Analysis of temporal and disortive dissociations between muscle and pulmonary oxygen uptake kinetics during dynamic exercise: theoretical considerations and practical applications

Publikationen: Buch/BerichtWissenschaftliche Schrift zur Erlangung der Lehrberechtigung an Hochschulen und Universitäten.Forschung

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Analysis of temporal and disortive dissociations between muscle and pulmonary oxygen uptake kinetics during dynamic exercise : theoretical considerations and practical applications. / Drescher, Uwe.

Köln : Deutsche Sporthochschule Köln, 2018. 47 S.

Publikationen: Buch/BerichtWissenschaftliche Schrift zur Erlangung der Lehrberechtigung an Hochschulen und Universitäten.Forschung

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title = "Analysis of temporal and disortive dissociations between muscle and pulmonary oxygen uptake kinetics during dynamic exercise: theoretical considerations and practical applications",
abstract = "Die Sauerstoffaufnahme (_O2) ist eine wichtige physiologische Gr{\"o}{\ss}e, die die Leistungsf{\"a}higkeit des aeroben Metabolismus repr{\"a}sentiert. Die Analyse der _O2- Kinetiken kann mit Hilfe eines ganzheitlichen Ansatzes beschrieben werden, der vielf{\"a}ltige Aspekte der physiologischen Leistungsf{\"a}higkeit, dessen Beschreibung und Regulation, bei gegebenen internen (z. B. muskul{\"a}re Fitness) und externen (z. B. Umgebungstemperatur) Faktoren, beinhaltet.Ans{\"a}tze, die genutzt werden, um auf die muskul{\"a}re _O2 (_O2musc) anhand der am Mund gemessenen pulmonalen _O2(_O2pulm)-Kinetik zu schlie{\ss}en, sollten grunds{\"a}tzlich mit Vorsicht betrachtet werden (z. B. STEP-Ansatz). Aufgrund der zeitverz{\"o}gernden und verzerrenden Einfl{\"u}sse des Herzkreislaufsystems (z. B. ven{\"o}ser R{\"u}ckstrom, Herzzeitvolumen[ ]-Dynamiken), ist unklar, auf welche Weise die _O2pulm zeitlich verz{\"o}gert und verzerrt ist. Es ist daher notwendig, die zeitlichen und verzerrenden Effekte des ven{\"o}sen R{\"u}ckstroms und der -Dynamiken zwischen der _O2musc- und _O2pulm-Kinetik ad{\"a}quat zu ber{\"u}cksichtigen, indem man die jeweiligen Einfl{\"u}sse auf die am Mund gemessene _O2pulm aufzeigt. Dies ist z. B. durch die theoretische (in silico) und praktische (in vivo) Anwendung von Kreislaufmodellen mit einem dynamischen Belastungsprotokoll m{\"o}glich (PRBS-Ansatz).Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es (a) den theoretischen Einfluss des ven{\"o}sen R{\"u}ckstromes und der -Dynamiken auf die Dissoziation zwischen _O2musc und _O2pulm zu beurteilen, (b) praktische Anwendungen in der Leistungsphysiologie, Sportwissenschaft und der Medizin darzustellen, und (c) einen {\"U}berblick {\"u}ber weitere potentielle Anwendungsfelder des angewandten Verfahrens zu geben. Die Ergebnisse k{\"o}nnen wie folgt zusammengefasst werden, die bereits publiziert wurden:(1) Theoretische und praktische Analysen weisen darauf hin, dass nicht-lineare Verzerrungen und zeitliche Dissoziationen zwischen _O2musc- und _O2pulm- Kinetiken vorliegen.(2) Es konnte gezeigt werden, dass die _O2pulm-Kinetiken aufgrund des ven{\"o}sen R{\"u}ckstroms bei unterschiedlichen K{\"o}rperpositionen ver{\"a}ndert sind (75°, 45°, -6°). Die _O2musc- und die Herzfrequenz-Kinetiken sind dabei nicht ver{\"a}ndert.(3) Der direkte Vergleich des STEP-Ansatzes mit dem PRBS-Ansatz, zeigt keinen systematischen Unterschied in der _O2musc-Kinetik. Aufgrund der gro{\ss}en Streuung der Daten ist eine Vorhersagbarkeit der _O2musc der beiden Verfahren deutlich eingeschr{\"a}nkt.(4) Es konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche PRBS-Leistungsamplituden, die die gleiche untere Leistungsstufe haben, keinen Unterschied in der _O2musc- und _O2pulm-Kinetik hervorrufen.(5)Die Beurteilung der Leistungsf{\"a}higkeit von dynamischer Ober- und Unterk{\"o}rperarbeit zeigt, dass sich die _O2musc-Kinetiken hinsichtlich der Modalit{\"a}t unterscheiden, wobei die _O2pulm-Kinetiken nicht signifikant unterschiedlich sind. Zus{\"a}tzlich konnte bei maximalen isokinetischen (konzentrisch-exzentrische) Belastungen zwischen Ober- (Arm) und Unterk{\"o}rperarbeit (Bein) aufgezeigt werden, dass sich die Zeitpunkte der h{\"o}chsten arterioven{\"o}sen Sauerstoffkonzentrationsdifferenzen (avDO2) signifikant zwischen Arm und Bein in den Erholungsphasen unterscheiden.(6)Die Durchf{\"u}hrung eines 6-w{\"o}chigen Ausdauertrainings (Intervall- und Dauermethode) zeigte keine Vorteile hinsichtlich einer Verbesserung der kardiorespiratorischen Kinetiken bez{\"u}glich der Trainingsmethoden. Jedoch wurde eine tendenzielle Verbesserung der _O2musc-Kinetiken als Interaktionseffekt gefunden, der vermuten l{\"a}sst, dass Intervalltraining die _O2musc-Kinetiken beschleunigt.(7) Der kurzfristige Aufenthalt in einer Klimakammer bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen (15°C, 25°C und 35°C) hat keinen Einfluss auf die _O2pulm- oder _O2musc-Kinetiken.(8) Nach langfristigem Weltraumaufenthalt sind die _O2musc-Kinetiken verlangsamt, mit einhergehender Verringerung der maximalen _O2, was eine m{\"o}gliche Verkn{\"u}pfung der kapazitiven und regulierenden leistungsphysiologischen Systeme darstellt.Die Unterscheidung von _O2musc- und _O2pulm-Kinetiken verdeutlicht, dass der ven{\"o}se R{\"u}ckstrom und die -Dynamiken einen deutlichen Einfluss auf die resultierende _O2pulm-Kinetik hat, der nicht vorhersagbar ist. Dies wiederum untermauert die Notwendigkeit zwischen _O2musc- und _O2pulm-Kinetiken zu unterscheiden. Die _O2pulm- Kinetiken sollten daher nicht (egal ob ganz oder teilweise) als Stellvertreter der _O2musc-Kinetiken angesehen werden, da es sonst zu Fehlinterpretationen kommen kann. Folglich sollten die -Dynamiken und der ven{\"o}se R{\"u}ckstrom grunds{\"a}tzlich immer dann ber{\"u}cksichtigt werden, sobald _O2-Kinetiken analysiert und diskutiert werden.Zuk{\"u}nftig kann die praktische Anwendung des Verfahrens auch f{\"u}r andere physiologische Parameter genutzt werden, das eine Beurteilung der Regulationseigenschaften des untersuchten physiologischen Systems erlaubt. Diesbez{\"u}glich ist das Verst{\"a}ndnis des arteriellen Blutdruckverhaltens f{\"u}r Bluthochdruckpatienten hinsichtlich m{\"o}glicher Trainingsempfehlungen von Interesse. Eine weitere Anwendung k{\"o}nnte zuk{\"u}nftige Mond- und Marsmissionen betreffen. Dabei k{\"o}nnte die Anwendung des aufgezeigten Ansatzes das PRBS-Belastungsprotokoll beinhalten, das als Intervalltrainingsmethode genutzt werden kann, um das kardiorespiratorische und mentale Leistungsverm{\"o}gen bei l{\"a}ngerfristigen Expositionen in der Schwerelosigkeit zu erhalten bzw. zu verbessern.",
author = "Uwe Drescher",
note = "Kumulative Habilitation",
year = "2018",
language = "Deutsch",
publisher = "Deutsche Sporthochschule K{\"o}ln",

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RIS

TY - BOOK

T1 - Analysis of temporal and disortive dissociations between muscle and pulmonary oxygen uptake kinetics during dynamic exercise

T2 - theoretical considerations and practical applications

AU - Drescher, Uwe

N1 - Kumulative Habilitation

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Die Sauerstoffaufnahme (_O2) ist eine wichtige physiologische Größe, die die Leistungsfähigkeit des aeroben Metabolismus repräsentiert. Die Analyse der _O2- Kinetiken kann mit Hilfe eines ganzheitlichen Ansatzes beschrieben werden, der vielfältige Aspekte der physiologischen Leistungsfähigkeit, dessen Beschreibung und Regulation, bei gegebenen internen (z. B. muskuläre Fitness) und externen (z. B. Umgebungstemperatur) Faktoren, beinhaltet.Ansätze, die genutzt werden, um auf die muskuläre _O2 (_O2musc) anhand der am Mund gemessenen pulmonalen _O2(_O2pulm)-Kinetik zu schließen, sollten grundsätzlich mit Vorsicht betrachtet werden (z. B. STEP-Ansatz). Aufgrund der zeitverzögernden und verzerrenden Einflüsse des Herzkreislaufsystems (z. B. venöser Rückstrom, Herzzeitvolumen[ ]-Dynamiken), ist unklar, auf welche Weise die _O2pulm zeitlich verzögert und verzerrt ist. Es ist daher notwendig, die zeitlichen und verzerrenden Effekte des venösen Rückstroms und der -Dynamiken zwischen der _O2musc- und _O2pulm-Kinetik adäquat zu berücksichtigen, indem man die jeweiligen Einflüsse auf die am Mund gemessene _O2pulm aufzeigt. Dies ist z. B. durch die theoretische (in silico) und praktische (in vivo) Anwendung von Kreislaufmodellen mit einem dynamischen Belastungsprotokoll möglich (PRBS-Ansatz).Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es (a) den theoretischen Einfluss des venösen Rückstromes und der -Dynamiken auf die Dissoziation zwischen _O2musc und _O2pulm zu beurteilen, (b) praktische Anwendungen in der Leistungsphysiologie, Sportwissenschaft und der Medizin darzustellen, und (c) einen Überblick über weitere potentielle Anwendungsfelder des angewandten Verfahrens zu geben. Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden, die bereits publiziert wurden:(1) Theoretische und praktische Analysen weisen darauf hin, dass nicht-lineare Verzerrungen und zeitliche Dissoziationen zwischen _O2musc- und _O2pulm- Kinetiken vorliegen.(2) Es konnte gezeigt werden, dass die _O2pulm-Kinetiken aufgrund des venösen Rückstroms bei unterschiedlichen Körperpositionen verändert sind (75°, 45°, -6°). Die _O2musc- und die Herzfrequenz-Kinetiken sind dabei nicht verändert.(3) Der direkte Vergleich des STEP-Ansatzes mit dem PRBS-Ansatz, zeigt keinen systematischen Unterschied in der _O2musc-Kinetik. Aufgrund der großen Streuung der Daten ist eine Vorhersagbarkeit der _O2musc der beiden Verfahren deutlich eingeschränkt.(4) Es konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche PRBS-Leistungsamplituden, die die gleiche untere Leistungsstufe haben, keinen Unterschied in der _O2musc- und _O2pulm-Kinetik hervorrufen.(5)Die Beurteilung der Leistungsfähigkeit von dynamischer Ober- und Unterkörperarbeit zeigt, dass sich die _O2musc-Kinetiken hinsichtlich der Modalität unterscheiden, wobei die _O2pulm-Kinetiken nicht signifikant unterschiedlich sind. Zusätzlich konnte bei maximalen isokinetischen (konzentrisch-exzentrische) Belastungen zwischen Ober- (Arm) und Unterkörperarbeit (Bein) aufgezeigt werden, dass sich die Zeitpunkte der höchsten arteriovenösen Sauerstoffkonzentrationsdifferenzen (avDO2) signifikant zwischen Arm und Bein in den Erholungsphasen unterscheiden.(6)Die Durchführung eines 6-wöchigen Ausdauertrainings (Intervall- und Dauermethode) zeigte keine Vorteile hinsichtlich einer Verbesserung der kardiorespiratorischen Kinetiken bezüglich der Trainingsmethoden. Jedoch wurde eine tendenzielle Verbesserung der _O2musc-Kinetiken als Interaktionseffekt gefunden, der vermuten lässt, dass Intervalltraining die _O2musc-Kinetiken beschleunigt.(7) Der kurzfristige Aufenthalt in einer Klimakammer bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen (15°C, 25°C und 35°C) hat keinen Einfluss auf die _O2pulm- oder _O2musc-Kinetiken.(8) Nach langfristigem Weltraumaufenthalt sind die _O2musc-Kinetiken verlangsamt, mit einhergehender Verringerung der maximalen _O2, was eine mögliche Verknüpfung der kapazitiven und regulierenden leistungsphysiologischen Systeme darstellt.Die Unterscheidung von _O2musc- und _O2pulm-Kinetiken verdeutlicht, dass der venöse Rückstrom und die -Dynamiken einen deutlichen Einfluss auf die resultierende _O2pulm-Kinetik hat, der nicht vorhersagbar ist. Dies wiederum untermauert die Notwendigkeit zwischen _O2musc- und _O2pulm-Kinetiken zu unterscheiden. Die _O2pulm- Kinetiken sollten daher nicht (egal ob ganz oder teilweise) als Stellvertreter der _O2musc-Kinetiken angesehen werden, da es sonst zu Fehlinterpretationen kommen kann. Folglich sollten die -Dynamiken und der venöse Rückstrom grundsätzlich immer dann berücksichtigt werden, sobald _O2-Kinetiken analysiert und diskutiert werden.Zukünftig kann die praktische Anwendung des Verfahrens auch für andere physiologische Parameter genutzt werden, das eine Beurteilung der Regulationseigenschaften des untersuchten physiologischen Systems erlaubt. Diesbezüglich ist das Verständnis des arteriellen Blutdruckverhaltens für Bluthochdruckpatienten hinsichtlich möglicher Trainingsempfehlungen von Interesse. Eine weitere Anwendung könnte zukünftige Mond- und Marsmissionen betreffen. Dabei könnte die Anwendung des aufgezeigten Ansatzes das PRBS-Belastungsprotokoll beinhalten, das als Intervalltrainingsmethode genutzt werden kann, um das kardiorespiratorische und mentale Leistungsvermögen bei längerfristigen Expositionen in der Schwerelosigkeit zu erhalten bzw. zu verbessern.

AB - Die Sauerstoffaufnahme (_O2) ist eine wichtige physiologische Größe, die die Leistungsfähigkeit des aeroben Metabolismus repräsentiert. Die Analyse der _O2- Kinetiken kann mit Hilfe eines ganzheitlichen Ansatzes beschrieben werden, der vielfältige Aspekte der physiologischen Leistungsfähigkeit, dessen Beschreibung und Regulation, bei gegebenen internen (z. B. muskuläre Fitness) und externen (z. B. Umgebungstemperatur) Faktoren, beinhaltet.Ansätze, die genutzt werden, um auf die muskuläre _O2 (_O2musc) anhand der am Mund gemessenen pulmonalen _O2(_O2pulm)-Kinetik zu schließen, sollten grundsätzlich mit Vorsicht betrachtet werden (z. B. STEP-Ansatz). Aufgrund der zeitverzögernden und verzerrenden Einflüsse des Herzkreislaufsystems (z. B. venöser Rückstrom, Herzzeitvolumen[ ]-Dynamiken), ist unklar, auf welche Weise die _O2pulm zeitlich verzögert und verzerrt ist. Es ist daher notwendig, die zeitlichen und verzerrenden Effekte des venösen Rückstroms und der -Dynamiken zwischen der _O2musc- und _O2pulm-Kinetik adäquat zu berücksichtigen, indem man die jeweiligen Einflüsse auf die am Mund gemessene _O2pulm aufzeigt. Dies ist z. B. durch die theoretische (in silico) und praktische (in vivo) Anwendung von Kreislaufmodellen mit einem dynamischen Belastungsprotokoll möglich (PRBS-Ansatz).Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es (a) den theoretischen Einfluss des venösen Rückstromes und der -Dynamiken auf die Dissoziation zwischen _O2musc und _O2pulm zu beurteilen, (b) praktische Anwendungen in der Leistungsphysiologie, Sportwissenschaft und der Medizin darzustellen, und (c) einen Überblick über weitere potentielle Anwendungsfelder des angewandten Verfahrens zu geben. Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden, die bereits publiziert wurden:(1) Theoretische und praktische Analysen weisen darauf hin, dass nicht-lineare Verzerrungen und zeitliche Dissoziationen zwischen _O2musc- und _O2pulm- Kinetiken vorliegen.(2) Es konnte gezeigt werden, dass die _O2pulm-Kinetiken aufgrund des venösen Rückstroms bei unterschiedlichen Körperpositionen verändert sind (75°, 45°, -6°). Die _O2musc- und die Herzfrequenz-Kinetiken sind dabei nicht verändert.(3) Der direkte Vergleich des STEP-Ansatzes mit dem PRBS-Ansatz, zeigt keinen systematischen Unterschied in der _O2musc-Kinetik. Aufgrund der großen Streuung der Daten ist eine Vorhersagbarkeit der _O2musc der beiden Verfahren deutlich eingeschränkt.(4) Es konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche PRBS-Leistungsamplituden, die die gleiche untere Leistungsstufe haben, keinen Unterschied in der _O2musc- und _O2pulm-Kinetik hervorrufen.(5)Die Beurteilung der Leistungsfähigkeit von dynamischer Ober- und Unterkörperarbeit zeigt, dass sich die _O2musc-Kinetiken hinsichtlich der Modalität unterscheiden, wobei die _O2pulm-Kinetiken nicht signifikant unterschiedlich sind. Zusätzlich konnte bei maximalen isokinetischen (konzentrisch-exzentrische) Belastungen zwischen Ober- (Arm) und Unterkörperarbeit (Bein) aufgezeigt werden, dass sich die Zeitpunkte der höchsten arteriovenösen Sauerstoffkonzentrationsdifferenzen (avDO2) signifikant zwischen Arm und Bein in den Erholungsphasen unterscheiden.(6)Die Durchführung eines 6-wöchigen Ausdauertrainings (Intervall- und Dauermethode) zeigte keine Vorteile hinsichtlich einer Verbesserung der kardiorespiratorischen Kinetiken bezüglich der Trainingsmethoden. Jedoch wurde eine tendenzielle Verbesserung der _O2musc-Kinetiken als Interaktionseffekt gefunden, der vermuten lässt, dass Intervalltraining die _O2musc-Kinetiken beschleunigt.(7) Der kurzfristige Aufenthalt in einer Klimakammer bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen (15°C, 25°C und 35°C) hat keinen Einfluss auf die _O2pulm- oder _O2musc-Kinetiken.(8) Nach langfristigem Weltraumaufenthalt sind die _O2musc-Kinetiken verlangsamt, mit einhergehender Verringerung der maximalen _O2, was eine mögliche Verknüpfung der kapazitiven und regulierenden leistungsphysiologischen Systeme darstellt.Die Unterscheidung von _O2musc- und _O2pulm-Kinetiken verdeutlicht, dass der venöse Rückstrom und die -Dynamiken einen deutlichen Einfluss auf die resultierende _O2pulm-Kinetik hat, der nicht vorhersagbar ist. Dies wiederum untermauert die Notwendigkeit zwischen _O2musc- und _O2pulm-Kinetiken zu unterscheiden. Die _O2pulm- Kinetiken sollten daher nicht (egal ob ganz oder teilweise) als Stellvertreter der _O2musc-Kinetiken angesehen werden, da es sonst zu Fehlinterpretationen kommen kann. Folglich sollten die -Dynamiken und der venöse Rückstrom grundsätzlich immer dann berücksichtigt werden, sobald _O2-Kinetiken analysiert und diskutiert werden.Zukünftig kann die praktische Anwendung des Verfahrens auch für andere physiologische Parameter genutzt werden, das eine Beurteilung der Regulationseigenschaften des untersuchten physiologischen Systems erlaubt. Diesbezüglich ist das Verständnis des arteriellen Blutdruckverhaltens für Bluthochdruckpatienten hinsichtlich möglicher Trainingsempfehlungen von Interesse. Eine weitere Anwendung könnte zukünftige Mond- und Marsmissionen betreffen. Dabei könnte die Anwendung des aufgezeigten Ansatzes das PRBS-Belastungsprotokoll beinhalten, das als Intervalltrainingsmethode genutzt werden kann, um das kardiorespiratorische und mentale Leistungsvermögen bei längerfristigen Expositionen in der Schwerelosigkeit zu erhalten bzw. zu verbessern.

M3 - Wissenschaftliche Schrift zur Erlangung der Lehrberechtigung an Hochschulen und Universitäten.

BT - Analysis of temporal and disortive dissociations between muscle and pulmonary oxygen uptake kinetics during dynamic exercise

PB - Deutsche Sporthochschule Köln

CY - Köln

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ID: 5268016