatigue. Ainsi,
pour un protocole bilatéral de 30 contractions concentriques
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