Firstbeat : les algo derrière les mesures physiologiques

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Les capteurs cardio des montres cardio GPS permettent de faire bien plus que simplement enregistrer la fréquence cardiaque et les zones cardio.

Au fil des tests de montres cardio GPS, vous avez probablement remarqué qu’un nom revient de plus en plus souvent dès qu’on aborde les fonctionnalités avancées d’entrainement cardio : Firstbeat. Mais qu’est-ce qu’ils font concrètement ?

Pour faire simple, disons que Firstbeat développe les algorithmes qui, à partir du capteur cardio optique de votre montre, va sortir des statistiques comme le VO2max, le training effect, le seuil lactique, l’EPOC, etc. Rien que dans la Fenix 5, on retrouve pas moins de 12 algorithmes Firstbeat !

Firsbeat, l’entreprise

Firstbeat est une entreprise finlandaise (tiens, comme Polar et Suunto) fondée en 2002 et leader de l’analyse du rythme cardiaque. Initialement, elle accompagnait les entraineurs d’athlètes et d’équipes professionnels, dans des domaines variés (des skieurs de fond, des équipes de National Hockey League, Manchester City dans le foot, etc). Et puis, avec la démocratisation des wearables (montres et bracelets connectés principalement), leur technologie est arrivée à disposition de tous les sportifs amateurs.

Breaking news : à l’été 2020, Firstbeat a été racheté par Garmin.

Les données avancées pour l’entrainement

S’entrainer correctement, ce n’est pas simplement faire du sport. Ce n’est pas non plus enregistrer sa fréquence cardiaque ou ses parcours. En fait, construire un plan d’entrainement, c’est faire une analyse entre l’intensité de l’entrainement et la façon dont le corps réagit à cette charge de travail.

Le GPS, l’accéléromètre, un capteur de puissance sont autant de capteurs qui permettent de mesurer la charge d’entrainement. Vient ensuite le capteur cardiaque, qui va mesurer la réaction du corps à cet entrainement, au travers de métriques comme la fréquence cardiaque et la variabilité de fréquence cardiaque.

Et puis améliorer sa condition physique, ce n’est pas juste mesurer plein de stats pendant 1h d’entrainement quotidien et oublier les 23h de la journée qui restent. Car la récupération joue un rôle dans la progression.

Aujourd’hui, on demande à une montre cardio GPS d’aller au-delà des indications de base « distance, vitesse, fréquence cardiaque » pour fournir des indicateurs personnalisés et exploitables pour gérer l’entrainement, la récupération, le sommeil, le stress, etc.

Les différences physiologiques vont faire qu’une même séance d’entrainement n’aura pas le même impact d’un individu à l’autre. De même que pour une même personne, des différences d’état (fatigue, digestion, stress) ou des facteurs extérieurs (chaleur, nature du terrain, vent) vont également faire varier l’impact d’une séance d’entrainement à une autre.

L’objectif des métriques physiologiques est donc multiple :

• Adapter l’entrainement pour progresser plus vite
• Mesurer l’effet de l’entrainement
• Suivre la charge d’entrainement pour arriver au pic de forme le jour d’une course

Tout ceci n’est possible qu’à 2 conditions :

• Des capteurs précis (bien évidemment)
• Des algorithmes qui rendent les données des capteurs exploitables

La plupart de ces algorithmes utilisent la variabilité de la fréquence cardiaque et pas seulement la fréquence cardiaque. Il faut savoir que votre coeur ne bat pas à un rythme régulier comme une machine. Il y a en réalité de très faibles variations d’un battement de coeur à l’autre (entre 2 pics R sur l’électrocardiogramme ci-dessous).

Plus vous êtes reposé et plus votre sythme cardiaque est irrégulier (oui je sais, c’est contrintuitif) ; plus votre corps est fatigué et plus votre rythme cardiaque est régulier.

Les montres cardio GPS qui intègrent des algorithmes de Firstbeat

Le nom ‘Firstbeat’ dans une fiche technique produit est gage de sérieux quant aux fonctionnalités d’analyse du rythme cardiaque. Voici les montres cardio GPS qui intègrent plus ou moins de fonctionnalités Firstbeat.

Garmin : 34 montres, bracelets connectés et compteurs vélo.

• Fenix 5 Plus, Fenix 5S Plus, Fenix 5X Plus, Fenix 5, Fenix 5S, Fenix 5X, Fenix Chronos, Fenix 3 HR, Fenix 3, Fenix 2
• Forerunner 935, Forerunner 920XT, Forerunner 735XT, Forerunner 645, Forerunner 645 Music, Forerunner 630, Forerunner 620, Forerunner 35, Forerunner 235, Forerunner 230, Forerunner 220
• Vivoactive 3 Music, Vivoactive 3, Vivoactive HR, Vivomove HR
• Vivosport, Vivosmart 3, Vivosmart HR+
• Tactix Charlie, Tactix Bravo, Quatix 5, Quatix 3
• Instinct
• Edge 1030, Edge 130, Edge 820, Edge 520, Edge 1000

Suunto : pas les Spartan.

• Suunto 3 Fitness
• Ambit3 Peak, Sport, Run, Vertical

Amazfit : que la Stratos.

Huawei : Watch GT Sport, Watch 2, Fit.

Mais n’importe quel produit avec un capteur cardio peut potentiellement exploiter les fonctionnalités Firstbeat. Jabra en a par exemple intégré 6 dans ses écouteurs Elite Sport et Sport Pulse.

Voici les montres cardio GPS qui intègrent le plus de fonctionnalités Firstbeat :

12 algorithmes Firstbeat : Fenix 5/5S/5X Plus, Fenix 5/5S/5X, Forerunner 935, Tactix Charlie

11 algorithmes Firstbeat : Forerunner 645/645 Music, Fenix Chronos, Quatix 5

8 algorithmes Firstbeat : Amazfit Stratos

Toutes les fonctionnalités Firstbeat

Firstbeat a créé des modèles physiologiques numériques à partir des données cardiaques. Actuellement, Firstbeat est en mesure de fournir 21 fonctionnalités pour l’analyse avancée en matière de santé, de fitness et de performance.

Il faut avant toute chose comprendre qu’ils ne fonctionnent pas comme une formule magique. Il ne suffit pas d’aller courir 1 fois et croire que tous les indicateurs vont s’afficher dans une application. Il faut collecter des données pendant plusieurs semaines (Firstbeat recommande 4 semaines pour que les données convergent) et comprendre comment les interpréter.

VO2max

Utilisé par : Garmin, Suunto, Amazfit, TomTom, Huawei

Considéré comme une métrique avancée jusqu’en 2016, le VO2max s’est complètement démocratisé sur les montres cardio GPS et autres bracelets connectés en tant qu’indicateur de forme physique. Techniquement, il s’agit du volume maximum d’oxygène que notre corps est capable d’apporter de nos poumons jusqu’à nos muscles (en ml/kg/min). Physiologiquement, plein de paramètres entrent donc en compte (volume des poumons, transfert de l’oxygène des poumons au sang, transport de l’oxygène par l’hémoglobine, etc).

Bien sûr, aucune montre ne sera jamais capable de mesurer directement un volume d’oxygène. Il s’agit donc d’une estimation du VO2max à partir d’autres données de performance physique. L’algorithme cherche une relation entre la vitesse et la fréquence cardiaque, fait une extrapolation pour trouver la VMA (vitesse maximale aérobie) puis la transpose en VO2max selon la formule VO2max = 3,5 x VAM.

Les spécifications techniques de Firstbeat annoncent une erreur absolue moyenne de 1,9 points par rapport aux tests réalisés en laboratoire.

C’est une donnée dont il est intéressant de suivre l’évolution sur le moyen/long terme. C’est aussi une donnée de base qui est utilisée ensuite par de nombreux algorithmes qui suivent.

En course à pied, il y a quelques conditions à remplir pour avoir une estimation du VO2max la plus fiable possible :

• Un terrain relativement plat (la raison pour laquelle avec les montres GPS Garmin récentes il faut commencer par faire 2 sorties en mode course à pied et pas trail afin d’obtenir la première valeur de VO2max)
• Un parcours le plus rectiligne possible
• Une bonne réception GPS (éviter la ville et la forêt)
• Une intensité constante d’environ 70%

Je me suis longtemps demandé pourquoi il y avait 1 VO2max running et 1 VO2max vélo, qui en plus peuvent être différents. L’explication vient du fait que le vélo sollicite moins de muscles, ce qui se traduit par un VO2max environ 5% plus faible que celui en course à pied.

Calories brûlées

Utilisé par : Garmin, Amazfit, Huawei

Avec Internet, on peut trouver facilement la dépense calorique moyenne pour chaque sport :

• Course à pied : 728Cal/h
• Vélo : 369Cal/h
• Natation : 1120Cal/h
• Musculation : 380Cal/h

Qu’est-ce que les calories brûlées ont à voir avec l’analyse du rythme cardiaque ?

La dépense énergétique dépend de plusieurs paramètres, dont : le poids (plus précisément le poids de muscles), le sexe, l’âge, le métabolisme de base et l’intensité de l’effort). Et le rythme cardiaque, c’est précisément la donnée qui va permettre d’évaluer l’intensité. Parce qu’on ne dépense pas la même chose si l’on trottine à 8km/h ou si l’on court à 14km/h.

Firstbeat utilise des modèles pour chaque sport et calcule les dépenses caloriques dues au métabolisme de base (la digestion, l’alimentation du cerveau, etc) et les dépenses dues à l’activité physique (activité quotidienne + activité sportive).

C’est une donnée à laquelle je ne prêtais pas attention, jusqu’à mon entrainement pour le triathlon de Cannes. J’ai augmenté mon volume d’entrainement à plus de 30h/semaine et ça s’est répercuté sur les calories dépensées. J’ai donc adapté mon alimentation en conséquence.

Stress et récupération

Utilisé par : Garmin, Suunto

Basé sur la variabilité de la fréquence cardiaque, c’est un indicateur sur la façon dont le corps réagit aux sollicitations de la vie quotidienne (pas que le sport). On en déduit dans quel mode se trouve le corps et le système nerveux :

• Sympathique (commande les réactions de survie) : la variabilité de fréquence cardiaque est faible et le corps subit du stress
• Parasympathique : la variabilité de fréquence cardiaque augmente et le corps est en récupération

Je n’aime pas trop cette implémentation qui est trop instantanée et peu exploitable. Je préfère la représentation visuelle des ressources corporelles, avec un graphique sur 12h qui présente les variations des ‘ressources’ à disposition (voir algo suivant).

Ressources corporelles

Utilisé par : Suunto, Garmin

La fusion des mesures d’activité, de récupération et de stress. Ca permet de voir ce qui impacte la qualité de la récupération et savoir si le corps est en capacité de donner son maximum au moment de partir faire du sport.

La récupération de ressource est-elle aussi bonne qu’à l’accoutumée lors d’un voyage en voiture de 8h pour vous rendre sur le lieu de départ de votre prochaine course ? L’altitude a-t-elle perturbé la récupération de votre nuit de sommeil ? Est-ce que votre corps est en forme pour faire une séance de fractionné ou est-ce qu’il ne vaut mieux pas y aller mollo aujourd’hui ?

Qualité du sommeil

Utilisé par : Suunto

Une note de 0 à 100 qui combine temps de sommeil et qualité de récupération. C’est basé sur le rythme cardiaque, mais aussi la variabilité du rythme cardiaque, dont Firstbeat arrive à déduire la fréquence respiratoire.

Avec un peu d’analyse, ça permet d’identifier des facteurs qui influencent la qualité du sommeil. Est-ce que vous dormez aussi bien en déplacement que dans votre lit ? Est-ce que vous dormez mieux le WE que la semaine lorsque le boulot vous stresse ?

Temps de récupération

Utilisé par : Garmin, Amazfit, Huawei

Ce n’est pas un indicateur vieux comme le monde, mais presque. La montre cardio GPS va se baser sur des données de performance qu’elle a collecté pendant votre séance de sport (notamment le training effect), pour calculer le temps qu’il faudra à votre corps pour récupérer et être en mesure d’effectuer une nouvelle séance intense.

Ca n’empêche pas de faire un footing de récup’ si l’algorithme indique encore « 8h ». Mais il faudra éviter de faire un fractionné 10 x 30/30. Si vous le faites quand même, vous perdrez votre temps car votre corps ne sera pas en état de gérer la sollicitation et vous ne gagnerez aucun bénéfice quant à l’amélioration de vos performances. Dommage. Pour programmer, la récupération est aussi importante que l’entrainement.

Charge d’entrainement

Utilisé par : Garmin, Amazfit

Elle permet de suivre dans le temps l’impact physiologique de l’entrainement. Car pour ça, compter le nombre d’heures ou de kilomètres ne suffit pas. On suit l’EPOC (excess post-exercice oxygen consumption). L’EPOC est calculé à partir des données cardiaques de chaque activité sportive. La charge d’entrainement est tirée de la somme des EPOC de toutes les activités sportives des 7 derniers jours. L’objectif est de rester dans la zone optimale pour le travail de restauration du corps.

L’algorithme s’adapte dans le temps. C’est-à-dire que les limites entre les zones de charge faible, optimal et haute ne sont pas des valeurs fixes. Quelqu’un qui s’entraine beaucoup régulièrement sera capable d’encaisser plus que quelqu’un dont l’activité sportive est généralement faible.

Statut d’entrainement

Utilisé par : Garmin

C’est un widget qui a fait son apparition sur les Fenix 5/5S/5X. Pas facile à appréhender au départ, c’est en fait une bonne vue synthétique pour interpréter l’état actuel de l’entrainement. Je vous assure que ça met au coup au moral de rentrer qu’une grosse séance running et de lire sur sa montre que l’entrainement n’a pas été productif. Ben oui, parce que trop d’entrainement tue l’entrainement.

L’algorithme analyse la progression du VO2max en regard de la charge d’entrainement. Il y a quelques conditions pour obtenir un suivi du statut d’entrainement. Il faut utiliser un capteur cardio (optique ou ceinture) à chaque activité, courir au moins 2 fois par semaine avec le GPS activé et enregistrer au moins 1 semaine d’historique.

Condition de performance en temps réel

Utilisé par : Garmin, Amazfit, Suunto

Là, ce n’est plus une métrique d’analyse post-entrainement, mais un algorithme d’analyse en temps réel durant une activité sportive. On a tous des jours où l’on se sent mieux que d’autres. La montre cardio GPS va corréler les données de fréquence cardiaque avec l’allure pour en déduire si vous êtes dans un bon jour ou un mauvais jour.

Concrètement, elle va sortir une valeur entre +20 et -20 au bout de 6 à 8 minutes après le début de la séance. En analyse post-entrainement, ça peut permettre de déterminer à quel moment vous commencer à perdre en efficacité.

Score d’activité physique

Utilisé par : TomTom

C’est plus un indicateur de santé/bien être que de sport performance. L’idée est de mesurer l’activité quotidienne (nombre de pas de la journée, durée et intensité des séances de sport) et de l’évaluer en fonction de ce qui est recommandé pour votre catégorie (âge, sexe) et votre condition physique (VO2max). Ainsi, le score d’activité physique transcrit l’évolution de la condition physique de façon plus globale que le VO2max qui est centré sur les capacités cardio-vasculaires.

Functional threshold power

Utilisé par : Garmin

Si vous n’êtes pas cycliste, vous n’avez probablement jamais entendu parler de FTP. C’est un peu l’équivalent pour les cyclistes du seuil lactique des runners. C’est la limite (de puissance) au-delà de laquelle le corps s’épuise plus rapidement pour fournir un effort.

Prédiction de temps de course

Utilisé par : aucune marque de montre GPS

A partir du VO2max, l’algorithme déduit des temps théoriques pour différentes courses (5km, 10km, semi, marathon). Bon, il y a certains biais à ces prédictions.

Le premier, c’est qu’elles font complètement abstraction des forces mentales. Celles qui font que certains se dépassent certains jours. Ensuite, elles ne prennent pas en compte les facteurs environnementaux comme la température, la pluie, le terrain, etc. Et enfin, l’algorithme présume que vous vous êtes quand même entrainé spécifiquement pour cette course.

Tout ça fait que ça marche assez bien pour certains (comme pour moi : prédiction de 1h32 au semi ; performance réelle 1h36) et moins bien pour d’autres.

Age physiologique

Utilisé par : Garmin, TomTom

Une autre façon d’interpréter le VO2max en lui donnant un équivalent en âge. En gros, si votre VO2max est meilleur que la moyenne de votre tranche d’âge, l’algorithme vous attribuera un âge plus jeune que le vôtre. C’est simplement un moyen de rendre une notion peu connue (le VO2max) plus compréhensible par le grand public.

Assistance évolutive à l’entrainement : cardio

Utilisé par : Suunto, Amazfit, Huawei

Imaginez que votre montre cardio GPS soit capable de vous suggérer quelle séance faire aujourd’hui. Et même de construire toute seule un plan d’entrainement personnalisé pour la semaine, avec des séances d’intensités variées et les temps de récupération qui vont avec. Imaginez encore que si jamais vous loupez une séance, le plan d’entrainement s’adapte automatiquement.

Vous ne rêvez pas, cet outil génial existe bel et bien. L’objectif est de construire des séances d’entrainement basées sur le training effect à atteindre afin d’améliorer vos performances et par voie de conséquence votre VO2max.

Assistance évolutive à l’entrainement : running

Utilisé par : Huawei

Dans le second volet de l’assistance évolutive à l’entrainement, les séances d’entrainement sont construites sur la base non plus du training effect mais d’une distance.

Test de niveau de stress

Utilisé par : Garmin, Suunto

Un test de 30s à réaliser au repos pour mesurer le niveau de stress sur une échelle de 1 à 100. Pour une analyse sur moyen/long terme, il est important d’effectuer les mesures au même moment chaque jour.

Test de récupération

Utilisé par : Suunto

L’idée avec ce test est d’aller au-delà du simple temps de récupération. Parce que 1 nuit passée en boite de nuit n’apportera jamais autant de récupération qu’une nuit passée dans un bon lit.

Cet algorithme peut être utilisé de 2 manières. En quelques minutes, la montre enregistre les données cardiaque et l’algorithme affiche un score de récupération. C’est le test rapide. L’autre procédure, plus longue, requiert d’enregistrer ces données sur plusieurs heures (toute la nuit en fait) pour sortir un résultat de récupération nocturne.