Computer-assisted technology for noninvasive determination of cardiac output (Q̇, Lmin⁻¹) offers potential to re-examine measurement stability with established methods involving CO₂ rebreathing. Reproducibility of Q̇ was examined at rest and during steady-state cycle ergometer exercise (x̄ = 51% of V̇O₂pk; SD = ± 7%) using Defares’ exponential method (MedGraphics™ CPX/D system). Characteristics of the 19 female subjects were: (Mean and SD) age = 34.6 yr and 6.6 and V̇O₂pk= 32.8 mlkg⁻¹min⁻¹ and 9.5. The Q̇ trial consisted of 15 min of seated rest and 15 min of exercise. Values were determined in triplicate at each of minutes, 6, 10, 14. Stability of subjects responses before each rebreathing maneuver was verified by inspection of V̇O₂, Two-way ANOVA’s were performed on the Q̇ data for differences; means (Lmin⁻¹), SD’s, and reliability coefficients were: Rest Q̇-6 min Q̇-10 min Q̇-14 min R Day 1 5.1 ± 0.8 5.0 ± 1.1 4.8 ± 0.9 0.81 Day 2 4.7 ± 0.8 4.6 ± 0.8 4.6 ± 0.8 0.82 Exercise Q̇-6 min Q̇-10 min Q̇-14 min R Day 1 9.14 ± 1.2 9.3 ± 1.4 9.2 ± 1.1 0.93 Day 2 8.6 ± 1.5 8.7 ± 1.4 8.7 ± 1.3 0.97 Day 1 Day 2 R Rest 5.0 ± 0.8 4.7 ± 0.7 0.05 Exercise 9.2 ± 1.2 8.7 ± 1.4 0.84 Although these findings demonstrated within-test and between-test reproducibility of Q̇ to be comparable to that described in the published literature (Kirby TE. J Cardiac Rehabil 5:97-101, 1985) the new semi-automated computerized system (MedGraphics CPX/D) offers a quick, easy, and efficient assessment of cardiac output. / Master of Science

Carbon monoxide (CO) is an odorless, colorless, tasteless gas that binds to hemoglobin with high affinity. This property underlies the use of low doses of CO to determine hemoglobin mass (MHb) in the fields of clinical and sports medicine. However, hemoglobin bound to CO is unable to transport oxygen and exposure to high CO concentrations is a significant environmental and occupational health concern. These contrasting aspects of CO—clinically useful in low doses but potentially lethal in higher doses—mandates a need for a quantitative understanding of the temporal profiles of the uptake and distribution of CO in the human body. In this dissertation I have (i) used a mathematical model to analyze CO-rebreathing techniques used to estimate total hemoglobin mass and proposed a CO-rebreathing procedure to estimate hemoglobin mass with low errors, (ii) enhanced and validated a multicompartment model to estimate O2, CO and CO2 tensions, bicarbonate levels, pH levels, blood carboxyhemoglobin (HbCO) levels, and carboxymyoglobin (MbCO) levels in all the vascular (arterial, mixed venous and vascular subcompartments of the tissues) and tissue (brain, heart and skeletal muscle) compartments of the model in normoxia, hypoxia, CO hypoxia, hyperoxia, isocapnic hyperoxia and hyperbaric oxygen, and (iii) used this developed mathematical model to propose a treatment to improve O2 delivery and CO removal by comparing O2 and CO levels during different treatment protocols administered for otherwise-healthy CO-poisoned subjects.

Kohlenmonoxid (CO) wird nach Einatmung weitgehend an Hämoglobin gebunden, eine minimale Bindung findet auch an Myoglobin statt. Die Kohlenmonoxid-Hämoglobinkonzentration (COHb) im Blut steigt nach Inhalation proportional zur inhalierten CO-Menge und zur Hämoglobinmasse an. Dieser Anstieg wird über die CO-Hämoxymetrie ermittelt und resultierend aus der CO-Verdünnung die Hämoglobinmenge berechnet. Über die Hämoglobinkonzentration und den Hämatokrit kann im Anschluss das Blutvolumen berechnet werden. Grundsätzlich ist dieses Verfahren seit über 100 Jahren bekannt und wird seit ca. 1995 als Routinemethode zur Blutvolumenbestimmung in der Sportmedizin verwendet. Es existieren darüber hinaus methodische Probleme durch die CO-Abatmung und die Evaluierung in großen Kollektiven. Die hier vorgestellte Methodik beinhaltet die Weiterentwicklung der CO-Methode zur Direktmessung im geschlossenen System. Die Probanden atmen dabei ein exakt definiertes Bolus-Volumen in einem geschlossenen Atmungssystem über 15 Minuten ein. Die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK: COHb 5%), also die resultierende COHb-Konzentration im Blut bei einer CO-Langzeitexposition von 35 ppm, wird in der Regel nur leicht überschritten. Dazu wurden an 104 Probanden zwei Vergleichsmessungen in definiertem Abstand und an 20 Probanden Wiederholungsmessungen nach Blutspende zum Nachweis der Reliabilität und Validität durchgeführt. Zusätzlich ist die Abfallkinetik von COHb an 20 Probanden bestimmt worden. Im Ergebnis stellt sich methodenbedingt ein COHb-Steady-State nach 9 Minuten Rückatmung im geschlossenen System ein. Der Typical-Error der Messwiederholung der Methodik liegt bei 1,9% bzw. nach weiterer Modifizierung der Methodik bei 1,3%. Der Nachweis eines Blutverlustes von 490 ml im Rahmen einer Blutspende zeigt nur eine minimale Abweichung von 10 g Hämoglobinmasse zwischen gemessenem und kalkuliertem Verlust. Die Halbwertszeit von COHb wurde mit 135 min bestimmt. Die verwendete Methodik zeigt aufgrund der induzierten COHb-Steady-State-Kinetik Vorteile bei der Anwendung und Genauigkeit. Der Nachweis der Wiederholbarkeit und Messgenauigkeit konnte an einem hinreichend großen Kollektiv gezeigt werden. Bei Mehrfachanwendung bietet die Sensitivität der Methodik die Möglichkeit der Aufdeckung von Manipulationen des Blutes über Erythropoetin (EPO) oder Eigenbluttransfusion. Dabei bewegt sich die eingesetzte CO-Belastung während der Methode im Bereich des Konsums von wenigen Zigaretten.

Kohlenmonoxid (CO) wird nach Einatmung weitgehend an Hämoglobin gebunden, eine minimale Bindung findet auch an Myoglobin statt. Die Kohlenmonoxid-Hämoglobinkonzentration (COHb) im Blut steigt nach Inhalation proportional zur inhalierten CO-Menge und zur Hämoglobinmasse an. Dieser Anstieg wird über die CO-Hämoxymetrie ermittelt und resultierend aus der CO-Verdünnung die Hämoglobinmenge berechnet. Über die Hämoglobinkonzentration und den Hämatokrit kann im Anschluss das Blutvolumen berechnet werden. Grundsätzlich ist dieses Verfahren seit über 100 Jahren bekannt und wird seit ca. 1995 als Routinemethode zur Blutvolumenbestimmung in der Sportmedizin verwendet. Es existieren darüber hinaus methodische Probleme durch die CO-Abatmung und die Evaluierung in großen Kollektiven. Die hier vorgestellte Methodik beinhaltet die Weiterentwicklung der CO-Methode zur Direktmessung im geschlossenen System. Die Probanden atmen dabei ein exakt definiertes Bolus-Volumen in einem geschlossenen Atmungssystem über 15 Minuten ein. Die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK: COHb 5%), also die resultierende COHb-Konzentration im Blut bei einer CO-Langzeitexposition von 35 ppm, wird in der Regel nur leicht überschritten. Dazu wurden an 104 Probanden zwei Vergleichsmessungen in definiertem Abstand und an 20 Probanden Wiederholungsmessungen nach Blutspende zum Nachweis der Reliabilität und Validität durchgeführt. Zusätzlich ist die Abfallkinetik von COHb an 20 Probanden bestimmt worden. Im Ergebnis stellt sich methodenbedingt ein COHb-Steady-State nach 9 Minuten Rückatmung im geschlossenen System ein. Der Typical-Error der Messwiederholung der Methodik liegt bei 1,9% bzw. nach weiterer Modifizierung der Methodik bei 1,3%. Der Nachweis eines Blutverlustes von 490 ml im Rahmen einer Blutspende zeigt nur eine minimale Abweichung von 10 g Hämoglobinmasse zwischen gemessenem und kalkuliertem Verlust. Die Halbwertszeit von COHb wurde mit 135 min bestimmt. Die verwendete Methodik zeigt aufgrund der induzierten COHb-Steady-State-Kinetik Vorteile bei der Anwendung und Genauigkeit. Der Nachweis der Wiederholbarkeit und Messgenauigkeit konnte an einem hinreichend großen Kollektiv gezeigt werden. Bei Mehrfachanwendung bietet die Sensitivität der Methodik die Möglichkeit der Aufdeckung von Manipulationen des Blutes über Erythropoetin (EPO) oder Eigenbluttransfusion. Dabei bewegt sich die eingesetzte CO-Belastung während der Methode im Bereich des Konsums von wenigen Zigaretten.