Capteurs de gaz et analyse de la respiration : quel compromis ?

L’analyse des échanges gazeux – VO₂, VCO₂, ventilation – est aujourd’hui la référence pour comprendre la physiologie de l’effort, déterminer les seuils ventilatoires et personnaliser l’entraînement. Pourtant, le marché propose des approches technologiques très contrastées : d’un côté, des systèmes lourds, complexes, coûteux mais extrêmement précis ; de l’autre, des dispositifs beaucoup plus abordables et plus simples mais dont la précision reste limitée.

Dans ce sujet, on parle qualité de données, compromis et pourquoi chez PAIRFS on a décidé d'investir dans le développement d'une technologie unique de capteur de gaz. On se pose donc les questions suivantes:

• Avec des capteurs chimiques, sans calibration, sans consommable, à quel point une mesure avec les capteurs du marché est imprécise ?

• Pour mesurer de manière pertinente une VO2, quelle précision de mesure est requise ?

Dans ce post, on compare l'incertitude de mesure dans les systèmes simples d'analyse de l'air expiré et la précision attendue pour la VO2Max.

La précision des capteurs de gaz du marché dans des dispositifs simples et portables - le parallèle avec l'éthylotest

Un éthylotest - une mesure simple de la respiration

Les systèmes de mesures simples utilisent des capteurs chimiques, sans suppression de l'humidité ni calibration avec des bouteilles de gaz.

Peu étudié pour le CO2 ou l'O2, ces systèmes ont par contre été largement étudié pour l'éthanol et les éthylotests. Et comme c'est les mêmes technologies de capteurs de gaz, ceux sont les mêmes problèmes. Ces systèmes mesurent uniquement la concentration d'éthanol dans l'air expiré, sur un souffle.

Les systèmes les plus performants, testés et homologués par des organismes de référence comme le LNE en France, sont fiables, à l'usage, à +/- 7.5% (norme internationale OIML R126).

Comme la précision est en pourcentage, et que les technologies capteurs sont les mêmes, on peut donc supposer que des systèmes simples, peu chers, sans calibration, sans suppression de l'humidité, ont - au mieux - une précision de mesure de +/-7.5% sur les concentrations en oxygène et en CO2 dans l'air expiré et dans l'air inspiré.

Quelle précision pour une mesure de VO2Max afin de positionner un athlète ?

Pour mesurer le niveau de précisément requis pour la mesure physiologique, prenons le cas de la VO2Max avec pour objectif de positionner un athlète par rapport aux autres. Ce cas est le plus favorable car:

• Comme on parle de valeur maximale, c'est pour celle-ci que la plage de mesure est la plus grande

• Comme on parle de positionnement au sein de la population, c'est aussi sur ce point que la plage de variation est la plus grande.

Le cas étudié est donc le plus favorable. Si on prenait le cas du suivi d'athlète qui s'entraine, qui progresse, les plages de variations sont plus restreintes.

Quelle est la plage de variation de la VO2Max ?

Si on prend les données de la page wikipédia sur la VO2Max, et le cas des sportifs entre 20 et 29 ans, en course à pied, 10% de la population ont une VO2Max inférieure à 28.6 mL/(kg·min), 90% une valeur inférieure à 58.6mL/(kg·min) et en moyenne une valeur de 46.5mL/(kg·min).

La plage de mesure est donc comprise entre -46% et + 24% de 46.5mL/(kg·min).

Quelle est l'erreur de mesure avec des capteurs du marché utilisés simplement sur la mesure de la VO2Max ?

La VO2, ce n'est pas juste une mesure de concentration. La VO2 c'est la quantité d'oxygène consommée par la personne. Elle dépend du volume inspiré et de la concentration en oxygène dans ce volume, et du volume expiré et de la concentration en oxygène dans ce volume.

La mesure du volume inspirée est très imprécise (si on veut que la mesure du volume expiré soit précis - le capteur n'est pas symétrique). Les systèmes de référence utilisent la formule de Haldane pour calculer la VO2 qui dépend du volume expiré, les concentrations d'oxygène et de CO2 dans l'air inspiré et dans l'air expiré (https://theses.hal.science/tel-03986875/document - p54).

Si on suppose qu'on a +/- 7.5% sur les mesures expirées en CO2 et en O2, un peu d'imprécision sur le volume expiré et les concentrations inspirées de CO2 et d'O2, la précision de mesure de la VO2Max est d'environ +/-10%.

Pour la mesure de la VO2Max, de manière absolue, l'erreur de mesure couvre une partie importante de la plage de mesure.

Démocratiser la mesure des gaz dans la respiration pour le sport, la santé et le bien être, ce n'est simplement pas possible avec les capteurs de gaz du marché. C'est ce problème que PAIRFS adresse en développant sa propre technologie de capteur de gaz.

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La mesure n'est pas bonne, mais est-elle reproductible ?

Une mesure absolue non valide, ce n'est pas forcément grave si elle est reproductible. Cela peut néanmoins permettre de suivre une évolution. Regardons donc ce qui peut influencer la mesure d'une VO2 à l'effort (économie de course):

• La progression du sportif bien sur, c'est ce qui est recherché

Mais aussi:

• L'état du capteur au moment de la mesure: il est en général conseillé de laisser le capteur chauffer 30 minutes avant de faire la mesure. Il doit s'acclimater

• L'âge du capteur: un capteur chimique c'est un réactif qui au contact de l'oxygène se consomme. Donc à moins de mettre le capteur sous vide, il perd en sensibilité même non utilisé. C'est pour cela qu'il doit être changé régulièrement. Il doit aussi être recalibré avec des bouteilles de gaz

• L'humidité dans l'air expiré: si le sportif boit ou non avant la mesure va l'influencer

• Les conditions de la mesure (température et humidité de la pièce, vent en extérieur). D'ailleurs même les systèmes de référence utilisés dans les laboratoires ne fonctionnent pas dans certaines conditions (air très humide en particulier)

Donc si la mesure évolue, c'est peut être le 1er point, peut être pas....

PAIRFS s'appuie sur plus de 15 années de R&D sur les capteurs de gaz dans l'écosystème Grenoblois pour développer une technologie unique adapté à la respiration et à des systèmes portables. PAIRFS dispose d'un portefeuille de 11 brevets sur sa technologie qui lui confère un avantage et une avance technologique importante sur tous les acteurs du marché.

L'approche de PAIRFS et de ZoneX