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Dissertation: Uwe Drescher


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Dissertation: Uwe Drescher

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

Deutsche Sporthochschule Köln
Institut für Physiologie und Anatomie
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Drescher, Uwe (2012): Entwicklung und Anwendung eines nicht-invasiven ~\\ Verfahrens zur Abschätzung der muskulären ~\\ Sauerstoffaufnahmekinetik im aeroben Belastungsbereich

Zusammenfassung:
Die Kinetik der respiratorisch gemessenen O2-Aufnahme (V'O2-Kinetik) nach Belastungswechseln erlaubt Rückschlüsse auf die aerobe Leistungsfähigkeit. Bei der Interpretation der respiratorischen V'O2-Kinetik wird in der Regel davon ausgegangen, dass es sich bei dieser um ein einfaches, zeitlich verzögertes Abbild der muskulären _O2-Kinetik handelt. Die schnellere V'O2-Kinetik nach einem Ausdauertraining wäre dann ausschließlich und unverzerrt einer schnelleren muskulären O2-Aufnahme zuzuschreiben. Diese Annahme übersieht jedoch, dass es auf dem Weg vom Muskel zur Lunge Einflüsse gibt, welche das muskuläre V'O2-Signal verzerren und dadurch Unterschiede zwischen muskulärer und respiratorischer V'O2-Kinetik erzeugen. Die muskuläre und respiratorische V'O2-Kinetik unterscheiden sich aufgrund der Dynamiken des Herzzeitvolumens, des venösen Transports sowie der O2-Speicherfunktion im venösen Blut und der Lunge.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die muskuläre V'O2-Kinetik abzuschätzen. Dazu wurde neben der respiratorischen V'O2 das Herzzeitvolumen nicht-invasiv bestimmt. Gleichzeitig wurden die Verzerrungen durch ein Übertragungsmodell erfasst. Zur Analyse der dynamischen Vorgänge der V'O2-Kinetik wurden Kreuzkorrelations-funktionen genutzt. Die Kombination dieser Verfahren erlaubt ein Zurückrechnen von der respiratorischen auf die muskuläre V'O2-Kinetik. Zugleich wurde eine Abschätzung physiologischer Modellvariablen (venöses muskuläres Blutvolumen, Perfusion der nicht an der Arbeit beteiligten Körpersegmente) erzielt. Zur Abschätzung der Fehler-variation der muskulären _O2-Kinetik wurden Variationen des Herzzeitvolumens durchgeführt.
In der praktischen Umsetzung wurden 17 Probanden getestet, die dynamische Belastungswechsel zwischen 30 Watt und 80 Watt auf dem Fahrradergometer absolvierten. Dabei wurde die Herzfrequenz (HR, Elektrokardiographie) und das Schlagvolumen (SV, Impedanzkardiographie) beat-to-beat sowie der Gasaustausch breath-by-breath aufgezeichnet. Das Herzzeitvolumen wurde als Produkt von HR und SV berechnet. Insgesamt haben 12 von 17 Probanden alle entwickelten Kriterien erfüllt. Die restlichen 5 Probanden zeigten geringe Abweichungen in der Zeitreihen-analyse.
Die Anwendung des neuen Analyseverfahrens veranschaulicht, dass
a) das Übertragungsmodell erfolgreich eingesetzt werden konnte,
b) die Modellvariablen im physiologisch plausiblen Rahmen liegen,
c) eine sinnvolle Abschätzung der muskulären V'O2-Kinetik möglich ist,
d) sich die muskuläre und die respiratorische V'O2-Kinetik signifikant unterscheidet.


Zur weiteren Validierung des hier vorgestellten Verfahrens könnten die folgenden Verfahren herangezogen werden: Bestimmung der [PCr]-Kinetiken, invasive Messung mittels Thermodilution zur Blutgasanalyse, Verwendung eines PRBS-Belastungsmusters, Anwendung einer Rückatemmethode zur Bestimmung von Herzzeit- und Schlagvolumen sowie der Messung der Atemgase inklusive Ventilation.
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass es möglich ist, nicht-invasiv gute Abschätzungen der muskulären V'O2-Kinetik zu erzielen. Bei Variation des Herzzeitvolumens ändert sich die Schätzung der muskulären VO2-Kinetik um maximal 2%. Dabei zeigte Vvmusc (venöses muskuläres Blutvolumen) die größte Veränderung unter den Modellvariablen.
Aufgrund des moderaten Leitungsbereichs und der Nicht-Invasivität kann das Verfahren breit eingesetzt werden. Neben den sportwissenschaftlichen Einsatz-gebieten könnte es auch in der Medizin, in der Rehabilitation und im Breiten- und Alterssport angewendet werden.

Summary
The respiratory measured oxygen uptake (_O2) kinetics allows conclusions about the aerobic performance. Generally, by interpretation of the respiratory _O2-kinetics it is assumed that this is a simple, time-shifted version of muscular _O2-kinetics. In this case after endurance training the faster _O2-kinetics would be ascribing to faster muscular _O2-kinetics. However, this assumption ignores the time-delaying and distortive effects between exercising muscles and the lung site, which deform the muscular _O2-signal. The differences between respiratory and muscular _O2-kinetics are caused by the dynamic of cardiac output, venous return and the O2-stores in the venous blood volume and in the lungs.
The goal of this study was estimating muscular _O2-kinetics. For this purpose, respiratory oxygen uptake kinetics and cardiac output was measured non-invasively. A transfer model was developed and applied to determine the distortive effects. For analysis of the kinetics responses cross-correlation functions were used. The combination of these procedures permits a backward calculation of muscular _O2-kinetics. In addition, an assessment of physiological model variables was obtained, like muscular venous blood volume (Vvmusc) and perfusion of the non-exercising body segments (Q’rem). Error estimation for muscular _O2-kinetics was conducted by changes in cardiac output.
17 subjects completed dynamic workload changes between 30 and 80 Watts on a cycle ergometer successfully. While doing so, heart rate (HR) and stroke volume (SV) as well as gas exchange were measured beat-to-beat and breath-by-breath, respectively. Cardiac output was calculated by multiplying HR and SV.
12 of 17 subjects conformed to the developed criteria for estimating muscular _O2-kinetics. The remaining 5 subjects showed deviations in the time-series analysis.
The application of the newly developed procedure shows that
a) the transfer model was applied successfully,
b) the model variables are in a plausible physiological range,
c) a reasonable assessment of muscular _O2-kinetics is possible,
d) a significant difference between respiratory and muscular _O2-kinetics was observed.

For further validation of the procedure presented here, the following methods could be used: Estimating of [PCr]-kinetics, invasive assessment by thermo dilution for blood gas analysis, using a PRBS workload protocol, application of a rebreathing technique for estimation of cardiac output and stroke volume as well as measuring gas exchange and ventilation.
The results show that a good assessment of muscular _O2-kinetics is possible by using non-invasive procedures. The error estimation of cardiac output reveals that maximal differences of 2% in the muscular _O2-kinetics occur. Thereby, Vvmusc showed the major alteration of the model variables.
Due to low to moderate exercise intensity and non-invasive procedures a variety of possible application areas are given besides sport science, e. g. medicine, rehabilitation as well as recreational and age sport.


14.12.2017 - 03:16