Fréquence cardiaque de réserve : la méthode de Karvonen et ses limites

Montres, ceintures cardio, tapis de course : beaucoup de pratiquants règlent aujourd’hui leur effort sur leur fréquence cardiaque. La méthode dite de Karvonen, qui tient compte de la fréquence cardiaque au repos, passe pour plus individuelle que le simple pourcentage de la fréquence cardiaque maximale. Cet article explique ce qu’est la fréquence cardiaque de réserve, comment se fait le calcul, ce que valent les formules qui estiment la fréquence cardiaque maximale, ce que les études disent des zones d’entraînement, de la « zone de combustion des graisses » et des cardiofréquencemètres. Il montre aussi pourquoi aucune de ces zones n’est précise au battement près.

1. La question : qu’est-ce que la fréquence cardiaque de réserve ?

Pour régler l’intensité d’un effort d’endurance, on l’exprime souvent par rapport à un maximum : un pourcentage de la consommation maximale d’oxygène, ou un pourcentage de la fréquence cardiaque maximale. L’idée est de donner un effort comparable à des personnes dont les capacités sont très différentes. Une revue sur les méthodes de prescription de l’intensité rappelle que cette approche reste très répandue dans la littérature, mais qu’un même pourcentage du maximum ne place pas forcément deux personnes au même niveau d’effort au-dessus de leur état de repos (Mann et al., 2013).

La fréquence cardiaque de réserve répond en partie à ce problème. C’est la différence entre la fréquence cardiaque maximale et la fréquence cardiaque au repos : c’est la « marge » dont le cœur dispose pour accélérer. La méthode qui porte le nom de l’auteur principal d’une étude finlandaise de 1957 sur les effets de l’entraînement sur la fréquence cardiaque consiste à exprimer l’intensité en pourcentage de cette réserve, puis à rajouter la fréquence de repos. Deux personnes de même fréquence maximale, mais de fréquences de repos différentes, obtiennent ainsi des cibles différentes.

Réserve cardiaque et réserve d’oxygène

On a longtemps considéré qu’un pourcentage de la réserve cardiaque équivalait au même pourcentage de la consommation maximale d’oxygène. Une étude de 1997 a vérifié cette idée chez soixante-trois adultes qui ont passé un test d’effort maximal sur vélo (Swain et Leutholtz, 1997). Le pourcentage de réserve cardiaque ne correspondait pas au pourcentage de la consommation maximale d’oxygène : l’écart entre les deux était d’autant plus grand que la personne était peu entraînée. En revanche, il correspondait presque parfaitement au pourcentage de la réserve d’oxygène, c’est-à-dire de l’écart entre la consommation au repos et la consommation maximale. Les auteurs recommandent d’utiliser cette correspondance pour prescrire l’exercice.

Cette étude explique l’intérêt de la méthode : en tenant compte du repos, la réserve cardiaque suit mieux le coût réel de l’effort qu’un simple pourcentage de la fréquence maximale. Elle n’en fait pas pour autant une mesure exacte, comme le montrent les parties suivantes.

2. Ce que montrent les études : estimer la fréquence cardiaque maximale

La formule « 220 − âge » et sa révision

La méthode de Karvonen demande de connaître sa fréquence cardiaque maximale. Faute de test, on l’estime le plus souvent par une formule fondée sur l’âge. La plus connue, « 220 − âge », est utilisée pour prescrire l’exercice, juger si un effort était maximal et guider les tests d’effort, alors que, selon une équipe américaine, sa validité n’avait jamais été établie dans un échantillon comptant assez de personnes âgées (Tanaka et al., 2001).

Ces chercheurs ont d’abord rassemblé les valeurs moyennes de 351 études, portant sur 18 712 personnes, puis vérifié le résultat en mesurant la fréquence maximale de 514 adultes en bonne santé en laboratoire (Tanaka et al., 2001). La fréquence maximale était fortement liée à l’âge, selon l’équation 208 − 0,7 × âge, et l’étude de laboratoire donnait une équation presque identique. La relation ne différait ni entre hommes et femmes, ni selon le niveau d’activité physique habituel. Les auteurs concluent que la formule classique sous-estime la fréquence maximale des personnes âgées, et donc l’intensité réelle des exercices qu’on leur prescrit.

D’autres équations, d’autres populations

En Norvège, l’étude HUNT a mesuré la fréquence maximale de 3 320 hommes et femmes en bonne santé, en ne gardant que les tests où l’effort maximal était vérifié (Nes et al., 2013). La fréquence maximale y suivait l’équation 211 − 0,64 × âge, sans différence selon le sexe, l’activité physique, le niveau de consommation maximale d’oxygène ou l’indice de masse corporelle. Les équations plus anciennes sous-estimaient la fréquence mesurée après 30 ans. Surtout, les auteurs rappellent qu’une estimation par l’âge seul s’accompagne d’une erreur type de 10,8 battements par minute.

Chez les femmes, une étude américaine de 5 437 femmes sans symptômes, suivies après un test d’effort, a trouvé une fréquence maximale moyenne de 206 − 0,88 × âge (Gulati et al., 2010). Les auteurs concluent que le calcul classique, fondé surtout sur des données d’hommes, surestime la fréquence maximale des femmes pour leur âge. Ce résultat diffère de celui de l’étude de Tanaka, qui ne trouvait pas de différence entre hommes et femmes : les populations, les méthodes et les époques n’étaient pas les mêmes.

Aucune formule ne vise juste pour une personne

Une étude américaine a comparé neuf équations courantes à la fréquence maximale mesurée lors de 99 tests d’effort sur tapis (Shookster et al., 2020). Toutes les équations montraient un accord médiocre avec la valeur mesurée. Elles avaient tendance à sous-estimer la fréquence maximale des personnes dont la fréquence mesurée était élevée, et à la surestimer chez celles dont la fréquence mesurée était basse. Les auteurs conseillent d’utiliser les données d’un test d’effort quand c’est possible.

En pratique, une erreur sur la fréquence maximale se répercute sur toutes les zones calculées avec la méthode de Karvonen. Une erreur type d’environ dix battements, comme dans l’étude HUNT, signifie qu’une part importante des personnes s’écarte de plus de dix battements de la valeur prédite (Nes et al., 2013).

3. Le calcul de Karvonen pas à pas

Le calcul tient en trois étapes. On l’illustre ici avec des valeurs choisies pour l’exemple, et non tirées d’une étude.

Étape 1 : la fréquence cardiaque au repos

La fréquence au repos se mesure de préférence le matin, au calme, avant de se lever, plusieurs jours de suite. Elle varie d’un jour à l’autre : une revue sur la surveillance de l’entraînement par la fréquence cardiaque insiste sur la nécessité de tenir compte de l’erreur de mesure avant d’interpréter un changement (Buchheit, 2014). Dans notre exemple, prenons une fréquence de repos de 60 battements par minute.

Étape 2 : la fréquence cardiaque maximale, puis la réserve

Pour une personne de 40 ans, l’équation 208 − 0,7 × âge donne 180 battements par minute (Tanaka et al., 2001). La réserve est alors de 180 − 60 = 120 battements. Si un test d’effort a mesuré votre fréquence maximale, c’est cette valeur qu’il faut utiliser : elle évite l’erreur des formules (Shookster et al., 2020).

Étape 3 : la fréquence cible

Pour travailler à un pourcentage donné de la réserve, on multiplie la réserve par ce pourcentage, puis on ajoute la fréquence de repos. À 60 % de la réserve, l’exemple donne 60 + 0,60 × 120 = 132 battements par minute. Le même pourcentage appliqué à la seule fréquence maximale donnerait 108 battements : c’est l’écart qu’introduit la prise en compte du repos. D’après l’étude de 1997, ces 60 % de réserve cardiaque correspondent à environ 60 % de la réserve d’oxygène de la personne (Swain et Leutholtz, 1997).

Avec une fréquence maximale fausse de dix battements, la cible de 60 % se déplace de six battements. C’est pourquoi le résultat d’un calcul de Karvonen se lit comme un repère approximatif, à confirmer par les sensations et, si possible, par une mesure de la fréquence maximale.

4. Ce que montrent les études : les zones d’intensité

Un même pourcentage, des réponses différentes

Les zones d’entraînement découpent l’intensité en tranches de pourcentage. La revue de Mann et ses collègues rappelle une limite importante : à un même pourcentage de la réserve cardiaque ou de la réserve d’oxygène, d’intensité modérée à élevée, les réponses métaboliques varient d’une personne à l’autre, par exemple l’accumulation de lactate dans le sang (Mann et al., 2013). Certaines personnes se trouvent au-dessus de leur seuil métabolique, d’autres en dessous. Une intensité fixée par rapport aux seuils aérobie et anaérobie devrait donner des réponses plus homogènes, mais ces seuils demandent des tests en laboratoire, avec prises de sang, et varient eux-mêmes davantage d’un jour à l’autre que la fréquence maximale.

Les auteurs concluent que chaque méthode a ses avantages et ses inconvénients, et que la plus appropriée dépend de l’intensité visée, du nombre de personnes et de leurs caractéristiques (Mann et al., 2013). Les tranches de zones que l’on trouve sur les montres et dans les applications, par exemple de dix points de pourcentage chacune, sont des conventions : nous n’avons pas lu d’étude qui fixe leurs bornes pour tout le monde.

À partir de quelle intensité progresse-t-on ?

Une analyse de dix-huit études d’entraînement chez des adultes en bonne santé a traduit les intensités utilisées en pourcentage de la réserve d’oxygène, équivalent du pourcentage de réserve cardiaque (Swain et Franklin, 2002). Chez les personnes déjà assez endurantes, des intensités en dessous d’environ 45 % de la réserve n’amélioraient pas la consommation maximale d’oxygène. Chez les personnes moins endurantes, aucune intensité étudiée n’était inefficace, la plus basse étant d’environ 30 %. Les auteurs notent que les preuves d’un seuil restent faibles. Autrement dit, pour une personne peu entraînée, des efforts modérés suffisent déjà à progresser.

Comment s’entraînent les sportifs d’endurance

Chez les sportifs d’endurance de niveau national ou international, qui s’entraînent dix à treize fois par semaine, les études descriptives convergent vers une répartition où environ 80 % des séances se font à basse intensité, et environ 20 % comportent des périodes intenses, comme du fractionné proche de la consommation maximale d’oxygène (Seiler, 2010). L’auteur ne trouve pas de preuve convaincante qu’accentuer encore la part de fractionné chez ces sportifs déjà très entraînés améliore la performance à long terme. Ces observations portent sur des athlètes de haut niveau ; elles ne fixent pas une répartition pour un pratiquant qui s’entraîne deux ou trois fois par semaine.

Le test de la parole

Sans montre, il existe un repère simple. Une revue sur le « test de la parole » rapporte que, chez des adultes en bonne santé comme chez des patients cardiaques, parler confortablement est en général possible quand l’intensité reste sous le seuil ventilatoire ou lactique, et ne l’est plus quand on le dépasse (Reed et Pipe, 2014). Ce test est cohérent d’une activité à l’autre, marche, course, vélo, vélo elliptique ou escalier. Il convient moins aux séances de fractionné très intense.

5. La « zone de combustion des graisses »

Beaucoup d’appareils affichent une zone « brûle-graisses ». Une étude britannique a mesuré, chez dix-huit cyclistes modérément entraînés, l’intensité à laquelle l’organisme utilise le plus de graisses (Achten et al., 2002). Ce point se situait en moyenne à 64 % de la consommation maximale d’oxygène, soit 74 % de la fréquence cardiaque maximale. Les graisses étaient utilisées à un débit proche du maximum sur une assez large plage, d’environ 55 à 72 % de la consommation maximale d’oxygène. Au-delà, leur utilisation baissait nettement, et devenait négligeable au-dessus d’environ 89 % de la consommation maximale d’oxygène.

Deux nuances s’imposent. D’abord, ces valeurs sont des moyennes de cyclistes entraînés : chez d’autres personnes, la plage peut se situer ailleurs. Ensuite, utiliser une plus grande part de graisses pendant la séance ne dit rien, à lui seul, de l’évolution de la masse grasse sur des semaines : celle-ci dépend du bilan d’énergie sur la durée, ce que l’étude ne mesurait pas. Nous n’avons lu aucune étude qui montre qu’un entraînement dans cette zone fasse perdre plus de masse grasse qu’un autre à dépense égale.

6. Mesurer sa fréquence cardiaque : montres, ceintures et dérive

Montres optiques et ceintures thoraciques

Une étude américaine a comparé plusieurs appareils à un électrocardiogramme chez cinquante adultes en bonne santé, sur tapis, vélo et vélo elliptique, à différentes intensités (Gillinov et al., 2017). La ceinture thoracique à électrodes était la plus proche de l’électrocardiogramme. Les montres optiques au poignet étaient moins fiables, et leur précision variait selon l’appareil et l’exercice : elle était meilleure sur tapis et moins bonne sur vélo elliptique, et aucun appareil n’était précis sur vélo elliptique avec les bras en mouvement. Les auteurs recommandent une ceinture à électrodes quand une mesure précise est indispensable.

La dérive cardiaque

Au cours d’un effort prolongé à puissance constante, la fréquence cardiaque monte progressivement. Une revue décrit cette dérive cardiovasculaire comme une baisse progressive du volume de sang éjecté à chaque battement, après dix à vingt minutes d’exercice, et l’attribue surtout à l’accélération du cœur, plutôt qu’à l’augmentation du débit sanguin vers la peau quand la température du corps s’élève (Coyle et González-Alonso, 2001). Pour un pratiquant, cela signifie qu’une même fréquence cardiaque ne correspond pas exactement à la même intensité en début et en fin de séance longue.

7. La fréquence cardiaque au repos et après l’effort

Ce que l’entraînement change au repos

Une méta-analyse de 191 études d’intervention chez des personnes en bonne santé a mesuré l’effet de différents sports sur la fréquence cardiaque au repos (Reimers et al., 2018). Tous les types de sport la faisaient baisser, mais seuls l’entraînement d’endurance et le yoga la réduisaient de façon significative chez les hommes comme chez les femmes. La baisse était plus grande quand la fréquence de départ était élevée, et plus petite chez les participants plus âgés. Comme la fréquence de repos baisse avec l’entraînement, la réserve cardiaque augmente : il est utile de refaire le calcul de temps en temps.

Suivre sa forme au jour le jour

La revue de Buchheit défend l’intérêt des mesures de fréquence cardiaque au repos, à l’effort sous-maximal et pendant la récupération pour suivre la fatigue et la forme des sportifs d’endurance (Buchheit, 2014). Elle insiste sur deux conditions : interpréter un changement en tenant compte de l’erreur de mesure et du plus petit changement qui compte, et replacer ce changement dans le contexte de l’entraînement. Elle rappelle aussi que la fréquence cardiaque ne renseigne pas sur tous les aspects de la fatigue et de la performance, et qu’il vaut mieux la combiner avec un carnet d’entraînement et des questionnaires de ressenti.

La récupération après un test d’effort

Chez 2 428 adultes qui passaient un test d’effort pour raison médicale, une étude a mesuré de combien la fréquence cardiaque baissait dans la première minute après l’arrêt de l’effort (Cole et al., 1999). Une baisse de douze battements ou moins était associée à un risque de décès plus élevé pendant les six années suivantes, même après prise en compte de nombreux autres facteurs. Cette mesure était faite dans un cadre médical, avec un protocole précis ; elle ne se transpose pas telle quelle à une séance en salle, et elle ne permet pas de s’auto-diagnostiquer.

8. Les études en un tableau

Le tableau ci-dessous résume les principales études citées : le type d’étude, la population, le résultat principal et la limite principale. Il permet de juger du poids de chaque résultat.

9. Ce que cela change en pratique

Voici ce qui découle des études lues pour cet article, sans promesse de résultat : la fréquence cardiaque est un repère utile, mais imparfait.

Mesurer plutôt qu’estimer

Mesurez votre fréquence de repos plusieurs matins de suite et retenez une valeur moyenne (Buchheit, 2014). Pour la fréquence maximale, une valeur mesurée lors d’un test d’effort vaut mieux qu’une formule (Shookster et al., 2020). À défaut, l’équation 208 − 0,7 × âge est plus juste que « 220 − âge » chez les personnes âgées (Tanaka et al., 2001), mais gardez en tête une marge d’environ dix battements dans un sens ou dans l’autre (Nes et al., 2013).

Croiser avec les sensations

Une cible calculée par la méthode de Karvonen indique une plage, pas un chiffre exact (Mann et al., 2013). Croisez-la avec le test de la parole : si vous pouvez parler confortablement, vous êtes en général sous votre seuil ventilatoire (Reed et Pipe, 2014). Si les deux indications divergent, c’est souvent la formule qui se trompe sur votre fréquence maximale.

Choisir son appareil selon la séance

Pour les séances où la précision compte, en particulier sur vélo elliptique ou quand l’intensité change vite, préférez une ceinture thoracique à une montre optique (Gillinov et al., 2017). Lors des séances longues, attendez-vous à voir la fréquence monter à effort égal, en raison de la dérive cardiaque (Coyle et González-Alonso, 2001).

Refaire le calcul

Avec l’entraînement d’endurance, la fréquence au repos tend à baisser (Reimers et al., 2018), et la fréquence maximale baisse avec l’âge (Tanaka et al., 2001). La réserve change donc avec le temps : reprenez votre calcul de temps en temps, avec des mesures récentes.

Pour être accompagné dans le réglage de l’intensité de vos séances, les clubs Magicfit offrent un encadrement : coachs diplômés d’État, formation continue de 24 h par an ; coachs APA et ostéopathes dans certains clubs.

10. Ce qui reste incertain

La principale incertitude porte sur la fréquence maximale. Les équations publiées diffèrent selon les populations étudiées (Tanaka et al., 2001 ; Nes et al., 2013 ; Gulati et al., 2010), elles ne s’accordent pas sur l’effet du sexe, et aucune ne prédit bien la valeur d’une personne (Shookster et al., 2020). Toute zone calculée à partir d’une formule hérite de cette incertitude.

Ensuite, on ne sait pas quelle méthode de prescription de l’intensité donne le meilleur résultat pour une personne donnée. Les zones fondées sur les seuils devraient être plus homogènes, mais leurs avantages restent en grande partie théoriques, et elles demandent des tests coûteux (Mann et al., 2013). L’intensité minimale pour progresser n’est pas établie avec certitude (Swain et Franklin, 2002).

Enfin, les études sur la « zone de combustion des graisses » mesurent l’utilisation des graisses pendant l’effort, chez des sportifs entraînés, pas l’évolution de la masse grasse sur des mois (Achten et al., 2002). Les appareils de mesure évoluent vite, et les résultats d’une étude de 2017 ne valent pas forcément pour les modèles actuels (Gillinov et al., 2017).

Ce que l’on peut retenir avec confiance tient en quelques lignes. La méthode de Karvonen tient compte de la fréquence au repos, et un pourcentage de réserve cardiaque correspond bien au même pourcentage de réserve d’oxygène. Son point faible est la fréquence maximale : une formule fondée sur l’âge peut se tromper d’une dizaine de battements. Les zones qui en découlent sont des repères, à croiser avec les sensations, et à mesurer de préférence avec une ceinture thoracique.