163
Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure (TEE) using stable isotopes A thesis submitted in fulfillment of the requirements for the award of: Master of Applied Science (Research) By Cornelia Wishart Institute of Health and Biomedical Innovation School of Human Movement Studies Faculty of Health Queensland University of Technology

Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

  • Upload
    docong

  • View
    221

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

  

Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure (TEE) using 

stable isotopes 

 

   

 

 

A thesis submitted in fulfillment of the requirements for the award of: 

Master of Applied Science (Research) 

 

 

By 

Cornelia Wishart 

 

 

Institute of Health and Biomedical Innovation 

 

School of Human Movement Studies 

 

Faculty of Health 

 

Queensland University of Technology   

Page 2: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

ii  

KEYWORDS 

Total energy expenditure, 

 Total body water,  

Isotope ratio mass spectrometry,  

Stable isotopes, doubly labeled water,  

Body composition,  

Deuterium, 

 Oxygen‐18  

   

Page 3: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

iii  

 

STATEMENT OF ORIGINAL AUTHORSHIP 

 “The work contained in this thesis has not been previously submitted to meet 

requirements for an award at this or any other higher education institution. To the 

best of my knowledge and belief, the thesis contains no material previously 

published or written by another person except where due reference is made.” 

 

 

 

 

Signature 

 

 

 

Date 

 

 

 

 

 

   

Page 4: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

iv  

ABSTRACT 

 

Understanding the relationship between diet, physical activity and health in humans 

requires accurate measurement of body composition and daily energy expenditure. 

Stable isotopes provide a means of measuring total body water and daily energy 

expenditure under free‐living conditions. While the use of isotope ratio mass 

spectrometry (IRMS) for the analysis of 2H (Deuterium) and 18O (Oxygen‐18) is well 

established in the field of human energy metabolism research, numerous questions 

remain regarding the factors which influence analytical and measurement error 

using this methodology.  This thesis was comprised of four studies with the following 

emphases. The aim of Study 1 was to determine the analytical and measurement 

error of the IRMS with regard to sample handling under certain conditions. Study 2 

involved the comparison of TEE (Total daily energy expenditure) using two 

commonly employed equations. Further, saliva and urine samples, collected at 

different times, were used to determine if clinically significant differences would 

occur. Study 3 was undertaken to determine the appropriate collection times for 

TBW estimates and derived body composition values. Finally, Study 4, a single case 

study to investigate if TEE measures are affected when the human condition changes 

due to altered exercise and water intake. 

The aim of Study 1 was to validate laboratory approaches to measure isotopic 

enrichment to ensure accurate (to international standards), precise (reproducibility 

of three replicate samples) and linear (isotope ratio was constant over the expected 

concentration range) results. This established the machine variability for the IRMS 

equipment in use at Queensland University for both TBW and TEE.  

Using either 0.4mL or 0.5mL sample volumes for both oxygen‐18 and deuterium 

were statistically acceptable (p>0.05) and showed a within analytical variance of 5.8 

Delta VSOW units for deuterium, 0.41 Delta VSOW units for oxygen‐18. This variance 

was used as “within analytical noise” to determine sample deviations. It was also 

found that there was no influence of equilibration time on oxygen‐18 or deuterium 

values when comparing the minimum (oxygen‐18: 24hr; deuterium: 3 days) and 

Page 5: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

v  

maximum (oxygen‐18: and deuterium: 14 days) equilibration times.  With regard to 

preparation using the vacuum line, any order of preparation is suitable as the TEE 

values fall within 8% of each other regardless of preparation order. An 8% variation 

is acceptable for the TEE values due to biological and technical errors (Schoeller, 

1988). However, for the automated line, deuterium must be assessed first followed 

by oxygen‐18 as the automated machine line does not evacuate tubes but merely 

refills them with an injection of gas for a predetermined time. Any fractionation 

(which may occur for both isotopes), would cause a slight elevation in the values and 

hence a lower TEE.  

The purpose of the second and third study was to investigate the use of IRMS to 

measure the TEE and TBW of and to validate the current IRMS practices in use with 

regard to sample collection times of urine and saliva, the use of two TEE equations 

from different research centers and the body composition values derived from these 

TEE and TBW values.  

Following the collection of a fasting baseline urine and saliva sample, 10 people (8 

women, 2 men) were dosed with a doubly labeled water does comprised of 1.25g 

10% oxygen‐18 and 0.1 g 100% deuterium/kg body weight. The samples were 

collected hourly for 12 hrs on the first day and then morning, midday, and evening 

samples were collected for the next 14 days. The samples were analyzed using an 

isotope ratio mass spectrometer. For the TBW, time to equilibration was determined 

using three commonly employed data analysis approaches. Isotopic equilibration 

was reached in 90% of the sample by hour 6, and in 100% of the sample by hour 7.  

With regard to the TBW estimations, the optimal time for urine collection was found 

to be between hours 4 and 10 as to where there was no significant difference 

between values. In contrast, statistically significant differences in TBW estimations 

were found between hours 1‐3 and from 11‐12 when compared with hours 4‐10. 

Most of the individuals in this study were in equilibrium after 7 hours. 

The TEE equations of Prof Dale Scholler (Chicago, USA, IAEA) and Prof K.Westerterp 

were compared with that of Prof. Andrew Coward (Dunn Nutrition Centre). When 

Page 6: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

vi  

comparing values derived from samples collected in the morning and evening there 

was no effect of time or equation on resulting TEE values. 

The fourth study was a pilot study (n=1) to test the variability in TEE as a result of 

manipulations in fluid consumption and level of physical activity; the magnitude of 

change which may be expected in a sedentary adult. Physical activity levels were 

manipulated by increasing the number of steps per day to mimic the increases that 

may result when a sedentary individual commences an activity program. The study 

was comprised of three sub‐studies completed on the same individual over a period 

of 8 months. 

There were no significant changes in TBW across all studies, even though the 

elimination rates changed with the supplemented water intake and additional 

physical activity. The extra activity may not have sufficiently strenuous enough and 

the water intake high enough to cause a significant change in the TBW and hence the 

CO2 production and TEE values. The TEE values measured show good agreement 

based on the estimated values calculated on an RMR of 1455 kcal/day, a DIT of 10% 

of TEE and activity based on measured steps. 

The covariance values tracked when plotting the residuals were found to be 

representative of “well‐behaved” data and are indicative of the analytical accuracy. 

The ratio and product plots were found to reflect the water turnover and CO2 

production and thus could, with further investigation, be employed to identify the 

changes in physical activity. 

   

Page 7: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

vii  

Table of contents 

KEYWORDS ......................................................................................... 2 

ABSTRACT ........................................................................................... 4 

Table of contents ................................................................................ 7 

LIST OF ABBREVIATIONS .................................................................... 15 

List of Tables ..................................................................................... 18 

List of Figures .................................................................................... 20 

Chapter 1 ............................................................................................ 1 

Background ......................................................................................... 1 

Components of energy expenditure and its assessment .................................................. 3 

Basal metabolic rate .......................................................................................................... 6 

Thermic effect of food (TEF) .............................................................................................. 7 

Total Energy Expenditure .................................................................................................. 7 

Total body water ............................................................................................................... 9 

Thesis overview ............................................................................................................... 11 

Chapter 2 .......................................................................................... 12 

2.1 Literature review for TEE ............................................................. 12 

DLW theory and deviations ............................................................................................. 15 

Isotopic fractionation and other corrections .................................................................. 15 

DLW assumptions ............................................................................................................ 16 

DLW reliability ................................................................................................................. 18 

Translation into TEE ......................................................................................................... 19 

Estimation of constant turnover rates (Ko‐1 Kd‐1) ............................................................ 20 

Page 8: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

viii  

Estimation of isotope dilution space ............................................................................... 20 

Conversion of CO2 into energy ........................................................................................ 21 

Different equation constants used by Schoeller / Westerterp and Coward / Klein. ....... 21 

Coward’s equation .......................................................................................................... 22 

Respiratory quotient ....................................................................................................... 22 

Schoeller’s equation ........................................................................................................ 23 

Calculation of elimination rate ........................................................................................ 26 

Curve fitting to multi‐point.............................................................................................. 26 

Quality control using residuals to determine data integrity ........................................... 27 

Residual plots for oxygen‐18 and deuterium .................................................................. 27 

Ratio and product plots ................................................................................................... 27 

2.2 TBW literature review ................................................................. 29 

Definition of a plateau ..................................................................................................... 31 

Definition of the protocols in use .................................................................................... 32 

Calculations for TBW ....................................................................................................... 32 

TBW plateau calculation .................................................................................................. 32 

TBW intercept method calculation ................................................................................. 33 

Hydration coefficient ....................................................................................................... 34 

Derivation of FM and FFM from TBW ............................................................................. 35 

Body composition methods ............................................................... 35 

DXA .................................................................................................................................. 35 

Multi‐frequency bioelectrical impedance analysis .......................................................... 35 

Total body volume ........................................................................................................... 36 

Rationale for thesis ........................................................................... 36 

Research questions addressed in this thesis ...................................... 37 

Chapter 3 .......................................................................................... 39 

Page 9: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

ix  

IRMS background ............................................................................................................ 39 

IRMS functionality ........................................................................................................... 40 

IRMS at Queensland University of Technology (QUT) ..................................................... 42 

Laboratory practices at QUT to control analytical and measurement error ................... 45 

Standard preparation ...................................................................................................... 45 

Quality control within a run ............................................................................................ 45 

Correction for memory and drift ..................................................................................... 46 

Temperature controlled environment ............................................................................ 46 

Enriched and natural abundance standards ................................................................... 47 

Research questions to be considered in regard to the IRMS ............... 47 

What are the methodological and analytical variances in the IRMS? ............................. 48 

Measurement error definition and description .............................................................. 48 

Question 1: Equipment variation and drift (precision and reliability 

data) measuring 2H and 18O (known standards) ................................ 50 

Introduction and Background .......................................................................................... 50 

Definitions of Measurement error and drift ................................................................... 50 

Sample analysis ............................................................................................................... 51 

Results for IRMS variability beam size and machine drift ............................................... 52 

Key findings and statistical analysis for question 1 ......................................................... 52 

Question 2: Do different sample volumes affect the results? ............. 53 

Introduction and background .......................................................................................... 53 

Study Design .................................................................................................................... 54 

Key findings and statistical analysis to Question 2 –oxygen‐18 ...................................... 54 

Key findings and statistical analysis to Question 2‐deuterium ....................................... 56 

Question 3: Does equilibration time affect the results? ..................... 57 

Introduction and background .......................................................................................... 57 

Page 10: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

x  

Sample equilibration time ............................................................................................... 57 

Key findings and statistical analysis for question 3 ......................................................... 59 

Oxygen ‐18 results ‐time variability ................................................................................. 59 

Deuterium results ‐time variability ................................................................................. 59 

Question 4: Number of samples required for analysis ........................ 60 

Introduction and background .......................................................................................... 60 

Number of samples required for TEE or TBW estimates. ............................................... 60 

Sample numbers for batch analysis (Duplicate or triplicate) .......................................... 61 

Study Design for sample numbers required .................................................................... 61 

Key findings for question 4 .............................................................................................. 62 

Question 5: Variation in order of sample preparation ....................... 63 

Introduction and background .......................................................................................... 63 

Study Design .................................................................................................................... 63 

Statistical analysis of different methods of preparation ................................................. 65 

Key findings and statistical analysis for question 5 ......................................................... 66 

Discussion ......................................................................................... 66 

Question 1: Machine variability ...................................................................................... 67 

Question 2: Sample analysis with regard to volume ....................................................... 67 

Question 3: Equilibration time ........................................................................................ 68 

Question 4: Number of samples to be analyzed ............................................................. 68 

Question 5: Variation in order of sample preparation (2H or 18O first) ........................... 69 

Conclusion ....................................................................................................................... 70 

Chapter 4 .......................................................................................... 70 

Participants ...................................................................................................................... 71 

Study design .................................................................................................................... 72 

Dose alterations .............................................................................................................. 74 

Page 11: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

xi  

Measurements ................................................................................................................ 74 

Sample analysis ............................................................................................................... 75 

Body size and Body Composition .................................................................................... 76 

Body composition measurements ................................................................................... 76 

Data analysis .................................................................................................................... 76 

Research questions for TEE ............................................................................................. 77 

TEE calculations used ...................................................................................................... 77 

Part 1 ‐ IRMS data, TEE analysis and estimation ................................ 78 

IRMS data for the 10 participants ................................................................................... 78 

Key findings and statistical analysis – Question 1: Do different time points affect the 

results .............................................................................................................................. 81 

Key findings and statistical analysis – Question 2: Do different mediums affect the 

results .............................................................................................................................. 81 

Key findings and statistical analysis – Question 3: Do different regression equations 

affect the TEE results?. .................................................................................................... 82 

Discussion ........................................................................................................................ 82 

To check the analytical variance the following measures were implemented ............... 84 

Ko/kd ratio ....................................................................................................................... 84 

Covariance graphs and residual plots .............................................................................. 85 

Dose ................................................................................................................................. 85 

Food Quotient (FQ).......................................................................................................... 85 

Jack Knife system ............................................................................................................. 86 

Conclusion ....................................................................................................................... 86 

Part 2‐TBW analysis and estimation .................................................. 87 

TBW research question: .................................................................................................. 87 

Calculations for TBW ....................................................................................................... 87 

TBW plateau calculation .................................................................................................. 87 

Page 12: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

xii  

Key findings and statistical analysis –Question 1: Variability in time to 

equilibration ..................................................................................... 89 

TBW Data analysis for plateau estimation ...................................................................... 90 

Key findings to optimal collection time ............................................. 92 

Key findings and statistical analysis – Question 2: What is the 

difference in TBW (kg) using different equations? ............................. 93 

Results ............................................................................................................................. 94 

Key findings and statistical analysis: ‐ Question 3: What is the impact of 

time variability on body composition (i.e. %body fat) estimates derived 

from TBW and do these differ from values obtained by other modalities 

– DXA, BODPOD and BIA? ................................................................. 99 

Results ............................................................................................................................. 99 

Percent Body fat derived from TBW all collection times .............................................. 100 

Discussion ....................................................................................... 106 

Question 1:  What is the variability in time to isotopic equilibration and 

optimal enrichment plateau time point? ......................................... 106 

Question 2: Differences in TBW estimations using different equations

 ....................................................................................................... 109 

Question 3: What is the impact of time variability on body composition 

i.e. percent body fat estimates derived from TBW and do these differ 

from values obtained by other modalities – DXA, BODPOD, BIA? .... 109 

Conclusion ..................................................................................................................... 110 

Chapter 5 ........................................................................................ 111 

Page 13: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

xiii  

The hypothesis addressed within in this Chapter is: Can the TEE data 

and covariance graphs track the changes brought about by altered 

fluid intake and activity? ................................................................. 111 

Introduction and literature review .................................................. 111 

Subject and method ........................................................................ 112 

Design ............................................................................................. 112 

Study 1: No interference with regard to water intake or activity, TEE baseline to be 

established to represent normal daily living. ................................................................ 112 

Study 2: The activity level was altered by increasing the number of daily steps taken.112 

Study3: The fluid intake was changed from Week 1 to 2 while activity levels were kept 

constant. ........................................................................................................................ 113 

Protocol .......................................................................................... 113 

Dosing, sample collection and analysis ......................................................................... 113 

Measurements .............................................................................................................. 113 

Measurement of the thermic effect of a meal .............................................................. 114 

Statistical analysis/Results .............................................................. 114 

Statistical analysis .......................................................................................................... 114 

Results ........................................................................................................................... 114 

Results ........................................................................................................................... 120 

Covariance residuals ....................................................................... 120 

Ratio plots and product plots .......................................................... 122 

Discussion ....................................................................................... 125 

Conclusion ....................................................................................... 125 

Chapter 6 ........................................................................................ 128 

Page 14: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

xiv  

Research questions for analytical variance on the IRMS: ................. 128 

Bibliography ................................................................................... 134 

 

   

Page 15: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

xv  

LIST OF ABBREVIATIONS 

CV      Coefficient of variation 

RMR      Resting metabolic rate 

REE      Resting energy expenditure 

BMR      Basal metabolic rate 

BMI      Body Mass Index 

NCD      Non‐Communicable Diseases 

FAO/WHO/UNU   Food and Agricultural Organization /World Health 

Organization /United Nations University 

DIT      Diet induced thermogenisis 

NEAT      Non exercise activity thermogenisis 

TEF      Thermic effect of food 

AEE      Activity energy expenditure 

ExEE      Exercise energy expenditure 

PAL      Physical activity level 

QUT      Queensland University of Technology 

BURP      Brisbane Urbane Regional Precipitation (tap water) 

REF      Reference 

TBW      Total body water 

DLW      Doubly labeled water 

TEE      Total energy expenditure 

IRMS      Isotope ratio mass spectrometry 

Page 16: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

xvi  

CO2      Carbon dioxide 

DXA      Dual energy X‐ray absorptiometry 

1H      Hydrogen 

2H      Deuterium 

18O      Oxygen‐18 

A      Dose administered to subject 

a      Dose diluted for analysis 

h      Hours 

SD      Standard deviation 

Pool sizes and rate constants 

N (Nd or No)    Pool size 

K (kd or ko)    Rate constant 

Fractionation factors 

f1      2H2O vapor/liquid 

f2      H218O vapor/liquid 

f3      C18O2/H218O 

Mass spectrometric variables 

δ      Isotopic enrichment relative to a standard 

V‐SMOW    Vienna Standard Mean Ocean Water 

SLAP      Standard Light Antarctic Precipitation 

FFM      Fat‐Free Mass 

FM      Fat Mass 

Page 17: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

xvii  

IAEA      International Atomic Energy Agency 

   

Page 18: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

xviii  

List of Tables 

Table 1: Total Energy Expenditure measurements by various methods ....................... 5 

Table 2.1: A comparison of equation constants used by Schoeller and Coward to .... 25 

Table 3.0: Study design for question 1. ....................................................................... 43 

Table 3.1: Mass spectrometer settings for H and CO2 ................................................. 50 

Table 3.10: Triplicate or duplicate analysis (routine batch of deuterium) .................. 60 

Table 3.11: IRMS Results for deuterium and oxygen‐18 preparations in delta V‐

SMOW units (‰) ...................................................................................................... 62 

Table 3.12: Statistical comparison of the different methods of preparation ............. 63 

Table 3.2: Isotope assay results to establish machine drift; deuterium and oxygen‐18 

(n=20) Mean and SD of 20 samples shown ............................................................. 52 

Table 3.3: Results for different sample volume sizes for Oxygen‐18 (N=20 for each 

point). ....................................................................................................................... 53 

Table 3.4: Statistical analysis for the different Oxygen‐18 volumes. .......................... 54 

Table 3.5: Different Deuterium sample volume (N=20 for each point) ...................... 55 

Table 3.6: Statistical analysis for Reference deuterium volume changes ................... 55 

Table 3.7: Study design for question 3 ........................................................................ 57 

Table 3.8: Results for Oxygen‐18 variability in 2 different equilibration batches ....... 58 

Table 3.9: Results for Deuterium variability in 2 different equilibration batches ....... 58 

Table 4.1. cont.: Urine enrichments in delta V SMOW units (‰). .............................. 76 

Table 4.1: Urine enrichments in delta V‐SMOW units (‰) ......................................... 77 

Table 4.10: Statistically non significant collection times shaded in blue .................... 91 

Table 4.11: Results of TBW (kg) using different equations ......................................... 92 

Table 4.12: Descriptive statistics for different equations of TBW estimation ............ 93 

Table 4.13: Results of TBW (kg) using different equations ......................................... 95 

Table 4.14: Statistical comparison of TBW (kg) using different equations ................. 96 

Table 4.15: TBW (kg) and percent body fat data ......................................................... 98 

Table 4.16: % Body fat values derived from different equipment and equations urine 

h 6, saliva h 4 ............................................................................................................ 99 

Table 4.17: Statistical comparison of percent body fat derivatives from TBW and 

equipment measurements. ................................................................................... 100 

Page 19: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

xix  

Table 4.18: Statistical comparison of % body fat derivatives from TBW and TEE 

measurements ....................................................................................................... 101 

Table 4.2: TEE (kcal/day) values for urine and saliva samples using Schoeller and 

Coward equations at different time points across the day; .................................... 78 

Table 4.3: Comparison of times for urine (Coward) n=10 ........................................... 79 

Table 4.4: Comparison of Schoeller urine and saliva ................................................... 80 

Table 4.5: Different equations comparison n=10 ........................................................ 80 

Table 4.6:  Jack Knife technique ................................................................................... 84 

Table 4.7: Urine IRMS deuterium data ........................................................................ 87 

Table 4.8: TBW (kg) for urine and saliva ...................................................................... 88 

Table 4.9:  Comparison of TBW (kg), (n=7) urine = U, saliva = S .................................. 90 

Table 5.1: Dilution spaces and elimination rates per day ......................................... 114 

Table 5.2: TEE (kcal/day), daily water intake and step count per week .................... 115 

Table 5.3 Comparison of values using Jack knife method ......................................... 116 

Table 5.4 Comparison of TBW (kg) values derived from TEE intercept during the 5 

studies .................................................................................................................... 117 

 

   

Page 20: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

xx  

List of Figures 

Figure 1: Schematic diagram of Total Energy Expenditure components ...................... 6 

Figure 2.1: Diagram to explain the principles of the DLW technique ......................... 15 

Figure 2.2: Diagram to show elimination rates of Deuterium and Oxygen‐18 ........... 16 

Figure 2.3: Covariance residual plots ........................................................................... 27 

Figure 2.4: Figure of ratio plot indicating CO2 production .......................................... 27 

Figure 2.5: Figure of product plot indicating water turnover ...................................... 28 

Figure 3.1: Hydra 20/20 IRMS ABCA‐G unit, sampling carousel and Hydra 20/20 ...... 40 

Figure 3.2: Diagram of Sercon Hydra 20/20 CF ‐IRMS ................................................. 42 

Figure 4.1: Collection schedule for 14 days of sampling ............................................. 71 

Figure 4.2: TBW (kg) urine (uncorrected) values over time in hours .......................... 89 

Figure 4.3: Time to isotopic equilibration for all 3 methods for urine ........................ 89 

Figure 4.4: Time to isotopic equilibration for all 3 methods ‐ saliva ........................... 90 

Figure 4.5 Graphical representation of % Body Fat derived from uncorrected urine 

plateau values and Schoeller TEE urine and saliva values ..................................... 102 

Figure 4.6: Graphical representation of %body fat derived from uncorrected urine 

plateau values and Coward TEE urine and saliva values ....................................... 103 

Figure 5.1: Comparison of covariance residuals based on samples pre, 6 h, d 1, 2, 8, 

10, 12, 13 ................................................................................................................ 119 

Figure 5.2: Residual product plots (water turnover) based on samples pre, 6 h, d 1, 2, 

8, 10, 12, 13 ............................................................................................................ 121 

Figure 5.3: Ratio residual plots (CO2 production) based on samples pre, 6 h, d 1, 2, 8, 

10, 12, 13 ................................................................................................................ 122 

 

   

Page 21: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

1  

Chapter 1 

Background 

 

Changing global economic markets and industrialization have resulted in enormous 

changes in lifestyle conditions for urban and rural populations (World Health 

Organisation, 2003). Globally, the diets of many populations now consist of a larger 

proportion of refined and processed foods and similarly, a more sedentary lifestyle 

both at work and in the home has resulted in an imbalance between energy intake 

and total daily energy expenditure. As a result, obesity and related chronic diseases 

are widespread and constitute a significant proportion of the world’s public health 

problems. It is not uncommon to find the coexistence of under nutrition and obesity 

in the same community (Shetty, 2005; World Health Organisation, 2003).  

Overweight affects 30‐80% of adults in the World Health Organization (WHO) 

European region of which 20% are children and adolescents. One third of this 

number is obese. Results from the Australian Diabetes, Obesity and Lifestyle Study 

suggest that during the period 1999‐2000, over 7 million Australians aged 25+ were 

classified as being overweight as defined by a BMI >25 kg.m‐2. Over 2 million of 

these were defined as obese with a BMI > 30 kg.m‐2 (Australia's Health., 2000). The 

prevalence of obesity continues to rise with the annual rate of increase growing 

steadily such that the current rate is 10 times higher than in the 1970s (WHO, 

2002). By 2010, WHO estimates that in Europe, 150 million adults and 15 million 

children will be obese. The growing problem of obesity and associated non‐

communicable diseases (NCDs) such as diabetes, heart disease, hypertension, 

cardiovascular diseases and cancers is now so common in developing countries that 

it is dominating more traditional public health concerns such as malnutrition and 

infectious disease (Hossain et al., 2007; Shetty, 2005; World Health Organisation, 

2003). 

With the increasing prevalence of obesity there is an urgent need for standardized 

measurement techniques with the ability to provide accurate estimations of the 

main determinants of obesity. In 1985 the FAO/WHO/UNU Expert Committee on 

Energy Requirements recommended that energy requirements be based on energy 

Page 22: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

2  

expenditure rather than the traditional approach of energy intake (Schoeller et al., 

1996). Traditionally, energy intake has been monitored using food diaries, repeated 

24 h recall, diet history and food questionnaires. Each of these methods has inherent 

strengths and weaknesses with the most problematic element being the 

requirement that individuals be scrupulously honest and accurate with regard to 

reporting their food intake. 

In contrast, total energy expenditure (TEE) can be assessed using stable isotopes to 

provide an accurate and objective measurement of a TEE in a free‐living individual. 

The criterion measure for TEE is the doubly labeled water (DLW) technique; double 

in that two stable isotopes are used, oxygen‐18 and deuterium. The technique was 

developed in the early 1950s by Nathan Lifson. After dosing the individual with both 

stable isotopes, the oxygen‐18 washes out of the body as water and carbon dioxide 

and the deuterium only as water. The difference in the elimination rates of the two 

isotopes, after adjusting for isotopic fractionation, is a measure of CO2 production 

rate. The advantage of this technique is that sample collection only involves urine 

collection at timed intervals following initial dosing. These samples are then analyzed 

using Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS) to determine the stable isotope 

remaining in the body. Average daily energy expenditure in kcal/day can then be 

calculated using standard stoichiometric equations.  

 

From the perspective of the participant, the technique is simple and straightforward. 

In brief, a pre‐dose sample is collected, the DLW dose is administered orally and then 

timed urine samples are collected for the ensuing 14 days. The technique is robust 

with regard to accuracy, but is subject to error if some of the dose water is lost, if the 

participant switches to a new water supply that has a different isotopic background 

value, or if the urine specimens are contaminated or mislabeled with regard to date 

and time. The DLW technique also requires the calculation of energy expenditure 

from the CO2 production so an error in the macronutrient composition of the diet 

can lead to bias (Black et al., 1986). During the 10 years after the initial use of the 

approach in humans, the technique was extensively validated against indirect 

calorimetric methods. Many discussions ensued regarding aspects of the procedure 

including the optimal number of samples that should be collected and which 

Page 23: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

3  

correction factors should be used in the calorimetric equations. Many of the issues 

regarding the specifics of the DLW technique have been resolved and it is now 

widely considered the gold standard for the measurement of free‐living TEE. The 

DLW technique has been extensively validated against near continuous indirect 

calorimetry and has been reported to be accurate to 1‐2% with a coefficient of 

variation of 2‐12% (Schoeller, 1988). In recent years the DLW technique and its 

application in research has grown dramatically along with technical improvements in 

IRMS. The wider availability and the lower cost of oxygen‐18 has also made it 

possible to apply the DLW technique to studies involving larger numbers of 

participants rather than the smaller numbers that characterized earlier studies.  

 

The DLW technique has contributed greatly to the expansion of our knowledge of 

human nutrition. A more meaningful insight has been provided into the energy 

requirements of individuals in health and disease and provided a validation tool for 

the prediction of dietary intake. Several carefully controlled studies using DLW have 

shown that energy expenditure levels actually exceed the values obtained using self‐

reported energy intake (Black et al., 1986; Hill et al., 2004; Ritz et al., 1994). These 

studies have demonstrated that the degree of underreporting in self‐reported 

intakes ranges from 10 to 45%. Interestingly, the underestimate is proportional to 

the BMI of the participant. In other words, overweight individuals report how much 

food they eat with less accuracy than individuals of average weight or individuals 

who are underweight (Black et al., 1986; Goran et al., 1998; Schoeller et al., 1995). 

Therefore, results from food diaries should be treated with considerable caution 

when calculating TEE from dietary intakes. 

Components of energy expenditure and its assessment 

Several chronic diseases, such as type 2 diabetes, cardiovascular disease, and certain 

cancers are associated with physical inactivity and excessive energy consumption 

(Mahabir et al., 2006). Energy intake and physical activity energy expenditure, the 

two major modifiable components of energy balance, have become major public 

health foci in the development of chronic diseases. Energy expenditure has been of 

interest in the investigation of human nutrition for over 100 years (Speakman, 1998) 

Page 24: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

4  

with much of the early work undertaken on basal metabolic rate (BMR) conducted at 

the beginning of the 20th century and earlier (Delaney et al., 1996). 

TEE is comprised of resting metabolic rate (RMR), thermic effect of food (TEF) (also 

known as diet‐induced thermogenesis (DIT) and activity energy expenditure (AEE) 

which is made up of physical activity level (PAL) and non‐exercise activity 

thermogenesis (NEAT); TEE = TEF +AEE +NEAT. 

In energy balance, energy intake equals energy output and any imbalance between 

the two components leads to either a weight gain or loss consistent with the First 

law of Thermodynamics which states that energy is neither created nor destroyed; 

rather it is converted from one form to another. Numerous techniques are available 

to assess each of the components of TEE with each differing in analytical and 

technical requirements, precision and accuracy. 

 

The DLW technique is considered the “gold standard” for measuring total daily 

energy expenditure under free‐living conditions because of its accuracy (Schoeller, 

1988) but it is relatively expensive and impractical for large scale epidemiological 

studies (de Jonge et al., 2007; Tooze et al., 2007). Various measurement approaches 

can be used to predict activity energy expenditure, for example using heart rate 

monitors, accelerometers, and physical activity questionnaires; however it is 

important that they are validated against the criterion method, DLW. 

   

Page 25: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

5  

Table 1: Total Energy Expenditure measurements by various methods  

(Delaney et al., 1996).  

Measurement  Equipment  Advantages/Disadvantages

Total Energy Expenditure 

(TEE) 

Metabolic chamber  Restrictive, expensive but 

does provide a true 

estimate of 24 h TEE. 

Total Energy Expenditure 

by Doubly labeled water 

Doubly Labeled Water 

dose, Isotope Ratio Mass 

Spectrometer 

Accurate measurement, low 

subject requirement, 

expensive equipment and 

dose. Does provide an 

average TEE 24 h TEE value. 

Resting Metabolic Rate  Metabolic cart  Predictive equations used 

to estimate TEE. 

Physical Activity Level 

(PAL) 

Heart rate monitors, 

accelerometers, activity 

diaries 

TEE is predicted from 

estimates made using the 

equipment.  

 

Energy expenditure for physical activity can be calculated as 0.9 × TEE‐Resting 

Metabolic Rate. Assuming the thermal effect food (TEF) to be 10%. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 26: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

6  

Figure 1: Schematic diagram of Total Energy Expenditure components 

As outlined in Figure 1, TEE is comprised of three main components: resting 

metabolic rate or resting energy expenditure (RMR, REE), diet‐induced 

thermogenesis or thermic effect of food (DIT, TEF) and activity energy expenditure 

(AEE). AEE is comprised of exercise energy expenditure (ExEE) and non‐exercise 

activity thermogenesis (NEAT). 

 Basal metabolic rate 

Basal metabolic rate (BMR) can be basically defined as the minimal rate of energy 

expenditure compatible with life (Shetty, 2005). BMR is measured under standard 

conditions of immobility in the fasted state (12–14 hours after a meal) in an ambient 

environmental temperature of between 26 and 30 degrees centigrade, which 

ensures no activation of heat‐generating processes such as shivering. Commonly, 

BMR is measured upon waking with the participant having slept in a metabolic ward 

of a hospital. However, given the limitations of this requirement, RMR is more 

commonly used as a substitute but is slightly (5%) greater than BMR. RMR 

measurements use the same protocol as for the BMR but do not require participants 

Total Energy Expenditure value 

comprised of: of

1 = Resting Metabolic 

Rate under near basal 

conditions (60‐75% 

TEE) 

3 = Activity 

Energy 

Expenditure 

(PAL + NEAT) 

Prediction 

equation

Measurement 

e.g. indirect 

calorimetry 

Physical activity 

questionnaires or 

predictive values 

assigned by intensity 

Doubly 

Labeled Water

2 = Thermic Effect of 

Food (often assumed 

to be 10% TEE) 

Page 27: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

7  

to sleep in a metabolic ward which enables participants to sleep at home and arrive 

at the laboratory by car. 

Thermic effect of food (TEF) 

The thermic effect of food is the increase in resting energy expenditure after the 

ingestion of food and is comprised of two components. The obligatory component, 

which includes the processes of digestion, absorption, and storage of nutrients, and 

a facultative component, which is linked with oropharyngeal stimulation (Diamond 

et al., 1985). Of the three main components of TEE, RMR accounts for approximately 

60‐75%, TEF accounts for 7‐13%, and the thermic effect of physical activity accounts 

for the remaining 15‐30%. When summing these mean values approximately 2‐7% 

remains unaccounted for but may include the influences of drug‐induced 

thermogenesis (e.g., smoking) and a thermoregulatory component (e.g., energy 

produced in response to cold) (Elia, 1992). 

Total Energy Expenditure  

An objective and reliable method is required for measuring the interaction between 

physical activity and health in free‐living individuals. The basic requirements of such 

a method are that it be sustainable over long periods of time without causing 

discomfort to the participant or interfere with their lifestyle. Various techniques exist 

which can be grouped into the following categories: behavioral observation, 

questionnaires, physiological markers (heart rate monitors and calorimetry) and 

motion sensors. Lack of adequate criterion measures when comparing field methods 

for the measurement of physical activity has always been a major obstacle. Each of 

the methods has inherent strengths and weaknesses, making it difficult to determine 

the true validity of any one particular method (Montoye et al., 1996; Westerterp, 

1999). Indirect calorimetry, specifically the DLW technique, has become the gold 

standard for the validation of field methods to assess physical activity (Melanson et 

al., 1996; Westerterp et al., 1995) where physical activity is defined as body 

movement produced by skeletal muscles and resulting in energy expenditure. 

An excellent physiological measure of physical activity is to combine the use of stable 

isotopes in the DLW technique to determine total daily energy expenditure with 

Page 28: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

8  

indirect calorimetry to measure RMR (Byrne et al., 2005). Indirect calorimetry 

involves the measurement of respiratory gas exchange, oxygen uptake and carbon 

dioxide output while a participant is resting comfortably in a temperature‐controlled 

room whereas DLW, using two stable isotopes (18O and 2H) (Schoeller et al., 1980) is 

a form of indirect calorimetry used while individuals go about their daily lives. 

Typically, the DLW technique is used to measure TEE over a period of approximately 

two weeks with the collection of an individual’s baseline urine or saliva sample; the 

administration of a dose of 18O and 2H and subsequent collection of urine samples 

over the next 14 days with samples analyzed using IRMS. 

Deuterium, a stable isotope of hydrogen, and the stable isotope oxygen‐18, are 

biological tracers that quickly equilibrate in body water. The deuterium 

concentration, nearly all of which remains associated with water molecules, 

decreases as a result of dilution of body water by new, unlabelled water and 

evaporative loss. The loss may be in the form of consumed food, drink and water 

produced during oxidation from foodstuffs, coupled with the simultaneous loss of 

labelled water via evaporation from skin and lungs and via excretions and secretions. 

The rate constant for deuterium is derived as the slope of deuterium enrichment 

against time and is a measure of the rate of water movement through the body 

(International Atomic Energy Agency, 2009). 

 

Most of the labelled oxygen is lost as water but some is lost as carbon dioxide 

because CO2 in body fluids is in isotopic equilibrium with body water due to the 

action of carbonic anhydrase present in red blood cells. Thus the slope of oxygen 

elimination is steeper than the line for deuterium with the difference between these 

two elimination rates being proportional to carbon dioxide production. TEE can be 

calculated from carbon dioxide production using common indirect calorimetric 

equations. It should be noted that there are differences in calculating the isotope 

elimination rates depending on the method used, the two‐point (Schoeller equation) 

and the multi‐point (Coward equation). Using the two‐point method the fractional 

turnover is calculated from fitting a straight line between two log transformed data 

points, one at the beginning the other at the end of the study (Schoeller, 1988). The 

Page 29: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

9  

multi‐point method uses the gradient of a straight line fitted to a log transformed 

multi‐point isotope enrichment points. This regression equation is used to estimate 

initial concentration, fractional turnover rates of the isotopes, TBW, carbon dioxide 

flux and TEE (Haggarty et al., 1988). 

  

One of the limitations of the DLW technique is that the final energy value is based on 

carbon dioxide production which necessitates knowledge of the macronutrient 

composition of the diet. The food quotient is derived either from a record of dietary 

intake or using a standardized value (Black et al., 1986). The use of a standardized 

value may introduce error into the estimation of CO2, however the literature 

suggests that the error is “negligible and should not exceed 2%” (Haggarty et al., 

1988). 

Total body water  

Measuring total body water in humans using the isotope dilution technique is the 

most accurate method of measuring the bodies water pool. Uncertainty over losses 

and gains from the dynamic water pool can be overcome by using the intercept 

method or plateau approach. Non‐aqueous exchange is possibly the only remaining 

variable in estimating TBW from the deuterium dilution technique. However, 

assessment of total body water provides a means for evaluating body composition 

according to the 2‐C model (FM and FFM) or as part of a multi compartment model. 

At birth the body is comprised of 70‐75% water but this proportion decreases as the 

body matures. In lean adults, the TBW approximates 50% however it may be less 

than 40% in obese adults. Measurement of TBW enables FFM to be estimated and 

fat mass (FM) to be calculated as the difference between body mass and FFM. TBW 

measurement and the derived body composition values are being increasingly used 

in health‐related research with correction values applied to TBW estimates to 

correct for age and gender (Cole et al., 1992). The gold standard approach for the 

assessment of TBW is the deuterium dilution technique using IRMS and Von Hevesy 

(1934) is credited as the first to use isotope tracers, however many others have 

followed (Halliday et al., 1977; Pace et al., 1945; Schoeller et al., 1980). After 

Page 30: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

10  

collection of a baseline sample the dose is administered and samples are then 

collected at timed intervals.  

Two approaches can be used for TBW estimation, the intercept or plateau method. 

The intercept method involves a longer collection period (7‐14 days) of urine 

samples and is usually part of the TEE protocol. The plateau method is shorter and 

can be completed within a timeframe ranging from 3‐12 hours depending on the 

population being studied. Time to isotopic equilibration varies between individuals 

depending on age, activity and different protocols used in various laboratories 

(Colley et al., 2007; Schoeller, 1988; Westerterp 1998). Variability also depends on 

the sampling medium as saliva, blood and urine have different equilibration times. 

Early researchers (Mendez et al., 1970; Schloerb et al., 1950) suggested an 

equilibration time of 1.5 to 3 hours for urine samples. However more recently, 

collection times have ranged from 6 hour post‐dose (Bauer et al., 2005; Rush et al., 

2003; Schoeller et al., 1980) to 10 hour after dosing in the evening (van Marken 

Lichtenbelt et al., 1994). The equilibration time in elderly groups, with residual urine 

post voiding will also be delayed which resulted in the development of an overnight 

TBW protocol (Westerterp, 1999). 

 

TBW  analysis  has  overcome  past  difficulties  as  stable  isotopes  can  be  applied  in 

practice with  greater  precision  than  radioisotopes  such  as  3H.  Automation  in  the 

IRMS field has also improved sample throughput and reduced sample analysis costs 

(Prosser et al., 1991) which has also resulted in the increased use of stable isotopes 

in  body  composition  studies.  Gas‐isotope  ratio  mass  spectrometry  (G_IRMS)  is 

considered to be the best analytical tool for the accurate and precise determination 

of  2H and  18O content  in physiological  samples. The  first G‐IRMS was described by 

Neir  in  1940.  The  basic  design  of  the  Neir‐McKinney  type  of mass  spectrometer 

persists  today  though  it  is  far  superior  to  its  1940  counterpart  in  that  it  is  fully 

automated and computer driven. The result is that TBW measurement, using stable 

isotope tracers, is clearly the most appropriate primary method of body composition 

analysis  suitable  for  field  use.  Depending  on  the  size  of  the  study,  less  exacting 

techniques such as anthropometry may be chosen to assess the whole population, 

with validation of such approaches performed using TBW analysis in a representative 

Page 31: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

11  

sample. Alternatively, TBW analysis may be applied for nutritional assessment of the 

whole population under study (Chamney et al., 2007; Slater et al., 2005).  

 

 

Thesis overview 

The thesis is organized by chapters to detail the findings from 3 main methodological 

studies and a case study. The primary focus of the thesis is the measurement and 

validation of TBW and TEE by IRMS. 

Chapter 1 provides the rationale for the study and background information on TEE 

and TBW. 

Chapter 2 details a literature review for TEE and TBW and the equipment used in 

their assessment. The research questions raised based on the literature review are 

also posed. 

Chapter 3 details the assessment of the IRMS functionality and analytical variance.  A 

major focus of this work (study 1) was the examination of variability of sample 

volumes, order of preparation, and within‐ and between‐day repeatability and 

variability using the IRMS. 

Chapter 4 details the results for the TEE and TBW studies. The impact of different 

sample collection times and hence isotopic equilibration was investigated with 

regard to TBW and the impact of this variability on body composition estimates. 

Further, two different TEE regression equations were applied to the data generated 

to ascertain the energy expenditure (kcal) differences in resultant TEE. The two 

equations are used by two leading research groups namely Prof. Dale Schoeller 

(Chicago, USA; IAEA) and Prof. Andrew Coward (Dunn Nutrition Centre, UK). The 

Schoeller approach uses a two‐point collection of samples and Coward approach 

uses a multi‐point sample approach.  

Page 32: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

12  

Chapter 5 details Study 4, a pilot study (n=1) to test the variability in TEE as a result 

of manipulations in fluid consumption and levels of physical activity. Changes which 

may be normal, in a sedentary person, undertaking a new exercise regime. 

Chapter 6 is a general discussion of all studies with conclusions and recommended 

applications and practices. 

 

Chapter 2 

2.1 Literature review for TEE 

 

DLW is considered the gold standard or the criterion measure of TEE. Unlike 

traditional indirect calorimetric methods where the participant is confined to a 

whole body calorimeter or attached to a gas analyzer, the DLW technique allows for 

the non‐invasive measurement of CO2 production and hence energy expenditure 

while the person leads their normal life. The technique was first reported by 

Schoeller and van Santen (1982) and the technique has subsequently been 

extensively evaluated (Prentice, 1990; Schoeller et al., 2002; Speakman, 1998; 

Westerterp, 1999). 

The knowledge that respiration and ventilation are essential functions of life dates 

back to at least Biblical times. For example, in the Old Testament Book of Psalms, it is 

stated with respect to animals “When thou takest away their breath, they die” 

(Psalm 104) (Speakman, 1998). Scientific study of animal respiration has a history 

which dates back to the 1600s where experimental work was done on mice by 

Mayrow who determined that the air consists of different parts, only some of which 

are usable in respiration (Speakman, 1998). In the late 1700s, after the presence of 

carbon dioxide and oxygen were discovered, French chemists Lavoisier and Sequin 

ran more sophisticated experiments. The animals or humans were confined to 

chambers to quantify their oxygen consumption and CO2 production; these were the 

beginnings of the indirect calorimetry methods still used today to quantify energy 

expenditure (Speakman, 1998). Lavoisier is credited with the reporting of the 

Page 33: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

13  

principles of thermodynamics and formulated the concept of energy balance where 

a steady state of body weight is achieved when energy intake equals expenditure 

(Ritz et al., 1994). 

The discovery of stable isotopes of oxygen and carbon dioxide and the fact that their 

behavior and chemical reactions were similar to the lighter naturally occurring 

isotopes, enabled researchers to use them as tracers for the behavior of oxygen and 

carbon dioxide. The concept of stable isotopes was proposed in 1912 by Soddy but 

the investigations increased more substantially after the World War I when Aston 

constructed a mass spectrometer to investigate neon isotopes. By 1925, the isotopic 

composition of 50 elements had been discovered. This increased to 66 by 1933, and 

83 by 1948 (Budzikiewicz et al., 2005). A characteristic of stable isotopes is that they 

occur naturally in varying concentrations, with 0.015% of all hydrogen being 2H, the 

balance (99.985%) being 1H, while the percentage of oxygen which is 18O being 

0.20%, the balance (99.8%) is 16O and 17O. 

By 1949, Lifson had performed several experiments on mice using water enriched 

with 18O. He demonstrated that the oxygen in body water was in complete isotopic 

equilibration with the oxygen in respiratory carbon dioxide. The significance of this 

discovery was the knowledge that labeled oxygen was eliminated from the body as 

CO2 and H2O, and labeled hydrogen was eliminated as H2O. The difference between 

the two elimination rates would be the CO2 production and would indirectly allow 

for the calculation of energy production. It took a further 6 years to develop this 

simple theory into a working protocol, and in 1955 Lifson et al. published their first 

study using the protocol. This publication informed readers that “only 2 blood 

samples were required to reconstruct the elimination curves, while the animal (12 

mice) could perform a whole variety of natural behaviours.” However it took another 

9 years before the method was used to study the metabolism of a wild animal 

(Speakman, 1998; Westerterp et al., 2004). Due to the relatively high cost of 18O, 

work in the 1970s was undertaken mainly on small free‐living animals such as a 

mouse and a lizard each weighing less than 1 kg. The method was not applied to 

human research due to prohibitive isotope costs, limited technical expertise and less 

interest in applicable clinical conditions such as obesity. However, as the cost of 18O 

Page 34: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

14  

declined through the 1980s and the technological developments in mass 

spectrometry became more advanced, it became feasible to test and dose people, 

while still being able to maintain precision and accuracy of results. The first DLW 

measurements were made by Schoeller in 1980 and following that, validation studies 

proliferated in the following years on infants and adults. Since the mid‐1990s, the 

technique has been used in excess of 100 published studies and has remained at this 

level (Speakman, 1998; Westerterp et al., 2004). 

There are currently several DLW protocols utilized by different laboratories for TEE 

sample collection and analysis. The two most commonly cited are Schoeller, 

Westerterp: two‐point TEE being a baseline and 14‐day sample, and Coward, Klein: 

the multi‐point TEE collecting a baseline and then several samples for the next 14 

days. There are also different methods for calculating TEE after the samples are 

analyzed, each based on different fractionation factors. The different approaches 

result in differences in the calculated values for  CO2 production from which a 

calculation of daily TEE for a 14‐day period is generated (Goran et al., 1994). The 

DLW technique has a precision of 4‐7% and a limited time window of 0.5‐3 biological 

half‐lives of the tracer (Dolnikowski et al., 2005; Westerterp et al., 2004). A half‐life 

in an infant with high water turnover would be 6‐9 days, 3 days in extreme 

endurance exercise and 40 days in extremely sedentary elderly subjects (Westerterp, 

1999). 

Advances in IRMS instrumentation have enabled researchers to apply the DLW 

technique in large studies involving hundreds of participants. However, it must be 

understood that the technique is very sensitive to the precision of isotopic analysis 

(Speakman, 2005) and large variations between estimates still exist between 

laboratories (Roberts et al., 1995; Schoeller et al., 1995). Despite these drawbacks, 

the DLW technique is considered the gold standard for TEE assessment and has 

contributed significantly to human nutrition knowledge. The technique has been 

applied in the following categories: the assessment of energy requirements in heath 

and disease, the study of the etiology of obesity and the validation of tools for the 

assessment of dietary intake (recommended by the FAO/WHO/UNU) (Schoeller, 

1999). 

Page 35: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

15  

DLW theory and deviations 

Isotopic fractionation and other corrections 

In the DLW technique, it is the rate of carbon dioxide production that is measured. 

The measurement is not based on gaseous production but rather on the established 

physiological relationship of carbon dioxide production and kinetics of water 

turnover (Lifson, 1966; Speakman, 1998). The underlying theory of the technique is 

that O atoms in expired CO2 have isotopically equilibrated with O atoms in the body 

water. Therefore, when loading the body with a dose of 18O and 2H water, the 2H is 

eliminated from the body as water predominantly in the form of urine and to a 

lesser degree sweat and breath vapor. Most of the 18O is eliminated as water but 

some is lost as carbon dioxide, as CO2 in body fluids is in isotopic equilibrium with 

body water due to the action of carbonic anhydrase within the red blood cells 

(IDECG, 1990). The difference between the elimination rates from the body water 

pool, after adjusting for isotopic fractionation, is therefore proportional to CO2 

production and hence energy expenditure can be calculated. 

Figure 2.1: Diagram to explain the principles of the DLW technique 

 

 

Where the Lifson equation states 

rCO2=N (k18‐k2)/2 

Page 36: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

16  

Within the equation above N = Body water pool, k2 and k18 are the elimination rates 

of deuterium and oxygen‐18. 

In summary, the concentrations of deuterium and oxygen‐18 administered in the 

DLW dose decrease in concentration within the body water over time, but the total 

body water pool remains constant.  

 

Figure 2.2: Diagram to show elimination rates of Deuterium and Oxygen‐18 

 

DLW assumptions   

Despite the DLW technique being more accurate than other measures of TEE, there 

are numerous assumptions and therefore potential sources of error (Lifson, 1966; 

Schoeller, 1988). Specifically 

The volume of the body water pool remains constant. 

Body water is a dynamic system with a variety of inputs (drink, food, and 

metabolic water) and outputs (urine, feces, sweat, breath). Enrichment of total 

body water by labeled isotopes is not instantaneous, but occurs over a period of 

a few hours and then starts to decrease over time as labeled hydrogen and 

oxygen molecules leave the system (Schoeller, 1999; Westerterp, 1999). 

The rates of water influx and water and CO2 efflux are constant. 

The isotopes label only the H2O and CO2 in the body. 

Page 37: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

17  

 An error in dilution space can result because the isotope exchange is not limited to 

body water alone. The consequence is that body water pools estimated by DLW can 

be between 2‐6% greater than when determined by desiccation (Schoeller, 1988). 

The hydrogen dilution space tends to be larger than the oxygen dilution space 

suggesting that more exchange occurs with hydrogen. The postulated source of 

exchange for hydrogen is with the pool of acidic hydrogen in protein (Haggarty et al., 

1988; Schoeller et al., 1980) and to a lesser degree in the synthesis of fat and 

protein. Oxygen undergoes exchange with organic matter to a lesser degree and is 

involved in bone mineral exchange. To correct for this source of error, correction 

values are used such that the hydrogen dilution space is divided by 1.041 and the 

oxygen by 1.007 (Racette et al., 1994). 

The isotopes leave the body only in the form of CO2 and H2O 

It is generally theorized that the sum of water and carbon dioxide flux through the 

body is equal to the elimination of stable isotope from the body. However the day‐

to‐day variations are quite small and the general consensus is that alternative routes 

of water loss in humans are insignificant as they do not exceed 1% (Coward, 1988; 

Ritz et al., 1994; Schoeller et al., 1995). 

The isotopic abundance of H2O and CO2 leaving the body are the same as 

those in body water (no isotopic fractionation). 

H2O or CO2 that has left the body does not re enter it again. 

The natural abundance or “background” levels of the isotopes remain 

constant during the measurement interval. 

Individuals who have travelled within the 2 weeks before or after dose 

administration should be excluded from a study because this can cause error due to 

changes in deuterium and oxygen‐18 background abundance (Horvitz et al., 2001; 

Schoeller et al., 2002). Not all the tap water supplies have water with the same 

natural abundance, due to isotopic fractionation. This is determined by the storage 

systems in use i.e. water in Brisbane (QLD, Australia) as a result of being stored in 

Page 38: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

18  

open dams and exposed to excessive sunlight, will have a different abundance to 

water stored underground or in places where there is excessive rainfall. 

DLW reliability 

The DLW technique can be performed with a coefficient of variation of 3‐5% 

however certain physiological and analytical requirements are essential to maintain 

accuracy and precision (Schoeller et al., 1995). Physiological variations that will result 

in differences between repeat TEE measurements include changes in physical activity 

levels, changes in body composition, variation in dilution space of the isotopes, 

background variations in the water supply and variations in respiratory quotient (a 

reflection of the substrate utilization mix) (Schoeller et al., 2002; Schoeller et al., 

1995). The respiratory quotient here is the largest variable contributing up to 3% of 

the CV. Analytical errors which result in differences between repeat TEE 

measurements are those associated with isotopic measurement and thereby affect 

the isotopic elimination rates, dilution spaces. The degree of precision depends on 

the isotope dose, the isotope elimination rate, the metabolic period (collection time) 

and the number of points used to calculate the elimination rate and dilution space 

(Prentice, 1990; Schoeller et al., 1996; Wong, 2003).  

For the 2‐point method, it is recommended that the precision of the isotopic analysis 

be better than 1/600 of the initial isotopic enrichment = 0.1 delta units for 18O and 

1.1 delta units for 2H. In contrast, the multi‐point method can tolerate a reduction in 

precision in proportion to the square root of the number of points analyzed as more 

points make it easier to fit a regression line with a higher R2 value. Practically, 

multiple analyses of a single set of samples from a subject should be analyzed and 

the CO2 production rate should have a CV of 4% for a 2‐point protocol and 2‐3.5% for 

the multi‐point protocol. This requirement should easily be met by individuals whose 

2H elimination rate is <75% of 18O rate, but becomes more difficult in situations 

where the 2H elimination rate is >85%, due to excessive fluid intake and elimination 

(Prentice, 1990; Schoeller et al., 1996). 

Page 39: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

19  

Increasing the dose given can diminish the analytical error, however oxygen‐18 is 

expensive and deuterium, while cheaper, needs to be kept within an optimum dose 

range to prevent isotopic effects. 

 Following are recommended conditions to maintain the 3‐5% CV for analysis 

1. Recommended average doses given to adults based on body weight: DLW 

dose = 1.25 g/kg 10% 18O and 0.1 g/kg 100% 2H to achieve recommended 

post‐dose enrichment values: 110 ‰ and 700 ‰ for 18O and 2H, 

respectively. 

2. Final collection day enrichment values: 8‰ and 120‰ for 18O and 2H, 

respectively to ensure that values obtained are within the sensitivity 

range of the IRMS (International Atomic Energy Agency, 2009) 

3. Typical elimination rates in temperate climates: 0.095 d‐1 and 0.07 d‐1 for 

18O and 2H.  

4. The optimal observation interval following the first sample is one to three 

biological half‐lives of the isotopes (Lifson, 1966) i.e. from 2.5 days in 

extremely active subjects to 30 days in sedentary elderly (Westerterp, 

1999). 

DLW has a relative accuracy of 1%, a laboratory‐dependent analytical precision of 3% 

or greater, and a within‐subject repeatability of 5 to 8% (Schoeller et al., 2002), 

thereby enabling researchers to confidently estimate TEE based on direct 

calorimetric research data.  

Translation into TEE 

 

DLW dose  

 

 

 

C18O2 

Tracers eliminated over time

2H218O 

Page 40: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

20  

Deuterium elimination (water output) rH2O = TBW kh 

Oxygen elimination (water and carbon dioxide) rH2O +2rCO2 = TBW k0 

Arithmetic difference rCO2 = TBW x (ko‐kh)/2 

CO2 converted to energy equivalent by using the ratio of carbon dioxide production 

to oxygen consumption, specifically RQ = CO2/O2. Weir’s equation is then applied to 

estimate energy expenditure. 

Estimation of constant turnover rates (Ko‐1 Kd‐1) 

The measured enrichments of the prepared samples are used to calculate the 

dilution spaces of each isotope. Collection times are converted to decimal times. The 

abundance of the baseline 18O and 2H samples are subtracted from all subsequent 

samples to determine final enrichment. The data is then log transformed and plotted 

against decimal time to provide regression lines which represent the elimination 

rates for both 18O (ko) and 2H (kd). 

Estimation of isotope dilution space 

TBW, that is, dilution space for (ND and NO) are calculated using the equation  

NO and ND (mol) = (A x T/18.02a) x (Ea‐Et) / (Es‐Ep)(Schoeller et al., 2002). 

Where  

NO = isotope dilution space of oxygen‐18 (mol) 

ND = isotope dilution space of deuterium (mol) 

A = amount of dose given in subject in g 

T = tap water (mL) used to dilute the dose prior to IRMS analysis 

a = amount of dose in grams weighed out into the tap water 

Ea = dilute dose value in Delta units 

Et = Delta units value of tap water used to dilute the dose  

Page 41: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

21  

Es = Intercept point calculated by extrapolating the log natural graph of enrichment 

vs. time back to time zero 

Ep = Pre‐dose sample value in Delta units 

18.02 =convert to moles H2O 

Conversion of CO2 into energy  

The initial equation proposed by Lifson and McClintock (1966) was based on volume 

of TBW and deuterium elimination rates of the isotopes as follows: 

rH20 =NDkD        (Lifson, 1966) 

Where rH20 is the total body water elimination rate, kD is the elimination rate of 

deuterium, ND is the deuterium dilution space (kg). 

Lifson observed that oxygen in water is in rapid and complete isotopic equilibration 

with the oxygen in CO2. Accordingly, a water molecule labeled with oxygen‐18 will 

not only mix and exit with water but also with carbon dioxide. Therefore, oxygen, 

water and elimination rate will not equal water elimination rate. 

rH20 +2rCO2 = Noko      (Lifson, 1966) 

Where NO is the oxygen dilution space, kO is the oxygen elimination rate. The factor 

of 2 adjusts for the fact that there are twice as many atoms of oxygen in each CO2 

molecule as there are in each water molecule. 

By substituting the rH2O values in the above equation, CO2 production rates can be 

solved 

rCO2 = ½ (NOkO‐NDkD)       

Different equation constants used by Schoeller / Westerterp and Coward / Klein. 

Coward and Schoeller have slightly different approaches from this point due to the 

use of different fractionation constants and collection protocols. Coward uses a 

multi‐point sample collection protocol which includes sampling prior to dosing and 

then after dosing, at 5 h and thereafter day 1 through to 14.  

Page 42: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

22  

In contrast, Schoeller uses a two‐point protocol which includes a pre‐sample and 

then three samples within 6 hours of dosing (at 2, 3 and 4 hrs) and then two samples 

within 1 h of each other on day 14. 

Coward’s equation 

To account for fractionation (differences in bond energy); corrections have to be 

applied to rectify the relative abundances of the isotopes. 

rCO2 = ½ (NOkO‐NDkD)           Lifson’s equation 

CO2  production rate = ½ [(No x ko) ÷ f3‐(ND x kD) (xf2+1‐x) ÷ f3(xf1+1‐x)]   

          (Coward, 1988) 

Where 

NO is the 18O dilution space, 

kO is the 18O elimination rate, 

ND is the 2H dilution space,  

kD is the 2H elimination rate,  

f1 is the 2H fractionation factor between water and water vapour,  

f2 is the 18O fractionation factor between water and water vapor, 

f3 is the 18O fraction factor between water and CO2,  

x is the proportion of water loss that is fractionated. 

Where f1 = 0.941, f2 = 0.992, f3 = 1.04, x = 0.25 

Respiratory quotient 

Respiratory quotient (RQ) can be calculated from indirect calorimetry and is the ratio 

of carbon dioxide production to oxygen consumption, specifically RQ = CO2/O2.  

An RQ = 0.85 is used in the Coward equation to determine the O2 mol/day (Black et 

al., 1986).  

Page 43: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

23  

O2 in moles /day = CO2/0.85  

This figure is then multiplied by 22.414 (conversion factor from Charles’s Law to 

convert moles of oxygen to O2 L/day). 

O2 in L/day = O2 in moles/day x 22.414 

By substituting the CO2 and O2 values obtained from the above equations the TEE 

can be calculated using Weir’s equation (Weir, 1949). 

Weir’s equation TEE kcal/day = (3.941 x O2) + (1.106 x CO2 x 22.4) 

 Where units are ‐ TEE in kcal/day, O2 in l/day, CO2 in l/day 

Schoeller’s equation 

rCO2 = ½ (Noko‐NDkD) 

Due to the fact that the isotopic tracers deuterium and oxygen‐18 do not mimic 

exactly the physiological behavior of hydrogen (1H) and oxygen‐16 which make up 

99% of water, corrections must be made for isotopic fractionation. Non‐aqueous 

isotope tracers, in the case of deuterium with acidic hydrogen in protein 

overestimates the deuterium dilution space by 4.1% compared to TBW (Racette et 

al., 1994) alone. In case of oxygen‐18 the major exchange is with inorganic 

compounds such as oxygen in phosphate and carbon in bone mineral. This exchange 

increases the oxygen‐18   dilution space by 0.7% compared to TBW (Schoeller, 1988). 

Incorporating these factors makes the equation: 

TBWo=No/1.007 

TBWd=Nd/1.041 

TBWavg=(TBWo+TBWd)/2 

The calculation of water turnover rH2O is based on the relationship: 

rH2O = (kh x Dh)/f 

Where kh is the elimination rate 

Page 44: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

24  

Dh is the dilution space 

f is the fractionation correction factor for 2H leaving the body via breath water and 

insensible cutaneous water. 

rCO2 = ko x Do –kh x Dh/(2‐f3)‐(f2‐f1)/(2 x f3) ‐0.0246 

ko, kh, Do, Dh are elimination rates and dilution spaces respectively for oxygen and 

deuterium.  

f1= 0.941 fractionation of 2H in water vapour  

f2 = 0.992 fractionation of 180 in water vapour  

f3 = 1.039 fractionation of CO2  

0.0246 is the constant rate of fractionated water loss 

By assuming that breath is 96% saturated with water vapor and that the small 

amount of non‐sweat skin vapor loss is proportional to the exposed surface area, the 

equation can be simplified to 

rCO2= 0.0455 x TBW (1.007k0‐1.041kd) 

Finally, it is necessary to calculate energy expenditure from the rate of CO2 

production (Black et al., 1986). This requires an estimate of the respiratory exchange 

ratio and then energy production can be calculated using Weir equation (Weir, 

1949). TEE (kcal/d) = 22.4 x rCO2 * (1.10 + 3.90/RQ). 

Where the units used are TEE in kcal/day, O2 in L/day, CO2 in L/day. 

RQ is the assumed respiratory exchange ratio of 0.85 (Black et al., 1986). 

 

 

 

 

 

Page 45: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

25  

Table 2.1: A comparison of equation constants used by Schoeller and Coward to 

derive TEE. 

Schoeller No and Nd in kg, Coward in g. 

Schoeller  Coward

No or Nd= (T x A/a) x (Ea‐Et) / (Es‐

Ep)/1000 

No or Nd= (A x T/a) x (Ea‐Et) / (Es‐Ep)

TBWo=No/1.007

TBWd=Nd/1.041 

TBWavg=(TBWo+TBWd)/2  

TBWavg(kg)x 1000/18.0153 

rCO2 mol/day = 0.455 x (TBWavg) x (1.007 

Ko)‐(1.041Kd)   

rCO2 production rate mol day =   

[(No x Ko) ÷2f3‐(Nd x Kd)*(xf2+1‐x)÷2f3(xf1+1‐x)] 

f1 = 0.941, f2 = 0.992 

f3 = 1.04 

    O2 in moles /day = rCO2/0.85  

RQ = 0.85 

rCO2 L/day = rCO2 mol/day* 22.414 O2 in L/day = 02 in moles/day x 22.414

 

TEE (kcal/d) = rCO2 L/day * (1.10 + 

3.90/0.85) 

RQ = 0.85 

 

 TEE kcal/day = (3.941 x O2) + (1.106  x rCO2) 

 

 

 

Page 46: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

26  

Calculation of elimination rate 

In the calculation of pool sizes, 2 different techniques are in use. 

Multi‐point slope intercept – same data used to measure slope and time zero using 

linear regression of natural log transformed isotopic enrichments. This will be correct 

if mixing is instantaneous and rate constants stay the same over time. If variations 

are random, the error is usually reduced to 1%. 

2‐point plateau used to calculate volume, using the start and two end points of the 

metabolic period, using two of the three values measured. This will be correct 

irrespective of isotope mixing if all isotopes lost during the equilibration period can 

be accounted for. 

It is suggested that Nd/No values are used as an initial screen in detecting analytical 

problems (values1.0‐1.07) (Schoeller, 1999). 

Curve fitting to multi‐point 

To obtain values for rate constants using multi‐point data, an appropriate curve must 

be fitted to determine elimination rates: 

Log transformation is the simplest and it assumes that the errors are 

proportional; that is the residuals (differences between actual and predicted 

values from linear regression equation derived from the log transformed 

data) are constant in size relative to enrichment. 

Exponential fit where rate constants are estimated by used untransformed 

data after inspecting residual plots to determine errors. 

If the data is “well‐behaved” either fit will be suitable, however it is recommended 

that users should calculate all data sets using as many different ways. If the results 

do not agree within a predetermined level say 3%, the results need to be scrutinized. 

Page 47: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

27  

Quality control using residuals to determine data integrity 

Residual plots for oxygen‐18 and deuterium 

Covariance residuals are the difference obtained between the calculated values, 

based on the isotope (deuterium or oxygen‐18) elimination rates (kd and ko) and the 

measured values derived from the IRMS. These differences are indicative of the 

precision of analytical measurement, and also indicate changes in water intake and 

activity (Prentice, 1990). They indicate whether assumption of constant proportional 

error is valid, as week‐to‐week variations under normal living conditions are not 

random but are covariant. 

 

Figure 2.3: Covariance residual plots 

 

Ratio and product plots 

The residual ratio plots (division of log natural values for oxygen‐18 and deuterium)   

are indicators of CO2 turnover. Where activity is not excessive, in that the person is 

not breathing heavily, the plots follow the zero line. 

Figure 2.4: Figure of ratio plot indicating CO2 production 

Page 48: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

28  

   

 

The residual product plots (multiplication of log natural values for oxygen‐18 and 

deuterium) are indicative of water turnover (Prentice, 1990). Deviations away from 

the zero line are indicators where water turnover has fluctuated. 

 

Figure 2.5: Figure of product plot indicating water turnover  

   

As demonstrated in the equation comparison, the estimation of TEE (kcal/day) is 

based on several equations which each provide the answer for the next equation in 

the cascade. 

   

   

Page 49: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

29  

2.2 TBW literature review 

 

Total body water (TBW) measurements using deuterium were first proposed by von 

Hevesy and Hofer in 1934 and are commonly used as a criterion for comparison with 

alternate measurement techniques of TBW  (Ellis, 2000). The basic principle 

underlying the technique is that the volume of a body composition compartment can 

be defined by the dose of the tracer relative to its concentration in that 

compartment within a specific time period following dose administration (Ellis, 

2000). TBW measurement forms an integral part of body composition analysis 

relevant to health‐based research; and is suitable for large studies in the field. This is 

also aided by the fact that as mass spectrometer instrumentation (IRMS) has 

improved, and become more sensitive, deuterium costs have dropped enabling large 

numbers of TBW samples to be analyzed using a minimal amount of the tracer 

(deuterium) isotope. The field test and sampling protocol can be developed using 

minimal equipment and expertise, involving only the administration of a precise 

amount of isotope dose, collection of fluid samples, their storage and shipment to an 

IRMS laboratory. Here, under more rigorous and controlled laboratory conditions, 

the IRMS analysis of TBW samples collected, can be undertaken by experienced 

technical staff.  

Body composition measurements with isotope dilution are usually performed in the 

post‐absorptive state, i.e. in the early morning after an overnight fast and before any 

food or drink is consumed (Lukaski et al., 1985) or after a small breakfast (Schoeller 

et al., 1980; Wong et al., 1988). In other studies, subjects consume the dose at night 

before bedtime and the equilibration takes place overnight (Westerterp et al., 1995). 

Baseline samples are collected prior to dosing the subjects with a known dose of 

isotope 2H  or 2H and 18O if DLW is used, then post‐dose samples can be collected in 

the field, in the form of urine, saliva, or blood. It has been reported that deuterium 

in body water rapidly equilibrates with these media (Colley et al., 2007; Janowski et 

al., 2004; Mendez et al., 1970; Schloerb et al., 1950; Smith et al., 2002). After 

administration, the time taken for the deuterium dose to reach a stable value i.e. a 

Page 50: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

30  

plateau, in the body water pool is highly variable. To counter the variability, the IAEA 

has recommended the collection of 2 post dose samples at hourly intervals after the 

third hour. If equilibrium has been reached the post dose samples are within 95% of 

each other. In younger subjects water turnover is quicker which is reflected in the 

water turnover values. If collected too early, analyses of urine samples can be 

misleading if equilibration has not been achieved (Janowski et al., 2004). Therefore, 

to ensure accuracy in this dilution method, samples must be collected when true 

isotopic equilibration values have been attained. Due to the continual isotope decay, 

a true plateau never occurs and therefore a theoretical plateau is the aim within this 

technique. Importantly, the timing of the post‐dose sample is also dependant on the 

sampling medium (urine, saliva, blood) as there is a difference in the isotopic 

equilibration time of each (Colley et al., 2007; Halliday et al., 1977; Janowski et al., 

2004; Schoeller et al., 1982; Schoeller et al., 1980; van Marken Lichtenbelt et al., 

1994; Wong et al., 1988). The chronological age of the participant group is also a 

determining factor in sample collection time as older individuals typically take longer 

to reach isotopic equilibration due to slower renal output (Janowski et al., 2004). 

The primary challenge hampering the deuterium dilution technique is the inability to 

validate the measurement with an established technique (Speakman, 1998). Earlier 

research in this field conducted between 1950 and 1970 was of the opinion that the 

desired equilibrium time for urine samples was between 1.5‐3 h (Ellis, 2000; Mendez 

et al., 1970; Schloerb et al., 1950). More recent research however (Schoeller et al., 

1982; Schoeller et al., 1980; Wong, 2003; Wong et al., 1988) has suggested that an 

equilibration time of 6 hours or more may be required as 3 h is insufficient to reach 

an equilibrated state. Butte et al. (1989) reported that equilibrium was not reached 

in 100% of the subjects within 6 h while Van Marken and Westerterp (1994) 

suggested that it may take up to 10 h for equilibration in some individuals. Similarly, 

Blanc et al. (2002) found that 3 h was insufficient time to reach isotopic plateau in 

21% of the participants tested, again providing evidence for a longer equilibration 

time. Jankowski et al. (2004) suggested that steady state enrichments were achieved 

within a minimum of 2.5 h in young healthy adults, however recommended 

collection of samples at 3 × 30 min intervals to verify the attainment of steady state 

Page 51: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

31  

(2.5 + 1.5 = 4 h).  More recent studies have reported post‐dose urine sampling at 5 h 

(Bauer et al., 2005; Colley et al., 2007; Rush et al., 2003). In contrast to times for 

urine equilibration, Jankowski (2004) found that saliva samples achieved a plateau 

within 2 h of ingestion and remained stable for several hours. Further, they also 

found that there was not a significant difference between urine and saliva samples, 

2‐6 h after dosing. 

After dose administration, deuterium enrichment in the total body water pools is 

highly variable until it reaches a relatively stable value for a few hours, which is 

defined as plateau. As equilibration is highly variable between body fluids, 

population groups and individuals, different timing protocols exist for the deuterium 

dilution technique (Colley et al., 2007; Janowski et al., 2004; Schoeller et al., 1980). 

These include the plateau, intercept and overnight equilibration protocols. The 

specific features of these protocols are often driven by the particular preferences of 

researchers or research institutes. This lack of consistency in the use of the 

technique has made comparisons between studies challenging, particularly the 

interpretation of results. Irrespective of the chosen protocol, it is critical that full 

isotopic equilibration is attained to ensure valid TBW values. 

For all protocols at least two to three samples are collected: a pre‐dose sample to 

account for background isotope levels; and one or more post‐dose samples collected 

following equilibration of the deuterium with body water (Ellis, 2000). The main 

differences between the protocols are in the collection times, dosing approaches 

and the interpretation of the equilibration plateau. 

Definition of a plateau 

A plateau or equilibrium has been defined several ways by the following researchers: 

1. A difference of < 3% between 2 consecutive time points (Fjeld, 1988). 

However, a more conservative value of < 2% has more frequently been 

suggested and is considered an acceptable limit for analytic considerations 

(Blanc et al., 2002; Salazar et al., 1994; Schoeller et al., 2000).  

2. Janowski et al. (2004) defined a reference value as the average of 3 samples 

taken during the fourth hour post‐dosing and suggested that equilibrium 

Page 52: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

32  

occurred when the enrichment became ≤ 2% of the reference value at hour 

4. 

3. In contrast, other researchers have used the 6 h enrichment value as the 

reference point (Schoeller et al., 1980; Wong et al., 1989). 

Definition of the protocols in use 

Plateau protocol – pre‐dose urine sample followed by a dose of 0.5 g/10% D2O/kg 

body weight, urine sample collected 4‐6 h later. 

Intercept protocol – pre‐dose urine sample, then a dose of 1.25 g/10%18O and 0.1 g/ 

100% D2O per kg body weight and then urine samples collected at 6 h on dosing day 

and the second void each morning for the next 14 days. Calculation is derived as part 

of the TEE technique by elimination rates of the oxygen‐18 and deuterium. 

Overnight protocol – a pre‐dose urine sample followed by a dose of 0.1 g/kg TBW of 

5‐10% D2O and a 10‐h overnight equilibration and then a urine sample collection 

(Westertep, van Marken Lichtenbelt, 1995),used mainly in elderly subjects with 

slower water turnover. 

Calculations for TBW  

Two approaches to TBW estimations were used utilizing the deuterium dilution 

technique; namely the plateau or the intercept method. Both approaches have been 

extensively examined and found to provide similar results (Schoeller et al., 1980). 

The plateau TBW method is determined within 1 day, while the intercept TBW 

method is part of a total energy expenditure calculation and the collection time 

frame is 14 days. The isotopic dilution spaces were calculated according to Cole and 

Coward (1992) where:  

TBW plateau calculation 

Equation 1     N = TA/ a * [(Ea ‐ Et) (Es ‐ Ep)] 

N is the dilution space in grams, A is the isotope given in grams, a is a portion of the 

dose (in grams) retained for mass spectrometer analysis, T is the amount of tap 

water (mL) in which a is diluted before analysis. Ea, Et, Ep and Es are the isotopic 

Page 53: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

33  

enrichments (in units) of the portion of dose, the tap water used, the pre‐dose 

sample of physiological fluid (i.e. urine or saliva) and the post‐dose sample of 

physiological fluid, respectively. Isotopic abundance is measured in Delta SMOW 

units. 

TBW (L) was subsequently calculated using Equation 2: 

 

Equation 2     TBW = (N/ 1.04) /1000 

The division of N by 1.04 corrects for the exchange of deuterium with non‐aqueous 

hydrogen. 1000 = transforms TBW in g (mL) to kg (L) 

Based on the assumption that the hydration of FFM is 0.73 for adults (Wong, 2003), 

FFM (kg) was calculated using Equation 3: 

Equation 3     FFM = TBW /0.73 

Percent body fat (%) was subsequently derived from FFM and body weight (W) using 

Equation 4: 

Equation 4     % Body Fat = [(W‐ FFM) W]*100 

The optimal approach is to correct for all intake and loss of fluid (Schoeller et al., 

1995) however this is often not practical.  

TBW intercept method calculation 

The back extrapolation or intercept method involves collection of a baseline sample, 

administration of the dose followed by the collection of a sample at a fixed time 

point (6 hours for urine, 4 hours for saliva) and then each morning for the next 14 

days. All collection times were recorded. Briefly, the natural logarithm of the 

elimination of the tracer from body water is plotted against time and the intercept 

gives the tracer dilution at the time of dosing. This method is usually incorporated 

into the doubly labeled water (DLW) technique which uses 18O and 2H to calculate 

carbon dioxide production (rCO2). TBW calculation is an intermediary step in the final 

calculation according to Schoeller et al. (1986) listed below. 

Page 54: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

34  

No or Nd (kg) = ((W × A/a) × (ΔDD/ΔBW)/ (1000) 

TBWo= No/1.007 

TBWd = Nd/1.041 

TBW avg = (TBWd + TBWo)/2 

TBWav(kg)=TBWav×1000/18.0153 

W = amount of water (g) to dilute the dose for IRMS analysis 

A = amount of dose (g) given to the subject 

a = amount of dose weighed out (g) for the dose dilution 

ΔDD = enrichment of diluted dose minus tap water enrichment 

ΔBW = enrichment of post‐dose sample minus baseline sample enrichment 

1000 = transforms TBW in g (mL) to kg (L) 

1.007 = correction factor for non‐aqueous oxygen exchange 

1.041 = correction factor for non‐aqueous hydrogen exchange 

Hydration coefficient 

Cellular hydration in all animals is strictly controlled as is that of extracellular fluid. 

However the ratio of extracellular to intra cellular fluid space may change. As ECF 

and ICF hydration differs (0.98 vs 0.70), their altered ratio is largely the basis of 

hydration changes in early life and disease. The work of Pace and Rathburn (1945) is 

the source of the commonly used hydration coefficient of 0.732 and more recently 

this has been confirmed by Wang et al. (1999). During infancy, childhood and 

pregnancy, this factor will vary due to changing TBW; therefore the equation used 

below is based on Lohman’s tabulated data (1992): 

Hydration factor <21 y = 0.792 ‐ 0.0028× Age (y) 

However for individuals >21 y of age a hydration factor of 0.732 is applied.  

Page 55: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

35  

Derivation of FM and FFM from TBW 

References (Pace et al., 1945; Wong, 2003).  

Weight (kg) = FM kg + FFM kg 

FFM = TBW/ Hydration coefficient 

FM (kg) = Weight (kg) – FFM (kg) 

% Body fat = 100 × FM/Body weight  

Body composition methods 

The following body composition methods were used for body composition 

assessment. 

DXA 

Values for bone mineral content (BMC), FFM, and body fat (BF) were obtained using 

a Lunar Prodigy Advance DXA machine (GE Medical Systems Lunar), pencil beam 

mode, software version Encore 2005 version 9.30.044. The instrument automatically 

alters scan depth depending on the thickness of the subject, as estimated from age, 

height, and weight. All scans were performed while the subjects were wearing light 

indoor clothing and no metal objects. The typical scan time was 5‐min, depending on 

height and weight. The radiation exposure per whole‐body scan is estimated to be 

2µSv, which is lower than the daily background level. The same laboratory technician 

positioned the participants, performed the scans, and executed the analyses using 

the established standard protocol.  

Multi‐frequency bioelectrical impedance analysis  

TBW was assessed with a BIA analyzer (ImpediMed Imp SFB7), and whole‐body 

resistance and reactance were assessed. Participants were in a supine position with 

their arms and legs by their sides. After the skin was cleaned with alcohol, 4 

electrodes were placed on the dorsal surfaces of the right hand and right foot. The 

measurements were carried out 10 minutes after the participants assumed the lying 

posture. Data were sampled in triplicate 

Page 56: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

36  

Total body volume 

Air displacement plethysmography was performed to assess body volume (BV) using 

the BOD POD (Life Measurement, Inc., Concord, CA, software version 1.68). To 

eliminate or account for the effects of clothing, skin surface area, and hair, each 

participant wore a tight fitting swimsuit and hair was compressed with a tight fitting 

swim cap. Body mass was measured to the nearest 100 g using an electronic scale 

connected to the BOD POD computer.  

The use of the above equations and equipment were used to estimate the TBW and 

body composition values for Studies 2 and 3 

Rationale for thesis 

 

The use of stable isotopes in body composition and energy expenditure research is 

based on the assumption that the methods being used quantify the isotopes 

accurately and precisely, and that the equations subsequently applied are suitable 

for the work being undertaken.   

The DLW technique was not validated in humans until 1982 due to the prohibitive 

cost of the isotopes. Progressive development in mass spectrometry technology 

improved the precision of the instrumentation; and along with a reduction in the 

cost of isotopes after 1990 the number of published studies using the technique 

steadily increased to about 110 per year by 1995 (Speakman, 1998). This level of 

publication has been maintained since. Despite the importance of the method to the 

study of human energy expenditure in free‐living conditions, there remain some 

inconsistencies in how the technique is employed in different laboratories (Roberts 

et al., 1995). Further, there are possible variations in regression equations used and 

equation constants employed in the post‐measurement data analysis process. 

Therefore a series of methodological studies needs to be conducted to better 

understand the impact of each of these protocol and data analysis options on the 

resultant total energy expenditure values.The DLW technique for estimating TEE has 

been utilised at QUT for approximately 14 years. Over time, and with increasing 

demands on the laboratory equipment, a need was identified to determine if the 

Page 57: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

37  

procedures in use were in agreement with the current literature and published 

procedures, particularly with respect to the DLW technique and related equations. 

The TBW technique, using the either deuterium dilution or as part of the TEE 

estimation, was identified as a protocol to be validated with regard to collection 

time, as it has an impact on the derived body composition values, and sampling 

medium.  

 

 

Research questions addressed in this thesis 

 

Within the field of human energy research and body composition, the use of the 

IRMS for isotope analysis is well established. Based on the literature reviews for both 

TEE and TBW, numerous questions remain regarding factors which would influence 

and impact analytical and measurement error within our laboratory. This has 

resulted in the following questions being raised. 

The methodological and analytical variances in the IRMS in TEE and TBW 

measurements to establish baseline “noise”. 

With regard to the TEE and TBW measurements in use in our laboratory, the 

following methodological studies were undertaken. 

Does the use of different regression equations and equation constants result 

in different TEE values? 

Does the use of saliva or urine affect the final TEE result? 

What is the variability in time to isotopic equilibrium using plasma, saliva and 

urine samples and the impact of this variability on estimates of TBW and 

body composition (derived and measured)? 

What is the difference in TBW using different equations (Intercept vs. 

Plateau). 

Page 58: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

38  

“If the human condition changes as a result of exercise or excessive water 

intake does it affect the TEE result?” 

   

Page 59: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

39  

Chapter 3 

The Isotope Ratio Mass Spectrometer (IRMS) 

IRMS background 

Recognition of the existence of stable, non‐radioactive isotopes of the elements and 

their measurement by mass spectrometry dates back to the work of Aston in the 

early to mid‐1920s when he established the whole number rule of atomic weights. 

The first use of stable isotopes for nutrition‐related research was in 1934 when 2H 

enriched water became available (Wong et al., 1987). 

Gas‐isotope ratio mass (G_IRMS)spectrometry had its beginning in 1940 when Alfred 

Neir’s laboratory (Wood et al., 1940) designed the first “Neir‐type “  mass 

spectrometer for the measurement of 2H content in hydrogen gas. It consisted of an 

ion source, a permanent magnet and a single collector. The instrument also utilized a 

high vacuum which ensured that the ions travelled from source to collector without 

collision. The gas molecules were ionized and with electrons from the ion source and 

the positively charged molecules were propelled by an accelerating potential into a 

magnetic field where they were resolved into separate ion beams according to their 

masses. As a single collector was used, adjustments had to be made to focus on each 

ion beam. As this generated unreliable data, a dual collector system was developed 

to undertake simultaneous measurements of two isotopic masses which are in use 

today. With advances in electronic, vacuum, and computer technology, the modern 

IRMS is fully automated and costs in the region of AUD$250‐300,000 (Wong et al., 

1987). After the gaseous samples have been introduced into the equipment, the 

entire process of valve sequencing, ion source tuning, and focusing, vacuum 

monitoring and data collection is fully automated and computerized.  

As a result, stable isotope analysis has gained popularity as a research tool in many 

different areas including ecology, nutrition and exercise physiology with dietary and 

energy utilisation data collected from plants, animals and humans in the field 

(Jardine et al., 2005). However, consistent with the more widespread application of 

stable isotope techniques has been a tendency to continue to utilise established 

approaches to analysis without question and on‐going critical appraisal. Some might 

Page 60: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

40  

also suggest that there is also a knowledge gap between some IRMS operators and 

the research community. It is critical that standard operating procedures in the field, 

the interpretation of results and an appreciation of potential analytical errors be 

clearly understood. There is a current need for researchers and technical staff alike, 

to have a better understanding of the possible sources of analytical error in dosing 

protocols, sample collection, collection times, sample analysis, equation utilisation 

and finally, result interpretation with respect to assessment of TBW and TEE. 

High accuracy in isotope measurements is required because energy expenditure is 

calculated based on a small difference between the two isotope elimination rates. 

The primary difficulties arise from fractionation of the isotopes during sample 

preparation and measurement due to the different physical characteristics of the 

heavy isotopes compared with the major isotope. Furthermore, sample matrix can 

interfere with isotope equilibration (Delaney et al., 1996). 

IRMS functionality  

The isotope ratio mass spectrometer allows the precise measurement of a mixture 

of stable isotopes. The analysis of stable isotopes is normally concerned with 

measuring isotopic variations in mass dependent isotopic fractionation. Instruments 

have been developed based on several techniques for mass separation and tuned to 

specific needs. It is critical that the samples are processed before entering the mass 

spectrometer so that only a single chemical species is analyzed at a given time. 

Generally, the samples are either pyrolysed, combusted or equilibrated with a 

specific gas to ensure that the desired species of hydrogen gas for 2H, carbon dioxide 

for 18O measurements, nitrogen gas or sulphur are produced (Wong et al., 1987). 

IRMS systems in use today consist of three major parts. The first is an electron 

ionization source for producing ions from CO2, H2, N2 or SO2. The second is a single 

sector magnet for separating the isotopomers of each of these ions. The third is an 

array of Faraday cups for detecting simultaneously all of the isotopomers (for 

example 1H, 2H or 16O, 18O) of a given molecular ion (Scrimgeour et al., 1993). The 

two most common IRMS in use today are either dual‐inlet or continuous‐flow. In 

dual‐inlet IRMS, purified gas obtained from a prepared sample is alternated rapidly 

Page 61: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

41  

with a standardized gas of known isotopic concentration through a system of valves 

so that a number of comparison measurements are made of both gases. In 

continuous‐flow IRMS, sample preparation occurs before introduction into the IRMS, 

and the purified gas from the sample is only measured once. Highest precision is 

achieved using a dual‐inlet ion source. With slightly less precision but greater 

throughput, samples can be analyzed with the continuous‐flow IRMS (Dolnikowski et 

al., 2005).Sample preparation in IRMS studies is critically important as all compounds 

of interest have to be converted to 2H or CO2.The ratio of D (O) atoms in liquid form 

:atoms D(O) in gas should be kept high i.e. >100:1. Modern IRMS are very sensitive 

and can produce excellent results if equilibration gas blends are used, allowing the 

use of smaller(liquid) samples without causing the ratio of fluid: gas to reduce to a 

point where the isotopic abundance  of the added gas may alter the enrichment of 

the equilibrated gas volumes.  Many energy metabolism and obesity‐related studies 

that use 18O and 2H as tracer isotopes use the equilibration technique to transfer the 

label from the water in the biological fluid to the gas phase. In the case of 

deuterium, the sample is equilibrated in the hydrogen gas in the presence of a 

catalyst, 5% platinum on alumina (Prosser et al., 1994). 

 

Figure 3.1: Hydra 20/20 IRMS ABCA‐G unit, sampling carousel and Hydra 20/20 

 

Page 62: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

42  

IRMS at Queensland University of Technology (QUT)  

The Hydra 20/20 in use at the Queensland University of Technology is a continuous‐

flow isotope ratio mass spectrometer system for measuring deuterium and oxygen‐

18 in aqueous samples following equilibration with a gas phase. It consists of a long 

deuterium spur 20‐20 stable isotope analyzer with electromagnet (Sercon Cat. 

No.9014), gas auto sampler (Sercon Cat. No.17008) and an ABCA–G module (Sercon 

Cat. No.17010). Presently, gas samples for the isotope‐ratio mass spectrometer are 

prepared by equilibration of the liquid sample with a gas. The usual gas for analysis 

of 18O is 99.99% CO2 and that for 2H is 99.99% H2. CO2 is added to the liquid sample 

and exchanges unlabelled O for 18O from the water (Wong et al., 1987). H2 is added 

to the liquid sample and exchanges unlabelled H for 2H from the water, with 

platinum on alumina as a catalyst (Scrimgeour et al., 1993). The gas sample is 

introduced into the system where it is purified on‐line. A water trap of magnesium 

per chlorate, in the ABCA‐G, removes moisture and the pure sample is carried in a 

continuous stream of helium gas to the ionizer (in the Hydra 20/20). Helium gas is 

the carrier of choice as a consequence of its inert nature, high ionization energy, and 

low density. Within the Hydra 20/20, the sample gas in the helium flow is ionized by 

electron impact from electrons emitted from a hot filament within a high vacuum. 

The ions are separated in a magnetic field according to their mass to charge ratio 

(m/z). The current for each isotope mass is measured as the charge generated by the 

ions impact a detector, called a Faraday cup. A schematic diagram of the Ion Source 

and magnetized vacuum fields, along with the Faraday cups is illustrated below. 

Figure 3.2: Diagram of Sercon Hydra 20/20 CF ‐IRMS 

 

Page 63: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

43  

 

Hydrogen has a mass to charge ratio 2(H2) and 3(DH) and has 2 collector cups 

designated to collect mass 2 and mass 3. Oxygen‐18 measurements are undertaken 

on CO2 molecular ions therefore there are 3 collector cups to collect mass 44, 45, and 

45. The most abundant and naturally occurring CO2 has a charge of 44 (12C16O16O), 

CO2 with 13C having a mass of 45 (13C16O16O), CO2 with oxygen‐18 has a mass of 46 

(12C16O18O). The charge generated is standardized against an internationally 

calibrated reference sample. The raw data is reprocessed using Hydra reprocessing 

software with the resulting data being reported in Delta V‐SMOW units or ppm. 

Correction is made for the H3+ by the Marquardt correction within the software 

supplied by Sercon (Cheshire, UK) suppliers of the Hydra 20/20. Data from the IRMS 

is expressed as unit less delta value per mil (‰) with respect to a standard. Units to 

express isotopic abundance can be Delta V‐SMOW (Vienna Standard Mean Ocean 

Water) or ppm, where the Delta V‐SMOW units can be written as δ or ‰. The 

conversion between the units can be defined as 0 δ or 155.76 ppm for hydrogen and 

0 δ or 2005 ppm for oxygen. 

Where ((R sample‐R standard)/R standard)  1000 = deltas 

The international standard for 1H/2H and 16O /18O is Vienna Standard Mean Ocean 

Water (V‐SMOW)(Dolnikowski et al., 2005). These references are available from the 

International Atomic Energy Agency (IAEA). V‐SMOW is an isotopic water standard 

defined in 1968 by the IAEA. V‐SMOW is a recalibration of the original SMOW 

definition and was created in 1967 by Harmon Craig and other researchers from 

Scripps Institute of Oceanography who mixed distilled ocean waters collected from 

different spots around the globe. V‐SMOW remains one of the major isotopic water 

benchmarks in use today. However as these standards are expensive, laboratories 

manufacture their own working standards which are then calibrated relative to the 

international standard. The working standards are derived by various dilutions of the 

100% deuterium oxide with tap water of known isotopic value. 

Refer to Table 3.1 Mass Spectrometer Settings for more information with regard to actual 

settings used when running the IRMS 

Page 64: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

44  

Table 3.0: Mass spectrometer settings for H and CO2 

Hydra‐IRMS source and detector settings for CO2 and H analysis  

                          CO2, 13CO2 and C

16O18O                        H2 [2H1H] 

HT (V)   2300 3654

Trap Current (μA)  98  500 

Electron Energy (eV)   ‐75  ‐75 

Ion Repeller (V)   ‐4.25  30 

Beam Focus (%)   83  85 

Head Amplifier Resistance  

Beam 1 (MΩ)   100  100 

Beam 2 (MΩ)   5000  100,000 

Beam 3 (MΩ)   5000  Not applicable 

HT‐High Tension settings 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 65: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

45  

Laboratory practices at QUT to control analytical and measurement error 

Standard preparation  

Good laboratory practice requires that instruments used are precise and accurate. As 

it is expensive and impractical to use a primary standard on a regular basis, 

laboratory working standards are made up that will cover a range either at natural 

abundance (tap water) or highly enriched (reference samples). These standards are 

made from 99.95% D2O (Sigma Aldrich) and 10% H218O (Cambridge Isotope 

Laboratories Inc.) to be within a Delta V‐SMOW range that will cover all the expected 

biological values obtained from the urine and saliva samples assayed on the IRMS. 

Large batches of each standard and tap water samples are bottled in sufficient 

quantities to cover an annual use. The reference and tap water samples are analyzed 

externally for QUT by Iso‐Analytical (Cheshire, UK) using a primary reference 

standard obtained from the IAEA to ascertain the values of the samples. These 

reference samples and tap water are then used in every batch for deuterium and 

oxygen‐18 assays to determine the unknown sample values. 

It is essential that all standards are calibrated against an international value so that 

work undertaken in different laboratories can be compared on an equal basis. To 

ensure linearity within the IRMS analysis a series of standards are made with 

predetermined assigned values, ranging from 21 to 1380 delta V‐SMOW units. These 

standards, with the same sample volume, are analyzed on a 12 monthly basis.  

Quality control within a run 

The following processes should be considered to ensure quality control within an 

IRMS run. 

1. Repeating samples from previous batches to check for repeatability.  

2. Assaying reference samples i.e.QC samples that have been weighed out 

to give values within an intermediate range of the tap water and 

reference samples and have been repeatedly assayed to determine their 

values. 

3. Comparing the TBW with a predicted value and flagging samples that do 

not fall within the range (Slater et al., 2005). 

Page 66: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

46  

4. If no other prediction is available, the relationship with height3 can be 

used: TBW = 7.4 / height3 (m3). If the measurement falls outside the 95% 

confidence limits of 5.7‐9.6, the data and calculation should be checked 

and reanalyzed if possible (Slater et al., 2005). 

Correction for memory and drift 

A small amount of specimen can adhere to the analytical system and exchange with 

the next or next few samples. This is referred to as specimen to specimen ‘memory’. 

To overcome this problem the samples are analyzed on the IRMS in triplicate and the 

“best of three” approach is taken with regard to raw data conversion to Delta units. 

Within a batch of samples being analyzed for TEE, low enriched samples (tap waters 

and pre‐dose samples) are analyzed first followed by samples with gradual 

enrichment increments. If a very high sample is analyzed prior to a low one, tap 

water samples are inserted between the high and low samples as a ‘wash out’ to 

prevent carry‐over. 

Drifts can occur in the IRMS due to room temperature fluctuations, power supply 

variances and equipment temperature. If the drift is small it does not need to be 

corrected. Within the Hydra IRMS software is a drift correction facility to overcome 

this problem. Another preventative measure is to space reference samples after 

every 15 samples so that when the software calculates the delta values there is very 

little drift. 

Temperature controlled environment 

It is essential to maintain a constant temperature during the equilibration to 

minimize the isotopic effect. To prevent measurement errors, the whole batch 

should be kept together in the same spot, preferably near the mass spectrometer, to 

ensure constant temperature for equilibration and analysis. If the samples are 

moved from one area to another, at least 24 h should be provided for the samples to 

become temperature stable (correspondence Dr.C.Slater). On repeated occasions we 

have shown the temperature within the mass spectrometer room to be 21°C as 

recorded on a laboratory data logger; this is also the controlled temperature of 

central air conditioning utilized at IHBI. 

Page 67: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

47  

Enriched and natural abundance standards 

The high water reference and tap water that were used as the standards for oxygen‐

18 and deuterium were analyzed externally at the ISO‐Analytical Laboratory in the 

United Kingdom against an IAEA standard (IA R011, IA R019, and IA R016). 

Research questions to be considered in regard to the IRMS  

Within the research framework, a large portion of the studies undertaken in the use 

of stable isotopes to measure TEE and TBW is based on the assumption that the 

methods in use are actually quantifying the substance correctly, and within that 

framework that the equations applied are suitable for the work being determined.   

It is recognized that the precision of the DLW technique is 8‐9% and reliability can 

vary considerably between laboratories (Roberts et al., 1995). Laboratory 

measurements to measure isotopic enrichment will be validated to ensure accurate 

(to international standards), precise (reproducibility of three replicate samples) and 

linear (isotope ratio was constant over the expected concentration range) values.  

This process will establish the machine variability for the IRMS equipment in use at 

Queensland University of Technology, for both TBW and TEE measurement. Further, 

research will be conducted to determine the correct sequence for sample analysis 

with regard to deuterium and oxygen‐18 analysis, and also the maximum and 

minimum sample volume that can be used so that the results would remain within 

the analytical precision of the equipment. Additionally, sample equilibration time will 

be evaluated to determine if the current protocols are statistically sound. 

So to answer the research question raised at the end of Chapter 2. With regard to 

the IRMS 

The methodological and analytical variances in the IRMS in TEE and TBW 

measurements to establish baseline “noise”. 

 

 

Page 68: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

48  

The following research questions were posed to determine the technical and 

measurement error in the equipment and methodology currently in use at QUT. 

1. What is the equipment variation (precision and reliability data) measuring 2H 

and 18O (known standards)? 

2. Do different sample volumes affect the results? 

3. Does equilibration time affect the results? 

4. Number of samples required for analysis? 

5. What is the variation in order of sample preparation? 

 

What are the methodological and analytical variances in the IRMS? 

It is important to establish the inherent machine noise and to determine analytical 

variations that would impact on the final estimations. Variations then become the 

baseline and results only become statistically significant when raised above this 

baseline “noise”. So in identifying this noise in the equipment is the bottom line 

above which measurable true change can be established. 

Measurement error definition and description 

When undertaking measurements it is understood that the observed score is a 

composite of the true value plus the random error (Xr) plus possible systematic error 

(Xs). Random and systematic errors (Semyon et al., 2000). 

X0 = Xt + Xr +Xs 

X0 = observed score 

Xt = true score 

Xr = random error 

Xs = systematic error 

Random error is caused by any factors that randomly affect measurement of the 

variable across the sample. Importantly, random error does not have any consistent 

effects across the entire sample but rather, pushes observed scores up or down 

Page 69: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

49  

randomly. Theoretically, this means that if we could see all the random errors in a 

distribution they would have to sum to 0; that is, there would be as many negative 

errors as positive errors. The important property of random error is that it adds 

variability to the data but does not affect average value for a data set. Because of 

this feature, random error is sometimes referred to as noise (Semyon et al., 2000).  

In contrast, systematic error is caused by any factor(s) that systematically affect 

measurement of the variable across the sample. For instance, if a weighing device is 

set with the zero value registered at 1 gram, all samples measured with the scale will 

be affected in the same way, in this example, measured systematically higher. Unlike 

random error, systematic errors tend to be either positive or negative; because of 

this, systematic error is sometimes considered to be bias in measurement. 

Accurate measurement is central to scientific endeavor and minimizing 

measurement error and obtaining consistency is a key goal in research. Reliability 

and validity are considered the foundations of measurement as they represent 

attempts to reduce measurement error. Reliability in measurement may actually 

have nothing to do with accuracy or validity in measurement, as reliability only refers 

to consistency. Measures that are relatively free of random error are referred to as 

reliable; and measures that are relatively free of random and systematic error are 

reliable and valid (Semyon et al., 2000).  

The measurement process is usually defined by a number of steps to develop 

reliable and valid measures. Measurement is the process of determining the value of 

a substance which can be defined qualitatively and expressed quantitatively. The 

process of experimentally determining the value is enabled by instrumentation such 

as IRMS to measure the deuterium enrichments of urine samples, and scales to 

measure changes in body weight. Numbers or units of measurement are central to 

the definition of measurement for several reasons. For example, they can be 

standardized and expressed in sanctioned units of measurement such as body 

weight (kg), temperature (0C) or mass spectrometer measurements as delta V‐

SMOW units. They allow communication and uniformity in science as they can be 

subjected to statistical analysis and are precise. 

Page 70: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

50  

However, underneath the facade of precise, measureable and analyzable numbers is 

the issue of accuracy and inaccuracy. Accuracy is defined as the closeness of a 

measurement to the true value of the substance being measured. Inaccuracy is the 

degree of deviation of a measurement result from the true value of the substance 

and can be characterized as either measurement error or measurement uncertainty. 

Question 1: Equipment variation and drift (precision and reliability data) 

measuring 2H and 18O (known standards) 

The objective of this study was to determine during an assay run of deuterium and 

oxygen‐18 what technical error existed within repeated measurements of the same 

samples due to machine variability.  

Introduction and Background 

Definitions of Measurement error and drift 

When performing IRMS analyses, it is essential to maximize the precision of the TEE 

or TBW measurement. In determining the machine error of the IRMS, the inherent 

“background noise” range will be identified. Any sample measurement changes 

which fall within this range will be deemed clinically not significant as they were a 

product of inherent noise and not due to physiological changes. So samples may 

show statistical significance but are clinically not significant. Other measurement 

errors that may occur due to poor analytical techniques or inherent weakness in the 

method need to be identified, quantified and controlled. 

Drift (machine error) 

Drift can be defined as a slow variation with time of the output of a measuring 

system that is independent of a stimulus. The drift that occurs in the Hydra IRMS is 

corrected in the Hydra Reprocessor software. This software is provided by Sercon™ 

as a tool that allows the operator to change the integration parameters and fix 

errors made in a batch run. Using the Reprocessor will not alter the raw data 

collected by the Hydra during the original analysis. Rather, the software will 

“reprocess” the raw data using the designated reference water samples allocated 

their predetermined analyzed value. This is then used to calculate the sample values 

Page 71: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

51  

with results being determined between water references that are placed at 

approximately 20 unknown sample intervals within the batch. 

The study design tabulated below covers the volumes, preparation and conditions of 

testing. 

Table 3.1: Study design for question 1 

Temperature  21°C   

Equilibration time 18O = 24 h 2H = 72 h  

Sample volume  0.5 mL   

Sample   20 samples of tap water 

known as BURP – Brisbane 

Urban Regional Precipitation 

18O value = 

3.39 delta V‐

SMOW units 

2H value = 

16.54 delta 

V‐SMOW 

units 

  20 samples of enriched 

Reference water (REF) 

18O reference 

value = 95.53 

delta V‐

SMOW units 

2H reference 

value = 999.3 

delta V‐

SMOW 

Method of 

preparation 

Refer to sample and isotopic 

analysis below 

 

Equipment  Europa Hydra 20‐20 IRMS   

Sample analysis 

The samples are prepared for analysis by platinum reduction (2H) and gas 

equilibration, for 180 and 2H. These are then analyzed on an isotope ratio mass 

spectrometer (HYDRA 20/20, Sercon, Cheshire CW5, UK) by a continuous flow 

technique. A timed analysis protocol for each isotope is computer controlled, the 

total run time for 2H is 200 seconds and for oxygen ‐18 it is 360 seconds. The 

abundance of the stable isotopes of C, H, and O are measured in the gas (CO2, H2,) 

present in the headspace of the Exetainer tube. The raw data generated by the IRMS 

is then reprocessed by Hydra software and the Marquardt correction is made for H3+ 

ion production (coulombs) which would alter the results.  

Page 72: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

52  

In the current study, analyses were completed in triplicate so that reliability of 

measurement could be assessed for each sample. References and tap waters were 

interspersed throughout the runs to allow for continual calibration. The raw data 

was ‘stretched’ to allow for any drifting which occurred during the run. The delta 2H 

and 18O values were normalized against two water standards, which had been 

quantified against IAEA standards. This procedure calibrates the results to a natural 

abundance value (tap water) and an enriched value (reference of known 

concentration). Results were expressed as delta (δ) units per mil (‰) relative to 

standard mean ocean water.  

Results for IRMS variability beam size and machine drift 

As beam size is an integral part of the analysis it is essential that during a run of 

either deuterium or oxygen‐18 that there is no gas pressure drift and that the beam 

sizes remain within a constant coefficient of variation (CV). To ensure the constancy 

of the beam size, the samples are prepared by an automated system which injects 

the controlled gas flow into each sample tube for a predetermined number of 

seconds. On the IRMS currently in use at QUT, the CV is 3% for the hydrogen and CO2 

gas with the beam sizes in the range of 2.72e‐7 for deuterium and 4.5e‐7 for oxygen‐

18 (routine analysis observation and findings) 

Key findings and statistical analysis for question 1 

In (Table 3.2) are the results for the 20 Burp and References samples analyzed to 

determine machine drift. Based on results generated, a 1 SD of 5.84‰ is applied for 

2H and 0.40‰ for 18O in the within‐run quality control assessment of the triplicate 

sample results, as the inherent run “noise” when using the IRMS.  

To establish the ranges for the references used within the runs, 2 SD has been 

applied to the actual value, i.e. ±1.96 × the actual value. Triplicate samples with a SD 

that does not fall within this 5.84‰ range should then be recalculated on 2 samples 

and if the SD is still out of range the sample needs to be reanalyzed. 

 

 

Page 73: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

53  

Table 3.2: Isotope assay results to establish machine drift; deuterium and oxygen‐

18 (n=20) Mean and SD of 20 samples shown 

Sample  Actual

deuterium ‰ 

Actual

oxygen‐18 ‰

Mean 

Measured 

deuterium 

‰ 

SD of Measured Delta 

SMOW units ( ‰) 

BURP  16.54    16.49 2.13

REF  999.30   1006.75 5.84

BURP    3.39 3.39 0.40

REF    95.95 95.39 0.16

REF = enriched Reference water; BURP = Brisbane Urban Regional Precipitation (tap 

water) 

Question 2: Do different sample volumes affect the results? 

 The objective of this study was to determine if varying the sample volume would 

affect the oxygen‐18 and deuterium results generated on the IRMS. 

Introduction and background 

In a typical mass spectrometer, 1 mL of H2 gas at Standard Temperature and 

Pressure is sufficient for precise measurements of 2H/1H ratios (Wong et al., 1988). 

This amount of H2 is equivalent to 0.8 mg of water or 9 mg of organic matter 

containing 1% hydrogen. 1 mL of CO2 is equivalent to 2 mg water or 150 mg of 

organic matter containing 1% oxygen. With correct inlet systems and valves this 

volume can be dramatically reduced from 1 mL to 3 µL, significantly reducing the 

volume of sample required (Wong et al., 1988).Sample volumes required for sample 

preparation are generally small because the matrix effects for the isotopic 

abundance is small. Roberts (1995) showed that the matrix effects can increase 

measurement errors in urine specimens more so than for water because the 

presence of residual solids, chemicals or proteins may lower the urine enrichment 

values. A volume of 0.5 mL or less is recommended in the Sercon (Hydra 20/20 

supplier) User’s Manual. For a 0.5mL aqueous sample and 11mL H2 there is a molar 

ratio (liquid H2;gas H2) of 56, should samples of 250uL be used with 100% H2 this 

Page 74: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

54  

ratio is only 28, but with 20% H2 it is 141. Minimising this variable will insure greater 

precision. Other research facilities commonly use this volume (Scrimgeour et al., 

1993; Slater et al., 2005). To minimize any effects, all the samples and references 

within a batch, must be the same volume.  

Study Design 

As per Question 1 

Key findings and statistical analysis to Question 2 –oxygen‐18 

Oxygen‐18: There was a statistical difference (p<0.05) between measured oxygen ‐

18 volumes 1 and 2 but not to volume 3 (Table 3.4). However volume 3 had a large 

SD (Table3.3) which would have affected the statistical values. Volumes 1(0.5ml) and 

2(0.4ml) had SDs within the established machine variation of 0.4 delta V‐SMOW 

units (noise) previously determined (Research Question 1) and therefore would  not 

clinically or statistically impact the TEE calculations. However, analyses (Table 3.3) 

using a volume of 0.3mL had a SD of 4.24 (reference) and 0.7 (Burp), and this is 

beyond the acceptable limit of 0.4 delta V‐SMOW units for within‐run 

reproducibility. Using a volume of 0.3ml may result in baseline “noise” elevating the 

measured values above true value. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 75: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

55  

Table 3.3: Results for different sample volume sizes for Oxygen‐18 (N=20 for each 

point  

Sample  Actual oxygen‐18 

value ‰ 

Measured oxygen‐18 

value ‰ 

SD samples 

analyzed ‰ 

Volume 1 = 0.5mL 

REF  

 

95.52 

 

96.33 

 

0.38 

BURP   3.39  3.39  0.37 

Volume 2 = 0.4 mL 

REF  

 

95.52 

 

95.55 

 

0.12 

BURP  3.39  3.38  0.25 

Volume 3 =0.3 mL 

REF  

 

95.52 

 

96.73 

 

4.24 

BURP  3.39  3.21  0.77 

REF = enriched Reference water; BURP = Brisbane Urban Regional Precipitation 

All values in Delta SMOW units 

 

Table 3.4: Statistical analysis for the different Oxygen‐18 volumes 

Volume1=0.5ml, volume2=0.4ml, volume 3=0.3ml 

Volume    Mean difference 

Sig a  95% Confidence Limits 

        Lower Bound 

Upper Bound 

1  2*  0.76 0.00 0.56 0.95 3  2.08 0.11 ‐0.32 4.49 

2  1*  ‐0.76 0.00 ‐0.95 0.56 3  1.31 0.56 ‐1.20 3.84 

3  1  ‐2.08 0.11 ‐4.4 0.32 2  ‐1.31 0.56 ‐3.84 1.20 

*Significance p<0.05 

Page 76: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

56  

 

Key findings and statistical analysis to Question 2‐deuterium 

 

Deuterium: Despite statistical differences shown for all the volumes to each 

other(Table 3.6), the differences are not clinically significant, as the SD for the 

samples analyzed (Table 3.5) falls within the previously determined 1 SD error values 

of 5.8 delta V‐SMOW units for deuterium. The difference seen between actual and 

measured values is a product of inherent noise and not reflective of a physiological 

change. The inherent noise variable being influenced by the molar ratio (liquid H2: 

gas H2) in the samples. 500uL, 400uL and 300uL aqueous samples in a volume of 

11mL H2 give ratios of 282, 226, 169 respectively. A ratio value >100 being the ideal 

ratio and below this the variation will impact on the precision. 

 

Table 3.5: Different Deuterium sample volume (N=20 for each point 

Sample  Actual deuterium value ‰ 

Measured deuterium run value ‰ 

SD of samples analyzed ‰ 

Volume 1 = 0.5 mL

REF  999.30  990.20 

 

3.51 

BURP   16.54 16.53 2.32 

Volume 2 = 0.4 mL

REF   999.30  1005.17 

 

4.40 

BURP   16.54 16.54 2.22 

Volume 3 = 0.3 mL

REF   999.30  998.55 

 

3.94 

BURP   16.54 16.53 1.89 

All values in Delta SMOW units 

 

 

Page 77: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

57  

Table 3.6: Statistical analysis for Reference deuterium volume changes 

Volume1=0.5ml, volume2=0.4ml, volume 3=0.3ml 

Measure    Mean difference 

Sig a  95% Confidence Limits 

        Lower Bound 

Upper Bound 

1  2*  ‐13.57 0.00 ‐17.83 ‐9.31 3*  ‐8.48 0.00 ‐11.23 ‐5.7 

2  1*  13.57 0.00 9.31 17.83 3*  5.08 0.00 1.55 8.61 

3  1*  8.48 0.00 5.73 11.23 2*  ‐5.08 0.00 ‐8.61 ‐1.55 

*Significance p<0.05 

Volumes 1, 2, 3 showed significant differences p<0.05 to each other 

Question 3: Does equilibration time affect the results? 

The objective of this study was to determine if varying the equilibration time for 

oxygen‐18 and deuterium, affects the values for assays run on the IRMS. The 

Oxygen‐18 samples were left to equilibrate for a minimum of 24h a maximum of 

14days. Deuterium samples equilibrated for a minimum of 3 days a maximum of 14 

days. 

Introduction and background 

Sample equilibration time 

The samples must be converted to the gaseous state before being introduced to the 

ion source of the mass spectrometer for gas‐isotope ratio measurements. H2 gas is 

the preferred final gas product for 2H/1H IRMS measurements, and CO2 gas is the 

preferred final product for 18O/16O isotope ratio measurements (Schoeller et al., 

1986; Wong et al., 1986). Isotopic equilibration may be reduced due to some aspect 

of the analysis. For example when a urine sample is equilibrated with hydrogen gas, 

it is subject to an isotope effect that reduces the deuterium abundance relative to 

the starting value of the sample by about 28% (Wong et al., 1987). Thus a sample 

with an enrichment of 200 ppm 2H will yield equilibrated hydrogen with 56 ppm 2H 

(Prentice, 1990). Therefore, assuming that the same isotopic effects are uniform 

Page 78: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

58  

across a prepared batch, it is essential that unknown samples and known reference 

materials are prepared together in the same batch and allowed to equilibrate for the 

same length of time (Scrimgeour et al., 1993) and personal communication with Dr. 

C Slater and Iso Analytical,UK). 

In this study, samples were arranged into a shorter (18O = 24h and 2H = 72h) and a 

longer (18O = 14 days and 2H = 14 days) equilibration batches.  

 

Table 3.7: Study design for question 3 

Temperature  21°C   

Equilibration time 18O = 24 h for batch 1, 

14 days for batch 2, 

2H = 72 h for batch 1,  

14 days for batch 2 

Sample volume  0.5 mL   

Sample   20 x 2  samples of BURP tap 

water  

18O value = 

3.39 delta V‐

SMOW units 

(‰) 

2H value = 

16.54 

delta V‐

SMOW 

units (‰) 

  20 x 2 samples of REF 18O reference 

value = 95.53 

delta V‐

SMOW units 

(‰) 

2H 

reference 

value = 

999.3 

deltaV‐

SMOW 

(‰) 

Equipment  Europa Hydra 20‐20 IRMS   

Method of 

preparation 

As per question 1  

BURP = Brisbane Urban Regional Precipitation; REF = enriched Reference water; V‐

SMOW = Vienna Standard Mean Ocean Water 

Page 79: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

59  

Key findings and statistical analysis for question 3 

Oxygen ‐18 results ‐time variability 

Oxygen‐18: There was a significant difference (p<0.05) between batch 1 and 2 (Table 

3.8). The standard deviation of 0.14 and 0.29 V‐SMOW delta units for Batch 1 and 

2(respectively) is within the machine variation (noise) previously determined as 0.4 

delta V‐SMOW units and therefore not clinically or statistically significant in the TEE 

calculations.  

Table 3.8: Results for Oxygen‐18 variability in 2 different equilibration batches 

Sample  Actual value Delta 

SMOW ‰ 

Mean run value 

Delta SMOW ‰ 

SD of samples 

analyzed (‰) 

Batch 1  

REF* 

BURP 

 

95.52 

3.39 

95.26 

3.38 

0.14 

0.35 

Batch 2 

REF* 

BURP 

 

95.52 

3.39 

95.50 

3.39 

0.28 

0.27 

*Significant difference (P <0.05) between batch 1 and 2 for the reference samples. 

Deuterium results ‐time variability 

Despite Batch1 and 2 showing statistically significant differences (Table 3.9), they are 

not clinically significant as they are within the predetermined machine variation of 

5.8 delta V‐SMOW unit levels. 

 

 

 

 

 

Page 80: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

60  

Table 3.9: Results for Deuterium variability in 2 different equilibration batches 

Sample  Actual value Delta SMOW ‰ 

Mean run value Delta SMOW ‰ 

SD (‰) 

Batch 1  

REF* 

BURP # 

 

999.3 

16.54 

1008.73 

16.31 

5.14 

4.04 

Batch 2 

REF* 

BURP # 

 

999.3 

16.54 

1002.07 

16.54 

4.16 

3.88 

*Significant difference (P <0.05) between batch 1 and 2 for reference samples 

# Significant difference (P <0.05) between batch 1 and 2 BURP samples  

Question 4: Number of samples required for analysis 

The objective of this study was to determine the following 

Number of samples to be analyzed 

Are samples to be analyzed in duplicate or triplicate? 

Introduction and background 

 Number of samples required for TEE or TBW estimates. 

Different protocol approaches 

The number of samples collected and analyzed by different groups internationally 

varies according to the specific protocols employed at each facility, for example: 

D.A .Schoeller – pre‐dose, 3 and 5 h post‐dose and 2 samples on Day 14 within 1 h of 

each other; (5 samples collected and analyzed). 

A. Coward – pre‐dose, 5 h post–dose, then Days 1 to 14 using the second void of the 

day collection; (16 samples collected but only 9 analyzed). 

K. Westerterp – pre‐dose, overnight equilibration then second void collection, 

followed by Days 2, 7 and 10 (5 samples collected and analyzed). 

Page 81: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

61  

With regard to TEE analysis, one pre‐dose sample is always collected in sufficient 

volume (5 mL) to ensure an adequate size of sample for a repeat assay if required. It 

is always preferable that the sample is the second void of the day, as an earlier 

sample would be a concentrated overnight sample and not representative of that 

collection time point. The post‐dose samples are always collected at 4 and 6 hrs after 

dosing to allow for equilibration of the isotopes within the body water pool, and 

then on a daily basis (second void) for 14 days thereafter. However at QUT, only the 

pre‐dose and Days 1, 2, 3, 7, 10, 12, 13, 14 have routinely been analyzed for TEE. The 

other samples are kept in the freezer and analyzed if the results or elimination rates 

are questionable.  

 Sample numbers for batch analysis (Duplicate or triplicate) 

If there is adequate sample collected, all samples are prepared in triplicate within a 

sample run to ensure that the results are statistically more robust. Importantly, if 

there are any problems with one of the samples, there are always 2 others as a 

backup.  

Study Design for sample numbers required  

Refer to the study design template (Table 3.0) in Question 1. 

Samples were assayed in triplicate for 18O and 2H using 0.4 mL volumes as 

previously determined as being suitable in Question2.  

As shown in (Table 3.10),duplicate samples can be used to determine the results and 

the IRMS is sensitive enough to ensure the sample SD falls within the baseline 5.8 

Delta SMOW units previously determined in Question 1. 

 

 

 

 

 

Page 82: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

62  

Table 3.10: Triplicate or duplicate analysis (routine batch of deuterium) 

Beam size 

% Element 

  Delta V‐SMOW units (‰) 

 

Average Triplicate(‰) 

 

Average duplicate Italics not used (‰) 

 

SD triplicate (‰) 

 

SD duplicate (‰) 

 

 Dummy  2.39E‐07       

 Reference  2.38E‐07  100    

 Reference  2.33E‐07  100    

 Reference  2.39E‐07  100    

 DD12  2.48E‐07  103.7  928.338 927.420 930.855  929.710  2.14  1.14 

   2.46E‐07  102.9  932.526 931.663

   2.44E‐07  102.1  930.930 930.047

1164  2.24E‐07  93.84  17.637  4.950  6.8515  6.218  1.27  0.89 

   2.25E‐07  94.23  18.892  6.221 

   2.37E‐07  99.31  20.137  7.482 

1165  2.41E‐07  100.6  677.440 673.280 672.776  674.340  2.76  0.71 

   2.34E‐07  98.04  681.576 677.469

   2.32E‐07  97.08  676.445 672.272

1166  2.38E‐07  99.69  14.559  1.832  0.938  1.236  0.52  0.09 

   2.36E‐07  98.5  13.736  0.999 

   2.42E‐07  101  13.616  0.877             

The SD of triplicate and duplicate values fall within the established 5.8 delta units 

(‰) 

Key findings for question 4 

In a large batch of samples, each Exetainer tube (used for sample analysis), will 

increase the test cost by approximately AU. $1 and will also decrease the number of 

samples for analysis within a run (predetermined by the sample carousel size of 190). 

Small sample sizes and the high costs of technical labor, mass spectrometer analysis 

and interpretation time may often prohibit triplicate analysis.  

However, triplicate samples allow a more accurate estimation, if one sample is 

affected by an error e.g. tube contamination when pipetting or low beam size due to 

faulty filling. The IRMS analyses using the automated filling system usually have a 

very low between 2‐5% “failure” rate where the duplicate and triplicate values are 

not within the predetermined “noise” range.  

Page 83: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

63  

Question 5: Variation in order of sample preparation  

The objective of this study was to determine if variation in sample preparation i.e., if 

preparing and analyzing the oxygen‐18 then the deuterium or vice versa would have 

an effect on the results and therefore the TEE value. 

Introduction and background 

To prevent excessive tube and sample usage, when doing a TEE analysis, the same 

sample tubes are used for both deuterium and oxygen‐18 analysis. Prior to the 

automated tube filling system (currently in use on the Hydra 20/20), a manually 

operated, sample preparation vacuum manifold was used. Both of these systems are 

still available for use, but the automated system has superseded the manual system 

due to its ease of use and time saved in manual labor.  

Study Design 

Urine samples from a subject (PRA 18) who was previously dosed 1.35 g/kg body 

weight of a prepared DLW dose (1.25 g/kg of a 10% 18O solution and 0.1 g /kg 100% 

D2O) and analyzed for TEE were reanalyzed. A sample volume of 0.4 mL was used. 

One set of samples was prepared on the sample preparation vacuum line for 

either: 

18O prepared first then converting to 2H 

 or2H prepared first then converting to 18O. 

The second set of samples was prepared automatically on the Hydra 20/20 

(machine prep) for either: 

18O prepared first then converting to 2H  

or 2H prepared first then converting to 18O. 

Tabled below are the results for the different preparation methods for deuterium 

and oxygen‐18. 

 

 

Page 84: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

64  

Table 3.11: IRMS Results for deuterium and oxygen‐18 preparations in delta V‐

SMOW units  

 Machine prep 

 2H first ,18O 2nd 

Machine prep

18O first, 2H 2nd 

Vacuum line prep

2H first ,18O 2nd 

Vacuum line prep

18O first ,2H 2nd 

Sample  2H  18O   2H  18O   2H  18O   2H  18O  

Dilute dose 

395.97  83.85  406.69  78.71  382.93  82.92  406.15  79.49 

Tap  32.89  4.541  35.80  4.598  28.082  4.56  35.17  5.23 

Pre  31.87  2.441  35.18  2.797  35.358  2.64  38.14  3.23 

6 hr  640.7  139.01  645.31  131.5  641.77  138.52  651.53  131.79 

Day 1  628.15  134.63  636.65  127.7  624.71  134.39  652.56  127.66 

Day 2  576.94  119.22  585.71  112.7  579.15  118.73  577.50  112.93 

Day 3  524.35  104.68  534.99  99.42  515.89  104.28  574.76  99.19 

Day 12  281.21  42.58  285.69  40.81  276.51  42.40  288.87  406.67 

Day 13  263.81  37.55  260.48  36.19  253.87  37.48  258.44  35.75 

Day 14  228.66  33.32  241.08  32.14  241.78  33.41  275.23  31.75 

TEE kcal/day 

1920    1722    1835    1811   

TEE = 1933 from previous analysis done 6 months earlier on the same samples, using the machine automated preparation system. 

 

   

Page 85: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

65  

Statistical analysis of different methods of preparation 

Table 3.12: Statistical comparison of the different methods of preparation 

Results used from Table 3.11 to generate SE and p values 

Measure1 = vacuum line preparation of deuterium first, 18O second 

Measure 2 = vacuum line preparation of 18O first, deuterium second 

Measure 3 = automated machine preparation of deuterium first, 180 second 

Measure 4 = automated machine preparation of 18O first, deuterium second 

  Measure  SE of measures  P value  95% Confidence Interval 

   Lower 

Bound 

Upper Bound 

1  2vac  5.43  0.06  ‐34.91  0.71 

3 auto  1.67  0.49  ‐8.71  2.26 

4auto  2.04  0.01* ‐16.94  ‐3.54 

2  1vac  5.43  0.06  ‐0.71  34.91 

3auto  4.63  0.08  ‐1.32  29.06 

4auto  4.47  0.93  ‐7.81  21.51 

3  1vac  1.67  0.49  ‐2.25  8.71 

2vac  4.63  0.08  ‐29.06  1.31 

4auto  1.55  0.01* ‐12.09  ‐1.94 

4  1vac  2.04  0.01* 3.54  16.94 

2vac  4.48  0.93  ‐21.51  7.81 

3auto  1.54  0.01* 1.94  12.09 

*Significant difference p<0.05 

 

 

 

Page 86: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

66  

Key findings and statistical analysis for question 5 

Samples analyzed using the vacuum line preparation, were not found to be 

significantly different when order was compared (Table 3.12 ).However the 

significance bordered on significant (P = 0.06) indicating that it may be advisable to 

keep the preparation order the same. There being no difference would be attributed 

to the nature of sample preparation, in that the sample Exetainer tubes are 

completely evacuated prior to being filled with the required gas (Hydrogen for 

deuterium; CO2 for Oxygen ‐18 analysis) and thereby preventing fractionation of the 

isotopes in the samples. 

Automated preparation show significance to each other (Table 3.12, measure 3 vs. 

4) and to the vacuum line preparation of deuterium first (Table 3.12 measure 1). 

When samples are prepared on the automated line system, the sample Exetainer 

tubes are not evacuated, but merely filled for 30 sec by an automated injection 

system, with the required gas, as explained above. The automated preparation of 

oxygen‐18 first (variable 4) and then re‐preparation of deuterium on the same 

sample, significantly (p<0.05) affects the samples due to isotopic fractionation of 

deuterium within the sample. Oxygen‐18 is not affected by fractionation to the same 

degree as deuterium as it is a much larger molecule. 

When preparing the samples using the automated system, deuterium first followed 

by oxygen‐18 on the same sample tubes. For the manual vacuum line either order of 

sample preparation is suitable. The overriding principle is to treat the samples in 

exactly the same way as the reference waters to limit the effects of fractionation and 

septum leakage due to the same tube being used for both oxygen‐18 and deuterium 

analysis. 

 

 

Discussion  

Before being confident in the use of any measurement protocol it is paramount that 

the data collection process be shown to be both reliable and accurate. Therefore, 

the purpose of the methodological investigations outlined in this chapter was to 

Page 87: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

67  

systematically examine all the potentially confounding factors that would contribute 

to experimental error within the TBW and TEE analysis.  

Most of the evidence, with regard to experimental reliability and precision, in the 

literature is equipment specific and pertinent to equipment which although it 

performs the same analysis, is not the brand (Sercon ™Hydra 20/20) as is currently in 

use at QUT. The experimental reliability of TBW and TEE have been examined in a 

number of cross validation studies (Goran et al., 1994; Roberts et al., 1995) in several 

laboratories and these show that energy expenditure by DLW compares well with 

that obtained from indirect calorimetric measures in free living subjects. The 

experimental reliability of TEE estimations is ±8% under tightly controlled conditions 

and this is composed of analytical error of ±6% or and the balance biological error 

(Coward et al., 1991; Goran et al., 1994). While we cannot completely control all 

these errors, being informed of their existence we can minimize or avoid incorrect 

laboratory practices or assumptions.  

The use of DLW isotopes in studies has expanded to examine small differences in TEE 

between groups e.g. lean vs. obese or in response to interventions. It is therefore 

important to determine the precision and accuracy of the technique due to 

experimental error prior to making any statistical interpretation and possibly making 

a type 2 error. 

Question 1: Machine variability 

Based on results generated (Table 3.2), a 1 SD of 5.84 delta V‐SMOW  units is applied 

for 2H and 0.40 delta V‐SMOW units for 18O in the within‐run quality control 

assessment of the triplicate sample results, as the inherent run “noise” when using 

the IRMS.  

Question 2: Sample analysis with regard to volume  

The purpose of this study was to examine the appropriateness of the current 

standard practice within the QUT laboratory of using a sample volume of 0.5ml. 

Often samples have volumes which are inadequate for the current laboratory 

protocols of triplicate assays; hence volume changes were investigated to determine 

their impact on TEE results.  

Page 88: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

68  

Volume changes for oxygen‐18 analyzed on the IHBI IRMS equipment have a SD 

“within” the analytical variance levels of 0.4 delta V‐SMOW units for volumes of 0.5 

and 0.4 mL but not for 0.3 mL (Table 3.3). Volume changes for deuterium analyzed 

on the IHBI IRMS equipment fall within the variance levels of 5.8 delta V‐SMOW 

units for all volumes (Table 3.5). Therefore, it is recommended that volumes of 

either 0.5 or 0.4 mL be used for both deuterium and oxygen‐18 analysis.  

Question 3: Equilibration time 

The range of equilibration times recommended for oxygen‐18 is a minimum of 24 h 

to a maximum of 14 d, whereas for deuterium the range is 72 h to 14 d.  

Oxygen‐18: There was a statistically significant difference over time for the 18O 

reference values but not for the burp values (Table 3.8.). However, the standard 

deviation was within the 0.4 delta V‐SMOW units of the predetermined “within 

machine” variability. Therefore, while being statistically different, this difference was 

not of clinical importance as this degree of variability will normally occur within a run 

due to machine variance. 

Deuterium: Statistically different values for the deuterium reference indicate that 

the equilibration time (3days versus 14days) does affect the values (Table 3.9). 

However, as the SD is within the acceptable range of 1.96  5.8 delta V‐SMOW units 

the results are not clinically significant. Although not clinically significant, the 

prudent recommendation would be that the references and samples are prepared 

simultaneously and analyzed together. In doing so, any upward or downward shift 

that may occur over time will affect the reference and burp values equally.  

Question 4: Number of samples to be analyzed 

Protocol numbers  

Analysis of as many samples (collected in the 14 day collection period) as possible 

will help to ensure a stable elimination rate line if water turnover and/or activity is 

excessive. 

 

Page 89: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

69  

Sample triplicate or duplicate 

 In this study, the impact on experimental reliability of duplicate or triplicate sample 

analysis was considered. As shown in Table 3.10 the IRMS is sensitive enough to 

provide SD values that falls within the “machine noise” range for duplicate samples. 

Analyses in triplicate would also provide duplicate values in case one sample is 

invalid.   

Question 5: Variation in order of sample preparation (2H or 18O first) 

In this study .we examined the affect on final TEE values when experimental 

procedures were changed i.e. different preparation protocols employed before 

allowing the samples to equilibrate for the required assay time  i.e. vacuum line 

preparation or the automated online preparation system.  

When the automated preparation of oxygen‐18 was undertakenin the first instance 

(Table 3.12 measure 4) followed by re‐preparation of deuterium on the same 

sample, there was a significant effect on the samples due to isotopic fractionation of 

deuterium. This concurs with the literature (Scrimgeour et al., 1993) that when using 

the equilibration method, deuterium must be prepared first.  

However, the order of preparation of samples for TEE using the vacuum preparation 

line does not affect the TEE values as they fall within the 8% deviation allowed, 

regardless of order of preparation (Table 3.12). This conclusion is based on the 

notion that 8% variation is deemed acceptable for the TEE values due to this value 

reflecting biological and technical errors (Goran et al., 1994; Schoeller et al., 1996). 

Within this 8% , the technical part of the error could be compounded and increased  

due to the fact that by the nature of the vacuum line, any gas that is residual in the 

tube would be evacuated to create a vacuum prior to being refilled and so there is 

no fractionation. In the automated system, no vacuum is created and the samples 

tubes are flushed with the required gas prior to standing for the set time, and then 

being analyzed. 

Page 90: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

70  

Conclusion 

With regards to the vacuum line, as the TEE values fell within 8% of each other 

regardless of preparation order, we can conclude that either order of preparation is 

suitable. However, for the automated line, deuterium must be prepared first 

followed by oxygen‐18 as the automated machine line does not evacuate tubes, but 

merely refills them with an injection of gas for a predetermined time. Any 

fractionation, (which may occur for both isotopes), would cause a slight elevation in 

the values and hence a lower TEE. In Table 3.11  the lower TEE of 1722 kcal however, 

does not fall within the 8% variable range of 1817‐2048 delta units (Roberts et al., 

1995; Schoeller et al., 2002) and would therefore be rejected. 

The following is a proposed “checklist” to ensure smooth and accurate functioning of 

the IRMS in our laboratory 

The beam size variation due to gas flow must be kept to a CV of less than 2%. 

References must be placed within the batch at intervals of no greater than 20 

tubes to ensure there is no machine drift and to enable drift correction when 

the software is applied to the raw data. 

Standards used to calibrate the data (IAEA standards) should bracket the 

range of expected isotopic values expected from the samples. 

Run all samples in duplicate, or budgetary constraints allowing running with 

triplicates is preferable to “break the tie” (Jardine et al., 2005). 

Sample preparation – deuterium first then oxygen‐18. 

Sample volume 0.5 or 0.4 mL. 

Sample equilibration for deuterium: 3‐14 days and for oxygen ‐18: 1‐14 days. 

All samples and references in a batch must be prepared at the same time. 

Pre dose samples and natural abundance waters are analyzed before the 

enriched samples in the run to ensure no memory effect. 

Magnesium perchlorate water trap changed every 6 months. 

   

Page 91: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

71  

Chapter 4 

 The purpose of this study was twofold in that it was used to answer TEE and TBW 

questions raised in Chapter 2, where the methodological issues were questioned 

after doing a TEE and TBW literature review. The questions were as follows: 

Does the use of different regression equations and equation constants result 

in different TEE values? 

Does the use of saliva or urine affect the final TEE result? 

What is the variability in time to isotopic equilibrium using saliva and urine 

samples and the impact of this variability on estimates of TBW and body 

composition (derived and measured)? 

What is the difference in TBW using different equations (Intercept vs. 

Plateau) 

Listed below is the information with regard to participant, protocol and 

equipment utilized. 

Participants 

 Ten healthy adults (2 males, 8 females) participants were recruited from the 

Queensland University of Technology and completed all aspects of the study. 

Participants were a convenient sample, not selected based on any age, activity level, 

or body composition criteria. No renal or voiding dysfunctions were indicated. The 

study protocol was approved by the Queensland University of Technology Human 

Research Ethics Committee 0800000223. 

The sample was a “convenience“sample of participants currently employed at IHBI. 

All were healthy, non‐smoking, weight stable, and 4 were engaged in formal exercise 

training. Of the 8 females in the cohort; 6 were pre‐menopausal and 2 were post‐

menopausal. The age of the participants ranged from 22‐56 yrs (mean 35 ± 11), and 

BMI ranged from 19‐29 kg/m2 (mean 23 ± 3).  

Study design  

Urine samples were collected hourly for the first 12 hours after DLW dosing. From 

this point onwards, samples were collected three times a day for 14 days, the second 

morning void, midday and evening just prior to going to bed. Saliva samples were 

Page 92: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

72  

collected every 15 minutes for the first 2 hours and then hourly for the next 10 hours 

on day 1. The samples were then collected to coincide with the urine sample times. 

During the first two hours, the participants fasted as drinking would interfere with 

the saliva collection protocol, by diluting the saliva. A collection log was provided for 

participants to note the actual time of sample collection each day. Participants were 

instructed to collect the 2nd void of each day at roughly the same time each day. The 

first void of the day is not collected as it includes an enrichment level representative 

of the sleeping period. All collection times were recorded, as was all the fluid 

ingested and voided. 

Study timelines and design: 

Day 1 Fasting urine and saliva sample.  

DLW dose administered. 

Urine samples collected hourly for the next 12 hrs, fluid intake and urine 

output measured. 

Saliva samples collected at 15 min intervals for the next 2 hrs and hourly for 

next 10 hrs. 

Days 2‐14 Urine and saliva collected early morning, midday and evening. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 93: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

73  

Figure 4.1: Collection schedule for 14 days of sampling 

   Collection schedule Day 1         

   Hours   1  3 4 5 6 7 8  9  10  11 12

Urine 

Pre‐sample then 

DLW dose  *  *  * * * * * *  *  *  *  * 

Saliva 

Pre‐sample then 

DLW dose  ****  **** * * * * * *  *  *  *  * 

  * = sample collection       

  ****  = 15‐minute interval sample collection      

   Collection schedule Days 2‐14         

   Day 2  3 4 5 6 7 8 9 10  11  12  13 14

Urine 

morning, midday , 

evening   

Saliva 

morning, midday , 

evening 

 

 

 

                     

 

 

Page 94: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

74  

Dose alterations 

The first 4 participants were dosed using a protocol of 1.30 g/kg of DLW, comprised 

of 1.25 g/kg 10% 18O and 0.05 g/kg 100% 2H. 

This dose had previously been considered adequate, however in light of comparing 

the equations and residuals in the pilot study, it was considered optimal to increase 

the dose to 1.35 g/kg DLW (1.25g/kg 10% 18O and 0.1 g/kg 100% 2H) for the 

remaining participants to ensure adequate post dose enrichment measurements of 

18O to be 98‰ ± 10% (Horvitz et al., 2001; Schoeller et al., 1995) and deuterium 

600‰ were achieved. The new dosing protocol was used for participants 1, 2, 5, 6, 9, 

and 10. 

In participants where endpoint (day 14) enrichment values of <8‰ for oxygen‐18 

and <170‰ for deuterium, the previous day’s (day 13) results were considered the 

endpoint. Any data that appeared aberrant on the regression equation for 

elimination rates was also flagged to be removed from the TEE equation. 

 Measurements 

Resting metabolic rate (RMR) 

RMR was measured using an indirect calorimetry system (ParvoMedics True 

One2400,Sandy, Utah, USA) which provides high resolution oxygen and carbon 

dioxide output analysis and a pneumotach volume measurement system with pump 

and flow controller. The  

analyser was calibrated before each test with room air and standardized gases (O2 = 

15.99%, CO2 = 1.0%, balance + Nitrogen). The pneumotach was calibrated using a 3 L 

syringe. Participants were required to be fasted overnight prior to the test and have 

refrained from physical activity in the preceding 24 hours. Participants were fitted 

with a Polar Coded Transmitter™ (Polar Electro, Kempele, Finland) for the recording 

of resting HR. Participants were positioned in a supine position, beneath a  

ventilated hood and canopy system. They were asked to breathe normally during the 

30 minute testing period. Generally, after discarding the first 10 minutes of the test, 

the 10 minutes where the energy expenditure (or VO2) was lowest was used for the 

analysis of RMR as long as the CV was for this period was <5%. The output from this 

Page 95: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

75  

test included several variables, the most important of which included: ventilation, 

oxygen consumption, carbon dioxide production and respiratory exchange ratio. The 

Weir (1949) equation was used to convert the respiratory exchange ratio and oxygen 

consumption into energy expenditure (kcal∙min‐1). The rate of energy expenditure 

was then converted to daily energy expenditure (kcal∙d‐1).  

 Sample analysis  

The deuterium  and oxygen‐18 enrichment of the local tap water, the dose given, the 

pre‐dose and post‐dose samples were measured using isotope ratio mass 

spectrometry (Hydra, PDZ Europa, Crewe, UK) using the equilibration method of 

Scrimgeour et al. (1993). Briefly, a 0.4 mL sample, along with a vial of 5% platinum on 

alumina powder (Sigma‐Aldrich, Poole,United Kingdom), was placed in a septum 

sealed container(Labco, High Wycombe, United Kingdom) and flushed for 2 min with 

99% hydrogen gas. Samples were equilibrated at room temperature for a minimum 

of 3 d before analysis. The head spaces in the containers were then analyzed for 

deuterium enrichment with a continuous‐flow isotope ratio mass spectrometer 

(Hydra20‐20; Europa Scientific, Crew, United Kingdom). The accuracy of the analyses 

was checked by measuring an intermediate water standard within each batch of 

samples. All samples were prepared and analyzed in triplicate. For the intercept 

method, after completion of the deuterium analysis, the same Vacutainer tubes 

were filled with 100% CO2 using the automated Hydra system. The tubes were left to 

equilibrate for a minimum of 1‐14 days and then analyzed for 18O. All enriched 

reference waters were prepared at the same time and in the same manner. Delta 

units express isotopic enrichment relative to a standard, in this case, Vienna‐

Standard Mean Ocean Water. All assays were performed in triplicate with the CV in 

the laboratory being < 2% and 1 SD being 5.8 delta V‐SMOW units for deuterium and 

0.4 for oxygen‐18. Enriched water references, and natural abundance tap waters, 

previously calibrated to an International Atomic Energy Agency Standard, were 

interspersed throughout the runs to allow for continual calibration. These were 

interspersed at 20 unknown sample intervals throughout each batch being analyzed. 

The isotopic enrichment of the prepared samples and references were measured by 

IRMS (20:20 Hydra Model, PDZ Europa, Crewe, UK). All analyses were completed in 

Page 96: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

76  

triplicate so that reliability of measurement could be assessed for each sample. A 

timed analysis protocol for each isotope is computer controlled, the total run time 

for 2H is 200 seconds and for oxygen ‐18 it is 360 seconds.  

Using the Sercon Reprocessor software, the raw data was analyzed and transferred 

to an Excel spreadsheet. With the deuterium runs, corrections were made for 

H3+interference, within the Reprocessor software. Calculations were done on this 

data, using the known values of the enriched water standards (Ref) and the natural 

abundance samples (Burp). The final data is expressed as delta units (‰), relative to 

Vienna Standard Mean Ocean Water (V‐SMOW). 

Body size and Body Composition 

Body Mass Index (BMI) was calculated by dividing weight(kg) by height(m) squared. 

BMI = body weight (kg)/height (m)2 

Body composition measurements  

Body composition measurements were performed on the same day during a visit to 

the study laboratory, over a 1‐hour period. All measurements were performed by 

the same technician under standardized conditions. Participants were required to 

fast from the previous evening and also to avoid moderate to vigorous exercise 

training for the previous 24 hours. Body composition estimates, using DXA, BODPOD, 

and BIA, were completed on all participants in the post‐absorptive state prior to the 

dose being administered. Refer to Chapter 2 – Body composition methods for more 

detailed description of the methodology. 

Data analysis 

Statistical analyses were carried out using SPSS Version 16, 2007 (SPSS Inc., Chicago, 

IL, USA). Since all TEE outcome variables were normally distributed, means and 

standard deviations were used as summary statistics. Analysis of variance test with 

repeated measures (RMANOVA) were conducted to test the significance of the 

effects of different equation on the analysis of the samples, as well as the effect of 

time of collection and correcting for covariance due to the different dose protocols.  

Page 97: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

77  

Where significant differences were identified (p < 0.05), post‐hoc analyses using a 

Bonferroni adjustment for multiple comparisons were employed. Regression 

equations (Schoeller and Coward) were applied to both urine and saliva samples to 

estimate the TEE values, elimination rates and dilution spaces. 

 

Research questions for TEE 

1. Do different time points affect the results? 

2. Does the use of saliva or urine affect the final TEE result? 

3. Does the use of different regression equations and equation constants result 

in different TEE values? 

TEE calculations used 

(Explained in greater detail in Chapter 2) 

The dilution space of each isotope (No, Nd) 

 N = [(WA)/a]*[(Ea‐Et)/Es  

For the Schoeller equation rCO2 = 0.455 TBW (1.007ko‐1.041kd). 

For the Coward equation CO2 production rate = ½ [(No x ko) ÷ f3‐(ND x kD) (xf2+1‐x) ÷ 

f3(xf1+1‐x)]  (Coward, 1988). 

Where TBW is the total body water, ko and kd are the oxygen and deuterium 

elimination rates, respectively. From the rCO2, TEE was calculated using the modified 

Weir equation (Weir, 1949) using a respiratory quotient of 0.85.  

For both the Schoeller and Coward equations, the same samples and same number 

of samples were analyzed, so both equations were treated as multi‐point analyses. 

Page 98: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

78  

Part 1 ‐ IRMS data, TEE analysis and estimation 

IRMS data for the 10 participants 

 

Table 4.1: Urine enrichments in delta V‐SMOW units  

Results are expressed as mean values of triplicate analyses 

Participant  1     2    3    4    5   

Sample 

time 

2H 

Abundance 

18O 

Abundance 

2H 

Abundance 

18O 

Abundance 

2H 

Abundance 

18O 

Abundance 

2H 

Abundance 

18O 

Abundance 

2H 

Abundance 

18O 

Abundance 

Pre  16.769  1.750 7.870 0.280 19.447 2.070 14.390 2.850 ‐3.434 0.548 

5hr  1121.873  127.340 1120.862 120.940 993.706 116.070 559.950 118.550 1343.619 149.480 

DAY1  1013.217  112.060 959.600 100.030 914.008 104.660 506.410 108.630 1280.061 137.198 

DAY2  889.164  95.790 830.192 80.390 822.903 91.840 445.380 93.050 1127.866 120.463 

DAY3  764.110  79.990 709.403 67.870 713.150 78.170 387.910 78.100 1031.355 102.299 

DAY7  512.345  48.410 337.377 31.090 474.971 46.200 224.780 41.800 648.487 60.319 

DAY8  464.480  42.330 288.340 26.210 413.640 39.420 200.700 34.970 591.793 52.483 

DAY12  301.973  24.740 178.697 12.290 281.259 24.080 123.920 20.380 386.052 32.026 

DAY13  283.456  22.280 135.227 9.780 254.459 21.420 101.790 17.880 350.881 27.423 

DAY14  255.664  20.210 114.544 7.990 230.219 18.140 95.110 14.450 310.000 24.221 

 

Page 99: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

79  

Table 4.1 cont.: Urine enrichments in delta V SMOW units  

Results are expressed as mean values of triplicate analyses 

Participant  6     7    8    9    10   

Sample 

time 

2H 

Abundance 

18O  2H 

Abundance 

18O  2H 

Abundance 

18O  2H 

Abundance 

18O  2H 

Abundance 

18O 

Abundance Abundance  Abundance  Abundance  Abundance 

Pre  10.111  0.983 6.754 ‐0.119 21.114 1.460 10.082 0.887 42.976 5.415 

5hr  1044.552  108.011 552.981 115.464 570.197 118.824 1000.242 102.686 1165.088 132.746 

DAY 1  1026.697  105.070 517.208 108.747 538.359 109.188 893.599 91.968 1070.475 117.985 

DAY2  956.654  95.125 475.727 96.423 495.535 99.506 765.766 75.899 999.674 107.628 

DAY3  894.976  87.247 448.144 87.362 469.483 91.410 655.087 63.460 935.573 97.929 

DAY7  669.428  59.999         388.212 33.473 661.162 63.350 

DAY8  618.789  53.839         329.457 28.384 606.489 57.133 

DAY12  470.060  35.783 199.833 31.002 258.014 41.256 198.368 15.365 439.264 38.162 

DAY13  437.693  32.291 179.856 27.192 245.451 38.118 176.785 12.657 395.552 32.464 

DAY14  374.562  26.585 165.705 24.417 219.566 34.432 155.597 10.570 359.215 29.776 

 

 

 

Page 100: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

80  

Table 4.2: TEE (kcal/day) values for urine and saliva samples using Schoeller and Coward equations at different time points across the day;  

time 1 = morning, time 2 = midday, time 3 = evening.;* indicates different dose protocol used 1.30 or 1.35g DLW/kg  

Gaps in the table due to equipment/laboratory error and insufficient saliva to repeat the analysis 

 

   SALIVA TEE  URINE TEE       

 

Schoeller  Coward  Schoeller  Coward  Dilution 

space  

Elimination 

rate 

BMIc 

ID  am  mid  pm  Time1  Time2  Time3  Time1  Time2  Time3  Time1  Time2  Time3     

1  2163  2052  1870  2034  1967  1890  2460  2460  2319  3003  3146  3217  1.003  0.19/0.16  24.7 

2  2475  2775  2705  2753  2515  2482  2909  2897  3007  2922  2900  3027  1.033  0.14/0.11  20.8 

*3              2668  2706  2854  2603  2992  2982  1.019  0.16/0.14  23.7 

*4  3022  2849  2811  2589  2511  2578  2914  2736  3160  2866  2702  3225  1.037  0.13/0.11  29.0 

5  2764  2904  3172  2510  2565  2889  2392  2442  2157  1801  1926  2270  1.068  0.12/0.09  24.6 

6  2726  2733  2767  2694  2676  2712  2903  3305  3165  2801  3002  2939  1.040  0.09/0.07  27.8 

*7  3467      3205      2525  2652  2701  2504  2680  2688  1.041  0.11/0.09  23.2 

*8  2129  2265  2127  1959  2036  2006  2000  1973  2175  1872  1894  2128  1.048  0.09/0.07  22.9 

9  2601  2572  2666  2414  2467  2557  2508  2267  2226  2269  2095  2268  1.04  0.17/0.14  17.7 

10  1942  2088  1886  1792  1886  1826  2467  2271  2455  2322  2242  2408  1.046  0.14/0.11  20.2 

Page 101: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

81  

Key findings and statistical analysis – Question 1: Do different time points affect 

the results 

When using the data from all 10 participants and irrespective of the dosing protocol 

followed, there was a significant main effect of time on the Coward TEE values. 

(Table 4.3) The equations differed between the morning and evening time points (p 

<0.05). However, if the different dose protocols were used as a covariant, there was 

no effect of time or equation. 

 

When analyzing only data from the 6 participants (1, 2, 5, 6, 9, 10) where the new 

dose protocol was implemented, no effect of equation (p = 0.98) or time (p = 0.57) 

were shown.  

Table 4.3: Comparison of times for urine (Coward) n=10 

Time  Mean  Std. Error  95% Confidence Interval 

Lower Bound           Upper 

Bound 

1*  2496  134.74  2191.48 2801.41

2  2557  150.49  2217.71 2898.08

3*  2715  132.00  2416.16 3013.93

*p=0.04 for time points 1 and 3 

 

 

 

 

 

Key findings and statistical analysis – Question 2: Do different mediums affect the 

results 

There was no statistical difference (Table 4.4, p=0.995) in the total energy 

expenditure values determined from saliva and urine samples. So either medium 

could be used. 

Page 102: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

82  

Table 4.4: Comparison of Schoeller urine and saliva  

Time points 1,2,3  Mean Std. Deviation N

for the different mediums 

urine_Schoeller_1  2569 479.34 8

urine_Schoeller_2  2543 346.78 8

urine_Schoeller_3  2583 448.12 8

saliva_Schoeller_1  2477 322.42 8

saliva_Schoeller_2  2529 422.09 8

saliva_Schoeller_3  2500 478.03 8

.No significant differences between mediums 

 

Key findings and statistical analysis – Question 3: Do different regression equations 

affect the TEE results?. 

There was no significant difference between the total energy expenditure equations 

of Schoeller and Coward using using pair wise comparisons (Table 4.5, p=0.99).  

Table 4.5: Different equations comparison n=10 

Schoeller=1, Coward =2 

Equations    Mean difference 

Significance  95% confidence level for difference Lower Bound       Upper Bound 

1  2  ‐.66  .99  ‐199.90  198.57

2  1  .66  .99  ‐198.57  199.90

 

Discussion 

When making observations about a complex physiological system, only those parts 

that are available for scrutiny are able to be analyzed, and deductions and 

assumptions have to be employed to calculate TEE estimates. In a human or animal 

this will entail dosing the participant with DLW and relying on the assumptions that 

the body fluids collected (blood, urine or saliva) will have adhered to the 

assumptions of:  

1. Body water is a single compartment which the isotopes label. 

Page 103: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

83  

2. 2H is lost only as water. 

3. 18O is lost both as water and CO2. 

4. Fractional output rates of water and CO2 are constant. 

5. Background isotope rates remain constant. 

6. Water and CO2 loss occurs at the same enrichment as coexist in the body 

water. 

Another influence on the derived TEE is analytical and biological error, which can be 

controlled in the research protocol. Although the accuracy and precision of the DLW 

technique has been established (Schoeller, 1988), an inter‐laboratory investigation 

.Roberts et al (1995) demonstrated that the values are not universally comparable 

amongst laboratories.  

Data from the current study showed no significant difference between the 

equations using pair ‐wise comparisons. However, the TEE values subsequently 

derived showed a significant main effect of time. Samples collected in the morning 

differed from those collected in the evening when analyzed with the Coward 

equation. When data was corrected for the different dose protocols (1.30 g DLW/kg 

body weight as opposed to 1.35 g DLW/kg body weight) there was no effect of time 

or equation. Therefore these findings indicate that when collecting samples for TEE 

analysis, it is preferable to collect the 14 day samples in the morning (second void) 

or midday. We can further recommend that if a dosing protocol other than that 

outlined in this (QUT) laboratory, evening samples should be treated with caution, 

as there may be an error greater than the 8% allowed in the analytical control 

measures. When comparing TEE values from other research data, consideration 

should be given to TEE data collection time points, dosing protocols and equations 

used. Finally, this study suggests that either urine or saliva samples can be used for 

the DLW analysis with no statistical differences between sample mediums. 

A number of factors may affect the accuracy and precision of the TEE estimations 

and these can be considered as both biological and analytical error. 

Biological error may include changes in physical activity, health status, and changes 

in isotopic background i.e. water consumed. To control for biological error and to 

Page 104: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

84  

counter changes in the isotopic background, all study participants remained in the 

Brisbane area for the study duration. In contrast analytical error is determined by 

factors the investigator may manipulate such as the dose of DLW provided, the 

duration of the metabolic period, and sample processing and measurement error 

during mass spectrometry.  

A combination of biological variation and analytical error will account for an 

experimental error of ± 8.5% (Goran et al., 1994; International Atomic Energy 

Agency, 2009). Under tightly controlled diet and living conditions where RMR, diet, 

and activity are constantly monitored the experimental reliability of the TEE result 

reported by these studies was ± 8.5%. However, in more free‐living individuals; it is 

suggested that a value of 12% may be more realistic to account for inherent intra‐

individual variation (Goran et al., 1994). 

To ensure that the values obtained in the current study were a true representation 

of physiological values the following protocols were adhered to: 

To check the analytical variance the following measures were implemented 

Analytical error was controlled by keeping the within‐run triplicate standard 

deviation values for deuterium at ≤6‰ and oxygen‐18 at ≤0.4‰ (machine error 

determined in Chapter 2). Levels above this would result in spurious results which 

could affect the TEE results. Also by ensuring that the CV% of the beam size for the 

analyzed samples to be less than 2%, as fluctuations in the beam size would affect 

the final isotope value, and not be reflective of the true sample enrichment. 

Ko/kd ratio 

The Ko/kd ratio has a major influence on potential for error in the TEE estimation. 

Any error in the pool size estimation or changes in the pool size there are large 

changes in water intake or CO2 production resulting from excess activity, this can be 

compensated for by increasing the number of samples to analyze or increasing the 

dose of the DLW isotopes given, which was the protocol adhered to in this study. The 

quality control checks used had a range of 1.2‐1.4 for the ko:kd ratio. 

Page 105: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

85  

Covariance graphs and residual plots 

The graphs for the 10 participants were covariant and the regression lines for the log 

natural elimination rates of 18O and 2H were within an R2 value of 0.99. 

Dose 

The amount of dose water administered to each participant can alter the precision of 

the TEE estimation. Too little isotope may result in low enrichment of the body fluid 

at the conclusion of the study which can lead to increased measurement error 

(Schoeller, 1983). The dosing protocol in use prior to this study was (1.30 g/kg TBW) 

of DLW consisting of 0.05 g/kg body weight of 99% 2H2O, 1.25 g/kg body weight of 

10% 18O. After observing the low day 14 values in participants who ingested large 

fluid volumes, the protocol was adjusted to (1.35 g/kg TBW) of DLW consisting of 0.1 

g/kg body weight of 99% 2H2O, 1.25 g/kg body weight of 10% 18O.  

The new dosing methodology ensured that most of the individuals had endpoints 

that were within the required values of 8‰ and 128‰ for 18O and 2H, respectively 

for day 14(IAEA handbook). However in participants where the daily fluid intake was 

in excess of 2 L, increased elimination rates often meant that the endpoint of day 14 

was unsuitable.In these cases , Day 12 or 13 was used instead. 

Food Quotient (FQ) 

Another factor and possible limitation of the DLW technique is that the final energy 

expenditure (kcal/day) value obtained is based on converting the measure of carbon 

dioxide production, which necessitates knowledge of the macronutrient composition 

of the diet. The food quotient(FQ), the ratio of food energy provided by the various 

macronutrients in the diet, is determined from either a record of dietary intake or 

using a standardized value for the common “mixed diet” (Black 1986).  

The value used for the RQ in the equations was 0.85. The use of a standardized value 

may introduce error into the estimation of CO2, though the literature suggests that 

the error is “negligible and should not exceed 2‐3%”(Schoeller, 1983).  

Page 106: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

86  

Jack Knife system  

 The “Jack Knife” system (Broemeling et al., 1993; Prentice, 1990; Schoeller, 1983) of 

eliminating days to obtain a steady TEE value of ± 8% was used. This system allows 

quantification of each individual’s results, enabling an objective decision to be made 

with regard to the inclusion of a dataset in the final estimation. Refer to Table 4.6 

where Schoeller 1,2 and 3 are morning, midday and evening results respectively 

Table 4.6:  Jack Knife technique  

  

JACK KNIFE SCHOELLER 1 

  

JACK KNIFE 

SCHOELLER2     

JACK KNIFE SCHOELLER 3 

 ID  AV  SD  CV%    AV  SD  CV%    AV  SD  CV%  

1  2458  194.3  7.9 2458 194.3 7.9   2308  110.8 4.8

2  2907  66.4  2.3 2896 90.9 3.1   3007  88.2 2.9

3  2668  132.4  5.0 2654 132.4 5.0   2877  105.8 3.7

4  2913  57.9  2.0 2737 56.2 2.1   3161  69.0 2.2

5  2390  66.2  2.8 2455 43.0 1.8   2173  160.1 7.4

6  2890  48.8  1.7 3301 74.7 2.3   3164  65.8 2.1

7  2535  21.9  0.9 2676 137.4 5.1   2698  33.8 1.3

8  2002  65.9  3.3 1965 83.5 4.3   2174  34.0 1.6

9  2400  99.0  4.1 2263 85.5 3.8   2216  31.3 1.4

10  2467  46.4  1.9 2269 27.8 1.2   2456  45.3 1.8

 

This table shows the values obtained across the 3 time points of the day (morning, 

midday and evening) generated results that were within the CV of 8% expected for 

TEE values generated by the Schoeller equation, indicating valid stable results. 

Conclusion 

Other measures should also be undertaken, for example resting metabolic rate, food 

intake and body composition during the study period. The aim of these 

measurements would be to provide equivalence between energy inputs and outputs 

during the study period. Each measurement would provide, in part, validation of the 

results using the DLW technique. However it is critical that the initial isotopic 

Page 107: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

87  

enrichments are carefully examined with quality controls and covariance checks to 

ensure the integrity of the data, regardless of which equation is used. 

 

Part 2‐TBW analysis and estimation 

TBW research question:   

1. What is the variability in time to isotopic equilibrium using plasma, 

saliva, and urine samples and the impact of this variability on 

estimates of TBW and body composition?  

2. What is the difference in TBW using different equations, specifically 

the plateau methods (TBW corrected, uncorrected) versus the 

intercept method. 

Calculations for TBW  

This is discussed in detail in Chapter 2 under TBW review. In brief two approaches to 

TBW estimations were used utilizing the deuterium dilution technique; namely the 

plateau or the intercept method. Both approaches have been extensively examined 

and found to provide similar results (Schoeller et al., 1980). The plateau TBW 

method is determined within 1 day, while the intercept TBW method is part of a 

total energy expenditure calculation and the collection time frame is 14 days. The 

isotopic dilution spaces were calculated according to Cole and Coward (1992) where:  

TBW plateau calculation 

Equation 1     N = WA/ a * [(Ea ‐ Et) (Es ‐ Ep)] 

TBW (L) was subsequently calculated using Equation 2: 

Equation 2     TBW = (N/ 1.04) /1000 

Equation 3     FFM = TBW /0.73 

Percent body fat (%) was subsequently derived from FFM and body weight (W) using 

Equation 4: 

Equation 4     % Body Fat = [(W‐ FFM) W]*100 

Page 108: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

88  

The optimal approach is to correct for all intake and loss of fluid (Schoeller et al., 

1995) however this is often not practical. Where correction for fluid loss is listed the 

following formula and protocols were applied; all fluids ingested and passed during 

the 12 hour collection period were measured. The apparent TBW (kg) was calculated 

using the TBW calculation (pg 78); corrections were then made for cumulative fluid 

intake and loss by subtraction of these volumes from the apparent TBW values.

Page 109: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

89  

Key findings and statistical analysis –Question 1: Variability in time to equilibration 

The raw data for urine deuterium in Delta V‐SMOW units is presented in Table 4.7. 

Table 4.7: Urine IRMS deuterium data  

          Delta V‐SMOW deuterium values             

ID  1 2  3  4 5 6 7 8 9 10

Hr 1  635.93 992.74  425.44  359.59 1127.59 949.11 474.39 411.06 545.97

2  1172.64 1108.49  599.27  1266.44 1195.02 1066.91 582.78 617.86 1038.44 1111.73

3  1032.47  582.57  1374.90 1163.98 1057.82 561.15 602.69 1030.57 1130.09

4  1138.59 1005.51  560.72  1378.27 1165.08 1040.77 546.39 591.64 1021.35 1128.82

5  1120.86 993.71  559.95  1343.62 1165.00 1029.85 552.98 581.78 1000.24 1105.13

6  1083.74 990.74  549.31  1151.54 1044.55 538.67 575.83 968.04 1076.76

7  1085.98 967.15  549.12  1340.60 1138.83 1031.37 534.38 571.13 955.61 1062.75

8  1077.04 947.23  556.53  1321.24 1125.27 1009.63 547.69 566.21 945.68 1049.09

9  1047.37 941.41  547.40  1005.97 547.15 569.74 941.06 1049.31

10  1046.28 932.00  550.44  1336.39 1021.00 1026.69 540.52 558.89 946.27 1033.75

11  926.66  530.33  1339.20 1116.90 1016.09 534.19 912.22 1016.86

12  1015.64 918.92  525.83  1320.20 1113.87 987.67 522.26 551.65 919.47 1012.82

 

Page 110: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

90  

Not all participants were able to provide a urine sample at each of the 12 post‐dose 

time points, indicated by the gaps in the table. The IRMS deuterium data for the 

saliva samples from hours 2‐12 were within the expected range of 96‐101% of the 

urine deuterium values,( Janowski 2004) and are not tabulated. 

Data of the 10 participants is presented in (Table 4.7) in TBW kg for 12 hour, data is 

presented uncorrected for fluid intake or loss. As can be seen the initial values are 

elevated for the first hour prior to equilibration taking place. Table 4.8 data was then 

utilized for the plateau estimation. 

Table 4.8: TBW (kg) for urine and saliva  

Hour  Urine TBW(Kg)  Uncorr*.  

 

Saliva TBW(Kg)  uncorr.  

 

1  56.5 ± 36.7  31.4 ± 3.9 

2  32.9 ± 4.6  33.5 ± 3.9 

3  33.5 ± 4.0  34.2 ± 4.6 

4  33.7 ± 3.9  35.3 ± 3.7 

5  34.1 ± 3.9  35.9 ± 3.8 

6  33.9 ± 3.1  34.7 ± 3.8 

7  34.9 ± 3.7  35.7 ± 4.5 

8  35.2 ± 3.7  36.3 ± 4.6 

9  34.8 ± 3.2  36.8 ± 4.1 

10  35.5 ± 3.5  36.5 ± 4.2 

11  36.0 ± 3.6  36.9 ± 4.7 

12  36.3 ± 3.5  37.0 ± 4.2 Uncorr=uncorrected for fluid intake or loss 

TBW Data analysis for plateau estimation  

Based on the methods most widely discussed in the literature, the following three 

methods of assessing TBW plateau equilibration were evaluated in the present study 

(Colley, 2007; Salazar et al., 1994; Wong et al., 1988). 

Method 1: Plateau defined as the earliest time‐point when consecutive enrichment 

values become ≤ 2% different from the previous hour. 

Method 2: Plateau defined as the earliest time‐point when consecutive enrichment 

values become ≤ 3% different from the previous hour. 

Page 111: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

91  

Method 3: Plateau defined as the earliest time‐point which is ≤ 2% different from 

the enrichment level at hour 6. 

In the urine analysis (Figure 4.3), using the most commonly cited method (1) of ≤ 2% 

of previous value; the proportion of participants equilibrated at hour 4 was 60%. This 

proportion increased to 90% by hour 6 and 100% by hour 7. The proportions for 

saliva (Figure 4.4) were 60% at hour 4, 100% by hour 6 and 7. 

Figure 4.2: TBW (kg) urine (uncorrected) values over time in hours 

 

 

Figure 4.3: Time to isotopic equilibration for all 3 methods for urine 

 

 

 

 

     

 

 

 

 

 

Page 112: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

92  

Figure 4.4: Time to isotopic equilibration for all 3 methods ‐ saliva 

 

 

 

 

 

 

Key findings to optimal collection time 

Depicted below in Table 4.9 are the points at which urine and saliva TBW (kg) values 

show statistical differences, the shaded areas are statistically non significant 

collection times. With 4 to 10 hour after dosing showing no statistical difference for 

urine and 2 to 6 hours for saliva.  

Table 4.9:  Comparison of TBW (kg), (n=7) urine = U, saliva = S 

Hour  3  4  5 6 7 8 9  10  12

2                          U* 

3        U*  U*  U*  U*  U*  S*  U* 

4              S*        S*  U* 

5                       S*  U* 

6                          U* 

7                          U* 

8                          U* 

9                          U* 

10                            

12                             

U S,* Significance denoted p<0.05 

 

 

Page 113: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

93  

Table 4.10: Statistically non significant collection times shaded in blue 

Hour  Urine TBW (Kg)  Saliva TBW (Kg)  

 uncorr. n=10  uncorr. n=10 

1  56.5 ± 36.7  31.4 ± 3.9 

2  32.9 ± 4.6  33.5 ± 3.9 

3  33.5± 4.0  34.2 ±4.6 

4  33.7 ± 3.9  35.3 ±3.7 

5  34.1 ± 3.9  35.9 ± 3.8 

6  33.9 ± 3.1  34.7 ± 3.8 

7  34.9 ± 3.7  35.7 ± 4.5 

8  35.2 ± 3.7  36.3 ±4.6 

9  34.8 ± 3.2  36.8 ± 4.1 

10  35.5 ± 3.5  36.5 ± 4.2 

11  36.0 ± 3.6  36.9 ± 4.7 

12  36.3 ± 3.5  37.0 ± 4.2  

Key findings and statistical analysis – Question 2: What is the difference in TBW 

(kg) using different equations? 

 

Table 4.11 displays the TBW values resulting from the use of different equations 

when using the average of samples over 4‐10 hours for urine, 2‐6 hours for saliva. In 

the table, “uncorrected” indicates that no correction was made for fluid intake or 

loss. Both plateau and intercept methods were used to derive the TBW values. When 

applying the intercept method, both the equations of Schoeller and Coward were 

used.  

Using this data for statistical analysis Table 4.12 shows that * Significant difference 

(p<0.05) between measure 1 (urine) and measure 3 (urine corrected for fluid loss). 

Also a # Significant difference (p<0.05) between measure 6 (Schoeller saliva) to 

measure 8 (Coward saliva).  

 

Page 114: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

94  

Results  

Table 4.11: Results of TBW (kg) using different equations  

Urine average value 4‐10 hours, saliva average value 2‐6 hours. 

  

Plateau (uncorrected)  

Urine                       Saliva      

Urine D 

plateau 

(corrected for 

urine loss) 

Urine D 

plateau  

(corrected for 

fluid intake) 

TBW –TEE calc. Schoeller 

Urine         Saliva 

TBW –TEE calc. Coward 

Urine         Saliva 

Participant1 33.0  33.8  31.4 32.6  32.1  33.4 36.9  33.4 

2 36.3  35.1  34.6 35.3  35.2  35.9 36.9  36.4 

3 31.9  32.0  29.8 31.7  30.8  30.7 31.5  30.7 

4 41.0  40.0  39.6 40.6  38.9  39.8 39.8  40.3 

5 33.2  34.1  33.0 32.7  30.7  30.1 30.9  30.3 

6 37.2  36.8  36.4 36.8  36.8  35.2 35.7  36 

7 39.3  42.0  38.6 39.3  37.5  39.5 38.4  40.5 

8 35.1  34.1  33.6 34.7  36.6  35.3 36.9  35.8 

9 30.4  29.2  28.5 30.8  29.5  30.1 30.2  30.7 

10 30.3  28.2  27.7 27.8  29.6  30.0 30.3  30.7 

Average   34.8  34.5  33.3 34.2  33.8  34.0 35.4  34.5 

SD  3.7  4.3  4.1 3.9  3.6  3.8 3.4  3.9 

 

Page 115: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

95  

Table 4.12: Descriptive statistics for different equations of TBW estimation 

 (Data from table 4.11) n=10 demonstrates statistical changes over collection period urine 4‐10h, saliva 2‐6 h. 

Methods  Mean  SD  95% Confidence Interval 

Lower Bound  Upper Bound 

Urine uncorrected*  34.8  1.15  32.15  37.38 

Saliva uncorrected  34.5  1.36  31.44  37.61 

Urine corrected loss*  33.3  1.28  30.40  36.23 

Urine corrected intake  34.2  1.24  31.42  37.03 

Schoeller urine  33.8  1.13  31.20  36.34 

Schoeller saliva#  34.0  1.19  31.29  36.70 

Coward  urine  35.4  1.08  32.89  37.80 

Coward saliva#  34.5  1.24  31.66  37.29 

* Significant difference (p<0.05) between measure 1 (urine) and measure 3 (urine corrected for fluid loss).  

 

Page 116: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

96  

Most protocols are usually defined by a fixed collection time which does not cover this wide range for urine and saliva. At QUT, the preferred 

collection times for urine and saliva are 6 h and 4 h, respectively. Table 4.13 displays these single TBW (kg) time points. 

 Statistical analysis of this data is shown in Table 4.14 where urine corrected for fluid loss (measure 3) showed statistical difference (p<0.05) to 

measures 1, 2, 4, 7(respectively urine and saliva uncorrected, urine corrected for fluid intake and TBW derived from the Coward TEE equation). 

All the other methods showed no significance to measure 1(urine uncorrected), the method currently in use. 

Page 117: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

97  

Table 4.13: Results of TBW (kg) using different equations 

 urine 6 hour, saliva 4 hour 

 Participant  Urine plateau 

(uncorrected)  

Urine     Saliva 

Urine plateau 

(corrected for 

urine loss)* 

Urine plateau  

(corrected for fluid 

intake)  

TBW ‐ TEE calc. 

(urine) 

Schoeller 

TBW ‐ TEE 

calc. 

(saliva) 

TBW ‐ TEE 

calc. (urine) 

Coward 

TBW ‐ TEE 

calc. 

(saliva) 

 Average   SD 

1 33.0 33.4  31.6  32.7  32.1  33.4  36.9  33.4  33.2  1.8 

2 35.4 35.8  34.1  34.9  35.2  35.9  36.9  36.4  35.3  1.2 

3 32.1 32.2  29.8  32.1  30.8  30.7  31.5  30.7  31.1  0.8 

4 41.1 40.6  39.8  40.6  38.9  39.8  39.8  40.3  40.1  0.7 

5 32.9 34.2  32.4  34.4  30.7  30.1  30.9  30.3  32.2  2.4 

6 36.6 36.5  35.7  36.1  36.8  35.2  35.7  36.5  36.1  0.5 

7 39.7 41.4  39.1  39.7  37.5  39.5  38.4  40.5  39.4  1.1 

8 35.0 34.2  33.6  34.4  36.6  35.3  36.9  35.8  35.2  1.2 

9 30.4 29.8  29.3  29.3  29.5  30.1  30.2  30.7  29.7  0.8 

10 30.2    28.4  28.2  29.6  30.5  30.3  30.7  29.3  1.2 

Average  34.6 35.3  33.3  34.2  33.8  34.6  35.4  34.5 

SD  3.7 3.8  4.0  4.2  3.6  3.8  3.4  3.9 

Page 118: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

98  

 

Table 4.14: Statistical comparison of TBW (kg) using different equations 

 Urine 6 hour, saliva 4 hour 

   Measure  Mean  Std. Error  95% Confidence Interval  Sig. to measure 

   Lower Bound  Upper Bound    

Urine uncorrected 6h  1  35.1  1.22 32.42 37.90  1*3  

Saliva uncorrected 4h  2  35.3  1.34 32.53 38.23  2*3  

Urine corrected loss 6h  3  33.8  1.35 30.95 36.82  3*1,2,4,7 

Urine corrected intake 6h  4  34.9  1.26 32.22 37.72   

Schoeller urine  5  34.2  1.27 31.63 36.91   

Schoeller saliva  6  34.4  1.29 31.67 37.34  6*8 

Coward urine  7  35.9  1.00 33.50 38.33  7*3 

Coward saliva    8  34.9  1.32 31.91 37.90  8*6 

 

 

Page 119: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

99  

Key findings and statistical analysis: ‐ Question 3: What is the impact of time 

variability on body composition (i.e. %body fat) estimates derived from TBW and 

do these differ from values obtained by other modalities – DXA, BODPOD and BIA? 

Results 

The following tables listed below show the derived % Body fat data and the relative 

statistical comparison of each section;  

1. % Body fat derived from urine TBW data collected over all the collection time 

points (hours 1‐12) (Table 4.15.) 

2. A comparison of % Body fat values derived from BODPOD, BIA, DXA and TBW 

(urine and saliva) over time points that are routinely in use i.e. Urine 6h. 

Saliva 4h (Table 4.16) 

3. A comparison of % Body fat values derived from TBW and TEE data (Table 

4.17, Table 4.18) 

Page 120: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

100  

Percent Body fat derived from TBW all collection times 

Data of the 10 participants is presented in TBW kg for 12 hour. Not all the 

participants could provide a sample every hour. Shaded area indicates sampling 

times which were not statistically significantly different shown between hours 4‐10.  

Table 4.15: TBW (kg) and percent body fat data  

Hour  Uncorr TBW(Kg) n=10  %Body Fat (n=10) derived from uncorr TBW 

1  56.5 ± 36.7  ‐10.7 ± 51.0

2  32.9 ± 4.6 32.3 ± 4.5

3  33.5± 4.0 31.1 ± 6.1

4  33.7 ± 3.9 30.3 ± 6.3

5  34.1 ± 3.9 29.6 ± 6.3

6  33.9 ± 3.1 27.3 ± 6.3

7  34.9 ± 3.7 27.8 ± 7.3

8  35.2 ± 3.7 27.2 ±7.3

9  34.8 ± 3.2 25.5 ± 6.6

10  35.5 ± 3.5 25.9 ± 7.6

11  36.0 ± 3.6 25.4 ± 9.9

12  36.3 ± 3.5 24.8 ± 8.0

In the laboratory at IHBI, the % body fat values are derived from either TBW or DLW 

estimations, but other measurements (DXA, BODPOD, and BIA) are also used to 

verify the results. Raw data from the IRMS is presented in Table 4.16. The statistical 

comparison of % body fat derived from TBW and equipment (Table 4.17), showed 

significant statistical difference p<0.05between urine (hour 6) and saliva (hour 4). 

The comparison of % body fat derived from TBW and TEE (Table 4.18), showed 

significant differences between Schoeller and Coward saliva, when using all the data 

for all 10 participants. When correcting for dose protocols, no statistical differences 

were shown.

Page 121: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

101  

Table 4.16: % Body fat values derived from different equipment and equations urine h 6, saliva h 4 

ID  BODPOD  BIA  DEXA  Urine Plat 

uncorrected 

6h 

Saliva plat 

uncorrected 

4h 

Urine 

plateau 

corrected  

urine loss 

6h 

Urine 

plateau 

corrected 

fluid 

intake 6h 

TBW ‐ 

TEE calc 

(urine) 

Schoeller 

TBW ‐ 

TEE calc 

(saliva) 

TBW ‐ 

TEE calc 

(urine)  

Coward 

TBW ‐ 

TEE calc 

(saliva) 

1  28.6 27.6  35.1 33.0 33.4 31.6 32.7 31.1 30.3 33.1 28.5

2  20.1 21.8  19.0 35.4 35.8 34.1 34.9 20.0 19.1 18.1 17.3

3  27.3 24.2  29.9 32.1 32.2 29.8 32.1 29.8 30.1 28.2 26.9

4  42.8 35.3  45.1 41.1 40.6 39.8 40.6 41.7 39.2 40.3 39.0

5  28.7 31.0  34.4 32.9 34.2 32.0 34.4 35.3 37.6 33.8 35.7

6  25.0 28.8  27.0 36.6 36.5 35.7 36.1 36.6 39.4 38.5 37.6

7  25.2 28.2 39.7 41.4 39.1 39.7 28.7 25.7 27.0 23.9

8  29.0 28.8  33.0 35.0 34.2 33.6 34.4 25.9 29.0 24.1 26.7

9  16.4 24.4  16.4 30.4 29.8 29.0 29.3 19.2 17.9 17.3 15.6

10  30.0 24.9  30.0 30.2    28.4 28.0 30.2 29.2 28.5 28.3

Av  27.3 27.7  29.8 34.6 35.3 33.3 34.2 29.9 29.8 28.9 28

SD  6.9 4.1  8.2 3.7 3.8 4 4 7 7.6 7.8 7.9

 

 

Page 122: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

102  

Table 4.17: Statistical comparison of percent body fat derivatives from TBW and equipment measurements  

urine h 6 and saliva h 4.( data from table 4.2.10 ) 

  Method Mean Std. Error 95% Confidence Interval 

Lower Bound Upper Bound

BODPOD  1  28.45  2.4  22.54  34.32 

BIA  2*#  28.16  1.6  24.22  31.91 

DXA  3  31.23  3.1  23.71  38.70 

Urine uncorrected 6  4*  34.90  1.2  31.93  37.84 

Saliva uncorrected 4 5#  34.81  1.2  31.80  37.83 

* Significant difference (p<0.05) between method 2 and 4, 

 # Significant difference (p<0.05) between method 2 and 5.  

 

 

 

Page 123: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

103  

Table 4.18: Statistical comparison of % body fat derivatives from TBW and TEE measurements  

Method Measure Mean SD  95% Confidence 

Interval 

Lower Bound Upper Bound

Urine uncorr 6h 1  35.0  1.1 32.5 37.4

Schoeller urine 2  30.1  2.4 24.6 35.5

Schoeller saliva 3*  29.9  2.6 24.0 35.8

Coward urine 4  29.0  2.6 22.9 35.1

Coward saliva  5*  28.1  2.6 21.9 34.3

* Significant difference (p<0.05) between method 3 and 5 when uncorrected for dose protocols 

No statistical differences were shown when correcting for covariance due to the different dose protocols.  

Page 124: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

104  

When comparing body fat values, clear indication must be made of the calculations used to derive the TBW and subsequent % body fat. As 

indicated in the above graphs, there appears that one method is systematically higher than the other, when comparing uncorrected urine TBW 

with TEE and corrected values 

Figure 4.5 Graphical representation of % Body Fat derived from uncorrected urine plateau values and Schoeller TEE urine and saliva values  

 

Page 125: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

105  

Figure 4.6: Graphical representation of %body fat derived from uncorrected urine plateau values and Coward TEE urine and saliva values  

 

Page 126: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

106  

Discussion 

Body composition studies undertaken in the field or laboratory require an accurate 

value for isotopic equilibration, often for diverse cohorts of participants living in 

varying situations.  A few important points must be mentioned with regard to the 

current study and with potential implications for the interpretation and wider 

application of findings. In most body composition studies, larger cohorts are usually 

assessed, so n=10 would be a limiting factor. The findings may not be able to be 

generalized to the wider population which may vary from the physiological status 

and age of the small number of participants. The cohort studied here were fit, 

healthy and well‐hydrated adults, but increased or decreased levels of activity will 

likely have an influence on isotopic turnover rates (van Marken Lichtenbelt et al., 

1994). The participants were fasting in this study and not allowed to exercise or 

consume excessive amounts of water in the first 4 hours, as small differences may 

occur between the fed and fasted state. This may impact on the equilibration time 

due to increased intestinal transport (Westerterp et al., 1995).  

Question 1:  What is the variability in time to isotopic equilibration and optimal 

enrichment plateau time point? 

This study provided an important extension of previous work undertaken at QUT 

where variability in time to isotopic equilibration was investigated (Colley et al., 

2007). Variability in time to isotopic equilibration has important implications on the 

administration of the deuterium dilution technique. A significantly longer time frame 

of 12 hours was investigated in this study whereas previous work at QUT was limited 

to 8 h. Due to the wide variability in the collection times used in other studies, for 

example 3‐4 or 6 h (Janowski et al., 2004; Schoeller et al., 1980; van Marken 

Lichtenbelt et al., 1994) we were interested in further exploration of this issue. Due 

to the widespread use of saliva or urine as the sample medium for body composition 

analyses, we investigated the variability in time to isotopic equilibration as per the 3 

commonly defined methods, and across each of these two media. The 3 different 

methods currently employed to define the optimal value for a plateau are as follows: 

less than a 2% difference from the previous sample; less than 3%, or the 6 h sample. 

Optimal post‐dose sample collection time is when the equilibration point or plateau 

Page 127: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

107  

has been reached and maintained.  It is unrealistic to have different collection 

protocols for each person; therefore it is critical to determine a time point for urine 

collection when data is collected in field studies as variations in individuals will lead 

to erroneous TBW and body composition values. Many individuals will reach isotopic 

equilibration as early as 3‐4 h and most will do so within 6 h.  

In the urine analysis in this study, using the most commonly cited method (1) of ≤ 2% 

of the previous value; the proportion of participants equilibrated at hour 4 was 60%. 

This proportion increased to 90% by hour 6 and to 100% by hour 7. The proportions 

for saliva were 60 % at hour 4, 100% by hour 6 and 7. Using all three cited plateau 

methods, all samples were equilibrated by 7 h. 

Optimal collection time 

Confusion may arise if the assumption is made that the same sampling time protocol 

can be applied to various sampling media, i.e. urine, saliva and serum. The evidence 

in support of a 3 h equilibration time in serum and breath is well established 

(Schoeller et al., 1984). However, equilibration in urine is longer due to a longer time 

for isotopic equilibration of the bladder contents relative to saliva, serum or breath. 

As outlined in Table 4.14, urine samples (hours 2, 3, 12) showed a significant effect 

of time, indicating a collection period between 4 and 10 hours and for the saliva 

samples the optimum collection times would be between 2‐6 hours post dose.  The 

findings of this study are consistent with previous research (Colley et al., 2007; 

Schoeller et al., 1980; Wong et al., 1989), which suggested that a minimum of 6 h is 

required for isotopic equilibration. The finding that 100% of the participants were 

equilibrated at hour 7 is not novel, as some researchers (Westerterp 1994) have 

previously found that a 3‐4 h equilibration time is inadequate and a 10 h overnight 

equilibration time yielded results that were more in line with TBW derived from the 

underwater weighing technique. However, there are many study designs where an 

overnight protocol may not be possible, for example when dosing in the morning is 

undertaken along with other resting measures. The IAEA recommends a second and 

third hourly post dose sample collection after the first 3 hr sample collection. If these 

are within 95% of each other optimal collection time was achieved. 

Page 128: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

108  

 

As shown in this study (Fig.4.3), using methods 1 and 2 for urine, 90% of participants 

had reached equilibration by hour 5, while only for method 2, 100% were 

equilibrated by hour 6. The failure to reach equilibration may be caused by various 

factors including edema, shock, or renal problems however none of the participants 

in the study showed any of these symptoms. In this cohort of participants studied, 

excessive water intake may be a cause of the lower % of equilibration. This may be 

due to higher water turnover in some of the cohort, after hr 4, when restricted water 

consumption was returned to normal personal intake. This intake varied in 

individuals from between 50 mL to 500 mL per hr. 

Collection of samples at a later, rather than earlier time point is preferable as most 

participants in this study had reached an equilibrium point after 6 h. These results 

concur with those of Schoeller et al. (1984) who recommend a 6 h post‐dose 

collection time and van Marken Lichtenbelt and  Westerterp (1994) who prefer an 

overnight (10 h) equilibration protocol.  

Fluid intake 

Several studies using the deuterium dilution technique have strictly controlled diet 

and fluid intake both before and after dosing (Blanc et al., 2002; Racette et al., 1994; 

Schoeller et al., 1980) while others have acknowledged the practical limitations this 

imposes in clinical or field settings (Isenring et al., 2004; Salazar et al., 1994).  

In the present study, water intake was restricted as saliva samples were collected 

every 15 min for the first 2 h and then hourly for the next 10 h. Water intake was 

restricted to 20 min prior to saliva sampling as it would affect the saliva enrichment 

as a result of dilution (Drews et al., 1992). All fluid intake and urine output was 

recorded and corrected in the TBW equations (fluid intake and output). In field work 

this can be very time consuming and inaccurate, so it is seldom reported. However, 

equilibrium is generally reached earlier in the fed state, primarily because of 

increased intestinal transport and absorption through the intestine wall (Hill et al., 

2004; van Marken Lichtenbelt et al., 1994). All the participants in this study were 

Page 129: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

109  

fasted, so equilibration may have been achieved earlier if they had not been in a 

fasted state. However, despite this possibility, it is suggested that samples are 

collected at a later time rather than earlier to cover any isotopic equilibration 

inconsistencies caused by delayed bladder emptying in an older population and fluid 

shifts in the body due to the fasting state and slower intestinal transport. 

Question 2: Differences in TBW estimations using different equations 

Using the equations shown in Table 4.12, there was a significant difference between 

the equations used in the plateau method, urine TBW corrected for fluid loss 

compared to the current method in use TBW (uncorrected). The other equations 

showed no statistical differences. The plateau method currently in use at QUT, 

where no correction is made for fluid intake or output of urine over the 6h 

equilibration, showed no statistical difference to the TBW values generated by either 

the Schoeller or Coward equations. This concurs with research completed by 

Schoeller (1984) and Westerterp (1994) where no statistical differences were noted 

for the different approaches in the intercept method using urine as the medium.  

Question 3: What is the impact of time variability on body composition i.e. percent 

body fat estimates derived from TBW and do these differ from values obtained by 

other modalities – DXA, BODPOD, BIA?  

To standardize the collection protocol, providing there is no negative cost factors 

involved, the argument would be to collect the post‐dose sample at 6 h for urine. 

Reference time‐points have been established by a number of researchers to 

minimize collection error in sampling and hence standardize TBW results and derived 

body composition measurements. Larger numbers than studied within this cohort 

would have to be done to determine the clinical differences that may be observed, 

by altering the collection times and hence derived % body fat values.  

The values obtained following the QUT protocol of a 6 h urine and 4 h saliva 

collection are shown in Table 4.16 and Table 4.17. BIA (measure 2) was statistically 

different to uncorrected urine and saliva, (measures 4 and 5 respectively). The small 

cohort number and diverse BMI ranges (19‐29) may have had an impact on the 

statistical data. In Table 4.18, Coward saliva( measure 5) was statistically different to 

Page 130: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

110  

Schoeller saliva(measure 3), but not to any other measure. However, after 

accounting for the different dosing protocols used, no statistical differences were 

found.  

Conclusion 

The results of this study confirm the importance of consistent application of a well 

structured protocol. There should not be changes made to the collection times 

within the study, and a minimum equilibration time of 4 and not more than 10 hours 

should be employed for urine samples. Further, given the differences between 

sample mediums, using the same medium within each study is important. Finally 

consistent use of equations to convert sample data to TBW values is important as 

the various equations will influence the results.   

Page 131: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

111  

Chapter5 

Chapter 5 

The hypothesis addressed within in this Chapter is: Can the TEE data and 

covariance graphs track the changes brought about by altered fluid intake and 

activity? 

Introduction and literature review  

Determination of energy expenditure is fundamental to investigations of human 

energy metabolism, particularly when examining the adaptation of energy 

metabolism to the following conditions: growth, aging, over and underfeeding and 

physical activity. The generally accepted technique for measuring energy 

expenditure in free‐living human subjects is the doubly labeled water technique. It 

has been extensively used in a variety of circumstances over the last twenty years 

and its popularity has rapidly grown, as a result of its ease of use, non‐invasive 

nature and the price reduction in oxygen‐18 due to increased production caused by 

global demand.  

The underlying principle of the doubly labeled water technique is based on the 

kinetics of two stable isotopes of water, namely deuterium (2H2O) and oxygen‐

18(H218O). It is assumed that water labeled in the oxygen position will be eliminated 

from the body both as CO2 and H2O, whereas the hydrogen labeled water will be 

eliminated only as a function of water turnover. The difference between the two 

elimination rates is a measure of CO2 production. Oxygen consumption can then be 

calculated from the rates of CO2 production together with the food quotient data. 

Subsequently energy expenditure can then be derived using Weir’s equation (Weir, 

1949). 

The DLW technique appears deceptively simple however there are many overlapping 

complicating factors in play. These include changes in body composition during the 

study period, changes in water intake, changing levels of physical activity, and 

variations in baseline water intake (Goran et al., 1994; Herd et al., 2000; Speakman, 

1998). The main component of the daily energy turnover in the average individual is 

Page 132: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

112  

the energy expenditure for maintenance processes, as reflected by the resting 

metabolic rate (RMR). The remaining components of TEE are the Thermic Effect of a 

meal (TEF) and the activity‐induced energy expenditure (AEE). TEF is a fraction of 

<10% of energy intake, depending on the macronutrient composition of the food 

consumed. AEE is the most variable component of the daily energy turnover, on 

average ranging between 25–35% of TEE up to 75% in extreme situations during 

heavy, sustained exercise (Goran et al., 1994; Westerterp 1998). 

The purpose of this study was to examine the effects of alterations in physical 

activity and water intake on the estimation of TEE in a sedentary person. This 

objective was achieved by manipulating energy expenditure by increasing the 

number of daily steps taken and by changing the daily fluid intake.  

Subject and method  

A 56 year‐old female was the participant; and not selected based on any age, activity 

level, or body composition criteria. No renal or voiding dysfunctions were indicated. 

Blood pressure was normal (120/80 mmHg), she was a non‐smoker and had been 

weight stable for the last 6 months. The study was approved by the University 

Human Research Ethics Committee 0800000223. 

Design 

The study was designed to measure TEE firstly at a baseline, and then repeat the 

measurement of TEE when changes were made to either the number of daily steps 

or fluid consumed (based on the baseline levels) over three studies across an 8‐

month period. 

Study 1: No interference with regard to water intake or activity, TEE baseline to be 

established to represent normal daily living. 

Study 2: The activity level was altered by increasing the number of daily steps 

taken. 

The second study was comprised of altering the activity level over a 2 day block in 

Week 1 and 2 of the 14‐day collection period. The daily steps were increased by 

Page 133: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

113  

3000  per day over the 2 day block from a starting point of approximately 40,000 

steps in week 1( approximately 6‐7000 steps per day).  

Study3: The fluid intake was changed from Week 1 to 2 while activity levels were 

kept constant. 

Within the third  study, fluid intake was kept constant at a daily intake of 2 L and 

activity levels were recorded for Week 1. In Week 2, the fluid intake was increased to 

a daily intake of 4 L for the duration of the week and the activity mimicked that of 

Week 1. 

Protocol 

Dosing, sample collection and analysis 

After collecting an early morning fasting urine sample, a dose of DLW (1.30 g/kg 

TBW) was orally ingested. This consisted of 0.05 g/kg body weight of 99% 2H2O 

(Sigma Aldrich) and 1.25 g/kg body weight of 10% 18O. Due to low deuterium 

enrichment values, the dose was increased for parts 2‐5 to 1.35 g DLW/kg body 

weight consisting of 0.1 g 99% 2H2O and 1.25 g kg 10%18O. Subsequent to dosing a 6 

h and thereafter daily second voided urines were collected for 14 days. All collection 

times were noted and converted to decimal time to facilitate the calculations of TEE. 

The samples were labeled and frozen at ‐20°C until the completion of the study, 

where they were analyzed at the Queensland University of Technology (Brisbane, 

Australia). All activity was measured with a pedometer and a Triaxial Actigraph GT3X 

accelerometer. This was worn during all waking hours on the waistband directly 

above the left knee, and programmed to collect data every 60 sec.  

Measurements 

Total Energy Expenditure 

Total EE was measured using the DLW technique. Two stable, non‐radioactive, non‐

toxic isotopes of hydrogen (deuterium, 2H) and oxygen (18O) in the form of water, i.e. 

2H2O and H218O, were administered to the subject. The subject consumed 0.1 g/kg of 

body weight of deuterium (100%) and 1.25 g/kg of body weight 18O (10%), 

administered via a plastic cup and drinking straw. The dose consumed was recorded 

Page 134: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

114  

to two decimal places of a gram. A single urine sample was obtained before the 

dose, and subsequently urine samples were collected 6‐h post‐dose and thence 

every 24‐h for the following 14‐d. All samples were collected in 20 mL Universal 

tubes and subsequently frozen. The subject was instructed to record the time each 

urine sample was collected. The enrichment of both the deuterium and 18O samples 

were measured in triplicate via isotope ratio mass spectrometry (Hydra, PDZ Europa, 

UK), with the results being expressed in delta units as ‰ (per mil) relative to 

standard mean ocean water (SMOW).TEE in kcal/day was calculated using the 

Schoeller equation. (Refer Chapter 2). 

An RMR was measured during the baseline study and this value was applied to all 

the subsequent studies. 

Measurement of the thermic effect of a meal 

TEF was estimated as being 10% of TEE value estimated for each study. 

Statistical analysis/Results 

Statistical analysis 

All values presented are averages of triplicate raw IRMS data readings for each 

analysis. This data was used in the Schoeller et al. equation (Schoeller et al., 1987) to 

generate TEE values and corresponding elimination rates and dilution spaces. The 

“Jack knife” method (Broemeling et al., 1993) was employed to detect any 

questionable results. Body composition values were derived from the TBW (kg) 

values estimated by the intercept method (Refer chapter 2 for more detail). Steps 

counts were calculated for each day and average weekly values are presented in the 

tables below. 

Results 

Tabulated below are the results for each study. Where No and Nd are the dilution 

spaces for deuterium and oxygen‐18 respectively.  The Nd/No is the dilution space 

ratio which should be in the range previously determined to be 1.015‐1.065 (IAEA, 

Schoeller).This range is also an indicator if the data used is sound as variances from 

these range are not physiologically possible or normal. The elimination rates are the 

Page 135: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

115  

average rate of elimination over the 14 day time period for both deuterium (kd) 

which is lost as water and the oxygen‐18(ko) which is lost as both water and breath 

vapor. Excessive fluid intakes and activity changes may alter these variables but it 

will depend on the intensity of the exercise relative to the person’s fitness and size, 

and the quantity of fluid ingested relative to their size. The Ko/Kd ratio is an indicator 

of the elimination rate of both isotopes is (1.2‐1.4 ;IDECG report) for ambient 

temperatures and low water turnover, which is not adhered to in table below due to 

water and exercise variances. 

Page 136: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

116  

Table 5.1: Dilution spaces and elimination rates per day  

   Study  No(kg)  Nd(kg)  Nd/No  Elimination rates  Elimination 

rates 

ko/kd 

ko  kd 

Baseline  1  37.90  40.00  1.06  ‐0.13  ‐0.11  1.20 

Increased steps days 4,8,9,14  2  37.52  39.36  1.05  ‐0.14  ‐0.12  1.22 

Increased water, week 1=2L, week 

2=4L  3  36.93  38.81  1.05  ‐0.15  ‐0.13  1.16 

 

 

 

 

 

 

Page 137: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

117  

Table 5.2: TEE (kcal/day), daily water intake and step count per week 

    Study   Baseline 

fluid  

Increased 

fluid  

Steps 

week1 

Steps 

week2 

Total 

steps  

Change in 

steps from 

baseline (%) 

RMR  

(baseline  

value 

used)  

wt kg   Measured TEE  

kcal/day 

Change in 

TEE from 

baseline (%)

 8% 

variance 

on baseline 

TEE  

Baseline  1  2L  2L  45899 42345 88244    1455  92.0  2281   

 

Increased steps days 

4,8,9,14  2  2L  2L  47227 53981 101208 15  1455  92.2  2657  16.5  >8% 

Increased water, 

week 1=2L, week 

2=4L  

3  2L  4L  44799 41939 86738  ‐2  1455  91.8  1995  ‐14.3  >8% 

            

      

 

 

 

 

Page 138: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

118  

 

Table 5.3 Comparison of values using Jack knife method 

TEE (kcal day)    average SD CV% SEM Study 

minus 6 h d1  d2  d8 d10 d12 d13   

     

2228  2243  2287 2300 2273 2287 2340 2280 37.04 1.62 13.12 1 

2561  2634  2623 2638 2631 2562 2674 2617 41.65 1.52 15.73 2 

2021  1949  1985 2001 1967 1952 2100 1996 52.62 2.61 19.90 3 

     

     

 

 

 

Page 139: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

119  

 

Table 5.4 Comparison of TBW (kg) values derived from TEE intercept during the 5 studies 

Study  TBW (kg)  TBW  (kg) TBW av. 

(kg) 

   18O derived 2H derived

1  37.6 40.0 38.0

2  37.2 37.8 37.5

3  36.6 37.2 36.9

 

Average  37.1 38.3 37.5

SD  0.50 1.47 0.55

CV%  1.36 3.85 1.47

Page 140: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

120  

Results 

The age, weight, and height of the subject was 56 y, 92 kg, and 178 cm, respectively. The isotopic data is shown in Table 5.1. The dilution space 

for 18O was approximately 37 450 mL and for 2H, 39 390 mL. The respective elimination rates of 18O and 2H are detailed in Table 5.2 and the 

average rates were ko 0.1400 and kd 0.1200. Daily TEE was in kcal as per Table 5.2 and the average daily water turnover was 2103 L.  

Covariance residuals 

Covariance residuals are the difference obtained between the calculated values, based on the isotope (deuterium or oxygen‐18) elimination 

rates (kd and ko) and the measured values derived from the IRMS. These differences are indicative of the precision of analytical measurement, 

and also indicate changes in water intake and activity (Prentice, 1990). 

The figures depicted below in the comparison of covariance residuals show good agreement between the deuterium and oxygen18 results, 

indicating that the analytical estimation of both isotopes was precise across the 3 studies. Imprecision would be indicated by a deviation of the 

points away from each other. 

 

 

 

 

 

Page 141: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

121  

Figure 5.1: Comparison of covariance residuals based on samples pre, 6 h, d 1, 2, 8, 10, 12, 13 

Both oxygen‐18 and deuterium graphs track each other indicating analytical precision. 

Study 1 baseline          Study2 increased steps day 4, 8,9,14 

         

  Study 3 water wk 1 = 2 L, week 2= 4 L     

     

Page 142: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

122  

Ratio plots and product plots 

The residual product plots depicted below are indicative of water turnover (Prentice, 1990).Deviations away from the zero line are indicators 

where water turnover has fluctuated. In studies 2 and 3 there are variances around the zero line when compared to study 1. The residuals do 

appear to be of a greater magnitude in the second part of study 3, where the water intake was increased. The product plots are indicators of 

CO2 turnover and where activity is not excessive in that the person is not breathing heavily the plots follow the zero line.In studies 1, 2 and 3, 

the activities may not have been of an excessive enough nature to increase the CO2 turnover as is indicated by the plots remaining around the 

zero line.. 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 143: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

123  

Figure 5.2: Residual product plots (water turnover) based on samples pre, 6 h, d 1, 2, 8, 10, 12, 13 

Study 1 baseline                Study 2 increased steps day 4, 8,9,14 

         

Study 3 water wk 1=2 L, week 2 =4 L         

     

 

 

Page 144: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

124  

Figure 5.3: Ratio residual plots (CO2 production) based on samples pre, 6 h, d 1, 2, 8, 10, 12, 13 

Study1 baseline            Study 2 steps day 4, 8, 9, 14 

         

  Study 3 water wk 1=2 L, week 2 =4 L       

     

Page 145: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

125  

Discussion 

 

A combination of biological variation and analytical error will account for an experimental 

error of ± 8.5% (Goran et al., 1994; Prentice, 1990; Schoeller et al., 1995). Under tightly 

controlled diet and living conditions where RMR, diet and activity are constantly monitored 

the experimental reliability of the TEE result was ± 8.5%. However, in more free‐living 

individuals it is suggested that a value of 12% may be more realistic to account for inherent 

intra individual variation (Goran et al., 1994). In the laboratory an 8% variation may be 

expected to account for technique, seasonal variation and machine error. In the current 

study, based on the baseline measure it would be expected that, the average daily EE of the 

participant could range between 2099 kcal and 2463 kcal applying the 8% rule.  

The covariance values (Figure 5.1) track each other in the plots and are representative of 

“well behaved” data and are indicative of the analytical accuracy. The ratio and product 

plots (Figures 5.2, 5.3) indicate the water turnover and CO2 production and do reflect the 

changes in activity. This is illustrated in Study 2 where extra steps were undertaken on days 

4, 8, 9, 14(approx = 12,000 steps) and normal activity step values for the other days, 

resulting in an increased CO2 production. The elimination rates show variability but fit with 

the water intake and activity. Nd/No results were within the acceptable limits of 1.034 ± 

0.03. The IDECG Workshop recommended that 1.015‐1.060 should be adopted as an 

acceptable range. Where water intake was increased the Ko/Kd ratio falls slightly below 1.2 

due to the K and Ko rate being increased. The recommended range in the literature for 

ambient temperature and low water turnover is 1.2‐1.4 (Prentice, 1990). 

Conclusion 

Because of the importance of routine physical activity and leisure‐time exercise in the 

prevention of disease and the maintenance of health, methods have been developed to 

quantify physical activity at population levels. Amongst these methods are TEE by DLW, 

accelerometers, heart rate monitors and physical activity diaries.  

Within this study, accelerometer and the DLW technique were used to quantify the energy 

cost of increasing daily activity as would be prescribed to a sedentary person undertaking a 

fitness program. There were no significant changes in total body water across all the studies, 

Page 146: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

126  

even though the elimination rates changed with extra water intake and activities. These may 

not have been sufficiently strenuous or the water intake high enough to cause a significant 

change in the TBW and hence the CO2 production and TEE values. RMR was only measured 

at the start of study 1 and the value then used for all the other studies, as the participant 

was weight stable and the activities were not physically strenuous.  

As diet records were not kept for all 3 studies it was necessary to assume a respiratory 

quotient of 0.85 rather than determine one based on diet composition. However, in effect, 

changing the respiratory quotient to, for example, 0.90, changes the subject’s calculated EE 

in study 1 from 2278 kcal to 2178 kcal, a difference of only 1%. Thus, an alteration of this 

magnitude still falls close to the range of the subject’s EE as determined by the 8% variation 

predetermined in literature (Goran et al., 1994; Schoeller et al., 1995). 

An inevitable loss of precision will occur when DLW technique is used under high ambient 

temperatures, causing high rates of water turnover with a consequent reduction in Ko/Kd 

ratio  (Prentice, 1990) . For this reason, the dose was increased to ensure analytical 

precision. A potential error in DLW estimations is the measurements of the two 

disappearances rates of 2H and 18O. This error can be magnified when the water turnover 

rates are high, giving a lower ko/kd ratio. To counter this problem, more data points were 

analyzed to measure the outflow rates of the isotopes. 

Systematic changes in water flux and CO2 production may cause errors in the dilution space 

calculations. When the variable pool model is used and both dilution spaces are calculated 

by back extrapolation to time zero, the systematic errors are increased (Prentice, 1990; 

Schoeller et al., 1986).To counter this pitfall in the multi‐point methodology, close 

observation of the residual plots would identify outlier points which could be rejected end 

the data recalculated or the Jack knife system used to identify questionable points.  

The rationale of this case‐study was to test 1 person over 3 situations to determine if the 

method was sensitive enough to detect the fluctuations in activity and water intake. The 

findings of this series of studies demonstrate that changes in water turnover and activity can 

be tracked. In study 2 the TEE values reflected the increase in added physical activity. 

However the findings of study 3, where water intake was increased separate to increasing 

physical activity levels, suggests that variability in fluid intake of this magnitude may cause 

Page 147: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

127  

spurious TEE results. The TEE value obtained in study 3 was lower than expected due to an 

isotopic washout effect which was not related to energy turnover. This can be seen from the 

resulting TBW values for this period being lower than the TBW values calculated in studies 1 

and 2.  However to place meaningful estimations on these graphs, more data across a wider 

spectrum of the population needs to be collected to determine what changes are inherent 

noise and what reflect significant changes in energy expenditure. 

   

Page 148: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

128  

Chapter 6 

 

In conclusion, the data generated within this thesis has highlighted the following points for 

the questions. 

The methodological and analytical variances in the IRMS in TEE and TBW 

measurements to establish baseline “noise” 

Research questions for analytical variance on the IRMS: 

The following research questions were posed to determine the technical and measurement 

error in the equipment and methodology in use within the laboratories at QUT and IHBI.  

The following points have been confirmed with regard to sample preparation and analysis 

on the IRMS at IHBI. 

Volume changes for oxygen‐18 analyzed on the IHBI IRMS equipment have a SD within 

the “within” analytical variance levels of 0.4 delta SMOW units for volumes of 0.5 and 

0.4 mL but not for 0.3 mL. Therefore, it is recommended that volumes of either 0.3 or 

0.4 mL be used for both deuterium and oxygen‐18 analysis. Volume changes for 

deuterium analyzed on the IHBI IRMS equipment fall within the variance levels of 6 delta 

SMOW units for all volumes. Despite being statistically significant it is not of clinical 

significance in the TEE or TBW calculations as the standard error is within the “noise 

range” of the equipment and would always need to be considered before any result is 

significant. 

 

The equilibration time for oxygen‐18 is a minimum of 24 h and a maximum of 2 weeks; 

deuterium a minimum of 3 days and a maximum of 2 weeks does not affect the values 

and gives results that are greater than the machine variability. The main proviso is that 

the references and samples are prepared simultaneously and analyzed together. In 

doing so, any upward or downward shift that may occur over time will affect the 

reference and burp values equally.  

Analyses in triplicate provide better statistical output. It also provides duplicate values in 

case one sample is invalid. It is suggested that as many samples (collected in the 14 day 

collection period) as possible be analyzed to ensure a stable elimination rate line if water 

Page 149: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

129  

turnover and/or activity is excessive. The preferred samples to be analyzed are pre, 6 h, 

d1‐3, d7, 8, d12‐14, cost and time permitting. 

For the vacuum line, any order of preparation is suitable as the TEE values fall within 8% 

of each other regardless of preparation order. An 8% variation is acceptable for the TEE 

values due to biological and technical errors (Schoeller, 1988). However, for the 

automated line deuterium must be assessed first followed by oxygen‐18 as the 

automated machine line does not evacuate tubes but merely refills them with an 

injection of gas for a predetermined time. Any fractionation (which may occur for both 

isotopes), would cause a slight elevation in the values and hence a lower TEE.  

The position of the sample in the carousel will not affect the TEE as the results have a CV 

of 1.5%, which is  within the laboratory dependant analytical precision in the literature 

of 3% or greater(de Jonge et al., 2007; Schoeller et al., 1995). 

To ensure that position is not a determining factor in TEE calculations the following 

conditions should be adhered to: 

The beam size variation due to gas flow must be kept to a CV of less than 2%. 

References must be placed within the batch at intervals of no greater than 20 tubes to 

ensure there is no machine drift and to enable drift correction when the software is 

applied to the raw data.  

Although temperature in the laboratory was not systematically altered, it was found that 

within the laboratories at IHBI, as long as all the samples and standards to be analyzed 

within a batch are prepared together and left together in a batch, prior to analysis, 

temperature will not be a consideration. 

 

With regard to the TEE and TBW measurements in use in our laboratory, the following 

methodological studies were undertaken. 

Does the use of different regression equations and equation constants result in 

different TEE values? 

Does the use of saliva or urine affect the final TEE result? 

Page 150: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

130  

In this study, the different equations of Schoeller and Coward were applied to the raw 

data. 

Given the differences in the equations, the TBW values for both were identical and there 

was no significant effect of equation or time, but the TEE values derived showed a 

significant main effect of time and equation (p<0.05) for samples collected in the 

morning and evening. When correlations were made to correct for the different dose 

protocols (1.30 g DLW/kg body weight as opposed to 1.35 g DLW/kg body weight) there 

was no effect of time or equation.  

To provide clarity for other researchers comparing TEE values, the equation used and an 

indication of values obtained would provide more information for comparison. Other 

measures should also be carried out such as resting metabolic rate, food intake and 

body composition assessment during the study period. The aim of these measurements 

would be to provide equivalence between energy inputs and outputs during the study 

period. Each measurement would provide, in part, validation of the DLW technique 

results. However, it is critical that the initial isotopic enrichments are carefully examined 

with quality controls and covariance checks to ensure the integrity of the data, 

regardless of which equation is used. 

 

Within the estimation of TBW using stable isotopes 

What is the variability in time to isotopic equilibrium using plasma, saliva and urine 

samples and the impact of this variability on estimates of TBW and body composition 

(derived and measured)? 

What is the difference in TBW using different equations (Intercept vs Plateau) 

Variability in time to equilibration ‐ the optimal time for urine collection is between 

hours 4 and 10 where there was no significant difference between values. In contrast, 

between hours 1 to 3 and from 11 h onwards, there was significant statistical difference 

(p<0.05). Across the collection time frame subjects reached equilibration at varying time 

points. However, for consistency and applicability across a range of people, 6 h should 

be recommended as the time required reaching isotopic equilibration. 

Page 151: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

131  

Optimal post‐dose sample collection time is when the equilibration point or plateau has 

been reached and maintained. As it is unrealistic to have different collection protocols 

for each person, it is critical to determine an optimal time point for urine collection in 

field studies as individual variations will lead to erroneous TBW and body composition 

values. Collection of samples at a later, rather than earlier time‐point, is preferable as 

most of the individuals in this study were compliant after 7 h. Schoeller et al,  (Schoeller, 

1988) recommend a 6 h post‐dose collection time and Westerterp and van Marken 

Lichtenbelt (Westerterp et al., 1995) prefer an overnight (10 h) equilibration protocol. To 

cover any isotopic equilibration inconsistencies caused by delayed bladder emptying in 

older populations, fluid shifts in the body due to fasting state and slower intestinal 

transport, it is suggested that samples are collected at a later rather than earlier time. 

 

The effect of fluid intake during the equilibration period was monitored. Several studies 

using the deuterium dilution technique have strictly controlled diet and fluid intake both 

before and after dosing (Blanc et al., 2002; Racette et al., 1994; Schoeller, 1983), while 

others have acknowledged the practical limitations this imposes in clinical or field 

settings (Isenring et al., 2004; Salazar et al., 1994). Water intake was restricted to 20 min 

prior to saliva sampling as it would affect the saliva enrichment as a result of dilution 

(Drews et al., 1992). All fluid intake and urine output was recorded and corrected in the 

TBW equations (fluid intake and output). In field work this can be very time consuming 

and inaccurate so it is seldom reported. However, equilibrium is generally reached 

earlier in the fed state, primarily because of increased intestinal transport and 

absorption through the intestine wall (van Marken Lichtenbelt, Westerterp et al. 1994). 

All the participants in this study were fasted so perhaps equilibration may have been 

achieved earlier if they had not been in a fasted state.  

 

Differences in TBW estimations using different equations.  Compared to the current 

method in use (TBW derived from urine, uncorrected), only TBW derived from urine 

samples corrected for fluid intake over the collection period was different (TBW = 34.82 

± 3.75 L for uncorrected urine versus 33.10 ± 4.34 L for urine corrected for fluid loss, p = 

0.008). The other equations showed no statistical differences. 

 

Page 152: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

132  

Within Study 4 

“If the human condition changes as a result of exercise or excessive water intake 

does it affect the TEE result?” 

There were no significant changes in total body water across all studies, even though the 

elimination rates changed with extra water intake and activities. The extra activity may not 

have been sufficiently strenuous or the water intake high enough to cause a significant 

change in the TBW and hence the CO2 production and TEE values.  

An inevitable loss of precision will occur when the DLW technique is used under high 

ambient temperatures, causing high rates of water turnover with a consequent reduction in 

Ko/Kd ratio (Prentice, 1990). For this reason, the dose was increased to ensure analytical 

precision. A potential error in DLW estimations is the measurement of the two 

disappearance rates of 2H and 18O. This error can be magnified when the water turnover 

rates are high, giving a lower ko/kd ratio. To counter this problem, more data points were 

analyzed to measure the outflow rates of the isotopes. 

The covariance values (Figure 5.1) track in the plots and are representative of “well‐

behaved” data and are indicative of the analytical accuracy. The ratio and product plots 

(Figures 5.2, 5.3) indicate the water turnover and CO2 production and do identify the 

changes in activity. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 153: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

133  

The following is a proposed “checklist” to ensure consistent and accurate functioning of the 

IRMS and results in the laboratory; 

The beam size variation due to gas flow must be kept to a CV of less than 2%. 

References must be placed within the batch at intervals of no greater than 20 tubes 

to ensure there is no machine drift and to enable drift correction when the software 

is applied to the raw data. 

Standards used to calibrate the data (IAEA standards) should bracket the range of 

expected isotopic values expected from the samples. 

Run all samples in duplicate, or budgetary constraints allowing running with 

triplicates is preferable to “break the tie” (Jardine et al., 2005). 

Sample preparation – deuterium first then oxygen‐18. 

Sample volume 0.5 or 0.4 mL. 

Sample equilibration for deuterium: 3‐14 days and for oxygen ‐18: 1‐14 days. 

All samples in a batch must be prepared at the same time. 

Equation‐ Schoeller or Coward 

Use either both as neither is more correct or accurate than the other. 

Report both results as they may not report the same values, which would then give 

other researchers a chance to evaluate your results against theirs in a true fashion. 

Check the endpoint values for deuterium >128‰ and oxygen‐18>8‰, if not use the 

previous day’s results. 

Nd:No dilution space between 1.0‐1.07. 

Calculate TEE by dropping one data point at a time ‐ an agreement within 8% for 

each result generated. 

Check TBW (kg) value by TBW (kg)/ Ht. ^3(m.). Flag results if they fall out of the 5.7‐

9.6 range. 

R2 of the regression line for elimination rates should be >0.99. 

Residual spaces co varies for deuterium and oxygen‐18. 

 

   

Page 154: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

134  

Bibliography 

Australia's Health. (2000). Australian Institute of Health and Welfare, Canberra.  

 

Bauer, J., Capra, S., & Davies, P. (2005). Estimation of total body water from foot‐to‐foot 

bioelectrical impedance analysis in patients with cancer cachexia ‐agreement 

between three prediction methods and deuterium oxide dilution. J. Hum. Nutr. 

Dietet, 18, 295‐300. 

 

Black, A. E., Prentice, A. M., & Coward, W. A. (1986). Use of food quotients to predict 

respiratory quotients for the doubly ‐labelled water method of measuring energy 

expenditure. Human Nutrition: Clinical Nutrion, 40C, 381‐391. 

 

Blanc, S., Colligan, A., Trabulsi, J., Harris, T., Everhardt, J. E., Bauer, D., et al. (2002). Influence 

of delayed isotopic equilibration in urine on the accuracy of the 2H218O method in the 

elderly. J.Applied Physiology, 92, 1036‐1044. 

 

Broemeling, L. D., & Wolfe, A. (1993). Measuring intrasubject variability: use of the jacknife 

in doubly labeled water experiments. J Appl Physiol, 75, 1507‐1512. 

 

Budzikiewicz, H., & Grigsby, R. D. (2005). Mass Spectrometry and Isotopes: a century of 

research and discussion. Mass Spectrometry Reviews, 25, 146‐157. 

 

Byrne, N. M., Hills, A. P., & Hunter, G. R. (2005). Metabolic equivalent: one size does not fit 

all. J of Applied Physiology, 99(3), 1112‐1119. 

 

Chamney, P. W., Wabel, P., Moissl, U. M., Muller, M. J., Bosy‐Westphal, A., Forth, O., et al. 

(2007). A whole‐body model to distinguish excess fluid from the hydration of major 

body tissues. Am J Clin Nutr 85, 80‐89. 

 

Cole, T. J., & Coward, W. A. (1992). Precision and accuracy of doubly labeled water energy 

expenditure by two point and multipoint methods. Am. J. Physiol. 

(Endocrinol.Metab.), 26, E965‐E973. 

Page 155: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

135  

 

Colley, R. (2007). Quantifying the effect of exercise on total energy expenditure in obese 

women. Thesis QUT_IHBI 

 

Colley, R. C., Byrne, N., & Hills, A. (2007). Implications of the variability in time to isotopic 

equilibrium in the deuterium dilution technique. Eur J Clin Nutr, 61(11), 1250‐1255. 

 

Coward, W. A. (1988). The doubly labeled water (2H218O) method: principles and practice. 

Proc of the Nutrition Society, 47, 209‐218. 

 

Coward, W. A., & Cole, T. J. (1991). The doubly labelled water method for the measurement 

of energy expenditure in humans: Risks and benefits. New Technologies in Nutrition 

Research, 139‐176. 

 

de Jonge, L., DeLaney, J. P., Nguyen, T., & Howard, J. (2007). Validation study of energy 

expenditure and intake during calorie restriction using doubly labeled water and 

changes in body composition. Am.J.Clin.Nutr, 85, 73‐79. 

 

Delaney, P. J., & Lovejoy, J. C. (1996). Energy Expenditure. Endocrinology and Metabolism 

Clinics of North America, 25(4) 

 

Diamond, P., Bronde, l. L., & LeBlanc, J. (1985). Palatability and postprandial thermogenesis 

in dogs. Am. J. Physiol. Endocrinol .Metab., 248, E75‐E79. 

 

Dolnikowski, G. D., Marsh, J. B., Das, S. K., & Welty, F. K. (2005). Stable isotopes in obesity 

research. Mas Spec Rev, 24, 311‐327. 

 

Drews, D., & Stein, T. P. (1992). Effect of bolus intake on energy expenditure values as 

determined by the doubly labeled water method. J. Applied Physiology :, 72(1), 82‐

86. 

 

Page 156: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

136  

Elia, M. (1992). Body composition analysis: an evaluation of 2 component models, 

multicomponent models and bedside techniques. Clin Nutr., 11(3), 114‐127. 

 

Ellis, K. (2000). Human Body composition methods. Physiological Reviews, 80(2), 650‐671. 

 

Fjeld, C. (1988). Energy expenditure of malnourished children during catch‐up growth. Proc. 

of the Nutr Soc., 47, 227‐231. 

 

Goran, M., Poehlman, E. T., Nair, S., & Danforth, E. (1994). Experimental reliability of the 

doubly labeled water technique. Am. J. Physiol. Endocrinol Metab, 266(Endocrinol 

Metab 29), E510‐E515. 

 

Goran, M., Shewchuk, R., Gower, B., Nagy, T., Carpenter, W. H., Johnson, R. K. (1998). 

Longitudinal changes in fatness in white children: no effect of childhood energy 

expenditure. Am. J. Clin Nutr., 67, 309‐316. 

 

Haggarty, P., & McGaw, B. A. (1988). Non‐restrictive methods for measuring energy 

expenditure. Proc. of the Nutrition Society, 47, 365‐374. 

 

Halliday, D., & Miller, A. G. (1977). Precise measurement of Total Body Water using trace 

quantities of Deuterium Oxide. Biomedical Mass Spectrometry, 4, 82‐87. 

 

Herd, S., Vaughn, W. H., & Goran, M. (2000). Comparison of Zinc reduction with Platinum 

reduction for analysis of deuterium‐enriched water samples for the doubly labeled 

water technique Obes Res., 8, 302‐308. 

 

Hill, R., Bluck, L. J. C., & Davies, P. S. W. (2004). Using a non‐invasive stable isotope tracer to 

measure the absorption of water in humans. Rapid Communications in Mass 

Spectrometry, 18, 701‐706. 

 

Page 157: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

137  

Horvitz, M. A., & Schoeller, D. A. (2001). Natural abundance deuterium and 18‐oxygen 

effects on the precision of the doubly labeled water method. Am. J. Physiol. 

Endocrinol. Metab., 280, E965‐E972. 

 

Hossain, P., Kawar, B., & El Nahas, M. (2007). Obesity and diabetes in the developing World ‐ 

a growing challenge. N.Eng. J. Med., 356(3), 213‐215. 

 

International Atomic Energy Agency, I. (2009). Assessment of Body Composition and Total 

Energy Expenditure in Humans by Stable Isotope Techniques,IAEA Human health 

series No.3, IAEA, Vienna 

 

Isenring, E., Bauer, J., S, C., & Davies, P. S. W. (2004). Evaluation of foot‐tofoot bioelectrical 

impedance analysis for the prediction of total body water in oncology outpatients 

receiving radiotherapy. European Journal of Clinical Nutrition, 58, 46‐51. 

 

Janowski, C. M., & Sonko, B. J. (2004). Deuterium dilution: The time course of 2H 

enrichment in saliva, urine and serum. Clinical Chemistry, 50(9), 1699‐1701. 

 

Jardine, T., & Cunjak, R. A. (2005). Analytical error in stable isotope ecology. Oecologica, 

144, 528‐533. 

 

Lifson, N. (1966). Theory of use of turnover rates of body water for measuring energy and 

material balnce. J. Theor. Biol., 12, 46‐74. 

 

Lukaski, H. C., & Johnson, P. E. (1985). A simple inexpensive method of determining total 

body water using a tracer dose of D2O and infrared absorption of biological fluids. 

Am. J. Clin Nutr., 41, 363‐370. 

 

Mahabir, S., Baer, D. J., & Giffen, C. (2006). Comparison of energy expenditure estimates 

from 4 physical activity 

questionnaires with doubly labeled water estimates in postmenopausal women. Am J Clin 

Nutr, 84, 230‐236. 

Page 158: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

138  

Melanson, E., & Freedson, P. (1996). Physical activity assessment: a review of methods. Crit 

Rev Food Sci Nutr., 36, 385‐396. 

 

Mendez, J., E, Prokop, E., Picon‐Reategui, R., & Buskirk, E. R. (1970). Total body water by 

D2O dilution using saliva samples and gas chromatography. Journal of Applied 

Physiology, 28, 354‐357. 

 

Montoye, H., Kemper, H., Saris, W., & Washburn, R. (1996). Measuring physical activity and 

energy expenditure. Human Kinetics, Champaign 

 

Pace, N., & Rathburn, E. N. (1945). Studies on body composition,111. The body water and 

chemically combined nitrogen content in relation to fat content. J.Biolog. Chem., 

158, 685‐691. 

 

Prentice, A. M. (1990). The doubly‐labeled water method for measuring energy 

expenditure:A consensus report by the IDECG working group. IAEA and International 

Dietary Energy Consultancy group (IDEGC) 

 

Prosser, S. J., Brookes, S. T.,  Linton, A.,Preston ,T. (1991). Rapid automated analysis of 

13Cand 18O of CO2 in gas samples by continuous‐flow , isotope ratio mass 

spectrometry. Biolog. Mass Spectrom., 20, 724‐730. 

 

Prosser, S. J., & Scrimgeour, C. M. (1994). High‐precision determination of 2H/1H in H2 and 

H2O by continuous‐flow isotope ratio mass‐spectrometry. Anal Chem, 67, 1992‐1997. 

 

Racette, S. B., Schoeller, D. A., & Luke, A. H. (1994). Relative dilution spaces of 2H and 180 

labeled water in humans. AmJ. Physiol, 267, E585‐E590. 

 

Ritz, P., Johnson, P. G., & Coward , W. A. (1994). Measurements of 2H and 18O in body water: 

analytical considerations and physiological implications. B.J.Nutrition, 72, 3‐12. 

 

Page 159: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

139  

Roberts, S. B., Dietz, W., & Sharp, T. (1995). Multi laboratory comparison of the doubly 

labelled water technique. Obes. Research, 3((Suppl 1)), 3‐13. 

 

Rush, E. C., Plank, L. D., Davies, P. S. W., Watson, P., & Wall, C. R. (2003). Body composition 

and physical activity in New Zealand Maori, Pacific and European children aged 5‐14 

years. British Journal of Nutrition, 90, 1133‐1139. 

 

Salazar, G., Infante , C., & Vio, F. (1994). Deuterium equilibration time in infant's body water. 

European Journal of Clinical Nutrition, 48, 475‐481. 

 

Schloerb, P. R., Friis‐Hansen, B. J., Edelman, I. S., Solomon, A. K., & Moore , F. D. (1950). The 

measurement of total body water in the human subject by deuterium oxide dilution; 

with a consideration of the dynamics of deuterium distribution. Journal of Clinical 

Investigation, 29(10), 1296‐1310. 

 

Schoeller, D. A. (1983). Energy expenditure from doubly labeled water: some fundamental 

cosiderations in humans. Am. J. Clin. Nutr., 38, 999‐1005. 

 

Schoeller, D. A. (1988). Measurement of energy expenditure in free‐living humans using 

doubly labeled water. J. Nutr., 118, 1278‐1289. 

 

Schoeller, D. A. (1999). Recent advances from application of doubly labeled water to 

measurement of human energy expenditure. J. Nutr., 129, 1765‐1768. 

 

Schoeller, D. A., Colligan, A. S., Shriver, T., Aval, H., & Bartok‐Olson, C. (2000). Use of an 

automated chromium reduction system for hydrogen isotope ratio analysis of 

physiological fluida applied to doubly labeled water analysis. Journal of Mass 

Spectrometry, 35, 1128‐1135. 

 

Schoeller, D. A., & Hnilicka, J. (1996). Reliability of the doubly labeled water method for the 

measurement of total daily energy expenditure in free‐living subjects. J. Nutr., 

126(1), 348S‐354S. 

Page 160: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

140  

Schoeller, D. A., & Jefford, G. (2002). Determinants of the energy costs of light activities: 

inferences for interpreting doubly labeled water data. International Journal of 

obesity, 26, 97‐101. 

 

Schoeller, D. A., & Jones, P. (1987). Measurement of total body water by isotope dilution: a 

unified approach to calculations. In Vivo Body Composition Studies. K. J.Ellis, S. 

Yasumura and W. Morgan. London, Institute of Physical Science, 131‐137. 

 

Schoeller, D. A., Leitch, C. A., & Brown, C. (1986). Doubly labeled water method: in vivo 

oxygen and hydrogen isotope fractionation. Am.J. Physiol.(Regulatory Integrative 

Comp. Physiol), 251(20), R1137‐R1143. 

 

Schoeller, D. A., Taylor, P. B., & Shay, K. (1995). Analytic requirements for the doubly labeled 

water method. Obes. Res., 3(suppl 1), 15‐20. 

 

Schoeller, D. A., & van Santen, E. (1982). Measurement of energy expenditure in humans by 

doubly labeled water. J. Applied Physiology :Respirat.Environ. Exercise Physiol., 53(4), 

955‐959. 

 

Schoeller, D. A., van Santen, E., & Peterson, D. W. (1980). Total body water measurements 

in humans with 180 and 2H labelled water. Am. J. Clin Nutr., 33, 2686‐2693. 

 

Schoeller, D. A., & Webb, P. (1984). Five‐day comparison of the doubly labeled water 

method with respiratory gas exchange. Am J. Clin Nutr., 40, 153‐158. 

 

Scrimgeour, C. M., Rollo, M. M., Mudambo, S. M., Handley, L., & Prosser, S. (1993). A 

simplified method for deuterium/hydrogen isotope ratio measurements on water 

sample sof biological origin. Biological Mass Spectrometry, 22, 383‐387. 

 

Semyon, G., & Rabinovich, E. (2000). Measurement Errors and Uncertainties 3rd edition. 

Theory and Practice. Springer 

 

Page 161: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

141  

Shetty, P. (2005). Energy requirements of adults. Public Health Nutrition, 8(7A), 994‐1009. 

 

Slater, C., & Preston, T. (2005). A simple prediction of total body water to aid quality control 

in isotope dilution studies in subjects from 3‐87 years of age. Isotope Environm. 

Health Stud, 41(2), 99‐107. 

 

Smith, D., Engel, B., Diskin, A. M., Spanel, P., & Davies, S. J. (2002). Comparative 

measurements of total body water in healthy volunteers by online breath deuterium 

measurement and other near‐subject methods. Am. J. Clin. Nutrition, 76, 1295‐1301. 

 

Speakman, J. (1998). The history and theory of the doubly labeled water technique. Am. J. 

Clin. Nutr., 68((suppl)), 932S‐938S. 

 

Speakman, J. (2005). Comaprison of different approaches for the calculation of energy 

expenditure using doubly labeled water in small mammal. Physiological and 

Biochemical Zoology, 78(4), 650‐667. 

 

Tooze, J. A., & Schoeller, D. A. (2007). Total daily energy expenditure among middle‐aged 

men and women:the OPEN study. Am. J. Clin. Nutr., 86, 382‐387. 

 

van Marken Lichtenbelt, W. D., Westerterp , K. R., & Wouters, L. (1994). Deuterium dilution 

as a method for determining total body water: effect of test protocol an dsampling 

time. British Journal of Nutrition, 72, 491‐497. 

 

Weir, J. B. (1949). New methods for calculating metabolic rate with special refernce to 

protein metabolism. J. Physiol, 109((1‐2)), 1‐9. 

 

Westerterp , K. R. (1998). Energy requirements assessed using the doubly‐labelled water 

method. British Journal of Nutrition, 80, 217‐218. 

 

Westerterp, K. R. (1999). Body composition , water turnover and energy turnover 

assessment with labelled water. Proc of the Nutrition Society, 58, 945‐951. 

Page 162: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

142  

Westerterp, K. R., & Plasqui, G. (2004). Physical activity and human energy expenditure. 

Clinical and Medical Nutrition and Metabolic Care, 7, 607‐613. 

 

Westerterp, K. R., Wouters, L., & van Marken Lichtenbelt , W. D. (1995). The Maastricht 

Protocol for the measurement of body composition and energy expenditure with 

labeled water. Obes. Res., 3((suppl 1)), 49‐57. 

 

Wong, W. W. (2003). Body Composition Measurements with 2H and 18O Isotope Dilution. . 

Stable Isotopes in Human Nutrition‐Laboratory Methods and Research 

Applications.S. A. Abrams and W. W. Wong, New York: CABI Publishing, 107‐126. 

 

Wong, W. W., Butte, N. F., Smith, E. O. B., Garza , C., & Klein, P. D. (1989). Body composition 

of lactating women determined by anthropometry and deuterium dilution. British 

Journal of Nutrition, 61, 25‐33. 

 

Wong, W. W., Cochran, W. J., & Klish , W. (1988). In vivo isotope‐ fractionation factors and 

the measurement of deuterium‐and oxygen‐18‐dilution spaces from plasma, urine, 

saliva, respiratory water vapour and carbon dioxide. Am. J. Clin. Nutr., 47, 1‐6. 

 

Wong, W. W., & Klein , P. D. (1986). A review of techniques for the preparation of biological 

samples for mass‐spectrometric measurements of hydrogen‐2/hydrogen‐1 and 

oxygen‐18/oxygen‐16 isotope ratios. Mass Spectrometry Reviews, 5, 313‐342. 

 

Wong, W. W., Lee, L. S., & Klein, P. D. (1987). Deuterium and oxygen‐18 measurements on 

microliter sample sof urine, plasma, saliva and human milk. Am. J. Clin. Nutr., 45, 

905‐913. 

 

Wood, H. G., Werkman , C. H., Hemingway, A., & Nier , A. O. (1940). Heavy Carbon as a  

Tracer in Bacterial Fixation of Carbon Dioxide. J. Biol. Chem 135: , 789 ‐ 790. 

 

Page 163: Measurement of total body water (TBW) and total energy ...eprints.qut.edu.au/44135/1/Cornelia_Wishart_Thesis.pdf · Measurement of total body water (TBW) and total energy expenditure

143  

World Health Organisation (2003). Diet, nutrition and the prevention of chronic 

diseases:report of a joint WHO/FAO expert consultation, Geneva, 28 january‐1 

February 2002. WHO technical support series, 916 Geneva Switzerland