Für die Messung der Diffusionskapazität der Lunge für Kohlenmonoxid (Transferfak-tor) stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Die Messwerte für den Transferfak-tor unterscheiden sich nicht nur je nach dem angewandten Verfahren, sondern auch in Abhängigkeit von der technischen Ausrüstung und den Eigenheiten der Methodik. Ziel dieser Arbeit war es, ein neu eingeführtes Rebreath-Gerät, das die Diffusionskapazität nach der von Stam (Stam et al. 1998) entwickelten Methode misst, in der klinischen Praxis zu testen. Die Messwerte sollten mit den Messungen nach dem Steady-State-Verfahren, das sich im Lungenfunktionslabor der Medizinischen Klinik und Poliklinik I der Universität Würzburg bewährt hatte, in Beziehung gesetzt werden. Durch adäquate Korrektur der Rebreath-Messwerte sollte eine möglichst gute Übereinstimmung der kor-respondierenden Messwerte erzielt werden. Bei den untersuchten Patientenkollektiven handelte es sich um lungengesunde Proban-den und um Patienten mit obstruktiven bzw. restriktiven Lungenerkrankungen. Bei allen Kollektiven wurden Diffusionskapazitätsmessungen nach beiden Verfahren durchge-führt und parallel dazu auch spirometrische und bodyplethysmografische Untersuchun-gen vorgenommen. Die Auswertung der Messdaten umfasste zunächst eine univariate Analyse zur Ermittlung von diagnostischen und demografischen Einflussgrößen (Prä-diktoren) auf die Messwerte der beiden Verfahren und auf die Bodyplethysmographie. Anschließend wurden schrittweise mittels multipler linearer Regression aus den ver-schiedenen Einflussgrößen primäre Prädiktoren für die Messungen mit den beiden Ver-fahren ermittelt. Schließlich wurde eine Schätzformel abgeleitet, die unter der Berück-sichtigung der wichtigsten Prädiktoren die optimale Näherung der Rebreath-Messwerte an die korrespondierenden Steady-State-Messwerte erlaubte. Mit beiden Verfahren wurden für die Patienten niedrigere Werte der Diffusionskapazi-tät ermittelt als für gesunde Probanden, mit den niedrigsten Werten bei Patienten mit restriktiver Lungenerkrankung. Für obstruktiv Erkrankte fanden sich die höchsten Alve-olarvolumina und entsprechend die niedrigsten Werte für den Krogh-Faktor. Mit beiden Verfahren konnte eine Abhängigkeit der Messwerte für den Transferfaktor von Ge-schlecht und Alter festgestellt werden. Als primärer Prädiktor galt allerdings in beiden Fällen die Diagnose. Bemerkenswert ist der starke Einfluss des BMI auf einige der ge-messenen Parameter (TLCOkorr, Krogh-Faktor, DLCO%), was eine stärkere Berück-sichtigung des BMI als prädiktiven Faktor nahe legt. Die Korrelation zwischen den Messwerten aus den beiden Verfahren war mäßig. Das Steady-State-Gerät maß den Transferfaktor signifikant und wesentlich höher als das Rebreath-Gerät. Die schwächste Korrelation fand sich unter allen untersuchten Parame-tern für die Prozentwerte vom Soll TLCO% und DLCO%. Die Abweichung der korres-pondierenden Messwerte unterschied sich zudem je nach Diagnose, Alter und Höhe des Messwerts. Die Spirometrie und Bodyplethysmografie zeigte die zu erwartenden geschlechts-, al-ters- und diagnosespezifischen Charakteristika, wobei nahezu alle bodyplethysmografi-schen Parameter primär mit der Diagnose und nur sekundär mit demografischen Fakto-ren korrelierten. Die Einsekundenkapazität FEV1 erwies sich als ein wichtiger Prädiktor für die Steady-State-Diffusionskapazität und als geeignet, um die Rebreath-Messwerte der Zielsetzung entsprechend zu korrigieren. Sowohl für die Absolut- als auch für Rela-tivwerte der Diffusionskapazität konnte eine Schätzformel abgeleitet werden, welche die optimale Näherung der Rebreath-Werte an die entsprechenden Steady-State-Werte ermöglichte. Die bessere Näherung gelang für die Absolutwerte des Transferfaktors. / Several methods have been developed to estimate the pulmonary diffusing capacity for carbon monoxide ( transfer factor). The measurements for the transfer factor differ not only depending on the applied method, but also on the technical equipment and the peculiarities of the methodology. The aim of this study was to test in clinical practice a newly introduced rebreath device that measures the diffusion capacity after rebreathing method developed by Stam (Stam et al. 1998). The measured values should be set in relationship with the measurements according to the steady-state method, which had been proven in pulmonary function laboratory of the Department of Internal Medicine I, University of Würzburg. Measurements were perfomed with healty volunteers and outpatients with obstructive and restrictive lung disease. All patients were measured by the rebreathing method, by the the steady state method and by the bodyplethysmographie. The evaluation of the measurement data initially comprised a univariate analysis of diagnostic and demographic influences (predictors) on the measurement values of both methods and of the bodyplethysmographie. Then by stepwise multiple regression analysis of the various influencing factors primary predictors for the measurements with both methods were determined. Finally, an estimation formula has been derived that allowed the optimal approximation of the values by the rebreathing method and the steady state method, taking account of the most important predictors. With both methods, diffusion capacity in patients was smaller than in healthy patients, with the lowest values in the patients with restrictive lung disease. Also with both methods a dependence of the measured values for the transfer factor of gender and age was found. Although the primary predictor in both cases was the diagnosis. Noteworthy is the strong influence of BMI on some of the measured parameters (TLCOkorr, Krogh-Faktor, DLCO%), suggesting a stronger consideration of BMI as a predictor. The correlation between the measured values of both methods was moderately. The steady state device measured the transfer factor significantly and substantially higher than the rebreathing appliance. Among all investigated parameters the weakest correlation was found for the percentage values from the setpoint TLCO% and DLCO%. The deviation of the corresponding measured values also differed by diagnosis, age and height of the measured value. The bodyplethysmographie showed the expected gender-, age-, and diagnosis specific characteristics. Almost all bodyplethysmographic parameters correlated primarily with the diagnosis, and only secondarily with demographic factors. The FEV1 was found to be an important predictor for the steady-state diffusion capacity and as appropriate, to correct the rebreath- values accordingly to the objective. Both the absolute and relative values of diffusion capacity an estimation formula was derived, which enabled the optimum approximation of the rebreath values to the respective steady-state values. The better approximation succeeded for the absolute values of the transfer factor.

African Americans (AA) are at an increased risk for cardio and cerebral vascular disease relative to Caucasians (CA) and the underlying impairments manifest as early as the second generation prior to overt signs of risk. The mechanisms of this increased risk are multifactorial; however, evidence suggests that microvascular dysfunction is a primary contributor. This study tested the hypothesis that microvascular function, indexed by the skin vascular conductance (SkVC) response to local heating, is impaired in young otherwise healthy AAs. Furthermore, we hypothesized that AAs have an attenuated cerebral vasodilator response to hypercapnia. Nineteen healthy young individuals were participated in this study (9 AAs, 10 CAs). SkVC was assessed while the skin was clamped at 34 °C and 40 °C and values were normalized to a maximal value obtained during heating at 43 °C for 30 min. Cerebral vasomotor reactivity (CVMR) was assessed by increases in cerebral vascular conductance (CVC) during a rebreathing protocol. SkVC was lower in the AA group at 34 °C (AA: 10±3 % max vs. CA: 16±7 % max; P < 0.01) In addition, SkVC was reduced in AAs at 40 °C (AA: 56±15 % max vs. CA: 68±12 % max; P=0.03). CVMR was significantly attenuated during hypercapnic rebreathing in AAs relative to CAs (AA: 2.8 ± 1.2 %CVC/Torr vs. CA: 5.7 ±0.9 %CVC/Torr; P < 0.001). Our findings suggest that microvascular function is impaired in young otherwise healthy AAs. / text

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

The purpose of this study was to explore the efficacy of two existing pulse contour analysis (PCA) models for estimating cardiac stroke volume from the arterial pressure waveform during kicking ergometer exercise and head-up tilt manoeuvres. Secondly, one of the existing models was modified in an attempt to enhance its performance. In part I, seven healthy young adults repeated two submaximal exercise sessions on a kicking ergometer, each with three different sets of steady-state cardiac output comparisons (pulsed Doppler vs. pulse contour). Across all exercise trials regression results were found to be PCA = 1. 23 x Doppler-1. 38 with an r2 = 0. 51. In part II, eight young and eight older male healthy subjects participated in a head-up tilt experiment. Cardiac output comparisons were again performed during the supine and tilt conditions using pulsed Doppler and pulse contour cardiac output. Regression results revealed that PCA performed best during supine conditions and preferentially on the older subjects. In all instances, impedance-calibrated pulse contour analysis will provide reasonable beat-by-beat cardiac output within very narrow confines and will result in a progressively more significant bias as cardiovascular dynamics change. In addition, it appears that heart rate variability negatively influences beat-by-beat pulse contour cardiac output results, further limiting application of existing models.

The purpose of this study was to explore the efficacy of two existing pulse contour analysis (PCA) models for estimating cardiac stroke volume from the arterial pressure waveform during kicking ergometer exercise and head-up tilt manoeuvres. Secondly, one of the existing models was modified in an attempt to enhance its performance. In part I, seven healthy young adults repeated two submaximal exercise sessions on a kicking ergometer, each with three different sets of steady-state cardiac output comparisons (pulsed Doppler vs. pulse contour). Across all exercise trials regression results were found to be PCA = 1. 23 x Doppler-1. 38 with an r2 = 0. 51. In part II, eight young and eight older male healthy subjects participated in a head-up tilt experiment. Cardiac output comparisons were again performed during the supine and tilt conditions using pulsed Doppler and pulse contour cardiac output. Regression results revealed that PCA performed best during supine conditions and preferentially on the older subjects. In all instances, impedance-calibrated pulse contour analysis will provide reasonable beat-by-beat cardiac output within very narrow confines and will result in a progressively more significant bias as cardiovascular dynamics change. In addition, it appears that heart rate variability negatively influences beat-by-beat pulse contour cardiac output results, further limiting application of existing models.

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.

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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.