Dynamics of cardiac repolarization during exercise:rate-dependence and prognostic significance

Abstract Based on experimental studies, heterogeneous ventricular repolarization has been suggested to predispose to the onset of life-threatening ventricular arrhythmias and subsequent studies in various patient populations have associated it with poor clinical outcome. The aim of this study was to assess the dynamics of ventricular repolarization from electrocardiogram (ECG) during a standard exercise stress test with techniques based on principal component analysis, and to investigate whether they would yield valuable prognostic information on cardiac mortality and sudden cardiac death. Exercise ECG recordings from 40 healthy men and women were analyzed in order to establish normal dynamics and rate-dependence for the spatial QRS/T angle and total cosine R to T (TCRT), which reflects the spatial deviation between the depolarization and repolarization wave-fronts. Subsequently, exercise ECG recordings from 20 patients with previous myocardial infarction (MI) were compared with 20 controls in order to assess the modulation of previous MI on the dynamics of TCRT. The prognostic value of abnormal dynamics and rate-dependence of TCRT and spatial QRS/T angle were assessed in 1,297 patients referred to a clinically indicated exercise stress test. The spatial QRS/T angle and TCRT were found to be significantly rate-dependent during both exercise and recovery periods as TCRT and the cosine of the spatial QRS/T angle decreased at higher heart rates (HR), indicating increase in the global heterogeneity of the ventricular repolarization. In the post-MI group, the dynamics of TCRT were impaired with a significantly lower rate-dependence in contrast to the healthy and control groups. In the study cohort, impaired rate-dependence of TCRT during both exercise and recovery periods was an independent predictor of cardiac and sudden cardiac death during the follow up of the study. Similarly, reduction of the area between the exercise and three-minute recovery TCRT/HR curves was associated with an increased risk of cardiac and sudden cardiac death. In conclusion, dynamics and rate-dependence of TCRT and spatial QRS/T angle are able to discriminate subjects with an increased risk of cardiac and sudden cardiac death. Reduced rate-dependence of TCRT during exercise and recovery periods, as well as decreased exercise-recovery hysteresis of TCRT, are significant predictors of cardiac and sudden cardiac death.Tiivistelmä Sydämen kammioiden poikkeavan palautumisen on kokeellisissa tutkimuksissa havaittu altistavan kammioperäisille rytmihäiriöille. Lisäksi, useat tutkimukset erilaisissa potilasaineistoissa ovat osoittaneet sen olevan yhteydessä heikkoon kliiniseen ennusteeseen. Tämän työn tarkoituksena oli analysoida sydämen kammioiden repolarisaation dynamiikkaa sydänsähkökäyrästä (EKG) rasituskokeen aikana pääkomponenttianalyysiin perustuvilla menetelmillä sekä tutkia, ennustavatko uudet muuttujat sydänperäistä kuolemaa tai sydänperäistä äkkikuolemaa. Neljänkymmenen terveen miehen ja naisen rasitus-EKG:t analysoitiin depolarisaatio- ja repolarisaatioaaltojen välistä avaruudellista kulmaa kuvaavan ’total cosine R to T’:n (TCRT) sekä kolmiulotteisen QRS/T-kulman dynamiikan sekä sykeriippuvuuden normaaliarvojen määrittämiseksi. Lisäksi, vertailtiin 20 sydäninfarktin sairastaneen sekä 20 kontrollipotilaan rasitusmittauksia aiemman infarktin TCRT:n dynamiikkaan sekä sykeriippuvuuteen aiheuttaman modulaation määrittämiseksi. Muuttujien poikkeavan dynamiikan ennustearvoa testattiin 1297 rasitus-EKG-mittaukseen lähetteen saaneella potilaalla. Sekä TCRT että avaruudellisen QRS/T-kulman kosini olivat molemmat erittäin sykeriippuvaisia sekä rasituksessa että palautumisessa. Molemmat muuttujat pienenivät sykkeen (HR) kasvaessa, osoittaen kammioiden repolarisaation heterogeenisyyden kasvua korkeammilla syketaajuuksilla. Sydäninfarktin sairastaneilla potilailla muuttujien dynamiikka ja sykeriippuvuus olivat heikentyneitä. Kohorttiaineistossa heikentynyt sykeriippuvuus sekä rasituksen että palautumisen aikana ennustivat myöhempää sydänperäistä kuolemaa sekä sydänperäistä äkkikuolemaa itsenäisesti. Vastaavasti, rasituksen ja kolmen minuutin palautumisen aikaisten TCRT/HR kuvaajien väliin jäävän pinta-alan pienentyminen oli yhteydessä korkeampaan sydänperäisen kuoleman sekä sydänperäisen äkkikuoleman riskiin. Kammioiden repolarisaation dynamiikkaa kuvaavat muuttujat pystyvät erottelemaan potilaat, joilla on korkeampi riski kokea sydänperäinen kuolema tai sydänperäinen äkkikuolema. Poikkeavan alhainen sykeriippuvuus rasituksen ja palautumisen aikana sekä alentunut rasituksen ja palautumisen välinen hystereesi olivat merkittäviä sydänperäisen kuoleman sekä sydänperäisen äkkikuoleman ennustajia